новая папка 1 / 233792

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Оренбургский государственный университет»

Кафедра материаловедения и технологии материалов

И.Ш. Тавтилов, А.О. Стрижов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ СОВРЕМЕННЫМИ ТВЕРДОМЕРАМИ

Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» в качестве методических указаний для студентов, обучающихся по программам высшего профессионального образования по направлению подготовки 150700.62 Машиностроение

Оренбург

2013

УДК 620.178.162(07) ББК34.41я7

Т13

Рецензент – профессор, доктор технических наук И. Т. Ковриков

Тавтилов, И. Ш.

Т13 Определение твердости современными твердомерами: методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Материаловедение»/ И. Ш. Тавтилов, А.О. Стрижов; Оренбургский гос. ун-т. – Оренбург: ОГУ, 2013. – 23 с.

Твердость имеет большое практическое значение, так как характеризует многие рабочие свойства металлов и сплавов. Поэтому сложные и требующие времени испытания на растяжение, ударный изгиб и другие часто заменяют испытаниями на твердость, которые выполняются значительно быстрее и не требуют больших затрат.

Твердость обуславливает свойство поверхностного слоя материала оказывать сопротивление упругой и пластической деформации при местных контактных воздействиях.

Однако такое определение не является общим, т. к. существуют и другие методы определения твердости, различающиеся по характеру воздействия наконечника.

Методические указания предназначены для выполнения лабораторных работ по курсу «Материаловедение» при подготовке студентов по направлению подготовки 150700.62 Машиностроение.

УДК 620.178.162(07) ББК34.41я7

© Тавтилов И. Ш., Стрижов А.О., 2013

© ОГУ, 2013

1 Цель работы

Ознакомиться с современным оборудованием для определения твердости металлов и сплавов, приобрести навыки измерения твердости на этих приборах.

2 Общие сведения

Большинство методов определения твердости основано на принципе вдавливания специального наконечника (индентора).

Твердость определяют при помощи воздействия на поверхность металла наконечника (индентора), изготовленного из закаленной стали, алмаза или твердого сплава и имеющего форму шарика, конуса или четырёхгранной пирамиды. Выбор формы индентора и величины нагрузки зависит от целей испытания, ожидаемых свойств, состояния поверхности и размеров испытуемого образца.

Твердость – это свойство поверхностного слоя материала оказывать сопротивление деформации при местных контактных воздействиях со стороны другого, более твердого и не получающего остаточной деформации тела (индентора) установленной формы и размеров.

Однако такое определение не является общим, т. к. существуют и другие методы определения твердости, различающиеся по характеру воздействия наконечника: способ царапания поверхности, маятниковый метод, метод упругой отдачи, динамические методы (Польди, Шора) и др.

Твердость имеет большое практическое значение, так как характеризует многие рабочие свойства металлов и сплавов, например, износостойкость, режущие свойства и др. Поэтому сложные и требующие времени испытания на

3

растяжение, ударную вязкость и т.д. часто заменяют испытаниями на твердость, которые выполняются значительно быстрее и не требуют больших затрат.

Испытание на твердость может производиться непосредственно на детали без ее разрушения, поэтому широко применяется не только для изучения свойств металла, но и как метод контроля готовых изделий.

В зависимости от формы индентора и измеряемой величины (отношение нагрузки к площади полученного отпечатка) различают три основных метода определения твердости материала: определение твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу.

2.1 Метод Роквелла

Этот метод измерения твердости наиболее универсален и наименее трудоемок. Здесь не нужно измерять размеры отпечатка, так как числа твердости отсчитывают непосредственно по шкале. Определение твердости по методу Роквелла основано на вдавливании в исследуемый материал закаленного стального шарика или алмазного конуса и последующем измерении глубины вдавливания (рисунок2.1). Отпечатки от конуса или шарика очень малы, и поэтому твердость можно измерять непосредственно на изделии. Однако этот метод не рекомендуется применять для сплавов с неоднородной структурой (чугунов).

4

Рисунок 2.1 – Схема измерения твердости по Роквеллу

Нагрузку и индентор выбирают в зависимости от твердости испытуемого образца. Шарик или конус вдавливается в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительнойP0 и основной P1.

Предварительное нагружение проводят для того, чтобы исключить влияние упругой деформации и шероховатости поверхности образца на результаты измерений. Под действием предварительной нагрузки Pо, индентор внедряется в поверхность образца на величину hо (рисунок 2.1). Затем на образец подается основная нагрузка P1. Общая нагрузка Р будет равна сумме предварительной Ро и основной Р1 нагрузок. После снятия основной нагрузки, когда на индентор действует только предварительная нагрузка, глубина внедрения индентора будет h.

Основываясь на принципах измерения по Роквеллу и будучи многофункциональным прибором, твердомер ТН-301 позволяет определять твердость материала по Роквеллу, а также твердость пластмасс по Роквеллу. Прибор так же обеспечивает возможность преобразования значения твердости по Роквеллу в величины твердости по Бринеллю (НВ), твердости по Виккерсу (HV), предела прочности (σв) и некоторые другие.

Совмещая в себе такие возможности, как, например, высокая точность измерений, широкий измерительный диапазон, функция автоматического

5

приложения/снятия нагрузки, цифровое отображение результатов измерения и автоматическую печать, обмен данных с компьютером и т.д., твердомер ТН-301 подходит для испытаний на твердость различных видов углеродистой стали, легированной стали, литейного чугуна, цветных металлов, конструкционного пластика и т.д. Прибор можно широко использовать для проведения испытаний, научных исследований и промышленного производства, например, в метрологии, машиностроении, металлургии, химической промышленности, изготовлении строительных материалов и т.д.

