ТКМ (Вальтер А.И.)_1 / Лабор. заоч.-2 / твердость

Лабораторная работа №2.

Определение твердости материалов по Бринелю и Роквеллу

1. Цель и задачи работы.

Изучить устройство приборов Бринеля и Роквелла для измерения твердости и приобрести навыки в работе с этими приборами.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Существует много методик измерения твердости металлов и сплавов. Из всех известных наиболее широко на машиностроительных и металлургических предприятиях используют прибор Бринеля и прибор Роквелла.

2.1. Измерение твердости на приборе Бринеля

Твердость по методу Бринелля определяется путем вдавливания стального шарика диаметром D, равным 10; 5 или 2,5 мм, в испытуемую плоскую поверхность под действием заданной нагрузки Р в течение определенного времени t. Схема испытания приведена на рис. 1.

Рис.1. Схема измерения твердости по Бринеллю

После снятия нагрузки измеряется диаметр полученного на испытуемой поверхности отпечатка. Число твердости по Бринеллю НВ (твердость Н и по Бринеллю В) определяется по формуле

где Р- нагрузка на шарик , Н;

F- поверхность отпечатка , мм²;

D- диаметр шарика , мм;

d- диаметр отпечатка , мм.

Диаметр шарика, величину нагрузки и время выдержки под нагрузкой выбирают в зависимости от материала и толщины испытуемого изделия по стандартным таблицам (табл. 1). Чтобы результаты испытаний были одинаковы при любом диаметре шарика, необходимо учитывать кратность нагрузки

,(2) где к - коэффициент кратности; к=30 для сталей и чугунов, К = 10 для цветных металлов и сплавов и К = 2,5 для очень мягких материалов.

Таблица 1

Выбор диаметра шарика, нагрузки и времени выдержки

в зависимости от толщины изделия

Материал образца	Интервал твердости по Бри-неллю	Максимальная толщина испы- туемого образ- ца, мм	Кратность нагрузки Р=к D2	Диаметр шарика, мм	Нагрузка, Р, 10-1 Н	Выдержка под нагрузкой, с
Черные металлы	140-150	От 6 до 3 От 4 до2 Менее 2	Р=30D2 -//- -//-	10,0 5,0 2,5	3000 750 187,5	10 -//- -//-
Черные металлы	Менее 140	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	P=10D2 -//- -//-	10,0 5,0 2,5	1000 250 62,5	10 -//- -//-
Цветные металлы (медь,латунь, бронза)	Более 130	От 6 до 3 От 4 до 2 Менее 2	P=30D2 -//- -//-	10,0 5,0 2,5	3000 750 187,5	30 -//- -//-
Цветные металлы (магниевые сплавы)	35-130	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	P=10D2 -//- -//-	10,0 5,0 2,5	1000 250 62,5	30 -//- -//-
Цветные металлы (алюминий, подшипнико- вые сплавы)	8-35	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	P=2,5D2 -//- -//-	10,0 5,0 2,5	250 62,5 15,6	60 -//- -//-

Диаметр отпечатка измеряется при помощи лупы, имеющей шкалу с ценой деления 0,1 мм (рис. 2). Лупу устанавливают на образец так, чтобы вырез нижней части был обращен к свету. Край отпечатка совмещают с началом шкалы и читают деление шкалы, совпадающее с противоположным краем отпечатка. Измерение производится в двух взаимно перпендикулярных направлениях и диаметр отпечатка определяется как среднее арифметическое из двух измерений.

Рис.2. Измерение диаметра отпечатка

На практике во избежание сложных вычислений число твердости по Бринеллю в зависимости от диаметра отпечатка определяют по стандартной таблице (табл. 2). К прибору прилагается лупа и прилагаются таблицы.

Толщина металла под отпечатком должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка, а расстояние от центра отпечатка до края поверхности образца - не менее диаметра шарика

Метод Бринелля можно применять для металлов с твердостью не более 450 НВ во избежание остаточной деформации самого шарика (твердость которого 650 НВ).

Между твердостью по Бринеллю и пределом прочности металла существует зависимость

(3)

где k - переводной коэффициент, зависящий от свойств материала (для отожженной стали k=3,5; для меди и ее сплавов k=4,0; для алюминия и его сплавов k=3,7).

2.2. Измерение твердости по Роквеллу

Твердость по методу Роквелла определяют по глубине вдавливания в испытуемую поверхность индентора (стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм - для материалов средней твердости или алмазного конуса с углом при вершине 120 - для твердых материалов).

Нагрузки: предварительная Р₀, основная Р₁, и общая Р. Схема измерения твердости по методу Роквелла представлена на рис. 3.

Рис.3. Схема определения твердости по Роквеллу вдавливанием

алмазного конуса

Предварительная нагрузка Р₀=0,1 кН (10 кг), она дается с целью установления плотного соприкосновения наконечника с образцом и уменьшения влияния шероховатости поверхности образца на результаты измерения.

При испытании стальным шариком основная нагрузка Р₁=0,9кН (90 кг), а при испытании алмазным конусом Р₁=1,4 кН (140 кг).

Глубина внедрения наконечника h (см. рис. 3), измеренная после снятия основной нагрузки Р₁ с оставлением предварительной нагрузки Р₀, является мерой пластической деформации, то есть критерием оценки твердости материала.

Число твердости по Роквеллу в условных единицах указывается стрелкой прибора-индикатора (рис. 4).

Рис.4. Индикатор прибора Роквелла

Круговая шкала индикатора имеет 100 делений, на которые нанесены цифры: черные шкала С (А) для испытания конусом и красные – шкала В для испытания шариком. Цена деления индикатора 0,002 мм.

