ЗАДАНИЕ. 1. Изучить основные методы измерения твёрдости металлов и сплавов, а также особенности их применения.

Цель работы:

1. Изучить основные методы измерения твёрдости металлов и сплавов, а также особенности их применения.

2. Приобрести практические навыки работы с твердомерами различных систем.

 

Порядок выполнения работы и содержание отчета:

1. Изучить методику определения твёрдости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу и сделать краткую запись в виде таблицы (см.табл.1).
2. Определить твёрдость образца методами Бринелля и Роквелла. Для получения достоверных средних значений произвести замер твёрдости не менее 3 раз каждым из методов. Результаты определения твёрдости оформить в виде таблицы по прилагаемым образцам (см. табл. 3, 5).

 

Необходимые материалы и приборы:

1. Маркированные образцы сталей с твердостью не выше 450 .
2. Твердомер Бринелля.
3. Твердомер Роквелла.
4. Микроскоп МПБ-2.
5. Таблица для определения и перевода твёрдости.

 

ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА ТВЕРДОСТЬ

Таблица 1

Недостатки       Достоинства       Единицы измере ния       Обозначение твердос ти           Нагрузки           Тип индентора, шкала           Характеристика испытуемого материала, область применения             Бринелль Роквелл Виккерс

2.2. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЁРДОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

 

Под твёрдостью понимают свойство поверхностного слоя материала сопротивляться упругой и пластической деформации или разрушению при местных контактных воздействиях со стороны другого, более твёрдого тела (индентора) определённой формы и размеров.

Разнообразие применяемых методов и разный физический смысл числа твёрдости затрудняют выработку общего определения твердости как механического свойства. В разных методах и при различных условиях проведения испытаний числа твёрдости могут характеризовать упругие свойства, сопротивление малым и большим пластическим деформациям, сопротивление материала разрушению.

По широте применения испытания на твёрдость, особенно при комнатной температуре, конкурируют с наиболее распространёнными испытаниями на статическое растяжение. Это объясняется простотой и высокой производительностью, отсутствием разрушения образца, возможностью оценки свойств отдельных структурных составляющих и тонких слоев на малой площади, легко устанавливаемой связью результатов определения твёрдости с данными другими испытаний. Так, например, по значению твёрдости металла или изделия из него можно с достаточной для практики достоверностью установить предел прочности на растяжение, а также косвенно судить об износостойкости, упругих свойствах, структуре материала, его технологических свойствах и т.д.

Наибольшее применение нашли три основных метода определения твердости, основанные на статическом вдавливании индентора: метод Бринелля, метод Роквелла и метод Виккерса.

Метод Бринелля применим лишь для определения твёрдости, не превышающей , так как в качестве индентора используется стальной закалённый шарик. Особенностью этого метода является возможность определения твёрдости при пластическом деформировании достаточно больших, по сравнению с другими методами, объёмов металла и получение благодаря этому усреднённой характеристики твёрдости. Усреднённая характеристика твёрдости таких заготовок как отливки, поковки и прокат особенно важна для оценки их технологичности при обработке на металлорежущих станках. К недостаткам метода следует отнести низкую точность измерения размеров отпечатков, оставляемых индентором на испытуемой поверхности, и солидную величину самих отпечатков (как правило, диаметр отпечатков составляет несколько миллиметров).

Признание, которое получил метод Роквелла. определяется тем, что он позволяет получить числовое значение твёрдости испытуемого изделия в несколько раз быстрее, чем два других метода. Высокая производительность метода Роквелла обуслословлена тем, что измерение твёрдости сводится к определению глубины отпечатка, причём операция измерения твёрдости сводится к определению глубины отпечатка, при этом операция измерения совмещена по времени с процессом приложения испытательной нагрузки.

Метод вдавливания алмазной пирамиды (метод Виккерса) является самым точным и универсальным. Его используют для контроля твёрдости ответственных деталей, при проведении исследовательских работ и т.д. Благодаря применению малых нагрузок, этот метод может быть использован для контроля твёрдости тонких изделий и вообще изделий малых размеров. Недостаток метод Виккерса - длительность процесса испытания, связанная с необходимостью измерения отпечатка с помощью микроскопа.

Во всех методах испытания на твёрдость очень важно правильно подготовить поверхностный слой образца. Он должен по возможности полно характеризовать испытуемый металл. Все поверхностные дефекты (окалина, вмятины, грубые риски и т. п.) должны быть удалены. Требования к качеству испытуемой поверхности зависят от применяемого индентора и величины прилагаемой нагрузки. Чем меньше глубина вдавливания индентора, тем лучше должна быть подготовлена поверхность и тем более строго надо следить за тем, чтобы свойства поверхностного слоя не изменились вследствие наклёпа или разогрева при шлифовании и полировке.

