Робота 2.2.2 Визначення твердості металів методами Бринелля та Роквелла

Мета роботи

1 Вивчити будову та роботу твердомірів типу ТШ і ТК.

2 Набути навичок визначення твердості металів методами Бринелля та Роквелла.

Теоретичні відомості

Твердістю називається здатність металу перешкоджати впрова­дженню в нього іншого, більш твердого тіла.

Для визначення твердості використовуються спеціальні прилади, в яких застосовуються такі способи вимірювання: удав­люванням стальної кульки у випробовуваний зразок (метод Бринелля); удавлюванням в зразок алмазного конуса (метод Роквелла).

Твердість методом Бринелля визначають удавлюванням стальної кульки в плоску поверхню зразка, що випробовується, під впливом заданого навантаження протягом певного часу. Діаметр кульки, величину навантаження та тривалість витримки під навантаженням вибирають з таблиці 2.2.

Таблиця 2.2 – Вихідні дані та режими випробувань твердості

Метали	Інтервал твердості в числах Бринелля, МПа	Мінімальна товщина дослідного зразка, мм	Діаметр кульки D, мм	Наванта­ження Р, кГ	Тривалість витримки під наванта­женням, с
Чорні	1400...4500	6-3 4-2 менше 2	10 5 2,5	3000 750 187	10
	< 1400	більше 6 6-3 менше 3	10 5 2,5	1000 250 62,5	10
Кольорові	> 1300	6-3 4-2 менше 2	10 5 2,5	3000 750 187	30
	350-1300	9-5 6-3 менше 3	10 5 2,5	1000 250 62,5	30
	80-350	більше 6 6-3 менше 3	10 5 2,5	250 62,5 15	60

Число твердості за методом Бринелля визначається як відношення прикладеного навантаження Р до площі сферичної поверхні відбит­ка F:

(2.7)

де Р – навантаження на кульку індентора, Н;

F – площа поверхні сегменту відбитку від впровадження кульки;

D – діаметр кульки, що вдавлюється в матеріал, мм;

d – діаметр отриманого відбитка, мм.

Діаметр отриманого відбитка вимірюють спеціальною лупою (мікро­скопом Бринелля) у двох взаємно перпендикулярних напрямах і визна­чають середнє арифметичне двох вимірювань.

Щоб не вдаватись до тривалих обчислень твердості за формулою (2.7), на практиці число твердості НВ визначають, знаючи умови випробовування та користуючись спеціальною таблицею.

Твердість за методом Роквелла визначають за глибиною відбитку при вдав­люванні у зразок (деталь), що випробовується, алмазного конуса (конус може бути не лише алмазним, а й з твердого сплаву) з кутом при вершині 120° або стальної загартованої кульки діаметром 1/16″ (1,588 мм). Прилад Роквелла (рисунок 2.2) має індикатор 6 годинникового типу. На його циферблаті є дві кольорові шкали (червона та чорна). На чорній шкалі є дві буквені шкали ("А" і "С"), на червоній – одна буквена шкала ("В"). Якщо твердість виробів випробовується за шкалами "А" і "С", то наконечником служить алмазний конус, якщо за шкалою "В" – кулька. Шкала "А" вико­ристовується для випробовування надтвердих сплавів, що мають твер­дість НВ >7000 МПа, а також тонкого листового матеріалу чи тон­ких виробів товщиною 0,3...0,5 мм. Шкала "В" застосовується для випробо­вування кольорових металів і сплавів, твердість яких не перевищує НВ2300 МПа, та для виробів товщиною 0,8...2,0 мм. Шкала "С" застосо­вується для випробовування загартованих сталей, твердість яких не пе­ревищує НВ7000 МПа, а також для виробів товщиною більше 0,5 мм.

На станині приладу розташований предметний столик 1. У верхній частині приладу розташовані індикатор 6, масляний регулятор 4, шток з індентором (алмазним наконечником або стальною кулькою) та рукоятка 7. Столик 1 переміщується обертанням маховика 2, а навантаження створюється важками 3.

Шліфований з обох боків зразок встановлюють на столик 1 і поворотом маховика 2 піднімають до дотику з наконечником та подальшим підніманням до тих пір, поки маленька стрілка не співпадає з червоною точкою на циферблаті. Це означає, що на зразок створене попереднє навантаження. При цьому велику стрілку індикатора слід встановити на нульову позначку.

