Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология испытаний технических систем. Учебное пособие.pdf
Методы определения твердости
Механические
Немеханические
Статические
Динамические
Неразрушающие
Бринелля
Роквелла
Виккерса
Шора
Людовика
Ауэрбаха
Герберта
Шора
Резания
Мартенса
Мооса
Наиболее употребительные в технике методы определения твердости
различаются по типу нагружения индентора при внедрении его в материал. Для количественного определения твердости металлов применяют как
методы механического нагружения образца, так и косвенные методы контроля (рис. 4.7):
Рис. 4.7. Схема косвенных методов контроля твердости
Наибольшее применение получили статические методы определения
твердости. Стандартными методами являются в первую очередь методы
Бринелля, Роквелла и Виккерса. Из динамических методов получили применение методы царапанья (Мартенса, Мооса), по длительности качания
коромысла индентора (Герберта), методы ударного отскока и ударного
отпечатка. Резание сверлом или напильником является неточным методом
определения твердости.
41
h
D
F
d
Рис. 4.8. Схема проведения измерения твердости по Бринеллю:
S
Достаточно перспективным и высокоточным методом является метод
непрерывного вдавливания, при котором записывается диаграмма перемещения, возникающего при внедрении индентора, с одновременной регистрацией усилий. Этот метод аналогичен прочностным методам, применяемым при растяжении образцов. Его применение ограничено сравнительно высокой стоимостью испытываемого оборудования.
Испытания на твердость по Бринеллю. Сущность метода заключает-
ся во вдавливании шарика (стального или из твердого сплава) в образец
(изделие) под действием нагрузки, приложенной перпендикулярно поверхности образца, в течение определенного времени и измерении диаметра отпечатка после снятия нагрузки. Схема проведения измерения
твердости по Бринеллю стальным шариком приведена на рис. 4.8.
D – диаметр шарика; F – испытательная нагрузка, Н; h – глубина отпечатка, мм;
d – диаметр отпечатка, мм; S – толщина образца, мм
Твердость по Бринеллю – НВ (НВW) – твердость, выраженная отношением приложенной нагрузки F к площади поверхности сферического
отпечатка А.
НВ – при применении стального шарика (для металлов и сплавов
с твердостью не более 450 ед.).
НВW – при применении шарика из твердого сплава (для металлов
и сплавов с твердостью не более 650 ед).
42
22
102,0
D
F
D
F
15
10
20
+
−
Диаметр
294,2
98,1
49,3
24,52
9,8
1177
392,2
196,1
98,1
39,2
7355
2452
1226
612,9
245,2
29420
14710
9807
4903
2452
980,7
Обозначение параметров:
k – отношение между нагрузкой и квадратом диаметра шарика
, Н/мм2;
А – площадь отпечатка, мм2;
НВ – твердость по Бринеллю.
Испытания проводят при температуре
оС. Во время испытаний
прибор должен быть защищен от ударов и вибраций. Образец должен лежать на подставке устойчиво, чтобы исключалась возможность его смещения и прогиба во время испытаний. Продолжительность выдержки под
нагрузкой должна быть от 10 до 15 с для черных металлов, а для цветных
металлов и сплавов – от 10 до 180 с в зависимости от материала. Толщину
образца, подвергаемого испытаниям, выбирают так, чтобы на противоположной стороне образца после испытания не было заметно следов деформации. Испытания проводят с применением нагрузок, зависящих от соотношения k и D (см. табл. 4.4, 4.5).
Таблица 4.4
Зависимость нагрузки от соотношения k и D
Нагрузка F, Н (кгс) для k, равного
шарика
D, мм
30 15 10 5 2,5 1,0
1,0
(30)
2,0
(120)
5,0
(750)
10,0
(3000)
–
–
–
(1500)
(10)
(40)
(250)
(1000)
(5)
(20)
(125)
(500)
(2,5)
(10)
(62,5)
(250)
(1)
(4)
(25)
(100)
Диаметр шарика и соответствующую нагрузку выбирают так, чтобы
диаметр отпечатка находился в пределах от 0,25 до 0,6 D. При несоблюдении этих требований необходимо изменить условие испытания (диаметр
шарика или нагрузку). Для выбора k – соотношения между нагрузкой
и квадратом диаметра шарика – рекомендуется пользоваться табл. 4.5.
