5. Измерение твердости металлов по методу бринелля

Цель занятия - овладеть теорией и практикой измерения твёрдости металлов по методу Бринелля, получить навыки использования значений твёрдости для характеристики состояния и качества металла.

Задачи:

изучить теоретические и практические предпосылки к измерению твёрдости металлов (материалов). Очертить сферу применения значений твёрдости в практической деятельности специалиста-инженера;

изучить конструкцию прибора ТШ-2М, широко применяемого на промышленных предприятиях и в исследовательских лабораториях для измерения твёрдости по методу Бринелля;

экспериментально освоить измерение твёрдости металлов на приборе ТШ-2М;

приобрести навыки по самостоятельной оценке результатов измерений и формулированию выводов о качестве исследованного металла.

5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Из всех показателей механических свойств металлов наиболее просто и легко определять их твёрдость. Числовые значения твёрдости имеют универсальный характер. Они позволяют составить представление о состоянии металла, о проведенной термической обработке и её качестве, помогают вполне обоснованно выбрать наиболее выгодный режим механической обработки заготовок деталей (отливки, поковки), сверить результаты с указанными в справочниках или стандартах.

Учитывая, что для многих конструкционных сталей существует линейная зависимость между значениями твёрдости (HB) и прочности (σ_В), результаты измерения твёрдости существенно ускоряют и упрощают процесс идентификации стали: в ряде случаев ограничиваются определением твёрдости заготовок и изделий, не производя более трудоёмких и дорогостоящих испытаний на растяжение. При необходимости проведения испытаний на растяжение значения твёрдости позволяют безошибочно выбрать шкалу и диапазон испытательных нагрузок на испытательной машине.

Необходимо учитывать и то преимущество, что в результате измерения твёрдости изделие (заготовка) не разрушается, а лишь незначительно повреждается,

так как отпечатки испытательных наконечников и другие следы испытаний на поверхности изделия незначительны и не влияют на дальнейшую работоспособность детали или могут быть легко удалены. Кроме того, измерение твёрдости, как правило, проводится на поверхностях и зонах деталей, не подвергающихся нагружению: у зубчатых колёс - по торцам зубьев, у валов – в свободной зоне между местами установки зубчатых колёс и подшипников и т.д. Это особенно важно при проведении периодического контроля свойств металлов, из которых изготовлены реальные конструкции (трубопроводы, резервуары, машины, механизмы и др.), в процессе их длительной эксплуатации.

Под твёрдостью металла обычно понимают сопротивление, оказываемое им внедрению в его поверхность другого, более твёрдого тела (индентора) определённой формы и размеров [1]. При этом сопоставимыми, сравнимыми могут считаться только результаты, полученные при проведении испытаний поодинаковойметодике, наконечникамиодинаковойформы и размера, водинаковыхи стандартных условиях (величина и время действия нагрузки, условия по температуре, давлению и влажности воздуха, состояние поверхности образца, детали).

На машиностроительных предприятиях и в исследовательских лабораториях в настоящее время применяется несколько разных методов измерения твёрдости металлов (материалов), которые условно можно разделить на статическиеидинамические,контактныеибесконтактные.

При статическихиспытаниях нагрузка к вдавливаемому стандартному наконечнику прилагается плавно и постепенно. Время действия испытательной нагрузки устанавливается стандартами в зависимости от применяемого метода. Наиболее распространённые статические методы определения твёрдости основаны на вдавливании в испытуемый образец стального закалённого шарика, алмазного конуса и алмазной пирамиды или проведения царапины алмазным конусом.

При динамическихиспытаниях металлов на твёрдость применяется метод упругой отдачи алмазного наконечника или метод ударного вдавливания (отскока) стального закалённого шарика.

Обе эти группы методов являются контактными:в результате испытаний на поверхности образцов остаются видимые следы воздействия испытательных наконечников, по размерам которых и судят о значении твёрдости.