За счет специальной конструкции головки индентора (рисунок 2.2) прибор можно использовать не только для выполнения общих испытаний, проводимых обычными твердомерами, но также для работы с такими поверхностями, как внутренняя часть кольцевых деталей и труб, что невозможно сделать с помощью обычного твердомера.

Рисунок 2.2 – Вид головки индентора

Схематическое изображение внешнего вида твердомера и клавиатуры представлено на рисунках 2.3. и 2.4 соответственно.

6

10

1 – кожух крышка; 2 – головка индентора; 3 – индентор; 4 – плоская наковальня; 5 – кожух ходового винта; 6 – маховик; 7 – ходовой винт; 8 – нивелирная ножка; 9 – боковая дверца; 10 – задняя панель; 11 – ЖК-дисплей; 12

– клавиатура.

Рисунок 2.3 – Внешний вид твердомера ТН301

— кнопка обращения к памяти прибора печати данных; +/- — установка верхнего/нижнего предела; Σ — статистические данные; HR= — перевод шкалы; Ø — коррекция неровной поверхности; MENU — главное меню; ▲, ▼ — клавиши прокрутки; ENTER — подтверждение.

Рисунок 2.4 – Клавиатура твердомера ТН301

7

2.2 Измерение твердости методом ультразвукового импеданса (УЗИ)

Принцип действия твердомера УЗИТ-3 основан на особенностях метода УЗИ. Этот метод используется во многих приборах-измерителях твердости отечественного и зарубежного производства. Твердомеры разных фирм могут различаться конструктивными и схемными решениями, сервисными функциями однако, существует ряд особенностей, определяемых общим принципом действия, которые необходимо учитывать при работе с приборами, реализующими метод УЗИ.

По физической сущности метод УЗИ наиболее близок к методу измерения твердости по Виккерсу с малым усилием вдавливания алмазной пирамиды. В приборах разных фирм нагрузка на индентор может быть различна, но, как правило, она не превышает 49 Н (5 кгс). Для УЗИТ-3 нагрузка составляет около 15 Н (1.5 кгс). Глубина проникновения индентора в материал при этом незначительна, что может быть одной из основных причин несовпадения результатов измерений твердости методом УЗИ по сравнению с традиционными методами Роквелла и Бринелля.

Метод УЗИ основан на измерении собственной резонансной частоты колебательного стержня датчика, акустически связанного с изделием через отпечаток, созданный алмазом. Резонансная частота зависит от параметров датчика, которые заданы конструктивно, от площади отпечатка, что позволяет измерять твердость, а также от упругих свойств самого изделия. Также показания УЗИ-твердомеров зависят от модуля упругости материала испытуемых изделий и в меньшей степени от коэффициента Пуассона.

Измеритель твердости ультразвуковой УЗИТ-3 предназначен для измерения твердости на поверхности изделий из конструкционных сталей и других материалов, близких к ним по модулю упругости.

8

Конструктивно прибор состоит из электронного блока, помещенного в металлический корпус, и датчика цилиндрической формы, соединенных между собой неразъемно, без кабеля связи, что существенно повышает надежность и удобство работы с прибором (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 – Общий вид прибора УЗИТ-3

На верхней панели корпуса прибора расположен жидкокристаллический индикатор. Кнопка включения(она же выполняет функцию подсветки) и переключатель диапазонов измерения «HB/HRC» расположены на боковой (торцевой) поверхности корпуса (рисунок 2.5).

Батарейный отсек расположен под нижней крышкой прибора.

В состав датчика прибора входят алмазная пирамида напаянная на никелевый стержень, нагрузочная пружина, а также элементы возбуждения и съема сигнала. Элементы датчика размещены в хромированном металлическом корпусе, имеющем резьбовое соединение для крепления насадок,

предназначенных для работы на деталях разного профиля.

9

Принцип действия прибора основан на зависимости резонансной частоты магнитострикционного стержня с алмазной пирамидой на конце, внедренной в поверхность контролируемого изделия с заданным условием, от площади контакта алмаза с поверхностью изделия, то есть он основан на измерении акустического импеданса стержня с алмазом Виккерса на конце при небольшом (около 20 Н) усилии вдавливания. Импеданс определяется площадью контакта алмаза с поверхностью, которая в свою очередь зависит от твердости материала. При столь малом усилии вдавливания глубина отпечатка невелика, вследствие чего сильное влияние на точность измерений оказывает шероховатость поверхности.

При большей шероховатости погрешность отдельного измерения возрастает. Увеличивая количество измерений, случайную погрешность среднего арифметического можно уменьшить, но в любом случае шероховатость поверхности должна быть меньше глубины отпечатка.

Результаты измерений зависят также от модуля упругости материала, твердомер откалиброван для работы на конструкционных углеродистых и низколегированных сталях. Использовать прибор для измерения твердости материалов, значительно отличающихся по модулю упругости от сталей, нельзя.

Источником большой погрешности может быть неаккуратность при установке и прижиме датчика. При слишком быстром прижиме, если алмаз внедряется с ударом, показания будут занижены. Поворот датчика или качание его, когда алмаз касается поверхности, также могут привести к большой ошибке.

Перед контролем особо ответственных объектов рекомендуется проверить прибор на образцах известной твердости. Запрещается двигать датчик с прижатым к поверхности алмазным индентором, что может вызвать скол острия

алмазной пирамиды.

10