Студопедия — Теоретическое введение. Твердость это свойство, характеризующее сопротивление материала сосредоточенной в малом объеме пластической деформации в условиях контактного воздействия на
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Теоретическое введение. Твердость это свойство, характеризующее сопротивление материала сосредоточенной в малом объеме пластической деформации в условиях контактного воздействия на






Твердость это свойство, характеризующее сопротивление материала сосредоточенной в малом объеме пластической деформации в условиях контактного воздействия на него другого более твердого тела определенной формы и размеров.

Таким образом, испытания на твердость всегда производятся на поверхности материала и осуществляются путем вдавливания под действием усилия в материал другого тела (индентора) с большей твердостью.

В зависимости от скорости приложения усилия к индентору способы определения твердости делятся на статические и динамические, последние применяются гораздо реже. При статических испытаниях на твердость индентор вдавливается нормально поверхности образца. Существующие методы измерения твердости значительно отличаются один от другого по форме применяемых инденторов, условиям приложения усилия и способу расчета чисел твердости. Выбор метода зависит от твердости испытуемого материала и толщины слоя, твердость которого нужно измерить.

При измерении твердости особое внимание должно быть уделено подготовке поверхности образца. На поверхности не должно быть окалины и посторонних веществ. При подготовке поверхности испытуемого образца необходимо принять меры предосторожности против возможного изменения его твердости при вырезке и шлифовке вследствие нагрева и нагартовки.

Поскольку при испытаниях на твердость усилие на образец передается нормально испытуемой поверхности, последняя должна быть плоско-параллельна опорной поверхности. Неплоские образцы крепятся на опорных столиках, которые входят в комплект прибора или специально для этих целей изготовляются.

Результаты испытаний зависят от времени приложения усилия к индентору и времени выдержки под нагрузкой t.

Поверхность испытуемого металла часто неоднородна по химическому составу и строению. Это может привести к разбросу значений твердости. Для получения достоверных данных по твердости на каждом образце делают несколько замеров (3... 5) и рассчитывают среднее арифметическое значение.

Испытания на твердость – один из наиболее распространенных видов механических испытаний. Существует несколько стандартных методов измерения твердости: по Бринеллю (НВ), по Роквеллу (НR) и по Виккерсу (НV).

Определение твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012-59)

Метод основан на том, что в плоскую поверхность металла вдавливается под постоянным усилием F шарик из закаленной стали диаметром D, который может быть равен 2,5; 5 и 10 мм (рис. 1). После снятия усилия в испытуемом металле остается отпечаток (лунка), диаметр которого d измеряют.

Число твердости по Бринеллю определяют путем деления усилия F на площадь поверхности сферического отпечатка А:

, или

(1)

когда усилие F выражено в Н;

когда усилие F выражено в кгс.

При определении твердости шариком диаметром D = 10 мм при усилии F = 29430 Н (3000 кгc) с выдержкой t = 10 с число твердости по Бринеллю записывается так: 400 НВ, 250 НВ и т.п. При других условиях испытаний индекс НВдополняется цифрами, поясняющими эти условия, например, 250 НВ 5 / 750 означает: число твердости по Бринеллю 250, определенное при применении стального шарика диаметром 5 мм при усилии 7355 H (750 кгс) и продолжительности выдержки от 10 до 15 с. Допускается использование размерности МПа, которая должна указываться после числа твердости (например, НВ = 2300 МПа).

F
Рис. 1. Схема измерения твердости методом вдавливания стального шарика  

Диаметр шарового индентора и величину усилия выбирают в зависимости от испытуемого металла. Отношение d / D поддерживают в пределах 0,2...0,6. Обычно при испытании стали и чугуна устанавливают шарик диаметром D = 10 мм и усилие F = 29430 Н (3000 кгс); при испытании большинства конструкционных сплавов цветных металлов D = 10 мм и F = 9800 Н (1000 кгс); и при испытании мягких металлов и некоторых их сплавов (алюминий, цинк, олово и др.) D = 10 мм, F = 2450 Н (250 кгс).