43
HBD
F
S
⋅⋅π
≥
102,0
8
HBD
F
S
⋅⋅π
≥ 8
Твердость
по Бринеллю
Сталь, чугун,
высокопрочные сплавы
До 140
140 и более
10
30
Титан и сплавы на его основе
От 50
15
Медь и сплавы на её основе,
легкие металлы и их сплавы
Менее 35
От 35
5
10
Подшипниковые сплавы
От 8 до 50
2,5
Свинец, олово и другие мягкие металлы
До 20
1,0
(
)
22
2102,0102,0
dDDD
F
A
F
HB
−−π
⋅
==
(
)
22
2
dDD
D
F
A
F
HB
−−π
==
Минимально толщина образца должна быть не менее восьмикратной глубины отпечатка и определяться по формулам:
[F в Н] ;
Соотношение k между нагрузкой и квадратом диаметра шарика
Материал
Диаметр отпечатка измеряют с помощью микроскопа или других
приборов с погрешностью измерения:
±0,25 % – для шариков диаметром 5 и 10 мм;
[F в кгс].
Таблица 4.5
k
±0,5 % – для шариков диаметром 1,2 и 2,5 мм.
Диаметр отпечатка замеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях и определяют как среднее арифметическое значение двух
измерений. При этом разность измерений диаметров одного отпечатка
не должна превышать 2 % меньшего из них.
Значение твердости определяется по формулам:
При измерении твердости обозначение НВ дополняется индексами,
указывающими на условия измерения, в следующем порядке:
‒ первая цифра перед НВ обозначает твердость в мегапаскалях (МПа);
‒ первая цифра после НВ – диаметр шара в миллиметрах (мм);
[F в кг].
[F в Н];
‒ вторая цифра – нагрузку в ньютонах (Н) или килограммах (кг);
‒ третья цифра – продолжительность выдержки под нагрузкой в секундах (с).
44
22
189,0
2
sin2102,0
d
F
d
F
HV =
α
⋅⋅
=
22
854,1
2
sin2
d
F
d
F
HV =
α
⋅
=
F
α
d2
d
1
Пример. 3000 НВ 2.5/1838,7/10 означает: твердость по Бринеллю,
равную 3000 МПа, при испытании шаром диаметром 2,5 мм под нагрузкой
1838,7 Н при выдержке в течение 10 с.
Испытания на твердость по Виккерсу. Метод измерения твердости
по Виккерсу металлов и сплавов (рис. 4.9) при нагрузках от 9,8 Н (1 кг)
до 980 Н (100 кг) основан на вдавливании алмазного наконечника в форме
правильной четырехгранной пирамиды в образец под действием нагрузки F, приложенной в течение определенного времени, и измерении диагоналей отпечатка d1 и d2, оставшихся на поверхности образца после снятия
нагрузки.
Рис. 4.9. Определение твердости по Виккерсу
Твердость по Виккерсу HV вычисляют по формулам:
[F в H];
где F – нагрузка, кгс;
α – угол между противоположными гранями пирамиды при вершине,
равный 136о;
d – среднее арифметическое значение длин обеих диагоналей отпе-
чатка после снятия нагрузки, мм.
[F в кг],
45
Для определения твердости по Виккерсу берут среднее арифметиче-
ское значение длин обеих диагоналей. Разность диагоналей одного отпечатка не должна превышать 2 % меньшей из них. Твердость по Виккерсу
обозначается буквами и цифрами, характеризующими величину твердости
HV. После этих букв указывается нагрузка и время выдержки.
