Лабораторная работа №1 Измерение твердости металлов по методам Бринелля и Роквелла

Цель работы – научиться самостоятельно производить измерение твердости металлов методами Бринелля и Роквелла.

Оборудование и материалы:

• твердомеры Бринелля ТШ–2 и Роквелла ТК–2;

• образцы для испытаний из мало-, средне- и высокоуглеродистой стали в отожженном и закаленном состоянии;

• микроскоп для измерения диаметра отпечатка;

• напильник, наждачная бумага.

Общие сведения

Твердость – это способность материала сопротивляться деформации в поверхностном слое при местном силовом контактном воздействии. В инженерной практике получили распространение методы вдавливания в поверхность исследуемого материала другого более твердого тела (наконечника) определенной формы. О твердости материала судят по величине отпечатка.

Измерение твердости материалов по методу Бринелля (ГОСТ 9012–59).

Испытание на твердость по Бринеллю производится вдавливанием в испытываемый образец стального шарика или шарика из твердого сплава диаметром D (1; 2; 2,5; 5; 10 мм) под действием нагрузки Р (1 – 3000 кгс) в течение определенного времени t (10 – 180 сек.).

Рисунок 1 – Схема измерения твердости по методу Бринелля

В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка). Отношение давления Р к поверхности полученного отпечатка (шарового сегмента) F дает число твердости, обозначаемое НВ:

кгс/мм².

Поверхность F шарового сегмента:

,

где D – диаметр вдавливаемого шарика в мм; h – глубина отпечатка в мм. Так как глубину отпечатка h измерить трудно, а гораздо проще измерить диаметр отпечатка d, то целесообразно величину h выразить через диаметры шарика D и отпечатка d:

мм.

Тогда поверхность F шарового сегмента:

мм²,

а число твердости по Бринеллю будет характеризоваться формулой:

кгс/мм².

Методика проведения испытания

Испытываемую деталь (образец) устанавливают на столик твердомера и подводят ее к наконечнику до упора, выбирая люфт. Приложение и снятие нагрузки производится автоматически при нажатии кнопки прибора.

Величину нагрузки Р, диаметр шарика D и время испытания t выбирают в зависимости от твердости испытуемого материала и толщины образца (таблица 1).

Таблица 2 – Выбор диаметра шарика и нагрузки в зависимости от твердости и толщины испытываемого образца

Материал	Интервал твердости в числах Бринелля	Минимальная толщина испытуемого образца, мм	Соотношение между нагрузкой Р и диаметром шарика D	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка Р, кг	Выдержка под нагрузкой, сек.
Черные металлы	140 – 450	От 6 до 3 4 до 2 Менее 2	P=30D2	10,0 5,0 2,5	3000 750 187,5	10
То же	<140	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	P=10D2	10,0 5,0 2,5	1000 250 62,5	10
Цветные металлы	>130	От 6 до 3 4 до 2 Менее 2	P=30D2	10,0 5,0 2,5	3000 750 187,5	30
То же	35 – 130	От 9 до 3 6 до 3 Менее 3	P=10D2	10,0 5,0 2,5	1000 250 62,5	30
То же	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

Испытание считается действительным, если диаметр отпечатка лежит в пределах 0,24 D < d < 0,6 D. В других случаях испытания требуют корректировки.

Метод Бринелля позволяет измерять твердость в пределах от 8 до 450 единиц НВ стальным закаленным шариком и от 450 до 650 – шариком из твердого сплава.

Если при испытаниях Р = 3000 кгс, диаметр шарика D = 10 мм и продолжительность выдержки испытательного усилия t от 10 до 15 секунд получена твердость 200 кгс/мм², то твердость обозначается 200 НВ.

Во всех остальных случаях, связанных с изменением условий измерения твердости, в обозначении обязательно указываются используемые диаметр шарика, нагрузка и время выдержки.

Например, 200 НВ 5/750/20, где D = 5 мм; Р = 750 кгс; t = 20 с; 200 – расчетное значение твердости.

При измерении твердости шариком из твердого сплава, твердость обозначается HBW/(500 HBW).

Методика подготовки образца и измерения отпечатка

Перед испытанием поверхность образца, в которую будет вдавливаться шарик, обрабатывают напильником и наждачной бумагой, чтобы она была ровной, гладкой и не было окалины или других дефектов.

Полученный отпечаток измеряют микроскопом в двух взаимно перпендикулярных направлениях, диаметр отпечатка определяется как среднее арифметическое из двух измерений.