В зависимости от толщины испытуемого образца S выбирают следующие диаметры шарика:

D = 10 мм при S > 6 мм;

D = 5 мм при S = 3…6 мм;

D =2,5 мм при S < 3мм.

Толщина образца S должна существенно превышать глубину отпечатка h, которую можно оценить по формуле

h = A/pD,(2)

где A - площадь шаровой поверхности отпечатка рассчитывается из соотношения (1).

Усилие рассчитывается по формуле F = К D 2. В зависимости от твердости металла вводится коэффициент К – соотношение между усилием и квадратом диаметра индентора:

К = 30 для черных металлов;

К =10 для сплавов Cu, Al, Ni;

К = 2,5 для Pb, Sn

Продолжительность выдержки под действием усилия должна быть от 10 до 15 с для черных металлов, для цветных металлов и сплавов – от 10 до 180 с в зависимости от металла и его твердости.

Для измерения твердости по Бринеллю используют приборы с механическим приводом.

Прибор ТШ-2 (см. рис 2) смонтирован в массивной станине. На подъемном винте 2; перемещающемся при вращении маховика 1, установлен столик 5, на котором располагается испытуемый образец. В верхней части станины имеется шпиндель 6, в который вставляют наконечник с шариком. Усилие прилагается к шарику через систему рычагов. На длинном плече рычага 15 имеется подвеска, на которую накладываются грузы 18. При включении электродвигателя усилие передается на шаровидный индентор.

Продолжительность испытания задается специальным механизмом 3. Выключение прибора происходит автоматически. Наконечник с шариком закрепляют в шпинделе 6. На подвеске устанавливают требуемое усилие. Испытуемый образец помещают на столике 5 и, вращая маховик 1 вправо до упора, прикладывают к образцу предварительное усилие (98 Н) для устранения смещения образца во время испытания. Затем включают электродвигатель и по окончании испытания вращением маховика 1 в обратную сторону (влево) опускают столик, снимают образец и с помощью специальной лупы или других оптических приборов измеряют диаметр отпечатка (рис. 3). Правильность показаний твердомера проверяют по контрольным стальным плиткам с известной твердостью (образцовым мерам твердости по ГОСТ 9031-75), прилагаемым к прибору. Если при измерении твердости контрольной плитки полученное значение твердости отличается от истинной твердости (выгравировано на плитке) более чем на 4... 5%, прибор необходимо оттарировать.

 

Рис. 2. Схема прибора ТШ-2.

1 - маховик; 2 - подъемный винт; 3 - специальный механизм; 4 - кнопка-выключатель; 5 - столик; 6 - шпиндель; 7 - упорный чехол; 8 - втулка;
9 - пружина; 10 - шпиндель; 11 - сигнальная лампа; 12, 15 - рычаги;
13 - серьга; 14 - микропереключатель; 16 - вилка; 17 - шатун; 18 - грузы;
19 - кривошип; 20 - редуктор; 21- электродвигатель

 

Для расчета значения НВ и подбора усилия целесообразно использовать компьютерные шаблоны, в частности для программы ЕХCЕL, позволяющие быстро определять необходимые величины, представленные в формулах (1) и (2).

б
а

Рис. 3. Измерение диаметра отпечатка при помощи лупы: а – установка лупы на образце; б – отсчет по шкале лупы

Точность определения твердости сильно зависит от точности измерения диаметра отпечатка, поэтому рекомендуется использовать инструментальный микроскоп с ценой деления 0,01 - 0,02 мм или специальные лупы, на окуляре которой нанесена шкала с делениями, а также обеспечивать достаточно высокое качество поверхности образца.

Диаметр отпечатка измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях и определяют как среднее арифметическое значение двух измерений. На практике для определения твердости по Бринеллю пользуются приведенной в ГОСТе 9012-59 таблицей (табл. 1), в которой указано значение НВ в зависимости от диаметра отпечатка и выбранной нагрузки.

Метод Бринелля не является универсальным. Его используют для материалов с твердостью не более 450 HB.

