4.3.3 Твердомір для випробувань за методикою Віккерса

Це друга за розповсюдженістю методика вимірювання твердості матеріалів після Роквелла. Запропонована у 1925 р. британськими інженерами Смітом та Сандлендом. Віккерс – від назви інженерно-промислового концерну (Vickers Limited), який виготовив перший прилад.

За методикою Віккерса твердість визначається за величиною відбитка, залишеного алмазним наконечником, який втискується у поверхню під дією навантаження, прикладеного протягом певного часу. Твердість обчислюється як відношення зусилля, прикладеного до наконечника, до площі відбитка (причому площа відбитка береться як площа частини поверхні піраміди, а не як площа квадрата).

Індентор – чотиригранна алмазна піраміда з квадратовою основою та кутом при вершині 136⁰±30’ (див. рис. 4.6).

Навантаження здійснюють протягом 10-15 с для чорних металів та 30 с для кольорових металів. Для вибору оптимального значення навантаження будують криву в координатах «навантаження-твердість» й використовують навантаження початку горизонтальної частини кривої.

Рисунок 4.6 – Індентор Віккерса

Методики визначення твердості за Брінелем та Віккерсом за фізичним змістом однакові, тому числа твердості в інтервалі до 3500 МПа майже співпадають. При більшій твердості внаслідок пружної деформації з’являється відмінність, причому твердість за Віккерсом зростає швидше, ніж за Брінелем.

Будова і принцип дії твердоміра ТП.

Для визначення твердості за Віккерсом використовують прилади типу ТП (див. рис. 4.7).

Прилад ТП представляє собою сукупність навантажуючого приладу та мікроскопу. В поворотній головці 7 змонтована оправа з індентором 6 та об’єктив мікроскопу 8. Столик 5 при повороті за годинниковою стрілкою маховика 3 за допомогою гвинта 4 піднімається до контакту з індентором.

Навантаження на індентор 6 створюється за допомогою тягарів 15, підвішених на підвісці 14 та приєднаних до системи важелів. Весь процес випробування здійснюється приводом, що працює від електродвигуна 20, що знаходиться в нижній частині станіни 1.

При повороті головки в крайнє ліве положення прилад переводять в робочий стан. Ось робочого шпинделю 9 приводить у рух важіль 12, з’єднаний з підвіскою для тягарів 14.

Ззаду станіни знаходиться вантажний привід з масляним амортизатором 18, за допомогою якого прикладання навантаження, витримка під навантаженням та розвантаження виконується автоматично за рахунок енергії вантажу 19, що опускається.

Перед початком піднімання столика зі зразком, потрібно взвести вантажний привід ручкою 17. При цьому підйомний шток 16 утримується в піднятому стані. Для навантаження натискають клавішу 2.

Час витримки зразка під навантаженням реєструється сигнальною лампою, що вмикається при навантаження та гасне після зняття навантаження.

а б

Рисунок 4.7 – Зовнішній вигляд твердоміру HV-10 (а) та твердоміру ТП (б) та принципова схема твердоміру Віккерса типу ТП (в): 1 – станіна; 2 – стартова клавіша; 3 – гайка-маховик; 4 – гвинт; 5 – предметний столик; 6 – індентор; 7 – поворотна головка; 8 – об’єктив; 9 – робочий шпиндель; 10 – мікроскоп (гвинтовий окуляр-мікрометр); 11, 13 – опори важіля; 12 – важіль; 14 – підвіска для тягарів; 15 – тягарі; 16 – підйомний шток; 17 – ручка взводу вантажного приводу; 18 – вантажний привід з масляним амортизатором; 19 – вантаж для противаги; 20 – електродвигун.

При повороті головки 7 в крайнє праве положення оптична вісь мікроскопу 10 суміщається з центром відбитка індентора. В фокальній площині окуляру 10 знаходяться три шкали: одна – з поділками, друга – з безперервною вертикальною лінією, третя – з пунктирною вертикальною лінією.

4.4 Заходи безпеки

При проведенні випробувань для визначення твердості матеріалів дотримуються стандартних заходів безпеки, зазначених на початку методичних вказівок.

4.5 Програма проведення експерименту

Для досягнення мети роботи необхідно виконати наступні кроки:

1. Ознайомитися з будовою та принципом дії твердомірів Брінеля, Роквелла та Віккерса.

2. Опанувати методику проведення вимірювань.

3. Провести випробування наданих викладачем зразків за всіма методиками.

4. Розрахувати значення твердості.

5. Зробити висновки щодо отриманих параметрів.

4.6 Опрацювання результатів експерименту

Послідовність операцій при проведенні всіх вищеописаних випробувань майже однакова. Після підготовки поверхні зразка, що включає її очищення від забруднень та шліфування, підбирають відповідний індентор, шкалу вимірювань, величину навантаження на індентор. Проводять не менше 3 - 5 випробувань в різних точках поверхні.