Рисунок 2 – Отчет по шкале лупы

Чтобы не прибегать к длительным вычислениям твердости по приведенной выше формуле, на практике пользуются специальной таблицей, которая дает перевод диаметра отпечатка в число твердости НВ.

Для получения правильной характеристики твердости данного материала необходимо провести еще два повторных испытания на твердость того же образца и определить средний результат. При повторных испытаниях центр отпечатка должен находиться от центра соседнего отпечатка на расстоянии не менее двух диаметров шарика.

Измерение твердости материалов по методу Роквелла (ГОСТ 9013–59).

Для вдавливания в материал используют наконечник в виде алмазного или твердосплавного конуса с углом при вершине 120°, а также закаленного шарика диаметром 1,588 мм. Применение различных наконечников и усилий вдавливания позволяет использовать 3 способа измерения твердости по Роквеллу, которые обозначаются HRA, HRB, HRC_э.

Шариковый наконечник используется для измерения твердости металлов до 250 НВ. Наконечник в виде алмазного конуса используется для измерения твердости закаленных сталей и других очень твердых материалов. Применяемые на практике характеристики измерения твердости способами Роквелла приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Выбор нагрузки и наконечника для испытаний

Примерная твердость по Виккерсу HV	Обозначение шкалы	Вид наконечника	Нагрузка Р, Н	Обозначение твердости по Роквеллу	Допускаемые пределы шкалы
60 – 240 240 – 900 390 – 900	В С А	Стальной шарик Алмазный конус Алмазный конус	1000 1500 600	HRВ HRCэ HRA	25 – 100 20 – 67 70 – 85
Примечание. Для испытания неответственных деталей твердостью HRC 20 – 50 допускается применение наконечника из твердого сплава.

Последовательность операций по измерению твердости на твердомере Роквелла приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Схема измерения твердости по методу Роквелла

Твердость по Роквеллу – число отвлеченное и выражается в условных единицах.

За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм.

1. Включить прибор и установить деталь (образец) на столик. Стрелки индикатора прибора находятся в произвольном положении.

2. Подвести деталь к наконечнику с помощью телескопического подъемника таким образом, чтобы, указатель маленькой стрелки индикатора совместился с красной точкой на его циферблате. На образец действует сила вдавливания Р₀ = 980 Н. Индикатор внедряется на глубину h₀.Поворотом внешнего кольца индикатора устанавливаем нулевое деление шкалы С подвижного циферблата напротив указателя большой стрелки. Прибор готов к измерению твердости.

3. Включаем автоматическое нагружение основным усилием P₁. От воздействия общего усилия Р₀+P₁ стрелки индикатора приходят в движение.

4. После автоматического отключения основного усилия P₁ по указанию большой стрелки фиксируется твердость на циферблате.

5. Опускаем столик с помощью телескопического устройства и снимаем образец.

Примечания:

• твердость измеряется на поверхности очищенной от ржавчины, загрязнений, окалины;

• измерения проводятся не менее трех раз и принимают среднее значение;

• твердость по Роквеллу обозначают с учетом условий измерения: 58 HRC_э; 73 HRA; 85 HRB;

• расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее четырех их диаметров, но не менее 2 мм.

Порядок проведения работы

1. Ознакомиться с устройством и принципом работы приборов для измерения твердости по Бринеллю и Роквеллу.

2. Выбрать метод измерения твердости и провести испытания образцов с различным содержанием углерода в отожженном и закаленном состояниях (марки сталей указываются преподавателем). Результаты испытаний внести в таблицы 3, 4.

3. Для двух образцов стали, указанных преподавателем, рассчитать твердость образцов НВ и сравнить ее с данными в таблицы 5.

4. Определить приближенное значение временного сопротивления σ_в для сталей, испытанных на твердость по Бринеллю.

5. По результатам испытаний построить график изменения твердости в зависимости от содержания углерода в стали.

Таблица 3 – Протокол испытания на твердость по Бринеллю

№ п./п.

Условия испытания

Диаметр отпечатка, мм

Твердость, НВ

Временное сопротивл. σв, МПа

Материал

Диаметр шарика, мм

Нагрузка, кгс

Время выдержки, сек.

Толщина образца, мм

1-й

2-й

Ср.