Таблица 1. Твердость по Бринеллю

Диаметр отпечатка, мм Число твердости по Бринеллю НВ при диаметре шарика 10 мм и усилии F, равном
29430 Н (3000 кгс) 30 D 2     9810 Н (1000 кгс) 10 D 2 2450 Н (250 кгс) 2,5 D 2  
2,90   —   —  
2,95  
3,0   34,6
3,05   33,4
3,10     32,3
3,15     31,3
3,20     30,3
3,25     29,3
3,30     28,4
3,35     27,6
3,40     26,7
3,45     25,9
3,50     25,2
3,55   97,7 24,5
3,60     23,7
3,65   92,3 23,1
3,70   89,7 22,4
3,75   87.2 21,8
3,80   84,9 21,2
3,85   82,6 20,7
3,90   80,4 20,1
3,95   78,3 19,6
4,0   76,3 19,1
4,05   74,3 18,6
4,10   72,4 18,1
4,15   70,6 17,6
4,20   68,8 17,2
4,25   67,1 16,8
4,30   65.5 16,4
4,35   63,9 16,0
4,40   62,4 15,6
4,45   60,9 15,2
4,50   59,5 14,9
4,55   58,1 14,5
4,60   56.8 14,2
4,65   55,5 13,9
4,70   54,3 13,6
4,75   53,0 13,3
4,80   51,9 13,0
4,85   50,7 12,7
4,90   49,6 12,4
4,95   48,6 12,2
5,0   47,5 11,9
5,05   46,5 11,6
5,10   45,5 11,4
5,15   44,6 11,2
5,20   43,7 10,9
5,25   42,8 10,7
5.30   41,9 10,5
5,35   41,0 10,3
5,40   40,2 10,1
5,45   39,4 9,86
5,50   38,6 9,66
5,55   37,9 9,46
5,60   37,1 9,27
5,65   36,4 9,10
5,70   35,7 8,93
5,75   35,0 8,80
5,80   34,3 8,59
5,85   33,7 8,43
5.90 99,2 33,1 8,26
5,95 97,3 32,4 8,11
6,00 95,5 31,8 7,96

Определение твердости по Виккерсу (ГОСТ 2999-75)

Измерение твердости по Виккерсу основано на вдавливании в поверхность образца алмазного индентора в форме четырехгранной пирамиды с углом при вершине a = 136 град под действием усилия F. После снятия усилия и

змеряют диагональ отпечатка d, оставшегося на поверхности образца (рис. 4). Число твердости по Виккерсу НV определяют отношением усилия F к площади боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка А и оценивают по формуле

(3)

F
где А = .

Рис. 4. Схема измерения твердости четырехгранной пирамидой

При измерении твердости алмазной пирамидой применяют следующие усилия: 9,8; 19,6; 49; 98; 196; 294; 490; 980 Н (1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 20,0; 30,0; 50,0; 100,0 кгс). Пример записи числа твердости: 600 НV – твердость по Виккерсу, полученная при усилии F = 294 Н (30 кгс) и времени выдержки 10 – 15 с; 220 HV 10/40 –– твердость по Виккерсу, равная 220, полученная при нагрузке 98 Н (10 кгс) и времени выдержки 40 с.Относительно небольшие усилия 98 Н (10 кгс) и малая глубина вдавливания индентора (менее 1 мм) обусловливают более тщательную подготовку поверхности образца, чем в случае измерения твердости по Бринеллю. Поверхность для определения твердости по Виккерсу должна быть отполирована (шероховатость не более 0,16 мкм по ГОСТ 2789 – 73) и быть свободной от оксидных пленок и посторонних веществ. При грубой структуре образца может возникнуть большой разброс значений НV в разных точках образца. При измерении твердости должна быть обеспечена перпендикулярность приложения действующего усилия к испытуемой поверхности.
Для получения достоверных средних значений необходимо на каждом образце делать не менее 5... 10 замеров.

Схема прибора для измерения твердости по Виккерсу представлена на рис. 5.

