Лабораторная работа № 3 измерение твердости металлов

Цель работы: ознакомление с методами и приборами для измерения твердости; определить твердость образцов по Бринеллю и по Роквеллу.

Краткие теоретические сведения

Под твердостью понимают свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого, не получающего остаточных деформаций тела. Определение твердости – один из важнейших методов механических испытаний, позволяющий быстро и без разрушения испытуемого изделия получить некоторые механические характеристики. В отличие от испытаний на растяжение, определение твердости позволяет оценить прежде всего свойства поверхностных слоев материала. Поэтому при определении твердости необходимо особое внимание обращать на состояние поверхности. Последняя не должна иметь таких дефектов, как риски, вмятины, выбоины, окалина и др. Наличие их искажает результаты измерения твердости. Поэтому различные поверхностные дефекты перед испытанием удаляются.

Определение твердости является исключительно ценным способом контроля качества изделий после термической, химико-термической обработки и обработки металлов давлением. Испытание металлов на твердость имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами механических испытаний, а именно:

1. при определении твердости изделие не разрушается и может поступить в эксплуатацию;

2. приборы для испытания металлов на твердость портативны, характеризуются высокой производительностью, не требуют высокой квалификации работников, доступны для применения непосредственно в цехе, на складе, у рабочего места.

Кроме того, имеются эмпирические формулы, которые устанавливают связь между твердостью и пределом прочности при растяжении. В настоящее время определение твердости широко применяется для контроля качества металлов и металлоизделий в различных отраслях промышленности.

Разработано большое количество методов измерения твердости. В зависимости от способа проведения испытания основные методы определения твердости можно разделить следующим образом:

1. метод статического вдавливания, при котором учитывается преимущественно сопротивление пластической деформации;

2. метод царапания, при котором учитывается сопротивление разрушению;

3. метод упругой отдачи, при котором учитывается преимущественно сопротивление упругой деформации;

4. динамическое вдавливание стального шарика или индентора другого вида.

Наиболее распространенным в промышленности методом определения твердости является метод вдавливания.

Существует три наиболее распространенных метода определения твердости, в которых используется статическое вдавливание индентора нормально к поверхности образца.

Измерение твердости вдавливанием закаленного шарика (метод Бринелля) предложено в 1900 г., вдавливанием алмазного конуса (метод Роквелла) – в 1923 г., вдавливанием алмазной пирамиды (метод Викерса) – в 1925 г.

Указанные три метода определения твердости металлов стандартизированы во всех промышленных государствах мира.

На рис.3.1 представлены диапазоны твердостей, в пределах которых следует применять каждый из этих методов.

Рис.3.1. График диапазонов значений твёрдости

Наиболее универсальным и точным методом является метод Викерса. Он позволяет производить определение твердости практически всех встречающихся в технике металлов и изделий из них.

Два других метода имеют меньший диапазон измеряемых ими твердостей. Несмотря на кажущийся на первый взгляд параллелизм, существование трех методов является оправданным и необходимым.

Метод Бринелля может быть применен для измерения твердостей, не превышающих в единицах твердости по Викерсу НV – 475. Особенностью этого метода является возможность определения твердости при пластическом деформировании достаточно больших, по сравнению с другими методами, объемов металла и получения благодаря этому усредненной характеристики твердости металла. Усредненная характеристика твердости таких изделий, как отливки, поковки и прокат, особенно важна для оценки их технологичности при обработке на металлорежущих станках. Относительно большие размеры отпечатков, получаемых при вдавливании стальных шариков, позволяют проводить их измерение с точностью в 8…10 раз большей, чем при вдавливании алмазной пирамиды. Все эти особенности, свойственные методу, основанному на вдавливании стального шарика, определили широкое применение его в производственной и лабораторной практике.

Приборы, работающие по методу Роквелла, применяются, как это видно из рис. 3.1, в основном для измерения высокой твердости.