При измерении твердости особо твердых и тонких материалов во избежании повреждения алмазного наконечника иногда основную нагрузку уменьшают до 5,0 кН (50 кг). В остальном испытания выполняют так же, как и по шкале С. Число твердости в этом случае обозначается HRA, например HRA 75 (где Н – твердость, R – Роквелл, А, С, В – шкалы). см стр 10.

Между числами твердости по Бриненелю и Роквеллу есть зависимость и составлены таблицы, прилагаемые к прибору для переводу чисел твердости по Бринелю в числа твердости по Роквеллу.

3. ОБОРУДОВАНИЕ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Пресс Бринелля.

3.2. Плакат со схемой устройства пресса Бринелля.

3.3. Отсчетный микроскоп (лупа) для измерения диаметров отпечатков.

3.4. Образцы из цветных металлов или сплавов для определения твердости по методу Бринелля.

3.5. Прибор Роквелла.

3.6. Плакат со схемой устройства прибора Роквелла.

3.7. Образцы из углеродистой стали с различным содержанием углерода для определения твердости по методу Роквелла.

4. ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

4.1. Ознакомиться с методами определения твердости материалов.

4.2. Изучить по плакату устройство пресса Бринелля.

4.3. Изучить методику определения твердости материалов на прессе Бринелля.

4.4. Изучить по плакату устройство прибора Роквелла.

4.5. Изучить методику измерения твердости на приборе Роквелла.

5. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

5.1. Определить твердость образца из цветного металла или сплава методом Бринелля, соблюдая следующую последовательность действий:

- пользуясь таблицей 1, выбрать параметры определения твердости на прессе Бринелля в зависимости от толщины образца;

- поместить образец на столик пресса так, чтобы отпечаток получился ближе к центру образца, поднять столик до полного соприкосновения с образцом ;

- приложить нагрузку, дать выдержку;

- снять нагрузку, опустить столик;

- измерить диаметр полученного отпечатка при помощи лупы (рис. 2);

- по таблице 2 определить НВ, и сделать перевод на HRB ;

- по зависимости (3) определить приблизительный предел прочности испытуемого материала ;

- результаты эксперимента занести в таблицу 2.

Таблица 2

Протокол измерения твердости по Бринеллю

№ образ-ца	Мате-риал и толщи-на	Диа-метр шари-ка,	Нагруз-ка, РОБЩ, H	Вы-держ-ка, с	Диаметр	Отпеча	тка d,	мм	Твердость таблицам	по
	образ-ца	D, мм			d1	d2	d3	dСР	НВ	HRB

5.2. Определить твердость образца из углеродистой стали в состоянии поставки с различным содержанием углерода методом Роквелла, соблюдая следующую последовательность действий :

 поместить образец на столик прибора Роквелла так, чтобы расстояние от края образца до отпечатка получалось не менее 3 мм, и осторожно поднять столик до соприкосновения образца с наконечником ;

 приложить предварительную нагрузку Р₀, для чего продолжая поднимать столик, совместить маленькую стрелку индикатора с красной точкой ;

 поворотом ободка индикатора установить большую стрелку на ноль черной шкалы;

 приложить общую нагрузку Р_ОБЩ =Р₀ +Р_I ;

 снять основную нагрузку Р₁ ;

 прочитать показание индикатора по шкале С, если испытание проводилось алмазным конусом, или по шкале В, если шариком ;

 снять предварительную нагрузку F₀ ;

 по таблице 4 сделать перевод в НВ ;

 результаты эксперимента и полученные числа твердости по Роквеллу и Бринеллю записать в таблицу 3.

Таблица 3

Протокол измерения твердости по Роквеллу

№ образца	Мате-риал	Условия	испыта	ния	Измере	ние твер	дости		Число твердо-	Число твердо-
	образ-ца	Тип на-конечни-ка	Шкала	Нагруз-ка РОБЩ, H	1	2	3	сред.	сти по Роквел-лу	сти по Бринел-лю

6. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

6.1. По полученным значениям НВ, пользуясь ГОСТ 1050-88, определить марки сталей, их химический состав и механические свойства: _В, _Т, , Т. Заполнить таблицу 4.

Таблица 4

Химический состав и механические свойства сталей

№ образца	Марка стали	Химиче	ский сос	тав, %			Механи	ческие	свойства
		С	Si	Mn	P	S	В, МПа	Т, МПа	, %	T, %

6.2. Установить зависимость механических свойств сталей в состоянии поставки от содержания в ней углерода.

6.3. Сделать выводы из полученных результатов.

При анализе зависимостей следует уяснить, что структура стали в равновесном состоянии представляет собой сочетание двух фаз: феррита и цементита. Количество цементита Fe₃C увеличивается пропорционально содержанию углерода.

Феррит малопрочен и пластичен. Цементит тверд и хрупок. Поэтому по мере повышения концентрации углерода повышается твердость и прочность, снижаются пластичность и вязкость. Увеличение прочности происходит до содержания углерода 0,8%, после чего твердость продолжает расти, а прочность уменьшается, так как сплошной каркас цементита придает стали хрупкость.

7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

7.1. В чем заключается испытание на твердость по методу Бринелля?

7.2. Как обозначается число твердости по Бринеллю?

7.3. Укажите предельные значения твердости по Бринеллю, определяемые вдавливанием стального закаленного шарика.

7.4. Какие диаметры шариков применяются при стандартных испытаниях, чем определяется их выбор?

7.5. Каковы условия, обеспечивающие получение одинаковых значений твердости при испытании металла шариками различных диаметров?

7.6. В чем сущность измерения твердости металлов по Роквеллу?

7.7. Как обозначается число твердости по Роквеллу?

7.8. Расскажите о шкалах твердости прибора Роквелла, об условиях их применения.

7.9. Какие нагрузки при измерении твердости по Роквеллу применяются и в какой последовательности они накладываются?