1

2

Таблица 4 – Протокол испытания на твердость по Роквеллу

№ п./п.	Материал	Условия испытаний				Твердость HR					Твердость, НВ
		Нагрузка, кгс	Тип наконечника	Шкала	1		2	3	Ср.
1
2

Таблица 5 – Соотношение чисел твердости, определенных различными методами

Диаметр отпечатка d, мм	При испытании вдавливанием						Временное сопротивление σв, МПа (углеродистые стали)
	Стального шарика 10/3000 (на приборе типа Бринелля) НВ	алмазного конуса или стального шарика (на приборе типа Роквелла), при различных нагрузках			алмазной пирамиды (на приборе типа Виккерса) HV
		150 кг (конус) HRC	60 кг (конус) HRA	100 кг (шарик) HRB
1	2	3	4	5	6	7
2,20	780	72	84	—	1124	—
2,25	745	70	83	—	1116	—
2,30	712	68	82	—	1022	—
2,35	682	66	81	—	941	—
2,40	653	64	80	—	868	—
2,45	627	62	79	—	804	—
2,50	601	60	78	—	746	—
2,55	578	58	78	—	694	—
2,60	555	56	77	—	650	—
2,65	534	54	76	—	606	—
2,70	514	52	75	—	587	—
2,75	495	50	74	—	551	1780
2,80	477	49	74	—	534	1720
2,85	461	48	73	—	502	1650
2,90	444	46	73	—	474	1600
2,95	429	45	72	—	450	1550
3,00	415	43	72	—	435	1490
3,05	401	42	71	—	423	1440
3,10	388	41	71	—	401	1395
3,15	375	40	70	—	390	1350
3,20	363	39	70	—	380	1305
3,25	352	38	69	—	361	1265
3,30	341	36	68	—	344	1225
3,35	331	35	67	—	334	1195
3,40	321	33	67	—	320	1155
3,45	311	32	66	—	311	1115
1	2	3	4	5	6	7
3,50	302	31	66	—	303	1083
3,55	293	30	65	—	292	1055
3,60	285	29	65	—	285	1030
3,65	277	28	64	—	278	995
3,70	269	27	64	—	270	970
3,75	262	26	63	—	261	945
3,80	255	25	63	—	255	920
3,85	248	24	62	—	249	895
3,90	241	23	62	102	240	870
3,95	235	21	61	101	235	845
4,00	229	20	61	100	228	825
4,05	223	19	60	99	222	800
4,10	217	17	60	98	217	780
4,15	212	15	59	97	213	760
4,20	207	14	59	95	208	745
4,25	201	13	58	94	201	720
4,30	197	12	58	93	197	705
4,35	192	11	57	92	192	690
4,40	187	9	57	91	186	675
4,45	183	8	56	90	183	660
4,50	179	7	56	90	178	640
4,55	174	6	55	89	174	625
4,60	170	4	55	88	171	610
4,65	167	3	54	87	166	600
4,70	163	2	53	86	162	585
4,75	159	1	53	85	159	575
4,80	156	0	52	84	155	560
4,85	152	—	—	83	152	550
4,90	149	—	—	82	149	535
4,95	146	—	—	81	148	525
5,00	143	—	—	80	143	510
5,05	140	—	—	79	140	500
5,10	137	—	—	78	138	490
5,15	134	—	—	77	134	486
5,20	131	—	—	76	131	470
5,25	128	—	—	75	129	462,5
5,30	126	—	—	74	127	450
5,35	123	—	—	73	123	440
5,40	121	—	—	72	121	435
5,45	118	—	—	71	118	425
5,50	116	—	—	70	116	417,5
5,55	114	—	—	68	115	412,5
5,60	111	—	—	67	113	405
5,65	109	—	—	66	110	390
5,70	107	—	—	65	109	385
5,75	105	—	—	64	108	380
5,80	103	—	—	62	107	370
5,85	101	—	—	61	106	365
5,90	99	—	—	59	105	355
5,95	97	—	—	58	104	350
6,0	96	—	—	57	103	345

Составление отчета

Отчет о проведенной работе должен содержать следующее:

1. Тему и цель работы.

2. Оборудование и материалы.

3. Вычерченные схемы испытаний.

4. Порядок проведения и заполненные протоколы испытания на твердость.

5. График изменения твердости в зависимости от содержания углерода в стали.

6. Выводы по работе?

Контрольные вопросы:

1. Какие металлы и сплавы (по твердости) испытывают по методу Бринелля, а какие по методу Роквелла?

2. Условия выбора наконечника и нагрузки.

3. Как обозначается твердость металла, испытанная по методу Бринелля?

4. Когда надо уменьшить нагрузку на алмазный конус до 60 кгс?

5. Как обозначается твердость металла, испытанная по методу Роквелла:

1. Р = 100 кгс, наконечник – шарик?

2. Р = 150 кгс, наконечник – алмазный конус?

3. Р = 60 кгс, наконечник – алмазный конус?

Лабораторная работа №2