ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ СПЕЧЕННЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цельработы

Приобретение навыков по измерению твердости порошковых материалов.

Задачиработы

Изучение теоретических основ определения твердости; определение твердости различными методами; оценка влияния технологических параметров на итоговые значения твердости спеченных изделий.

Краткиетеоретическиесведения

Под твердостью понимается свойство материала оказывать сопротивление внедрению в его поверхность другого, более твердого, и не получающего остаточной деформации тела (индентора) определенной формы и размера.

Для порошковых материалов, пористость которых, как правило, существенна, твердость является функцией прочности частиц, сил связи между ними и плотности материала. Однако у порошковых материалов, в отличие от литых, определенного соотношения между твердостью и временным сопротивлением при растяжении не наблюдается. Обычно макротвердость порошкового материала измеряют по Бринелю, Виккерсу или Роквеллу

Существующие методы измерения твердости значительно отличаются друг от друга по форме индентора, условиям приложения нагрузки и способу расчета твердости. Выбор метода определения твердости зависит от следующих факторов: твердости материала, его размеров, толщины слоя, твердость которого надо измерить, и т.д.

Во всех методах испытания на твердость очень важно правильно подготовить поверхность образца и прежде всего удалить все поверхностные дефекты. Чем меньше глубина вдавливания индентора, тем выше должна быть чистота поверхности.

При определении твердости измеряют суммарное сопротивление металла внедрению в него индентора, усредняющее твердость всех структурных составляющих. Неизбежные различия в структуре разных участков образца приводят к разбросу значений твердости, который тем больше, чем меньше размер отпечатка. Для получения достоверных средних значений

ЛАБ. РАБОТА 7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ СПЕЧЕННЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Краткие теоретические сведения

твердости приходится делать несколько замеров для каждого образца и рассчитывать среднеквадратическую ошибку.

Величины твердости, полученные разными методами, связаны между собой, т.е. можно с некоторым приближением перевести твердость по Бринелю в числа твердости по Виккерсу или Роквеллу (табл. 7.1).

Измерение твердости по Бринелю и Виккерсу

При измерении твердости по Бринелю стальной шарик диаметром D, мм, вдавливается в испытуемый образец под нагрузкой Р, Н, приложенной в течение определенного времени, и после снятия нагрузки измеряется диаметр d, мм, оставшегося на поверхности образца отпечатка.

Число твердости определяется по стандартным таблицам или по формуле, Н/мм2,

ЛАБ. РАБОТА 7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ СПЕЧЕННЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Краткие теоретические сведения

где знаменатель представляет собой площадь шаровой поверхности отпечатка. Число твердости по Бринелю записывается без размерности (например, НВ 225). С помощью этого метода можно испытывать материалы с

твердостью от 8 до 450. При большей твердости образца шарик-индентор заметно деформируется.

Минимальная толщина испытуемого образца должна быть не меньше 10-кратной глубины отпечатка. Расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2,5d.

Измерение твердости по Бринелю проводится на приборе ТШ. Сначала выбирают диаметр шарика и величину нагрузки в зависимости от материала и размеров образца. Установочным винтом закрепляют наконечник с шариком в шпинделе и на подвеску накладывают требуемое количество сменных грузов. Образец устанавливают на столик и, вращая маховик, поднимают и прижимают его к индентору до совмещения рисок на наконечнике, в который вставлен шарик. Нажав кнопку, приводят в движение электродвигатель. По окончании испытания опускают столик, снимают образец, измеряют диаметр отпечатка и определяют число твердости (по таблице или расчетом).

При измерении твердости по Виккерсу в поверхность образца вдавливается алмазный индентор в форме четырехгранной пирамиды с углом при вершине α = 136град. После удаления нагрузки Р измеряется диагональ отпечатка d, оставшегося на поверхности образца. Число твердости определяют делением нагрузки, Н, на площадь боковой поверхности, мм2, полученного пирамидального отпечатка:

Значения HV можно взять и из стандартных таблиц для нагрузки 10 кг и различных значений d. Образцы для замера твердости должны быть отполированы и их поверхность свободна от наклепа. Минимальная толщина испытуемого образца должна быть больше диагонали отпечатка в 1,2 (сталь) или в 1,5 раза (цветные металлы). Расстояние между центром отпечатка и краем образца или краем соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длин диагонали отпечатка.

Благодаря алмазному индентору можно определять твердость по Виккерсу практически любых материалов, вне зависимости от их твердости, но, как правило, размеры отпечатка бывают значительно меньше, чем в методе Бринеля. Измерения проводят следующим образом. После установки образца на стол твердомера совмещают перекрестие окуляра микроскопа с тем местом на образце, твердость которого необходимо измерить. Затем головку устанавливают так, чтобы индентор оказался над образцом. Взводится меха-

ЛАБ. РАБОТА 7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ СПЕЧЕННЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Краткие теоретические сведения

низм грузового привода и производится его включение нажатием на педаль. Пока образец находится под нагрузкой, горит сигнальная лампочка.

