18.2 Лабораторная работа № 1 Тема: Методы определения твердости железоуглеродистых сплавов.
Цель: Углубить теоретические знания и закрепить пройденный материал. Научить студентов определять твердость материалов по методам Бринелля и Роквелла.
Время проведения: 2 часа.
Краткие теоретические сведения
Твердость – это способность материала оказывать сопротивление при внедрении в него другого тела (индентора), не получающего остаточных деформаций. Индентор – это твердосплавный наконечник, внедряемый в поверхность металла. Значение твердости и ее размерность для одного и того же материала зависят от применяемого метода измерения. Величина, характеризующая твердость, называется числом твердости. Наибольшее применение в технике получили статические методы испытания на твердость при вдавливании индентора это: метод Бринелля, метод Виккерса, метод Роквелла.
По методу Бринелля испытание на твердость проводится путем вдавливания в поверхность материала твердосплавного шарика диаметром D под действием нагрузки Р. После снятия нагрузки измеряется диаметр отпечатка d (рис. 18.1а) и по табл. 10 определяется число твердости. Число твердости по Бринеллю можно также определить как отношение нагрузки Р к площади поверхности сферического отпечатка А:
,
(1)
где Р – нагрузка, кг;
D – диаметр шарика, мм;
d – диаметр шарового сегмента (отпечатка), мм.
При D = 10 мм, Р = 2997 кг (29400 Н) и времени выдержки под нагрузкой 10 с твердость по Бринеллю обозначается символом НВ с указанием числа твердости. При этом размерность числа твердости (кг/мм2) не ставится.
Н
Рис. 18.1. Схемы
испытаний на твердость:
А) по Бринеллю; б) по Виккерсу; в) по Роквеллу.
апример:
200 НВ
означает, что твердость, определенная
методом Бринелля равна
200.
При использовании шариков других
диаметров 1;
2; 2,5
и 5 мм
изменяется нагрузка вдавливания, а
символ твердости НВ
дополняется тремя индексами.
Например: 180 НВ 2,5/187,5/30 обозначает, что при D = 2,5 мм,
Р = 187,5 кг (1839 Н) и времени выдержки под нагрузкой 30 с число твердости по Бринеллю равно 180.
Метод Бринелля не рекомендуется применять для материалов с твердостью более 450 НВ, так как стальной шарик может деформироваться, что внесет погрешность в результаты испытаний.
По методу Виккерса испытание на твердость проводится путем вдавливания в поверхность, материала алмазной четырехгранной пирамидой с углом при вершине = 136 (рис. 18.1б). После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d1. Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки Р к площади поверхности пирамидального отпечатка А:
,
(2)
где Р – нагрузка, кг;
d1.– диагональ отпечатка, мм.
Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки Р и времени выдержки под нагрузкой, размерность числа твердости (кг/мм2) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой принимают для сталей 10 – 15с, а для цветных металлов – 30с.
Например: 450 HV 10/15 означает, что число твердости по Виккерсу 450 получено при Р = 10 кг (98,1 Н), приложенной к алмазной пирамиде в течение 15с.
Преимущество метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материал более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.
При испытании на твердость по методу Роквелла в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120 или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Согласно этому методу, за условную меру твердости принимается глубина отпечатка. Схема испытания по методу Роквелла показана на рис. 1в. Вначале прикладывается предварительная нагрузка Р0, под действием которой индентор вдавливается на глубину h0. Затем прикладывается основная нагрузка Р1, под действием которой индентор вдавливается на глубину h1. После этого снимают нагрузку Р1, но оставляют предварительную нагрузку Р0. При этом под действием упругой деформации индентор поднимается вверх, но не достигает уровня h0. Разность (h – h0) зависит от твердости материала; чем тверже материал, тем меньше эта разность.
Глубина отпечатка измеряется индикатором часового типа с ценой деления 0,002 мм. При испытании мягких металлов методом Роквелла в качестве индентора применяется стальной шарик.
Число твердости, определенное методом Роквелла, обозначается символом HR. Однако в зависимости от формы индентора и значения нагрузки вдавливания к этому символу добавляется буква А, С, или В, обозначающие соответствующую шкалу измерений.
Например: 50 HRC означает, что твердость определения методом Роквелла по шкале С при вдавливании алмазного конуса, равна 50 (размерность не ставится).
Преимущество метода Роквелла по сравнению с методами Бринелля и Виккерса заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.