Методи визначення твердості металів - реферат, сторінка 1
Вимірювання твердості по Роквеллу 11
Твердість абразивних матеріалів 12
Контроль твердості абразивного інструменту 14
Список використаних джерел 15
ВСТУП та основні відомості
Однією з найбільш поширених характеристик, що визначають якість металів і сплавів, можливість їх застосування в різних конструкціях і при різних умовах роботи, є твердість. Випробування на твердість виробляються частіше, ніж визначення інших механічних характеристик металів: міцності, відносного подовження і ін.
Твердістю матеріалу називають здатність чинити опір механічному проникненню в його поверхневий шар іншого твердого тіла. Твердість визначається як величина навантаження необхідною для початку руйнування матеріалу. Розрізняють відносну і абсолютну твердість. Відносна - твердість одного матеріалу щодо іншого. Є найважливішим діагностичним властивістю. Абсолютна, вона ж інструментальна - вимірюється методами вдавлення.
Твердість залежить від:
Координаційної числа - чим вище число, тим вище твердість.
Природи хімічного зв'язку
Від напрямку (наприклад мінерал дистен - його твердість вздовж кристала 4, а поперек - 7)
Крихкості і ковкості
Гнучкості - мінерал легко гнеться, вигин не випрямляються (наприклад, тальк)
Пружності - мінерал згинається, але випрямляється (наприклад, слюди)
В'язкості - мінерал важко зламати (наприклад, жадеїт)
Найбільш твердими з існуючих на сьогоднішній день матеріалів є дві аллотропние модифікації вуглецю - лонсдейліт, на 58% перевершує по твердості алмаз і фуллерит (приблизно в 2 рази твердіше алмаза). Однак практичне застосування цих речовин поки малораспостранено. Самим твердим з поширених речовин є алмаз.
Для вимірювання твердості існує кілька шкал (методів вимірювання):
Метод Брінелля - твердість визначається за діаметром відбитка, що залишається металевим кулькою, вдавлюють в поверхню. Твердість обчислюється як відношення зусилля, прикладеного до кульки, до площі відбитка (причому площа відбитка береться як площа частини сфери, а не як площа кола); розмірність одиниць твердості по Бринеллю кгс / мм. Твердість, визначена за цим методом, позначається HB, де H = hardness (твердість, англ.), B - Бринелля;
Метод Роквелла - твердість визначається за відносної глибині вдавлення металевого або алмазного конуса в поверхню тестованого матеріалу. Твердість, визначена за цим методом, є безрозмірною і позначається HR, HRB, HRC і HRA; твердість обчислюється за формулою HR = 100 - kd, де d - глибина вдавлювання наконечника після зняття основного навантаження, а k - коефіцієнт. Таким чином, максимальна твердість по Роквеллу відповідає HR 100.
Метод Віккерса - твердість визначається за площею відбитка, що залишається чотиригранної алмазної пірамідкою, вдавлюють в поверхню. Твердість обчислюється як відношення зусилля, прикладеного до пірамідці, до площі відбитка (причому площа відбитка береться як площа частини поверхні піраміди, а не як площа ромба); розмірність одиниць твердості по Віккерсу кгс / мм. Твердість, визначена за цим методом, позначається HV;
Рис.1 Методи визначення твердості матеріалу.
а) по Брінеллю; б) по Роквеллу; в) за Вікерсом
Твердість по Шору (Метод вдавлення) - твердість визначається за глибиною проникнення в матеріал спеціальної загартованої сталевої голки (індентора) під дією калиброванной пружини. В даному методі вимірювання прилад іменується дюрометром. Зазвичай метод Шора використовується для визначення твердості низькомодульної матеріалів (полімерів). Метод Шора, описаний стандартом ASTM D2240, обумовлює 12 шкал вимірювання. Найчастіше використовуються варіанти A (для м'яких матеріалів) або D (для більш твердих). Твердість, визначена за цим методом, позначається буквою використовуваної шкали, що записується після числа з явною вказівкою методу. Як приклад, гума в покришці колеса легкового автомобіля має твердість приблизно 70A, шкільний ластик - приблизно 50A;
Твердість по Шору (Метод відскоку) - метод визначення твердості дуже твердих матеріалів, переважно металів, по висоті, на яку після удару відскакує спеціальний бойок (основна частина склероскопа - вимірювального приладу для даного методу), що падає з певної висоти. Твердість за цим методом Шора оцінюється в умовних одиницях, пропорційних висоті відскоку бойка. Позначається HSx, де H - Hardness, S - Shore і x - латинська буква, що позначає тип використаної при вимірюванні шкали.
Метод Аскер ( «Аскер» - це назва японської компанії, що виробляє вимірювачі твердості - дурометри) - твердість визначається за глибиною введення сталевий півсфери під дією пружини. Використовується для м'яких гум. За принципом вимірювання відповідає методу Шора, але відрізняється формою поверхні щупа. Аскер З використовує півсферу діаметром 2.54 мм.