 

2.2.1. Определение твёрдости по Бринеллю

 

Схема измерения. Определение твёрдости по Бринеллю основано на статическом вдавливании стального закалённого шарика диаметром 2,5 мм, 5 мм или 10 мм в поверхность испытуемого изделия под нагрузкой от 187,5 до 3000 в течение секунд. После снятия нагрузки измеряют диаметр отпечатка, оставшегося на поверхности изделия (рис1.). В поверхностном слое под индентором идёт интенсивная пластическая деформация, а диаметр отпечатка получается тем меньше, чем выше сопротивление материала изделия деформации, производимой индентором.

 

Рис. 1. Схема измерения твердости по Бринеллю.

Число твёрдости по Бринеллю есть отношение нагрузки , действующей на шаровой индентор диаметром , к площади шаровой поверхности отпечатка:

 

(1)

Число твёрдости имеет размерность напряжения , однако в соответствии со стандартом она не пишется. При определении твёрдости шариком с под нагрузкой и времени выдержки число твёрдости записывается так: , , и т.д. При использовании других условий испытаний индекс дополняют числами, указывающими диаметр шарика , нагрузку и время выдержки . Например: .

Это число твёрдости по Бринеллю , полученное при вдавливании шарика диаметром 5 мм под нагрузкой в течение .

Чтобы не прибегать к длительным вычислениям твёрдости по формуле, на практике используют специальную таблицу 2. Для этого достаточно измерить диаметр отпечатка и по его величине определить в таблице число твёрдости .

Соотношение чисел твердости, определенных различными методами.

Таблица №2

Диаметр отпечатка в мм	При испытании вдавливанием
Стального шарика 10/3000 (на приборе типа Бринелля)	Алмазного конуса или стального шарика (на приборе типа Роквелла), при различных нагрузках	Алмазной пирамиды (на приборе типа Виккерса)
150 (конус)	60 (конус)	100 (шарик)
2,20				-
2,25				-
2,30				-
2,35				-
2,40				-
2,45				-
2,50				-
2,55				-
2,60				-
2,65				-
2,70				-
2,75				-
2,80				-
2,85				-
2,90				-
2,95				-
3,00				-
3,05				-
3,10				-
3,15				-
3,20				-
3,25				-
3,30				-
3,35				-
3,40				-
3,45				-
3,50				-
3,55				-
3,60				-
3,65				-
3,70				-
3,75				-
3,80				-
3,85				-
3,90
3,95
4,00
4,05
4,10
4,15
4,20
4,25
4,30
4,35
4,40
4,45
4,50
4,55
4,60
4,65
4,70
4,75
4,80
4,85		-	-
4,90		-	-
4,95		-	-
5,00		-	-
5,05		-	-
5,10		-	-
5,15		-	-
5,20		-	-
5,25		-	-
5,30		-	-
5,35		-	-
5,40		-	-
5,45		-	-
5,50		-	-
5,55		-	-
5,60		-	-
5,65		-	-
5,70		-	-
5,75		-	-

 

С помощью метода Бринелля можно испытывать материалы с твёрдостью от до . При большей твёрдости образца шарик - индентор остаточно деформируется на величину, превышающую стандартизованный допуск. Минимальная толщина испытуемого образца должна быть не менее 10-ти кратной глубины отпечатка. Поверхность образца должна быть отшлифована так, чтобы края отпечатка были достаточно отчётливы для измерения его диаметра с точностью 0,05 мм. Эти измерения проводят или на инструментальном микроскопе, или с помощью измерительной лупы.

Методика измерения. Наиболее распространённым прибором для испытания на твёрдость по Бринеллю является автоматический рычажный пресс. Прежде, чем приступить к испытаниям, надо подобрать диаметр шарика-индентора и установить необходимую нагрузку. Выбор диаметра шарика и величины нагрузки производится в зависимости от твёрдости и толщины испытуемого материала. При определении твёрдости чёрных металлов (стали и чугуна) чаще всего используют шарик диаметром и нагрузку . С уменьшением толщины материала и его твёрдости применяют шарики меньшего диаметра и меньшую нагрузку.

 

Испытания следует проводить в таком порядке:

1. Отшлифовать образец, обеспечив параллельность его опорной и испытуемой поверхностей, и установить его на предметный столик твердомера, так чтобы центр отпечатка находился на расстоянии не менее 2,5 от края образца.
2. Вращением маховика по часовой стрелке подвести столик с образцом к шарику. Далее продолжать вращать маховик до упора.
3. Нажатием кнопки на боковой стенке прибора включить электродвигатель и, дождавшись его автоматического отключения, отвести столик с образцом вниз путём вращения маховика против часовой стрелки.
4. Снять образец со столика и измерить диаметр полученного отпечатка с точностью до 0,05 мм, пользуясь для этого микроскопом МПБ-2 с 24-кратным увеличением,
5. С помощью специальной таблицы (табл.2) определить число твёрдости испытуемого образца.
6. Для получения достоверного результата рекомендуется делать на каждом образце не менее трёх отпечатков на расстоянии не менее друг от друга.
7. Полученные значения и занести в таблицу по прилагаемой форме и определить среднее значение твёрдости для данного образца.