После снятия нагрузки головку переводят в такое положение, чтобы полученный отпечаток оказался в поле зрения микроскопа, и с помощью барабанчика окуляр-микрометра производят замер длины диагонали отпечатка. На шкале окуляр-микрометра и на лимбе винта фиксируются показания, по которым определяется длина диагонали отпечатка. При использовании окуляра х12,5 и объектива х10 цена деления шкалы окуляра равна 0,1 мм, а лим-

ба – 0,001 мм.

Измерение твердости по Роквеллу

Измерение твердости по Роквеллу проводится на приборе ТК. При измерении твердости по Роквеллу индентором является также алмазный конус с углом при вершине 120 град и радиусом закругления 0,2 мм или стальной шарик диаметром 1,5872 мм. Конус вдавливается в образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р0 и общей Р:

Р = Р0 + Р1,

где Р1 – основная нагрузка.

Число твердости по Роквеллу измеряется в условных единицах и является мерой глубины вдавливания индентора под определенной нагрузкой.

Индентор вдавливается в поверхность образца под предварительной нагрузкой P0 = 1 Н (10 кг) на глубину h0, а под действием полной нагрузки Р на глубину h, которая определяет число твердости по Роквеллу (HR). Чем больше глубина вдавливания h, тем меньше число твердости HR. Твердость по Роквеллу определяют по двум «шкалам» – А и С. По шкале А нагрузка Р = 6 Н (60 кг), а по шкале С нагрузка Р = 15 Н (150 кг). Число твердости выражается в соответствии с нагрузкой формулой HRA или HRC = 100 – е, где

е = 0,002h −h0 .

(0,002 – цена деления шкалы индикатора твердомера Роквелла).

Для стального шарика число твердости определяется по шкале В при Р = 100 кг. Здесь HRB = 130 – е. Пределы измерения в единицах твердости по Роквеллу следующие: HRB – 25–100; HRC – 20–67; HRA – 70–92.

Расстояние между центрами двух соседних отпечатков или от центра какого-либо отпечатка до края образца должно быть не менее 3 мм. Толщина образца должна быть не меньше восьмикратной глубины вдавливания h. Твердость по Роквеллу – наиболее условная характеристика из всех методов. Она имеет сравнительно низкую чувствительность, что делает этот метод лишь средством быстрого упрощенного технического контроля (простота и быстрота).

Измерение твердости на приборе марки ТК проводится следующим образом. Подъем винта со столиком и образцом производится вращением

ЛАБ. РАБОТА 7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ СПЕЧЕННЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Краткие теоретические сведения

маховика. Приложение предварительной нагрузки к образцу осуществляется цилиндрической пружиной, действующей на шпиндель. Основная нагрузка передается на шпиндель через систему рычагов. Предварительно вращением маховика стол с образцом поднимают до тех пор, пока индентор не окажется вдавленным в образец предварительной нагрузкой Р0 = 10 кг, что фиксируется совпадением стрелки на лимбе с красной точкой на шкале. Затем нажимают на рукоятку, и рычаг с грузом плавно опускается вниз, передавая на шпиндель основную нагрузку. После остановки стрелки снимают нагрузку и снимают показание (число твердости) с точностью до половины деления шкалы.

Описаниелабораторнойустановки

1.Прибор ТШ для определения твердости по Бринелю.

2.Прибор ТК для определения твердости по Роквеллу.

Порядоквыполненияработы

1.Предварительно ознакомиться с конструкцией и работой каждого типа твердомера. Произвести тарирование приборов по контрольным плитам.

2.Провести на каждом приборе замеры твердости полученных от преподавателя материалов.

3.Полученные результаты свести в таблицу.

4.Построить зависимости НВ, HV, HRA и HRC от состава материа-

лов.

Требованиякотчету

В отчете должен быть изложен следующий материал:

1. Описание теоретических основ и методовопределения твердости. 2. Результаты эксперимента в виде сводной таблицы.

3. График зависимости твердости от состава образца.

4.Анализ и обсуждение полученных результатов измерений.

5.Оформление отчета должно соответствовать СТО СФУ 4.2-07-2008.

Контрольныевопросыизадания

1.Что такое твердость порошкового материала?

2.Назовите основные методы измерения твердости.

3.Чем руководствуются при выборе метода определения твердости?

4.Что влияет на точность измерений твердости?

5.Как подготовить поверхность к испытаниям?