Несмотря на принципиальный недостаток этого метода, связанный с относительно невысокой точностью измерения, приборы, работающие по этому методу, нашли очень широкое применение при контроле твердости в производственных условиях. Эти приборы позволяют получить числовое значение твердости испытуемого изделия в 3-4 раза быстрее, чем на приборах, работающих по методу Бринелля или Викерса. Высокая производительность приборов Роквелла обуславливается тем, что измерение твердости по этому методу сводится к измерению глубины отпечатка. Измерения в диапазоне малых твердостей производятся с помощью дополнительного шарикового индентора, что расширяет область применения прибора.

Метод вдавливания алмазной пирамиды (метод Викерса) следует считать самым точным и универсальным. Приборы, работающие по этому методу, применяются в том случае, когда возникает необходимость в контроле твердости ответственных деталей, а также при экспериментальных испытаниях исследовательского характера. Контроль твердости тонких и малогабаритных изделий, а также поверхностной твердости обычно производят с помощью приборов, работающих по методу Викерса.

Недостатком приборов, работающих по методу Викерса, как и приборов, работающих по методу Бринелля, является длительность процесса испытания, связанная с необходимостью измерения размеров отпечатков с помощью микроскопа.

Измерение твердости по методу Бринелля

Испытания на твердость по Бринеллю стандартизированы и регламентируются ГОСТ 9012–59 (ИСО 650681, ИСО 41082) «Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю» (с изменениями 2, 3, 4, 5). Этот стандарт распространяется на метод измерения твердости по Бринеллю черных и цветных металлов и сплавов с твердостью от 8 до 450 единиц.

Основные определения и обозначения

При измерении твердости металлов по Бринеллю стальной шарик диаметром D вдавливается в испытуемый образец (изделие) под действием нагрузки F, приложенной в течение определенного времени t, и после удаления нагрузки измеряется диаметр отпечатка d, оставшегося на поверхности образца (рис.3.2).

Рис. 3.2 Определение твердости по Бринеллю

Число твердости по Бринеллю НВ, кгс/мм² определяется путем деления нагрузки F на площадь А поверхности сферического отпечатка и может быть получено по формуле

HВ = F / A,

с учетом того, что ,

, (3.1)

где F – нагрузка, кгс (1кгс = 9,8 Н);

A – площадь сферического отпечатка, мм²;

D – диаметр шарика, мм;

d – диаметр отпечатка, мм.

.

В большинстве справочников значения твердости приводятся без указания размерности (кгс /мм²), в некоторых справочниках значение твердости приводится в МПа (Н/мм²), и это обстоятельство надо учитывать при сопоставлении значений твердости материалов.

При измерении твердости шариком диаметром D=10 мм под нагрузкой F = 3000 кгс (29420 Н) с выдержкой t = 10 с число твердости по Бринеллю сопровождается символом НВ, например НВ 400. Указанные условия проведения испытаний называют стандартными. Для стандартных условий на основании формулы (3.1) составлены таблицы твердости (Приложение к ГОСТ 9012–59), определяющие твердость НВ в зависимости от диаметра отпечатка d.

При других условиях измерения обозначение НВ дополняется индексом, указывающим условия измерения в следующем порядке: диаметр шарика, нагрузка и продолжительность выдержки.

Например, НВ5/250/30-200 означает число твердости по Бринеллю 200 при испытании шариком диаметром D = 5 мм, под нагрузкой 250 кгс, приложенной в течение t = 30 c.

Большую роль в проведении испытания по Бринеллю играют различные условия опыта, в особенности величина нагрузки на шарик и размер его. Для получения одинаковых, сравнимых результатов необходимо соблюдать при испытаниях закон подобия, требующий постоянства отношения нагрузки к квадрату диаметра шарика, т.е.

F / D² = const.

Это отношение для черных металлов принимается равным 300, для цветных металлов оно уменьшается до 100, а для более мягких металлов до 25.

Процесс вдавливания индентора связан с пластической деформацией, которая происходит во времени, поэтому в условиях испытания по измерению твердости ГОСТ 9012–59 предусматривается определенное время выдержки под нагрузкой.

Порядок проведения испытания

Оборудование, приборы, материалы и принадлежности: пресс Бринелля ТШ-2, микроскоп МПБ-2, образцы, таблицы твердости.

