Lab
.pdf
2.3Основные методы определения твердости
2.3.1Метод Бринелля
При измерении твердости по Бринеллю в испытуемый образец вдавливают индентор в виде стального закаленного шарика диаметром D под нагрузкой P, приложенной в течение определенного времени твердость измеряют на приборах ТШ-2 или ТП-2. После снятия нагрузки на поверхности металла образуется отпечаток в виде сферической лунки диаметром d (рису-
нок 2.1).
Рисунок 2.1 - Схема измерения твердости по методу Бринелля
Число твердости по Бринеллю НВ (МПа) определяется отношением приложенной нагрузки P (МН) к площади поверхности сферического отпечатка F (м2):
HB = |
P |
= |
2 P |
, |
(2.1) |
|
F |
|
πD (D − D2 − d 2 ) |
|
|
где D – диаметр вдавливаемого шарика, м; d – диаметр отпечатка, м;
Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012-59 записывают без единиц измерения. На практике при измерении твердости расчет по указанной формуле не проводят, а используют таблицы. Необходимо отметить, что определение твердости по методу Бринелля допускается для сталей, твердость которых не более 450 НВ, цветных металлов с твердостью не более 200 НВ.
Между пределом прочности σв, МПа, и числом твердости HB, МПа, различных металлов существует следующая приближенная зависимость:
σв = k · HB,
где k – коэффициент.
Сталь с твердостью HB:
1200 – 1750 …………………………σв ≈ 3,4·HB
15
1750 – 4500………………………….σв ≈ 3,5·HB
Медь, латунь, бронза:
отожженная……………………….…σв ≈ 5,5·HB наклепанная………………………….σв ≈ 4,0·HB
Алюминий и алюминиевые сплавы с твердостью
HB = 200 – 450……………………….σd ≈3,3-3,6·HB
Дуралюмин:
отожженный………………………...σв ≈ 3,6·HB
после закалки и старения………..…σв ≈ 3,5·HB
2.3.2 Прибор ТШ-2 для испытания металлов на твердость по методу Бринелля
Прибор ТШ-2 (рисунок 2.2) предназначается для измерения твердости по методу вдавливания стального шарика в соответствии с методикой ГОСТ 9012-59.
|
|
|
а) |
|
б) |
а – общий вид; |
б – схема; |
|
1 – станина прибора; 2 – подвеска с грузами; 3 – шаровой индентор; 4 – ограничитель; 5 – сменный стол; 6 – винт; 7 – маховик; 8 – пусковая кнопка; 9 – сигнальная лампа
Рисунок 2.2 - Прибор ТШ-2
При испытаниях на твердость применяют шарики диаметром 10; 5 или 2,5 мм в зависимости от толщины испытуемого материала.
Механизмы прибора (механизмы привода, подъема стола, подъема рычажного устройства, реверсирования, нагружения) смонтированы на литой чугунной станине 1.
16
Механизм нагружения состоит из подвески с грузами 2, которые через систему рычагов создают необходимые испытательные нагрузки на шаровом инденторе 3.
Механизм привода, состоящий из электродвигателя и червячного редуктора, обеспечивают работу механизма нагружения и возврата его в исходное состояние. Работа прибора протекает в автоматическом цикле.
Механизм подъема стола состоит из сменного стола 5, винта 6 и маховика 7. Включение прибора осуществляется пусковой кнопкой 8.
Перед проведением испытания следует, в зависимости от твердости материала, выбрать величину испытательной нагрузки и соответствующий индентор (таблица 2.1).