Пример. 500 HV 30/10-15 – твердость по Виккерсу, полученная при
нагрузке F = 30 кг и времени выдержки 10–15 с; 200 HV 10/40 – твердость
по Виккерсу, полученная при нагрузке 10 кгс и времени выдержки 40 с.
При измерении твердости алмазной пирамидой применяются следующие нагрузки [кгс] : 1; 2; 2,5; 3; 5; 10; 20; 30; 50; 100.
Для определения твердости черных металлов и сплавов применяют
нагрузки от 5 до 100 кгс; для меди и её сплавов – от 2,5 до 50 кгс; для
алюминиевых сплавов – от 1 до 100 кгс.
При определении твердости по Виккерсу приложенная нагрузка заметно меньше, чем при определении твердости по Бринеллю. При использовании меньших нагрузок получается менее глубокий отпечаток,
что позволяет применять образцы меньшей толщины и использовать
этот метод для определения твердости относительно тонких поверхностных слоев.
Испытания на твердость по Роквеллу. При определении твердости
по Бринеллю и Виккерсу требуется измерить величину получающегося
в каждом случае отпечатка и по ней рассчитать величину твердости. Оба
метода достаточно трудоемкие, и именно этим объясняется тот факт, что
метод определения твердости по Роквеллу в кратчайший срок стал наиболее часто используемым на практике методом.
При определении твердости по Роквеллу индентор вдавливается в испытываемый материал и глубина вдавливания t служит мерой твердости.
Само испытание проводится значительно быстрее, и весь процесс измерения твердости может быть автоматизирован. При этом выбирается какаялибо реперная точка и полученную величину глубины вдавливания tв вычитают из произвольно выбранной максимальной глубины вдавливания t
max
:
HR = t
– tв. (4.1)
max
46
F0
F0
F1
F0
t
o
t
1
t
в
уровень отсчета
поверхность
t
o
t
1
t
в
НR
100
0
t
max
Рис. 4.10. Определение твердости по Роквеллу
HR
Для определения глубины вдавливания используют стрелочные инди-
каторы и общую нагрузку прикладывают в два приема: в виде предварительной и основной нагрузок.
Принцип определения твердости по Роквеллу показан на рис. 4.10.
образца
В соответствии с этим принципом индентор сначала при предвари-
тельной нагрузке F0 вдавливается в материал на глубину t0. От этой реперной точки t0 определяется уровень отсчета для измерения получающейся при определении твердости глубины вдавливания tв. При наложении основной нагрузки F1 в течение 2–8 с индентор вдавливается в материал на общую глубину t1.
Продолжительность процесса вдавливания при суммарной нагрузке
(F0 + F1) зависит от ползучести испытываемого материала и в общем слу-
чае составляет:
а) 2–3 с – для материалов с не зависящей от времени пластической
деформацией;
47
б) 6–8 с – для материалов с зависящей от времени пластической деформацией;
в) 20–30 с – для материалов с существенно зависящей от времени
пластической деформацией.
По истечении времени вдавливания основную нагрузку F1 снимают,
измеряют полученную глубину вдавливания tв и по ней в соответствии
с формулой (4.1) рассчитывают твердость по Роквеллу.
Для определения твердости по Роквеллу используют несколько вариантов этого метода. Наиболее часто используют метод С. Получаемая величина твердости указывается перед индексом использованного метода,
например 47HRC.
Другие методы определения твердости. Рассмотренные выше методы измерения твердости используют главным образом для испытания металлов и полимерных материалов. Наряду с этим для испытания неметаллических образцов находят применение и другие методы определения
твердости.
• Определение твердости методом царапанья сапфировой иглой. Для
определения твердости материалов из дерева и слоистых прессованных
материалов используется принцип, предложенный Мартенсом и основанный на том, что на поверхность используемого материала наносят царапину с помощью сапфировой иглы конусной формы (угол при вершине
50о, радиус иглы 25 мкм). Мерой величины твердости при нанесении царапины является нагрузка, которая образует бороздку шириной 50 мкм.
