6. Точность измерений твердости

Неизбежные различия в структуре разных участков образца приводят к разбросу твердости. Совокупность значений твердости, определенных большим числом измерений, хорошо подчиняется нормальному закону распределения; поэтому чем больше число замеров, тем ближе среднее к истинному значению. Однако увеличение числа замеров невыгодно и нужно получить среднее из трех-пяти замеров и определить ошибку измерения. При расчете среднего значения твердости из рассмотрения следует исключить значения, отличающиеся от среднего более, чем на 5%. Будем считать, что они являются результатом или грубой ошибки в измерениях или наличия крупных дефектов в образце.

7. Отчет по работе

По работе составить отчет, который должен содержать:

1. Цель работы.

2. Описание и характеристики методов измерения твердости и их сопоставление.

3. Обоснование взаимосвязи твердости и других механических свойств.

4. Экспериментальные данные в виде таблиц и графиков.

5. Объяснение полученных результатов и оценку точности использованных методов.

6. Выводы по работе.

3. Методы измерения твердости вдавливанием индекатора

При определении твердости измеряется сопротивление металла внедрению в него индентора, усредняющее сопротивление вдавливанию отдельных структурных составляющих. Следовательно, отпечаток должен быть значительно больше размеров зерен отдельных составляющих⁾.

Из методов отвечающих этому требованию, наибольшее распространение получили два: метод Бринелля и метод Роквелла.

4. Метод Бринелля

Определение твердости по Бринеллю производится согласно ГОСТу 9012-59 на приборе ТШ-2 (твердомер шариковый, вторая модель), схема которого показана на рис. 5.3.

Образец устанавливается на опорный столик 1 и вращением штурвала 2 с помощью подъемного винта 3 подводится до соприкосновения с индентором – стальным закаленным шариком 4. Для обеспечения одинакового поджатия образец поднимается до тех пор, пока указатель на головке прибора не совпадет с риской. После этого нажатием кнопки на правой стороне корпуса включается привод прибора. От электродвигателя 5 через редуктор 5 и кривошипно-шатунный механизм 7 приводится в движение рычаг 8, который передает нагрузку 9 на шпиндель индентора.

Передача нагрузки, выдержка под нагрузкой, разгрузка и выключение прибора осуществляется автоматически. После снятия образца измеряется диаметр лунки (отпечатка).

Твердость по Бринеллю HB определяется как нагрузка на единицу поверхности шаровой лунки:

^{_______________________________________________________}

^Х)метод микротвердости, с помощью которого измеряется твердость отдельных структурных составляющих. В этом случае отпечаток должен быть меньше размеров отдельных зерен.

Рис. 3. Схема прибора ТШ-2

, (4.4)

где - нагрузка в кгс;

- диаметр шарика в мм;

- диаметр отпечатка в мм.

Прибор предусматривает возможность использования в качестве индентора шариков диаметром 2,5; 5,0; 10,0 мм.

Для получения одинаковых значений твердости одного и того же материала при вдавливании шариков различного материала необходимо постоянство отношений и . Это видно, если формулу (4.5) преобразовать:

(4.6)

Таблица 5.2

Шкалы твердости по Роквеллу

Индентор	Полная нагрузка, кгс	Шкала	Разновидность твердости
алмазный конус	150	черная	HRC
алмазный конус	60	черная	HRA
стальной шарик	100	красная	HRB
стальной шарик	60	красная	HRF

Число твердости определяется формулой

или ; (5.8)

или , (5.9)

где .

Выбор индентора и нагрузки зависит от материала и размеров испытуемого образца и ожидаемой твердости (см. табл. 5.3).

Таблица 5.3

Рекомендуемые нагрузки при определении твердости по Роквеллу.

ГОСТ 9013-59

Материал исследования	Пределы твердости по Бринеллю	Разновидность твердости и допускаемые пределы измерений	Минимальная толщина образца, мм
Отожженные цветные сплавы	49-100		2,0-1,2
Цветные сплавы, отожженные сплавы железа	65-240		2,0-0,7
Стали после закалки, низкого и среднего отпуска	215-630		1,5-0,7
Твердые, тонкие слои, твердые сплавы	360-713		0,7-0,4

Передача основной нагрузки, выдержка и снятие нагрузки осуществляется автоматически.

В данном методе индентор в образец вдавливается нагрузкой 10 кгс, А затем полной, представляющей сумму предварительной и основной нагрузок. Глубина вдавливания отмечается движением большой стрелки индикатора. При снятии основной нагрузки упругая часть деформации снимается, что отмечается вращением стрелки индикатора в обратном направлении. После остановки стрелки величина твердости отсчитывается по индикатору, и затем образец разгружается полностью – снимается предварительная нагрузка (рис. 6).

Рис. 6. Схема определения твердости по Роквеллу

Таким образом, наличие предварительной нагрузки позволяет измерить глубину вдавливания в процессе самого испытания. Это выгодно отличает метод от метода Бринелля.

На индикаторе имеется две шкалы: черная – для отсчета твердости при использовании алмазного конуса и красная – при испытании стальным шариком. Прибор имеет три размера нагрузки: 60 кгс, 100 кгс и 150 кгс, что в сочетании с двумя инденторами дает четыре разновидности твердости по Роквеллу (см. табл. 5.2).

Постоянство обеспечивается подбором нагрузки для каждого размера шарика, а отношение поддерживается в пределах (его постоянство обеспечить невозможно).

Стандартом установлены нагрузки , и , что обеспечивает набор нагрузок от 15,6 кгс до 3000 кгс.

Всего чаще HB определяются при , и с выдержкой под нагрузкой 10 с. В этом случае результат записывается так: HB240, что означает, что твердость при указанных условиях испытания составляет 240 кгс/мм².

Во всех других случаях в написании твердости указываются условия испытания (см. табл. 3.1). Например, HB 5/250/20-200 с нагрузкой 250 кгс в течение 30 с. составляет 200 кгс/мм². Размерность в обозначении твердости опускается.

Путем статистической обработки большого числа результатов измерений определены коэффициенты, связывающие твердость по Бринеллю в стандартных условиях испытания с, временным сопротивлением:

, (4.7)

где - временное сопротивление, - коэффициент.

Величина различна для разных материалов:

чугуны ………………………………………… ..

литейные алюминиевые сплавы………… …….

инструментальные стали……………… ……..

низкоуглеродистые стали……………………….

деформируемые алюминиевые сплавы…… …..

аустенитные стали …… …….

Это различие определяется разной степенью пластической деформации, достигаемой при измерении твердости и испытании на растяжение, что видно на рис. 4.

Таблица 4.1