Таблица 2.1 - Ориентировочные параметры испытаний
|
|
Твёрдость по |
Минимальная |
|
|
||||||||||
|
|
Бринеллю, |
Диаметр |
Нагрузка, H |
|||||||||||
Материал |
|
|
|
|
HB |
толщина испы- |
шарика, |
||||||||
|
|
|
|
|
|
МПа |
|
туемого образ- |
мм |
(кгс) |
|||||
|
|
|
|
|
|
ца, мм |
|
||||||||
|
|
|
|
(кгс/ мм2 ) |
|
|
|||||||||
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
3 |
4 |
5 |
||
Черные |
метал- |
1370 − 4410 |
6 - 3 |
10 |
29420 (3000) |
||||||||||
4 - 2 |
5 |
7355 (750) |
|||||||||||||
лы |
|
|
(140 − 450) |
|
|||||||||||
|
|
менее 2 |
2,5 |
1840 (187,5) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Черные |
метал- |
< |
|
1370 |
|
|
|
|
более 6 |
10 |
9807 (1000) |
||||
лы |
|
(140) |
|
|
|
|
6 - 3 |
5 |
2452 (250) |
||||||
Цветные метал- |
|
|
|
|
|
1270 |
|
|
|
|
6 - 3 |
10 |
29420 (3000) |
||
лы и сплавы |
> |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
4 - 2 |
5 |
7355 (750) |
|||||||||
(медь, латунь |
(130) |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
менее 2 |
2,5 |
1840 (187,5) |
|||||
бронза и т.д.) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Цветные ме- |
|
|
340 −1270 |
|
|
|
|
||||||||
таллы и сплавы |
|
|
9 – 3 |
10 |
9807 (1000) |
||||||||||
(медь, латунь |
|
|
(35 −130) |
6 - 3 |
5 |
(250) |
|||||||||
бронза и т.д.) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Цветные металлы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
и сплавы (алюми- |
|
|
|
78 − 340 |
|
более 6 |
10 |
2452 (250) |
|||||||
ниевые, подшип- |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
(8 − 35) |
||||||||||||
никовые сплавы и |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
т.д.) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для шарика диаметром 10 мм при стандартном испытании применяют нагрузку 29420 H (3000 кгс).
В случае шарика меньшего диаметра необходимо сохранять постоянное соотношение нагрузки к квадрату диаметра шарика.
17
P |
= |
3000 |
= 30 |
(2.2) |
|
D2 |
100 |
||||
|
|
|
Диаметр шарика и соответствующую нагрузку следует выбирать так, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах от 0,2 до 0,6.
Твердость испытуемого образца определяется путем измерения диаметра отпечатка при помощи микроскопа МПБ-3 (рисунок 2.3) и подсчета по формуле (2.1) или по таблицам (ГОСТ 9012-59).
1 – окуляр; 2 – сетка; 3 – установочное кольцо; 4 – тубус; 5 – колонка; 6 – объектив.
Рисунок 2.3 - Общий вид микроскопа МПБ-3
2.3.3 Метод Виккерса
При измерении твердости по Виккерсу в поверхность шлифованного материала вдавливают алмазный индентор в форме правильной четырехгранной пирамиды. Испытания проводят на приборе ТП-2. После снятия нагрузки P измеряют диагонали отпечатка в виде квадрата, оставшегося на поверхности образца (рисунок 2.4).
18
Рисунок 2.4 - Схема измерения твердости по методу Виккерса
Твердость HV (МПа) определяют как отношение нагрузки P к площади боковой поверхности F пирамидального отпечатка:
HV = |
P |
=1,854 |
P |
, |
(2.3) |
|
F |
d 2 |
|||||
|
|
|
|
где P – нагрузка, H;
d – среднее арифметическое значение длины обеих диагоналей отпечатка, мм.
На практике число твердости определяют по специальным таблицам по значению диагонали отпечатка при выбранной нагрузке.
По Виккерсу можно испытывать как мягкие, так и высокотвердые металлы, можно измерять твердость образцов толщиной до 0,3 – 0,5 мм. Метод Виккерса особенно удобен при определении твердости поверхностноупрочненных деталей, имеющих сложную конфигурацию, например, цементованных, азотированных или цианированных зубьев шестерен. Числа твердости по Виккерсу можно перевести в числа твердости по Роквеллу, а также в числа твердости по Бринеллю по таблицам (Приложение А).
Числа твердости по Виккерсу и Бринеллю имеют одинаковую размерность и для материалов с твердостью до 450 HB практически совпадают.
2.3.4 Измерение микротвердости
Методом определения микротвердости оценивают твердость отдельных структурных составляющих: отдельных зерен карбидов, металлических соединений или тонких слоев, получающихся в результате химикотермической обработки и гальванических покрытий, тонких полуфабрикатов (лент, фольги, проволоки). Для этих целей используют приборы моделей ПМТ – 3, (рисунок 2. 5), ПМТ-5.