 

Рис. 5. Схема прибора для измерения твердости по Виккерсу (должен соответствовать требованиям ГОСТ 13408-67): 1 - станина;
2 - подъемный винт; 3 - маховичок; 4 - опорный столик; 5 - зеркало светоделительное; 6 - испытательный наконечник; 7 - рычаг;
8 - осветитель; 9 - измерительная головка; 11 - противовес; 12 - головка;
13 - рычаг; 14 - планка; 15, 16 - крышки; 17 – подвеска грузовая;
18 - осветитель; 19 - груз; 20 - тяга; 21 - штанга; 22 – демпфер

 

Прибор смонтирован на массивной станине 1. Образец устанавливают на опорный столик 4. Совмещают перекрестие измерительной головки 9 с тем местом на образце, твердость которого необходимо измерить. Наводка на резкость осуществляется перемещением подъемного винта 2 маховичком 3. Отводят рукоятку на правой панели прибора вправо и выводят ее из зацепления. Штанга 21 под действием пружин, рычага 13 и грузов 19 будет опускаться, а испытательный наконечник 6 внедряться в образец.

В момент приложения нагрузки зажигается лампочка и включается реле времени. По окончании заданной выдержки срабатывает световая сигнализация. Рукоятку на правой панели прибора вводят в зацепление. Медленным опусканием подъемного винта добиваются резкого изображения отпечатка. Затем с помощью измерительной головки определяют длину диагоналей отпечатка. Для расчета величины НV по формуле (3) целесообразно использовать компьютерные шаблоны. На практике число твердости определяют по специальным таблицам по значению диагонали отпечатка по выбранной нагрузке.

Проверка твердомеров Виккерса производится по контрольным плиткам (образцовым мерам твердости). Метод Виккерса применяют главным образом для материалов, имеющих высокую твердость, а также для испытания на твердость деталей малых сечений или тонких поверхностных слоев. Чем тоньше сечение детали или исследуемый слой, тем меньше выбирают нагрузку. Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю для материалов, имеющих твердость до 450 НВ практически совпадают.

Определение твердости по Роквеллу (ГОСТ 9013-75)

В этом методе твердость определяют по глубине отпечатка.
Индентор – алмазный конус с углом при вершине 120 град. и радиусом закругления 0,2 мм или шарик диаметром 1,588 мм (1/16 дюйма) вдавливается в образец под действием двух последовательно прикладываемых усилий –предварительного F 0 и основного F 1.. Общее усилие F = F 0 + F 1.

F 1
Твердость измеряется в условных единицах НR. При определении твердости по Роквеллу с использованием алмазного конуса (рис. 6) сначала индентор вдавливается в испытуемый материал под предварительным усилием F 0 = 100 Н, которое не снимается до конца испытания. Под этим усилием алмазный конус погружается в образец на глубину h 0. Затем на индентор подается основное усилие либо 500 Н, либо 1400 Н, в зависимости от материала образца. При использовании в качестве основной нагрузки 500 Н определение твердости производится по шкале прибора А. Число твердости (считывается со шкалы прибора) записывается с буквенным обозначением НRА, например, 80 НRА. Эту шкалу применяют для особо твердых материалов, для тонких листовых материалов или тонких слоев (0,5 – 1,0 мм). Пределы измерения твердости по этой шкале – 70 – 85 HRA.

F 0
F
F 0
F 0

Рис. 6. Схема измерения твердости по Роквеллу

Если основная нагрузка равна 1400 Н, то твердость определяется по шкале С и записывается с буквенным обозначением НRС, например,
50 НRС. Эту шкалу используют для твердых материалов (> 450 НВ), например, закаленных сталей. Пределы измерения твердости по этой шкале 20 – 67 НRC.

Для обеих шкал число твердости определяется по формуле HRС(НRА) = 100 - е, где е = h – h 0/ 0,002 (0,002 мм - цена деления шкалы индентора твердомера Роквелла); h - глубина вдавливания под основной нагрузкой.