1. По таблице 3.1 выбрать условия проведения испытания в зависимости от материала и размеров испытуемых образцов.

Таблица 3.1

Материал	НВ, кгс/мм2	Толщина образца, мм	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка F, кгс (Н)	Выдержка под нагрузкой t, с
Черные металлы	130–450	6–3	10 5	3 000 (29 420) 750 (7 355)	10
	140	>6 6–3	10 5	1 000 (9 800) 250 (2 450)	30
Цветные металлы и сплавы на основе меди	130	6–3 4–2 < 2	10 5 2,5	3 000 (29 420) 750 (7 355) 187,5 (1 840)	30
	35–130	9–3 6–3 < 3	10 5 2,5	1 000 (9 800) 250 (2 450) 62,5 (613)	30
Сплавы на основе алюминия	8 –35	> 6 6–3 < 3	10 5 2,5	250 (2 450) 62,5 (613) 15,6 (130)	60

2. Для проведения испытания образец кладется на подвижный стол прибора. Вращением маховика стол поднимается, образец поджимается к шарику до упора в ограничитель. Для создания одинаковых условий образования отпечатка шарика необходимо расстояние от центра отпечатка до края образца выдерживать не менее 2,5d, а расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее 4,0d; для металлов с числом твердости НВ<35 соответственно 3,0d и 6,0d. Приложение и снятие нагрузки осуществляется прибором в автоматическом режиме при нажатии пусковой кнопки. По окончании испытания (после остановки электродвигателя) вращением маховика стол с образцом опускается.

3. Диаметр отпечатка измеряется с помощью отсчетного микроскопа МПБ-2. Диаметр отпечатка должен измеряться в двух взаимоперпендикулярных направлениях и определяется как среднее арифметическое из двух измерений. Разность измерений диаметров одного отпечатка не должна превышать 2% от наименьшего из них. Диаметры отпечатков d должны находиться в пределах 0,2D<d<0,6D. В случае несоблюдения этого условия испытание признается недействительным и должно быть повторено.

4. Число твердости по Бринеллю НВ определяется по формуле (3.1) или по таблицам, приводимым в Приложении к ГОСТ 9012–59, в зависимости от диаметра отпечатка шарика.

5. Исследования показали, что для черных металлов между твердостью материала и характеристиками прочности существуют простые и довольно постоянные зависимости (3.2) и (3.3). Для цветных металлов подобные зависимости не нашли широкого применения.

Для сталей _в= (3…3,6) HB; (3.2)

для серого чугуна _в= (HB – 40) / 0,6. (3.3)

Замечание: значение твердости HB в формулы (3.2) и (3.3) следует подставлять в кгс/мм²; значение предела прочности _в получается в МПа.

6. Результаты испытаний заносятся в протокол испытаний (табл. 3.2).

Преимущества и недостатки метода Бринелля

Основные преимущества:

– благодаря большому размеру отпечатка можно измерять твердость грубо обработанных поверхностей деталей и заготовок;

– возможность измерять твердость мягких материалов (цветные и благородные металлы, термопласты, древесина и др.)

– наличие прямой связи между пределом прочности _в и твердостью НВ.

Основные недостатки:

– этим способом нельзя испытывать образцы, твердость которых близка или равна твердости самого шарика, так как при этом происходит если не разрушение шарика, то его смятие и деформация, вследствие чего искажаются результаты испытания;

– измерение диаметра отпечатка занимает сравнительно много времени, что при массовых заводских испытаниях нерационально; к тому же оно бывает неточным вследствие выпучивания выдавливаемого шариком металла около краев отпечатка;

– на поверхности образца остается отпечаток, что в ряде случаев приводит деталь в негодность;

– методом Бринелля нельзя испытывать изделия с обработанным поверхностным слоем, т.к. из-за большой глубины отпечатка шарик проникает через поверхностный слой в более мягкую сердцевину, при этом измеряется нечто среднее между твердостями обоих слоев.

Таблица 3.2