19
1 – микровинты для перемещения предметного столика; 2 – алмазный наконечник; 3 – колонка; 4 – винт тонкой подачи;
5 – кронштейн; 6 – винт грубой подачи; 7 - окуляр; 8 – окулярный микрометр; 9 – тубус микроскопа; 10 – винты; 11 – осветитель; 12 – объектив; 13 – предметный столик; 14 - основание
Рисунок 2.5 – Прибор ПМТ-3
Определение микротвердости основано на вдавливании под нагрузкой от 0,005 H (5 гс) до 2 H (200 гс) в испытуемый образец алмазной четырехгранной пирамиды и последующем измерении диагонали отпечатка с помощью микроскопа при увеличении до 485 раз.
Поверхность исследуемого образца должна быть отполирована и подвергнута травлению. Значения микротвердости определяют по специальным таблицам (ГОСТ 9450-76) или по той же формуле (2.3), что и твердость по Виккерсу.
На рисунке 2.6 показаны отпечатки, полученные на отдельных структурных составляющих углеродистой стали, содержащей 0,4 % углерода, большой отпечаток (а) получен на мягком феррите, а отпечаток меньших размеров (б) – на твердом перлите.
20
Рисунок 2.6 - Отпечатки, полученные при определении микротвердости
2.3.5 Приборы для испытания на твердость методами Виккерса и Бринелля
|
|
|
|
|
|
а) |
б) |
а - общий вид; б – схема; |
|
||
1 |
– микрометрический винт; 2 – окуляр; 3 – микроскоп; 4 – барабанчик; |
||
5 |
– поворотная головка; 6 – объектив; 7 – защитный чехол; |
||
8 |
– индентор; 9 – рукоятка; 10 – стол; 11 – маховик; 12 – клавиша; |
||
13 |
– рычаг; 14 – сигнальная лампа; 15 – промежуточный шпиндель; |
||
16 |
– рабочий шпиндель; 17 – подвеска с грузом; 18 – станина. |
||
Рисунок 2.7 - Прибор ТП-2
Прибор ТП-2 (рисунок 2.7) предназначен для измерения твердости по Виккерсу по методу вдавливания алмазной пирамиды (ГОСТ 2999-75) при нагрузках, Н(кгс): 49(5); 98(10); 196(20); 294(30). Прибор позволяет производить испытания твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012-59) в диапазоне до
21
140 HB стальным шариком диаметром 2,5 мм при нагрузках 153,2 H (15,5
кгс) и 613 H (62,5 кгс).
На приборе можно производить испытания как мягких металлов, так и металлов высокой твердости, а также цементованных, азотированных и др.
Все части прибора смонтированы на литой станине 18. Испытуемый образец устанавливают на стол 10, имеющий возможность перемещаться в вертикальном направлении с помощью маховика 11. Конструкция гидравлической системы привода прибора обеспечивает получение цикла испытания, при котором все операции (нагружение, выдержка под нагрузкой и снятие нагрузки) происходят автоматически. Подготовку привода к испытанию осуществляют путем заведения рычага 13. Включение привода производят клавишей 12. При этом нагрузка, создаваемая грузами 17, через рычажную систему и шпиндели 15 и 16 передается на индентор 8, который внедряется в поверхность испытуемого материала. В период нагружения горит сигнальная лампа 14, а рычаг 13 поднимается вверх.
Отпечаток индентора, остающийся на поверхности образца после снятия нагрузки, измеряют с помощью измерительного микроскопа 3, смонтированного на приборе и снабженного двумя сменными объективами, позволяющими получать общее увеличение, равное 50х и 125х.
В настоящее время ОАО «Точприбор» (г. Иваново) выпускает приборы для измерения твердости металлов по методу Бринелля ТБ 5004 и приборы универсальные ИТ 5010 для измерения твердости металлов и сплавов по методам Виккерса и Бринелля с цифровой индексацией.
Диапазоны измерения твердости прибора ТБ 5004:
-наконечниками со стальными шариками от 4 до 450 HB;
-с твердосплавными шариками от 4 до 650 HBW;
Испытательные нагрузки, H(кгс): 1839(1875,5); 2452(250); 4903(500); 7355(750); 9807(1000); 14710(1500); 29420(3000);
Продолжительность выдержки образца под нагрузкой регулируемая: от 5 до 300 с.
Диапазоны измерений твердости прибора ИТ 5010 по методу Виккерса, HV – 8 - 2000; по методу Бринелля, HB - 5 - 450.
