вим твердості

Лабораторна робота № 13

ВИМІР твердості по Бринеллю

(Тривалість лабораторної роботи 2 ч;

домашня підготовка ─ 2 ч)

Для оцінки твердості металу запропоновано кілька методів. Так, застосовують дряпання гострим наконечником при тиску з певним зусиллям. Ширину цієї подряпини використовують як критерій для оцінки твердості. Поширений також метод відскоку, коли сталева кулька скидають з певної висоти на підготовлену належним чином поверхню використовуваного матеріалу; по висоті відскоку кульки судять про твердість. Іноді замість кульки застосовують бойок з алмазним наконечником певної форми. Найбільшого поширення набули методи оцінки твердості по опору випробуваного матеріалу впровадженню в нього іншого більш твердого тіла, званого індентором.

I. Короткі ПРИКЛАДНІ ТА ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ ПО вивчає питання

Твердість - це властивість матеріалів чинити опір при місцевих контактних впливах пластичної деформації або крихкому руйнуванню в поверхневому шарі в певних умовах випробування. Це формулювання придатна як для методів впровадження, так і для методу дряпання.

Існуючі методи вимірювання твердості значно відрізняються один від одного за формою застосовуваного индентора, умовам додатка навантаження і способи розрахунку чисел твердості. Вибір методу залежить від різних чинників: твердості матеріалу, його розмірів, товщини шару, твердість якого необхідно виміряти, і т.д.

Способи визначення твердості ділять на статичні і динамічні в залежності від швидкості прикладання навантаження, за способом ж її застосування - на методи вдавлення, дряпання. Найбільш поширені методи визначення твердості, в яких використовується статистичне вдавлення індентора перпендикулярно поверхні зразка. Про твердості судять або по глибині проникнення індентора (твердість по Роквеллу - HRC, HRB, HRA), або за величиною відбитка від вдавлення індентора при відповідній навантаженні (твердість по Брінеллю-НВ, Вікерсом-HV, мікротвердість Н). У всіх перерахованих випадках при вдавливании индентора відбувається пластична деформація випробуваного матеріалу. Чим більше опір матеріалу пластичної деформації, тим на меншу глибину проникає индентор і тим вище твердість.

У всіх методах випробування на твердість дуже важливо правильно підготувати поверхневий шар зразка. Він повинен по можливості повно характеризувати той матеріал, твердість якого необхідно визначити. Всі поверхневі дефекти (окалина, вибоїни, вм'ятини, грубі ризики і т.д.) повинні бути видалені. Вимоги до якості випробуваної поверхні залежать від застосовуваного индентора і величини додається навантаження. Чим менше глибина вдавлення індентора, тим вище повинна бути чистота поверхні і тим більше строго потрібно стежити за тим, щоб властивості поверхневого шару не змінилися внаслідок наклепу або розігріву при шліфуванні і поліруванні.

При визначенні твердості усіма методами, крім методу мікротвердості, вимірюють сумарний опір металу впровадженню в нього индентора, усереднюються твердість всіх наявних структурних складових. Тому що утворився після зняття навантаження відбиток повинен бути за розміром значно більше розмірів зерен окремих структурних складових. Неминучі відмінності в структурі окремих ділянок зразка призводять до розкиду значень твердості.

Найбільш широко практикуються випробування твердості по Брінеллю і по Роквеллу. На рис. 1 наведені схеми методів по Брінеллю, Роквеллу і Вікерсом.

При визначенні твердості по Бринеллю [метод названий по імені шведського інженера Ю. А. Бринелля (J.A.Brinell; 1849-1925)] индентор у вигляді сталевої кульки певного діаметраD вдавлюється при певній нагрузкеР в випробовуваний матеріал (рис. 1, а).

Число твердості по Бринелю (НВ) визначається як відношення навантаження Р. діючої на кульової индентор діаметромD. до площадіF кульової поверхні відбитка:

Площа відбитка може бути визначена і по глибині вдавлення індентора:

Число твердості має розмірність напруги (Па), однак відповідно до стандарту вона не пишеться. При визначенні твердості НВ кулькою з D = 10 мм під навантаженням Р = 3000 кгс (≈30000Н) і часом витримки τ = 10 с число твердості записують: НВ 400, НВ 250) і т.д. При використанні інших умов випробування індекс НВ доповнюють цифрами, що вказують діаметр використаного кульки (мм), навантаження (кгс) і тривалість витримки (с). Наприклад, НВ 5/750 / 30-350- це число твердості по Бринелю (350), отримане при вдавливании кульки компакт-дисків = 5 мм нагрузкойР = 750 кгс протягом τ = 30 с.

При визначенні твердості по Бринелю в залежності від товщини випробувального матеріалу використовують кульові індентором діаметром 2,5; 5 або 10 мм. Їх виготовляють зі сталі твердістю не менше 850 кгс / мм 2. За допомогою методу Бринеля можна випробовувати матеріали твердістю від НВ 8 до НВ 450. Мінімальна товщина випробуваного зразка повинна бути не менше 10-кратної глибини відбитка. При відомої НВ приблизна глибина відбитка

Діаметр відбитка вимірюють з точністю 0,010,05 мм за допомогою вимірювальної лупи або мікроскопа. Середні значення НВ визначаються по 3-5 відбитками. Відстань від центру відбитка до краю зразка має бути не менше 2,5d. а відстань між центрами двох сусідніх відбитків - не менше 4d (для металів з НВ<35 соответственно 3d и 6d );

Навантаження Р вибирають відповідно до якості випробувального матеріалу по формулі

де k - постійна, рівна 30 для щодо твердих матеріалів (понад НВ 130), = 10 для матеріалів середньої твердості (НВ 30130) і, = 2,5 для м'яких (нижче НВ 30).