Кульку або конус вдавлюють у дослідний зразок під впливом двох наван­тажень, які прикладаються послідовно – попереднього Р₀ та основного Р₁ . Тоді загальне навантаження

P = P₀ + P₁. (2.8)

Попереднє навантаження Р₀ завжди дорівнює 98 Н (10 кГ), а за­гальне навантаження складає: при тиску стальної кульки за шкалою "В" – 981 Н (100 кг); при тиску алмазного конуса за шкалою "С" –1471 Н (150 кГ) та за шкалою "А" – 588 Н (60 кГ).

Залежно від того, що застосовується (кулька чи алмазний ко­нус), а також від навантаження, при якому виконується випробовування, тобто від шкали "В", "С" або "А", число твердості позначається відповідно HRB, HRC, HRA.

Прилад типу Роквелла (ТК) застосовується ширше, ніж прилад типу Бринелля (ТШ), оскільки дає можливість випробовувати м’які, тверді та тонкі матеріали. Відбитки конуса чи кульки, що вдавлюється, дуже малі, тому можна випробовувати готові деталі без їх псування. Випробовування легко виконується, та на нього витрачається небагато часу (кілька секунд); при цьому немає потреби нічого вимірювати, а число твердості читається прямо на шкалі.

Послідовність виконання роботи

1. Ознайомитись з будовою приладів ТК і ТШ та методикою визначення твердості за Бринеллем і Роквеллом.

2. Вибрати режими випробовувань та підготувати прилади для дослідження твердості зразків.

Для цього необхідно виконати такі дії:

- підготувати поверхні зразків;

- вибрати тип відповідного наконечника (індентора);

- визначити навантаження залежно від типу наконечника і ма­теріалу;

- встановити тривалість витримки досліджуваних зразків під наван­таженням;

- налагодити прилади для визначення твердості за вибраним режимом.

3. Визначити твердість відпаленої сталі, кольорових металів і сплавів методом Бринелля та занести результати до протоколу ви­пробувань.

4. Обчислити твердість сталі, кольорових металів і сплавів методом Роквелла і результати також занести до протоколу випробувань.

5. Перевести числа твердості отримані за методом Роквелла, у числа твердості за методом Бринелля використовуючи співвідно-шення:

HB = 100 HRC. (2.9)

6. Знаючи число твердості за Бринеллем, визначити наближене значення межі міцності досліджуваного металу (сталі):

σ_в ≈ 0,4 HB. (2.10)

7 Скласти письмовий звіт про виконану роботу.

Обладнання, матеріали та інструменти

1. Твердоміри типу ТШ і ТК,

2. Лупа Бринелля з градуйованою шкалою.

3. Штангенциркуль (точність вимірювання – 0,05 мм),

4. Зразки стальні та з кольорових металів і сплавів.

5. Терпуг.

6. Наждачний папір.

Зміст звіту

1 Назва та мета роботи.

2 Короткий опис методики виконання випробовування.

3 Схеми приладів типу Бринелля та Роквелла (ТШ і ТК).

4 Протокол випробовування на твердість методом Бринелля (таблиця 2.3).

Таблиця 2.3 – Результати випробувань твердості за Бринеллем

№ зразка

Умови випробування

Визначення

НВср, МПа

, МПа

перше

друге

третє

P, Н (кГ)

D, мм

t, с

d, мм

HB, МПа

d, мм

HB, МПа

d, мм

HB, МПа

5. Протокол випробовування на твердість методом Роквелла (таблиця 2.4).

Таблиця 2.4 – Результати випробувань твердості за Роквеллом

№ зразка

Умови випробування

Число твердості за Роквеллом: значення випробувань

НВср, МПа

σв, МПа

Р, Н (кГ)

тип наконеч-ника

шкала

перше

друге

третє

середнє число твердості

Контрольні запитання

1. Що таке твердість металів?

2. Яка залежність між твердістю та межею міцності металів?

3. Як побудовані прилади типу ТШ і ТК, які застосовуються для вимірювання твердості металів?

4 Як визначається та позначається твердість за Бринеллем?

5 Як вибираються навантаження, діаметр кульки, тривалість витримки під навантаженням при визначенні твердості за методом Бринелля?

6 Як визначається твердість за методом Роквелла?

7 В чому полягають особливості процесу навантаження на індентор в методі Роквелла?

8 За якою ознакою вибираються тип наконечника і шкала при визначенні твердості за методом Роквелла?

9 Чому при визначенні твердості методом Роквелла необхідно застосовувати попереднє та основне навантаження?

10 Назвіть переваги та недоліки визначення твердості за методами Роквелла та Бринелля.