 

Результаты измерения твёрдости по методу Бринелля

 

Таблица 3

№ образца	Материал образца условия испытания (диаметр шарика , нагрузка , время выдержки )	Диаметры отпечатков, мм	Числа твёрдости по соответствующим отпечаткам,	Среднее значение твёрдости, НВ
I	II	III	I	II	III

 

Определение твёрдости по Роквеллу

Схема измерения. Измерение твёрдости по Роквеллу производят вдавливанием в испытуемый образец (или деталь) алмазного конуса с углом при вершине или стального шарика диаметром 1,5875 .

Вдавливание индентора осуществляется действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной и общей .

(2)

где , - основная нагрузка, равная 50, 90 или 140 .

Число твёрдости по Роквеллу измеряют в условных единицах, и оно является мерой глубины вдавливания индентора под определённой нагрузкой. Схема определения твёрдости приведена на рис.2.

Рис.2. Схема измерения твердости по Роквеллу.

 

Сначала индентор вдавливается в поверхность образца под предварительной нагрузкой , которая не снимается до конца испытания. Это обеспечивает повышенную точность испытания, т.к. исключает влияние тонкого поверхностного слоя. Под нагрузкой индентор вдавливается в образец на глубину . Затем на индентор подаётся общая нагрузка , и глубина вдавливания увеличивается. Глубина вдавливания после снятия основной нагрузки , когда на индентор действует только предварительная нагрузка , и определяет число твёрдости по Роквеллу . Чем больше глубина вдавливания , тем меньше число твёрдости . За единицу твёрдости принимают величину, равную осевому перемещению индентора на 0,002

При вдавливании алмазного конуса твёрдость определяют по двум шкалам А и С. При измерении по шкале А: , , . При измерении по шкале С. , и .

При вдавливании стального шарика число твёрдости определяют по шкале В при , и

Число твёрдости по Роквеллу записывается так:

80, или 45, или 76 и т.д.

Определение твердости по Роквеллу используется очень широко, так как этот метод позволяет измерять твёрдость различных материалов как твёрдых, так и мягких. Отпечатки от индентора на испытуемой поверхности очень малы, поэтому можно испытывать готовые детали без их порчи. Испытание легко выполнимо, не требует никаких вычислений и занимает всего несколько секунд. Число твёрдости по Роквеллу читается прямо на соответствующей шкале индикатора и может быть легко переведено в число твёрдости по Бринеллю с помощью таблицы 2.

Методика измерения. Поверхности образца, как испытуемая, так и опорная, должны быть параллельны и не иметь таких дефектов, как окалина, забоины, грязь и т.п. Все дефекты должны быть удалены мелкозернистым наждачным кругом или напильником. В процессе обработки поверхность не должна нагреваться выше , так как это может привести к изменению её твёрдости.

Величину нагрузки и тип индентора (алмазный конус или стальной шарик) выбирают в зависимости от предполагаемой твёрдости испытуемого материала, пользуясь табл.4.

 

Условия испытания на твёрдость по Роквеллу в зависимости от характеристик материала.

Таблица 4

Характеристика испытуемого материала	Шкала	Тип индентора	Нагрузка Р, кгс	Обозначение твёрдости	Пределы измерения
Отожжённые стали, серый чугун, цветные металлы и их сплавы		Стальной шарик			25…100
Закалённые или закаленные и отпущенные стали		Алмазный конус			20…67
Твердые сплавы		Алмазный конус			70…85

Выбрав необходимый индентор, нагрузку и установив их на твердомер, приступают к проведению испытаний.

Измерение твёрдости по Роквеллу рекомендуется проводить в следующем порядке:

1. Включением тумблера подать напряжение на электродвигатель.
2. Подготовленный образец установить на предметный стол твердомера.
3. Вращением маховика по часовой стрелке плавно поднять стол с образцом до тех пор, пока индентор окажется вдавленным в образец с предварительной нагрузкой кгс. Этот момент будет достигнут, когда маленькая стрелка на вспомогательном лимбе индикатора совпадет с красной точкой на шкале.
4. Вращением барабана, расположенного под маховиком, установить нулевую отметку чёрной шкалы (шкалы ) против конца большой стрелки.
5. Плавным нажатием руки на клавишу включить привод механизма нагружения. При этом на индентор подаётся общая нагрузка, и большая стрелка индикатора вращается против часовой стрелки. После окончания вдавливания основная нагрузка автоматически снимается, и на индентор действует только предварительная. При этом большая стрелка индикатора перемешается по часовой стрелке и в момент остановки указывает на соответствующей шкале число твёрдости по Роквеллу. При испытании алмазным конусом под нагрузкой 60 или 150 кгс отсчёт производят по чёрной шкале, а при испытании стальным шариком под нагрузкой 100 кгс - по красной шкале.
6. Записав полученное значение твёрдости в таблицу (см.табл.5), повторяют испытание в другом месте образца. Предварительно вращением маховика против часовой стрелки опускают стол твердомера вместе с образцом и тем самым снимают предварительную нагрузку.
7. На каждом образце рекомендуется делать не менее трёх замеров в разных точках и подсчитывать среднее значение твёрдости.

8. Полученное среднее значение твёрдости по Роквеллу перевести в число твёрдости по Бринеллю, пользуясь таблицей перевода (табл.2).

 

Результаты измерения твёрдости по методу Роквелла.

 

Таблица 5

№ образца	Материал (сталь отожжённая, сталь закалённая, чугун и т.п.)	Шкала Роквелла	Тип индентора	Общая нагрузка Р, кгс	Число твёрдости	Число твёрдости по Бринеллю, полученное путём перевода (НВ)
Номера замеров	Среднее
I	II	III

 

 

2.2.3. Определение твёрдости по Виккерсу

 

Этот метод основан на статическом вдавливании алмазного индентора в форме четырёхгранной пирамиды с углом при вершине . После удаления нагрузки , действовавшей определённое время (от 10 до 30 секунд), с помощью микроскопа измеряют диагональ отпечатка , оставшегося на поверхности образца. Число твёрдости (записывается без размерности, например, 423) определяют делением нагрузки на площадь боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка:

(3)

Таким образом, в результате испытания определяют только размер диагонали восстановленного отпечатка. Зная использованную нагрузку , можно найти число твёрдости или расчётным путём по формуле (3), или по специальным таблицам, составленным с использованием этой формулы (табл.2).

Относительно небольшие нагрузки (от 5 до 100 ) и малая глубина вдавливания индентора позволяют измерять твёрдость тонкостенных деталей и даже тонких поверхностных слоев. Однако испытуемая поверхность требует тщательной обработки, чаще всего полировки.

Физический смысл числа твёрдости по Виккерсу аналогичен числу твёрдости по Бринеллю. Величина характеризует обычно сопротивление материала значительной пластической деформации. Числа и близки по абсолютной величине при твёрдости не выше 450. Выше этих значений метод Бринелля даёт искажённые результаты из-за остаточной деформации стального шарика; Алмазная же пирамида в методе Виккерса позволяет определять твёрдость практически любых металлических материалов.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1.Дать определение и характеристики основных механических свойств:

а) прочности;

б) пластичности;

в) вязкости;

г) упругости;

д) твердости;

е) хрупкости.

2.Нарисовать диаграмму растяжения поликристаллического образца и показать возможность определения по ней характеристик основных механических свойств,

3.Что обозначают символы ? В каких единицах измеряют?

4.Дать характеристики пластичности: .

5.Что означает Каковы единицы измерения?

6.Что такое хладноломкость и чем она характеризуется? Как используется конструктором?

7.В чем причины широкого применения твердости, как характеристики механического свойства?

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1.А.П.Гуляев. «Металловедение», М., «Металлургия», 1986 г, глава III, с.55-70.

2. Б.Н.Арзамасов, В.И.Макарова, Г.Г.Мухин. «Материаловедение», М., «МГТУ им.Н.Э.Баумана», 2001 г, глава II, с.47-57.

 

3. В.С.Золотаревский, «Механические свойства металлов», М., «Металлургия», 1983 г, с.350

4.Ю.М.Лахтин, В.П.Леонтьева, «Материаловедение», М., «Машиностроение», 1990 г, с.528

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. ВВЕДЕНИЕ ………….........3 1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ………………………………….4

1.1.ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЧНОСТИ …………………….........4

1.2.ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАСТИЧНОСТИ ……………….. ….8

1.3.ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЯЗКОСТИ МАТЕРИАЛОВ ………...8

1.4.ТВЁРДОСТЬ МАТЕРИАЛА…………………………………..10

2.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ …………………………………..11

2.1.ЗАДАНИЕ …………………………………………………………...11

2.2.МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЁРДОСТИ МЕТАЛЛОВ

И СПЛАВОВ ………………………………………………………..14

2.2.1.Определение твёрдости по Бринеллю …………………..15

2.2.2.Определение твёрдости по Роквеллу …………………...20

2.2.3.Определение твёрдости по Виккерсу …………………...24

3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ………………………………...25

ЛИТЕРАТУРА ……………………………………………………….25