За Бринеллю визначають твердість щодо м'яких матеріалів (чавунів. Отожженной стали, кольорових металів та їх сплавів)

У таблиці 1 наведені дані по вибору діаметра кульки і навантаження в залежності від матеріалу і товщини зразка. При випробуванні більш м'яких металів застосовують менші навантаження.

Випробування за методом Брінелля проводять на стаціонарних твердоміра (пресах Бринелля), що забезпечують плавне додаток заданого навантаження до кульки і сталість її при витримці протягом встановленого часу (зазвичай 10 с).

Вибір діаметра кульки і навантаження в залежності від твердості та товщини зразка

При визначенні твердості по Роквеллу [по імені американського металурга 20 століття С. П. Роквелла (SP Rockwell), який розробив цей метод] в випробний тіло вдавлюється алмазний конус з кутом при вершині 120 ° (при випробуванні твердості дуже твердих металів - шкали А і С ) або сталевий загартований кульку діаметром 1,588 мм (1/16 ") (при випробуванні м'яких матеріалів - шкала В), відповідно числа твердості позначаються HRC і HRB, наприклад HRC61. Конус або кульку вдавлюється при додатку двох послідовних навантажень (рис. 1, б ): попередньої (Р == 10кгс) і основн й. Сумарне навантаження для шкали В становить 100 кгс, для шкали С - 150 кгс, для шкали А - 60 кгс. Шкала А застосовується при випробуванні дуже твердих матеріалів.

Твердість по Роквеллу встановлюється в умовних одиницях. За одиницю твердості прийнята величина, відповідна осьовому переміщенню індентора на 0,002 мм. Випробування по методу Роквелла виробляють спеціальним настільним приладом (твердоміром), забезпеченим індикатором зі стрілкою і двома шкалами: чорної і червоної. По чорній шкалі відлічується твердість, вимірюеться алмазним конусом, а по червоній - сталевим кулькою (рис. 3).

Твердість по Віккерсу [за назвою англійського військово-промислового концерну «Віккерс» (Vickers Limited), який розробив цей метод] HV, як і мікротвердість Н, визначається вдавленням алмазного індентора, і

меющего форму правильної чотиригранної піраміди з двогранним кутом, рівним 136 °, при вершині (рис. 1, в). Число твердості по Віккерсу HV - відношення навантаження на индентор (в кгс) до площі пірамідальної поверхні відбитка (в мм 2); напр. HV 650. вдавлюють навантаження вибирається від 50 до 1000 Н (від 5 до 100 кгс) в залежності від твердості та товщини зразка або вироби. Метод Віккерса використовується для випробування твердості деталей малої товщини або тонких поверхневих шарів, що мають високу твердість.

Методом мікротвердості зазвичай користуються для вимірювання твердості окремих зерен або дуже тонких шарів. Навантаження Р можна змінювати в межах від 1 до 500 м

II. ОПИС ЛАБОРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ

Для досліджень пропонуються зразки заготовок з різних металів і сплавів з відбитками, зробленими за допомогою приладу для визначення твердості по Бринелю ТШ-2М (рис. 2). Діаметр кульки, навантаження, витримка зразка під навантаженням відомі.

Для вимірювань зразка відбитка використовується мікроскоп МБС-9.

Технічні дані ТШ-2М

1. просунув вимірювання НВ: від 8 до 450

2. Випробувальна навантаження, кгс 187,5; 250; 750; 1000; 3000

3. Похибка навантажень,%: не більше ± 1

4. Тривалість витримки випробуваного зразка під навантаженням, з: 10 ± 2

5. Діаметри сталевих кульок, мм: 2,5; 5; 10

III. ЗАВДАННЯ І ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Визначити твердість зразків стали.

2. Визначити твердість зразків різних марок кольорових металів різної товщини.

3. Обгрунтувати умови вибору діаметра кульки і навантаження.

IV. ВКАЗІВКИ ДО ВИКОНАННЯ РОБОТИ

Отриманий відбиток вимірюють мікроскопом або лупою в двох взаємно перпендикулярних напрямках, діаметр відбитка знаходиться як середнє арифметичне з двох-трьох вимірів. Число твердості по Бринелю визначається за формулою (1) з округленням результатів до цілого числа для металів з твердістю 100 кгс / мм 2 (9,80 · 10 -6 Н / м 2). НВ може бути визначено також за таблицями при відомих діаметрі відбитка, навантаженні і діаметру кульки. Діаметри отриманих відбитків повинні знаходитися в межах 20 · 60% від діаметра кульки, в іншому випадку випробування недійсне.

Отримані результати заносяться до протоколу випробувань, який має наступну зразкову форму.

Протокол випробування на твердість по Бринелю

Товщина і матеріал зразків