ОАО «Точприбор» (г. Иваново) также выпускает приборы переносные ИТ 5160 для измерения твердости HV на плоских и криволинейных поверхностях изделий из сталей и их сплавов в лабораторных, цеховых и полевых условиях. Допускается применение приборов для измерения твердости чугунов и сплавов из цветных металлов. Прибор состоит из датчика, электронного блока и блока питания с соединительными устройствами. Прибор обеспечивает математическую обработку результатов испытаний, а именно:
-вычисление среднего значения из серии до 255 измерений;
-нахождение наименьшего значения в серии;
-вычисление вариации (размаха) показаний в серии;
-просмотр последовательно каждого результата испытания в серии;
22
-исключение некорректного результата испытания из последующей статистической обработки;
-сохранение настроечных параметров, введенных оператором, после выключения;
-коррекцию градуировочной кривой.
2.3.6 Метод Роквелла
Этот метод измерения твердости (ГОСТ 9013-59) наиболее универсален и наименее трудоемок. Испытания проводят на приборе ТК-2. Здесь нужно измерять размеры отпечатка, так как числа твердости отсчитывают непосредственно по шкале. Отпечатки от конуса или шарика очень малы и поэтому можно испытывать без их порчи.
Определение твердости по методу Роквелла основано на вдавливании в исследуемый материал закаленного стального шарика диаметром 1,59 мм или алмазного конуса и последующем измерении глубины вдавливания (рисунок 2.8).
Рисунок 2.8 – Схема измерения твердости по Роквеллу
Шарик или конус вдавливается в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной P0 и основной
P1.
Предварительно нагружают для того, чтобы исключить влияние упругой деформации и шероховатости поверхности образца на результаты измерений. Под действием предварительной нагрузки Pо, она всегда равна 98 H (10 кгс), индентор погружается в поверхность образца на величину hо (рисунок 2.8). Затем на образец подается основная нагрузка P1 (общая нагрузка Р будет равна сумме предварительной Ро и основной Р1 нагрузок). Глубина вдавливания h после снятия основной нагрузки P1, когда на индентор вновь действует только предварительная нагрузка Pо, в условных единицах определяет число твердости по Роквеллу. Твердость по Роквеллу – величина безразмерная, выраженная в условных единицах.
Величину твердости определяют по индикаторной шкале, каждое деление которой соответствует глубине вдавливания 2 мкм. На циферблате име-
23
ются две шкалы: черная – при использовании алмазного конуса и красная – при использовании стального шарика. Стрелка индикатора отмечает не указанную глубину вдавливания h , а величину 100 – h по черной шкале при измерении твердости алмазным конусом и величину 130 – h по красной шкале при измерении шариком, где 100 и 130 – число делений на шкалах С и В индикатора.
Твердость на приборе Роквелла можно измерять:
-алмазным конусом с общей нагрузкой 1471 H (150 кгс), значение твердости характеризуется цифрой, показываемой стрелкой на черной шкале
Сциферблата. Обозначается символом HRC. Эту шкалу используют для твердых материалов с твердостью более 450 НВ, например, закаленных сталей. Предел измерений по шкале С - 20-67;
-алмазным конусом с общей нагрузкой 589 H (60 кгс). Значение твердости в этом случае определяют по шкале А. Обозначают HRA и применяют для особо твердых материалов, например, для изделий из твердых сплавов с твердостью более HRC 70, а также для измерения тонких твердых поверхностных слоев (0,3-0,5 мм); изделий с поверхностной термической или химикотермической обработкой. Пределы измерений твердости по шкале А - 70-85;
-стальным шариком с общей нагрузкой 981 H (100 кгс). Значение твердости определяют по красной шкале В. Обозначают HRB. Способ применяют для измерения сравнительно мягких материалов, например мягкой отожженной стали или цветных сплавов. Пределы измерения твердости по шкале В - 25-100.
При замере твердости по Роквеллу расстояние от центра отпечатка до края образца или до центра другого отпечатка должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и 4 мм при вдавливании шарика. Толщина образца должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка. Твердость следует замерять не менее, чем в трех точках.
Сравнение чисел твердости по Роквеллу и по Бринеллю приведено в приложении А.
2.3.7 Приборы для измерения твердости по методу Роквелла
Прибор ТК-2 предназначается для определения твердости металлов и сплавов по методу вдавливания алмазного конуса или стального закаленного шарика под действием заданной нагрузки в течение определенного времени. Испытания проводят в соответствии с ГОСТ 9013-59.
Схема прибора ТК представлена на рисунке 2.9. Основные механизмы: рычажное устройство, привод с электродвигателем, механизм подъема, шток нагрузки.
24