4.6.1. Порядок проведення вимірювань твердості за Брінелем

Вимоги щодо процесу вимірювань за методикою Брінеля:

• товщина зразків більш ніж в 10 разів має перевищувати глибину відбитка індентора;

• розміри плоскої поверхні для кожного вимірювання - не менше двох діаметрів індентора;

• відстань від краю зразка більше 2,5, а між відбитками - 4 діаметрів індентора;

• різниця між розмірами відбитка індентора в протилежних напрямках має не перевищувати 2%;

• зразки повинні мати твердість у межах 80 – 4500 МПа;

• проводять не менше 3 вимірювань;

• похибка методу ± 1%.

Порядок виконання роботи:

1. Зразок розміщують на предметному столику 24. Обертаючи маховик 21, притискають зразок до індентора до упора в обмежник 27.

2. Встановлюють ручкою 18 час витримки (10, 30 або 60 с) на шкалі 17.

3. Вмикають електромотор кнопкою 23.

4. Після закінчення вимірювання (гасне контрольна лампа 33), опускають столик та вимірюють діаметр відбитка в двох перпендикулярних напрямках d₁ та d₂. Вимірювання виконують за допомогою мікроскопу МБП-2 (див. рис. 4.8, б). Потім обчислюють його середнє значення за формулою:

(4.3)

а б в

Рисунок 4.8 - Вимірювання діаметру відбитка при визначенні твердості за методикою Брінеля: а - схема отримання відбитка, б - мікроскоп МБП-2 (1- освітлювач, 2 – окуляр, 3 – мікрогвинт), в – приклад вимірювання діаметру відбитка.

5. Твердість за Брінелем визначають або по спеціальних таблицях, що є у паспорті приладу, або за формулою:

, (4.4)

де Р – навантаження, D – діаметр індентора, d – діаметр відбитка.

6. Результати вимірювань заносять до табл. 4.4 та записують таким чином:

• НВ = 4000 МПа – застосовувалися стандартні умови - кулька з діаметром 10 мм, навантаження 30 кН, час витримки 10 с.

• НВ_5/7,5/30 = 3500 МПа – діаметр кульки 5 мм, навантаження 7,5 кН, час витримки 30 с.

• НВ_5/750/30 = 350 - діаметр кульки 5 мм, навантаження 750 кгс, час витримки 30 с. твердість виміряна в кгс/мм².

7. Знаючи твердість матеріалу за Брінелем, можна швидко знайти його границю міцності і текучості, що важливо для прикладних інженерних задач. Для багатьох металів та сплавів спостерігається задовільна кореляція між твердістю за Брінелем (НВ) та границею міцності σ_В:

σ_В = α · НВ, (4.5)

де α - безрозмірна константа, величина якої для різних матеріалів визначається в залежності від співвідношення між діаметром відбитку та діаметром індентора (d/D) (див. табл.4.5).

Таблиця 4.4 - Результати вимірювання твердості за методикою Брінеля

Матеріал, товщина зразка, мм	Діаметр індентора, D, мм	Наванта-ження, Р, кН	Діаметр відбитка, мм			Твердість, НВ
			d1	d2	середній

Таблиця 4.5 - Значення коефіцієнту α для визначення границі міцності матеріалів

Група сплавів	d/D	α
Чавуни	0,4	0,15
Литі алюмінієві сплави	0,45	0,25
Алюмінієві сплави, що деформуються	0,4	0,38
Титанові сплави	0,4	0,3
Високоміцні сталі	0,33	0,33
Низьковуглецеві сталі	0,45	0,33
Аустенітні сталі	0,4	0,45
Латуні	0,4	0,45

8. Визначив значення твердості за Брінелем, розрахуйте значення границі міцності матеріалів. Результати записати до табл. 4.6

Таблиця 4.6 - Розрахункова границя міцності матеріалів

Матеріал	Твердість, НВ, МПа	Границя міцності, σВ, МПа	Примітки

Переваги методики Брінеля:

- простота;

- можливість вимірювання характеристик матеріалів з низькою твердістю (мідь, алюміній);

Недоліки методики:

- відсутність геометричної подібності відбитків (твердість за Брінелем залежить від навантаження, оскільки зміна глибини втискування не пропорційна зміні площі відбитку);

- вимірювання можна застосовувати тільки для порівняно м'яких матеріалів через конечне значення твердості самого індентора;

- при втискуванні по краях відбитку через витискування матеріалу утворюється "підвищення", що утруднює вимірювання розміру відбитку;

- через великий розмір індентора метод непридатний для тонких зразків матеріалу.