• Определение твердости по Шору. В качестве индентора применяют
иглу из закаленной стали с конусообразным острием (угол при вершине
30о, радиус при вершине 0,1 мм). По усилию пружины, воздействующей
на индентор, в пределах от 1 до 45 Н различают величины твердости по
Шору от 0 до 100.
• Определение глубины вдавливания пуансона. В качестве индентора
используют пуансон с плоской рабочей поверхностью диаметром 25,2 или
11,3 мм. Усилие при испытании составляет 523,9 Н, длительность нагружения 0,5 или 5 ч. Глубину вдавливания пуансона измеряют в миллиметрах (мм).
48
10
4
10
1
2
3
4 5 6
7
8
9
1 – резонансные колебания;
5. ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ
На многие детали машин и конструкций действуют динамические
нагрузки в режиме колебаний. На рис. 5.1 представлены области частот
колебаний динамических нагрузок, имеющих место при эксплуатации
различных механизмов.
103
102
101
100
10-1
10-2
10-3
10-4
-5
Подобное динамическое (циклическое) нагружение может привести
Рис. 5.1. Области частот колебаний динамических нагрузок
2 – звуковые колебания;
3 – колебания при движении
автомобиля из-за неровностей дорог;
4 – колебания при движении
корабля;
5 – колебания при полете само-
лета;
6 – колебания при движении
транспортных средств;
7 – колебания от ветровой
нагрузки;
8 – температурные колебания;
9 – колебания от снеговой
нагрузки
к тому, что после определенного числа циклов нагружения происходит
разрушение, хотя номинальные напряжения в детали не превышали статического предела упругости. Это явление называется усталостью мате-
риала, а вызванное им разрушение – усталостным. В случае динамического нагружения для установления геометрических размеров детали
нельзя использовать характеристики прочности, полученные при статических испытаниях. В этом случае необходимо проводить испытания на
усталость, с помощью которых можно определить предел выносливости
или число циклов до разрушения, по которому можно устанавливать срок
службы детали.
49
a
E
π
γ⋅
=σ
2
lCK σ=∆
Повреждение материала и образование излома на поверхности образ-
ца при испытаниях на усталость происходят в результате возникновения
и постепенного распространения трещины. При этом различают три стадии:
1) распространение трещины вследствие её постепенного роста и фи-
зических свойств;
2) распространение трещины вследствие её постепенного роста до
достижения критической величины;
3) разрушение критического сечения трещины.
В последние годы усталостное разрушение материала стали рассмат-
ривать с позиций трещинообразования. Профиль излома образца состоит,
как правило, из двух областей: одна – гладкая, является усталостной зоной; вторая – кристаллическая, является зоной мгновенного разрушения.
Усталостная трещина всегда возникает в той части материала образца, где
отношение местного напряжения к пределу выносливости самое низкое.
Относительные размеры, форма и местоположение двух областей излома
зависят от величины и направления прилагаемой нагрузки, от наличия
надрезов, являющихся концентраторами напряжений.
В основу большей части современных теорий распространения трещин положены работы Гриффитса о хрупком разрушении, в которых постулировано, что материал имеет изначальные дефекты. Гриффитс предполагал существование изначальных трещин в виде узких эллипсов
с большой осью l. Им было получено критическое напряжение, по достижении которого трещина будет распространяться самопроизвольно:
, (5.1)
где γ – поверхностная энергия;
а – половина длины трещины.
Выражение (5.1) связано с пределами изменения коэффициента интенсивности напряжений ∆K – характеристики, учитывающей величину
напряжения, длину трещины и имеющей более ясный физический смысл,
чем параметр γ. Величина коэффициента интенсивности напряжений имеет вид:
,
где С – константа, зависящая от материала.
50