Контроль твердости и структуры

Контролю на твердость подвергаются все детали, проходящие термообработку в термических цехах. Длинные детали — валы, трубы, прутки испытываются с двух концов. При массовом производстве разрешается производить выборочный контроль твердости. Количество деталей, проходящих испытания, указывается в государственных стандартах. Обязательно испытываются каждая плавка и каждая партия (садка) обработанных деталей.

В термических цехах наиболее распространены методы контроля твердости на прессах. Эти методы основаны на вдавливании закаленного шарика, алмазного конуса и алмазной пирамиды соответственно прессами ТШ (твердомер шариковый), ТК (твердомер с конусом) и ТП (твердомер с пирамидой). Твердость определяется по величине получаемого отпечатка; на прессах ТК значение твердости сразу указывается на шкале индикатора.

Нормализованные и отожженные детали проверяются на твердость при вдавливании шарика прессом ТШ (Бринелль) или ТК (Роквелл), а закаленные детали — при вдавливании алмазного конуса прессами ТК. Испытание алмазной пирамидой с помощью прессов ТП (Виккерс) в цеховых условиях используется лишь при определении твердости тонких слоев металла например после азотирования или хромирования. Чаще при испытании на прессе ТШ применяют шарик диаметром 10 мм при нагрузке 3000 кг и времени выдержки под нагрузкой 30 с. Чем мягче материал и меньше толщина стенки испытуемой детали, тем незначительнее нагрузка и диаметр шарика.

Производительность прессов, в зависимости от размера деталей, колеблется в следующих пределах: ТШ 50-80 шт/ч, ТК 70 до 150 шт/ч.

В последнее время разработана методика определения по твердости не только предела прочности, но также предела текучести и других механических характеристик. Твердость отдельных микроструктурных составляющих измеряется приборами микротвердости (ПМТ-2 и ПМТ-3) при нагрузке на индикатор от 2 до 200 г. Отпечаток измеряется специальным микроскопом (увеличение в 8 и 400 раз). Твердость поверхностно закаленных больших деталей, например валков холодной прокатки, контролируется по методу упругой отдачи приборами ШРС (Шор). Мерой твердости Яо т является высота отскока от детали стального бойка массой 2,5 г, падающего с высоты 254 мм. Шкала прибора имеет 140 равных делений, причем деление 100 соответствует твердости высокоуглеродистой стали, закаленной на мартенсит.

Твердость стали определяют чаще всего методами Бринелля или Роквелла, реже методом Виккерса.

Метод Бринелля. Определение твердости по методу Бринелля основано на вдавливании в предварительно отшлифованную поверхность испытуемого материала под определенной нагрузкой стального закаленного шарика. По размеру полученного на испытуемом материале отпечатка судят о его твердости.

Для испытания твердости стали по методу Бринелля применяют приборы (рис. 8.1.) с пределами измерений от 8 до 450 единиц. Испытуемый образец помешают на столике, подвижно закрепленном на станине прибора. Система рычагов передает многократно увеличенную нагрузку от груза к шарику, вдавливаемому в образец. Шарик подрессорен пружиной. При передаче нагрузки поворачивается эксцентрик и срабатывает звонок, показывающий, что нагрузка достигла заданного предела.

Диаметры стальных шариков, вдавливаемых в испытуемый материал, устанавливают в зависимости от прилагаемой нагрузки. Так, при диаметре 2,5 мм нагрузки на стальной шарик составляют 625 и 1875 Н; при диаметре 5 мм — 2,5 и 7,5 кН, при диаметре 10 мм — 10 и 30 кН. Для испытания стали обычно применяют стальные шарики диаметром 10 мм при нагрузке 30 кН.

Рисунок 8.1. Схема прибора Бринелля:
1- столик; 2- шарик; 3- пружина; 4-6- рычаги; 7- груз; 8- эксцентрик; 9-звонок

Рисунок 8.2. Отсчетный микроскоп:
1- упор; 2- окно; 3- объектив; 4- корпус; S- винт; б -втулка; 7-тубус; 8-окуляр

Величину полученного на образце стали отпечатка измеряют отсчетным микроскопом с ценой деления 0,05 мм и с полем зрения не менее 6,5 мм. Некоторые типы приборов снабжены проекционным устройством, которое позволяет измерять диаметр отпечатка на экране.

Отсчетный микроскоп (рис. 8.2) состоит из корпуса, заканчивающегося внизу упором, и тубуса, вставленного во втулку корпуса. Тубус вверху заканчивается окуляром, а внизу — объективом. Чтобы определить размер отпечатка, микроскоп устанавливают на поверхность испытанного материала так, чтобы отверстие в упоре микроскопа располагалось концентрично с отпечатком. Окно поворачивают в направлении источника света и, вращая винт, добиваются резкого изображения поверхности отпечатка. Встроенную в микроскоп оптическую шкалу настраивают вращением обечайки окуляра.

Для испытания применяют образцы стали толщиной не менее чем 10-кратная глубина отпечатка. У отобранных для испытания образцов шлифовальным кругом или напильником так обрабатывают поверхность, чтобы края отпечатка были достаточно отчетливы для измерения его диаметра. Для испытания нельзя применять образцы, имеющие на поверхности окалину или другие посторонние вещества. Образец во время испытаний не должен прогибаться и смещаться.

Подготовленный образец стали закрепляют на столике (см. рис. 8.1) и включают прибор, постепенно прилагая нагрузку. Время выдержки при полной нагрузке 10с. Диаметр отпечатка измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях. За диаметр принимают его среднее арифметическое значение, при этом разность измерений диаметров одного отпечатка не должна превышать 2% меньшего из них.

Метод Бринелля применяют для сталей, твердость которых не более 450. Между твердостью по Бринеллю и пределом прочности стали а существует зависимость: а = 0,36НВ, справедливая для сталей с содержанием углерода до 0,8%.

Конструкции приборов Роквелла и Бринелля аналогичны — в приборе Роквелла также используется рычажная система нагружения. Плавность подачи нагрузки достигается с помощью масляного тормоза.

Глубину вдавливания шарика или конуса измеряют по шкале индикатора, установленного на приборе. Индикатор снабжен тремя шкалами А, В и С, соответствующими различным условиям испытаний (шкалы А и С служат при испытании алмазным конусом при основной нагрузке F\ соответственно 0,6 и 1,5 кН, а шкала В — при испытании стальным шариком при нагрузке кН). Глубину вдавливания по индикатору определяют с погрешностью не более 0,01 мм.

Рисунок 8.3. Схемы определения твердости стали по Роквеллу: а-шариком; б-алмазным конусом.

Число твердости по Роквеллу отвлеченное; перед числом ставят знак HR с добавлением обозначения шкалы (А, В или С), по которой производилось испытание (например, HRB ПО).