Примером бесконтактногоисследования является, например, измерение твёрдости с использованием ультразвука. В этом случае никаких следов воздействия на испытуемую поверхность не остаётся, а фактическое значение твёрдости устанавливается путём сравнения характера прохождения сигнала через испытуемый образец и образцовые меры твёрдости (плитки) с заранее известной твёрдостью. Практика показывает, что точность измерения в этом случае существенно зависит от класса и качества настройки прибора, а также от стабильности распределения структурных составляющих в объёме детали, особенно после проведения термической обработки.

Важными моментами при проведении измерений твёрдости с применением любого из перечисленных методов являются отбор и подготовка образцов к испытаниям: от качества этой работы в значительной степени зависят точность и сравнимость получаемых результатов. Требования к качеству обработки испытуемой поверхности зависят от применяемого наконечника и величины прилагаемой нагрузки. Естественно, что при вдавливании наконечников на небольшую глубину (например при измерении микротвёрдости поверхности детали алмазной пирамидой) требуется более совершенная чистовая обработка испытуемой поверхности, в особенности если размеры отпечатка или царапины измеряются под микроскопом. Такие отпечатки требуют наличия резко выраженных краёв для установки на фокус оптической системы микроскопа, поэтому в этих случаях к подготовке поверхности образцов предъявляются повышенные требования.

В то же время при чистовой обработке поверхности исследуемого образца не должны изменяться свойства металла, что может повлиять на его первоначальную твёрдость. Именно поэтому при подготовке образцов совершенно недопустим наклёп от холодной обработки или отпуск металла за счёт излишнего нагрева.

Толщина испытуемого образца или изделия должна быть такой, чтобы на его опорной поверхности не происходило выпучивание или появление какого-либо другого следа влияния нагрузки.

Нагрузка должна прилагаться строго по оси вдавливаемого наконечника перпендикулярно к испытуемой поверхности. Обычно это условие обеспечивается установкой плоских образцов на специальную опору с нижней шаровой поверхностью. Для образцов цилиндрической формы следует применять V-образные опорные столики, обычно включаемые заводами-изготовителями в комплект поставки выпускаемых ими приборов. При испытаниях длинных образцов необходимо предусматривать дополнительные выносные (боковые) опоры.

Точность результатов при статическом приложении нагрузки существенно зависит от пластичности испытуемого металла. С учётом этого обстоятельства продолжительность приложения нагрузки к вдавливаемому наконечнику и время выдержки под нагрузкой должны быть строго определёнными, поэтому они всегда указываются в стандартах на условия испытания и должны строго соблюдаться при его проведении.

У большинства стационарных твердомеров статическое нагружение наконечника происходит посредством рычажной системы со сменными грузами. В этом случае проще и надёжнее получить точное значение заданной нагрузки и выдержать её определённое, заранее установленное время. Достоверность экспериментально замеренного значения твёрдости устанавливается сравнением полученного при испытании результата со значением твёрдости образцовой плитки (МТБ) из комплекта, прилагаемого к прибору.

Станину (корпус) такого твердомера обычно делают С-образной формы для более удобного обслуживания, а необходимая жесткость (для исключения упругих деформаций) достигается за счёт отливки её из чугуна или стали при определённой толщине стенок. У большинства приборов силоизмерительное устройство располагается в верхней части станины, что позволяет исключить влияние собственной массы испытуемого образца и наличия некоторого эксцентриситета расположения образца на опорном столике на результаты испытания. В некоторых твердомерах (особенно переносного типа) для приложения нагрузки используется упругая деформация пружины, которая по ряду причин с течением времени может изменять свои параметры, поэтому показания такого прибора приходится чаще проверять по контрольным плиткам с заранее известными и стабильными во времени значениями твёрдости.

Для повышения удобства пользования некоторые твердомеры оснащаются оптическими устройствами для изображения полученных отпечатков на экране. Это освобождает работников от необходимости измерять геометрические размеры отпечатков и повышает точность и производительность измерений твёрдости.