Метод Кузнєцова - Герберта - Ребиндера - твердість визначається часом загасання коливань маятника, опорою якого є досліджуваний метал;
Метод Польді (подвійного відбитка кульки) - твердість оцінюється в порівнянні з твердістю еталона, випробування проводиться шляхом ударного вдавлення сталевої кульки одночасно в зразок і еталон;
Шкала Мооса - визначається по тому, який із десяти стандартних мінералів дряпає тестований матеріал, і який матеріал з десяти стандартних мінералів дряпається тестованим матеріалом.
ВУкаіни стандартизовані чотири перші шкали твердості. Перші три перерахованих методу відносяться до методів вдавлення, методи Шора і Кузнєцова - Герберта - Ребиндера - до динамічних методів визначення твердості. Значення твердості, певні по методам вдавлення, можна перерахувати з однієї шкали в іншу. Конкретний спосіб визначення твердості вибирається виходячи з властивостей матеріалу, наявної апаратури і ін.
Для інструментального визначення твердості методом вдавлення використовуються твердоміри. Методи визначення твердості, залежно від ступеня впливу на об'єкт, можуть ставитися як до неразрушающим, так і до разрущающім методам.
Механічні характеристики пов'язані між собою, тому їх конкретні значення можуть бути знайдені розрахунковим шляхом на основі даних про твердість за допомогою формул, отриманих для конкретного матеріалу з певної термообробкою. Так, наприклад, межа витривалості на вигин сталей з твердістю 180-350 НВ дорівнює приблизно 1,8 НВ, з твердістю 45-55 HRC - 18 HRC +150, зв'язок межі витривалості з межею міцності стали описується співвідношеннями:
Конкретним зразків конструкційних матеріалів, а також виконаним з них виробам, властива індивідуальність міцності і пружних характеристик. Розкид їх значень для різних зразків, виконаних з одного і того ж матеріалу, обумовлений статистичної природою міцності твердих тіл, відмінністю структур зовні однакових зразків. Через невизначеності реальних механічних характеристик матеріалу, невизначеності деяких зовнішніх навантажень, що діють на технічний об'єкт, похибки розрахунків для забезпечення безпечної роботи проектованих конструкцій повинні бути прийняті відповідні проектного етапу забезпечення надійності запобіжних заходів. В якості такого заходу використовується пониження в n раз щодо небезпечної напруги матеріалу (межі міцності, межі текучості, межі витривалості або межі пропорційності) величини максимально допустимих напружень, що використовуються в умови міцності. Величина n одержала назву нормативного коефіцієнта запасу міцності. який вибирається по таблиці або розраховується як добуток
де n1 -враховуються середню точність визначення напружень, n2 -враховуються невизначеність механічних характеристик матеріалу, n3 -враховуються середню ступінь відповідальності проектованої деталі.
Як ми з'ясували вище, існує кілька способів вимірювання твердості, що розрізняються за характером впливу наконечника. Твердість можна вимірювати вдавленням індентора (спосіб вдавлення), ударом або ж по відскоку наконечника - кульки. Твердість, певна царапаньем, характеризує опір руйнуванню, по відскоку - пружні властивості, вдавленням опір пластичної деформації. Залежно від швидкості прикладання навантаження на индентор твердість розрізняють статичну (навантаження прикладається плавно) і динамічну (навантаження прикладається ударом).
Широке поширення випробувань на твердість пояснюється рядом їх переваг перед іншими видами випробувань:
простота вимірювань, які не вимагають спеціального зразка і можуть бути виконані безпосередньо на перевіряються деталях;
вимір твердості звичайно не тягне за собою руйнування деталі, і після вимірювання її можна використовувати за своїм призначенням;
можливість орієнтовно оцінити за твердістю інші характеристики металу, в першу чергу межа міцності.
Так, наприклад, знаючи твердість по Брінеллю (HB), можна визначити межу міцності на розтяг (тимчасовий опір).
де k - коефіцієнт, що залежить від матеріалу;
k = 0,34 - сталь HB 120 ... 175;
k = 0,35 - сталь HB 175 ... 450;
k = 0,55 - мідь, латунь і бронза отоженая;
k = 0,33 ... 0,36 - алюміній і його сплави.
Найбільше застосування отримало вимір твердості вдавленням в випробовуваний метал індентора у вигляді кульки, конуса і піраміди (відповідно методи Брінелля, Роквелла і Віккерса). В результаті вдавлення досить великим навантаженням поверхневі шари металу, що знаходяться під наконечником і поблизу нього, пластично деформуються. Після зняття навантаження залишається відбиток. Величина впровадження наконечника в поверхню металу буде тим менше, чим твердіше випробовуваний матеріал.
Таким чином під твердістю розуміють опір матеріалу місцевої пластичної деформації, що виникає при впровадженні в нього більш твердого тіла - індентора.