При использовании в качестве индентора стального шарика
F 0 = 100 Н, F 1 = 900 Н и F = 1000 Н число твердости определяется по шкале В и записывается НRВ, например, 50 НRВ. В этом случае
НRВ = 130 - е. По этой шкале определяют твердость сравнительно мягких материалов (< 400 НВ). Пределы измерения твердости по шкале В 25 – 100 НRВ. Ценность метода в том, что в заводских условиях достигается высокая производительность испытаний (число твердости считывается прямо со шкалы прибора). Этот метод наиболее универсален и наименее трудоемок.

На рис. 7 приведена схема прибора ТР 5006. Как и в ранее рассмотренных твердомерах, прибор имеет рычажную систему передачи усилий от грузов 18 к испытательному наконечнику 5.

Подъем и опускание рычагов с грузами осуществляется ручкой 22. Прибор снабжен подъемным винтом 2 со столиком 4 для образца. В верхней части прибора имеется цифровой индикатор 10 для замера глубины отпечатка.

В зависимости от материала образца выбирают и устанавливают индентор (алмазный конус или шарик) и количество грузов. При использовании в качестве индентора алмазного конуса на подвеске должно быть установлено три груза (нагрузка 1500 Н, шкала С), либо оставлен нижний груз (нагрузка 500 Н, шкала А), при использовании в качестве индентора стального шарика на подвеске должны находиться два груза (нагрузка 1000 Н, шкала В).

Образец устанавливают на столик 4 и, плавно вращая маховичок 3, поднимают столик до тех пор, пока индентор не окажется вдавленным в образец предварительным усилием F 0 = 100 Н. Этот момент будет достигнут, когда большая стрелка индикатора 10 совместится с нулем, а малая - с черной риской. Точную установку нуля производят вращением ручки на передней панели прибора.

После этого нажимают рукоятку 22, прибор автоматически в течение 3...6 с производит нагружение. Через 1...3 с после остановки большой стрелки снимают нагрузку, плавно вращая, переводят рукоятку 22 в начальное положение и считывают число твердости.

 

Рис. 7. Схема прибора типа ТР 5006 для измерения твердости по Роквеллу: 1 - станина; 2 - подъемный винт; 3 - маховичок; 4 - столик; 5 - наконечник; 6 - ограничитель; 7 - шпиндель; 8 - призма; 9 - обойма; 10 - большая стрелка индикатора; 11, 12, 13 рычаги; 14, 18 - груз; 15 - ось; 16 - штанга; 17 - шток; 19 - демпфер; 20 - штанга; 21 - планка; 22 - ручка

Проверка твердомеров производится по контрольным плиткам (образцовым мерам твердости).

 







Дата добавления: 2015-10-15; просмотров: 412. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Картограммы и картодиаграммы Картограммы и картодиаграммы применяются для изображения географической характеристики изучаемых явлений...

Практические расчеты на срез и смятие При изучении темы обратите внимание на основные расчетные предпосылки и условности расчета...

Функция спроса населения на данный товар Функция спроса населения на данный товар: Qd=7-Р. Функция предложения: Qs= -5+2Р,где...

Аальтернативная стоимость. Кривая производственных возможностей В экономике Буридании есть 100 ед. труда с производительностью 4 м ткани или 2 кг мяса...

Тема: Изучение приспособленности организмов к среде обитания Цель:выяснить механизм образования приспособлений к среде обитания и их относительный характер, сделать вывод о том, что приспособленность – результат действия естественного отбора...

Тема: Изучение фенотипов местных сортов растений Цель: расширить знания о задачах современной селекции. Оборудование:пакетики семян различных сортов томатов...

Тема: Составление цепи питания Цель: расширить знания о биотических факторах среды. Оборудование:гербарные растения...

Сравнительно-исторический метод в языкознании сравнительно-исторический метод в языкознании является одним из основных и представляет собой совокупность приёмов...

Концептуальные модели труда учителя В отечественной литературе существует несколько подходов к пониманию профессиональной деятельности учителя, которые, дополняя друг друга, расширяют психологическое представление об эффективности профессионального труда учителя...

Конституционно-правовые нормы, их особенности и виды Характеристика отрасли права немыслима без уяснения особенностей составляющих ее норм...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.011 сек.) русская версия | украинская версия