Измерение твердости металлов по методу Бринелля

1 Цель работы

1. Ознакомиться с устройством автоматического рычажного пресса для определения твердости по методу Бринелля.

2. Овладеть методикой измерения твердости по методу Бринелля

3. Установить влияние содержания углерода на твердость отожженной углеродистой стали.

2 Задание

2.1 Ознакомиться с методом измерения твердости металлов по Бринеллю и устройством твердомера типа ТШ.

2.2 Произвести измерение твердости образцов или деталей (по указанию преподавателя).

2.3 Результаты измерений занести в тетрадь, сделать анализ полученных данных.

3 Приборы, материалы и инструмент

1. Твердомер типа ТШ.

2. Образцы из стали с разным содержанием углерода в отожженном или горячекатаном состоянии и детали машин в незакаленном состоянии.

3. Лупа для измерения диаметра отпечатка.

4 Общие сведения

Твердость – это свойство материала сопротивляться деформации при местном контактном воздействии на него, более твердого тела.

Твердость является одним из главных механических свойств металлов и сплавов и связана с другими механическими (прочностью, пластичностью, вязкостью), технологическими (штампуемостью, обрабатываемостью резанием) и эксплуатационными (износостойкостью, упругостью) свойствами.

Для пластичных материалов (черные и цветные металлы и их сплавы, пластмассы, композиты и т.д.) используются стандартные методы определения твердости. Основными ГОСТами на способы нормирования (измерения) твердости стали являются: твердость по Бринеллю (ГОСТ 9012-59), твердость по Виккерсу (ГОСТ 2999-75), твердость по Роквеллу (ГОСТ 9013-59), твердость по Шору (ГОСТ 2373-78). Для хрупких материалов (керамика горные породы, стекло и т.д.) получили распространения методы, предложенные Шрейнером, Бароном.

5 Основные определения и обозначения

Метод Бринелля основан на том, что в испытуемый материал под нагрузкой вдавливают стальной закаленный шарик и по величине (диаметру) полученного отпечатка (лунки) судят о его твердости (рисунок 1). Измерение твердости производят на твердомере Бринелля (твердомер типа ТШ – твердомер шариковый).

а) б)

Рисунок 1 Схема измерения твердости по методу Бринелля.

а) – схема вдавливания шарика в испытуемый металл

F – нагрузка, D – диаметр шарика, d – диаметр отпечатка;

б) – измерение лупой диаметра отпечатка (на рисунке d=4,2 мм).

Число твердости по Бринеллю НВ выражается отношением приложенной нагрузки F к площади S сферической поверхности отпечатка (лунки) на измеряемой поверхности.

где F – нагрузка, Н; S – площадь сферической поверхности отпечатка, мм² (выражена через D и d); D – диаметр шарика, мм; d – диаметр отпечатка, мм;

Величину нагрузки F, диаметр шарика D и продолжительность выдержки под нагрузкой , выбирают по таблице 1.

Таблица 1 Выбор диаметра шарика, нагрузки и выдержки под нагрузкой в зависимости от твердости и толщины образца

Материал	Интервал твердости в единицах Бринелля, МПа	Толщина испытываемого образца, мм	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка F, Н (кгс)	Выдержка под нагрузкой , с
Черные металлы	1400…4500	более 6 6…3 менее 3	10 5 2,5	29430 (3000) 7355 (750) 1840 (187,5)	10
	менее 1400	более 6 6…3 менее 3	10 5 2,5	9800 (1000) 2450 (250) 613 (62,5)
Цветные металлы и сплавы (медь, латунь, бронза, магниевые сплавы и др.)	350…1300	более 6 6…3 менее 3	10 5 2,5	9800 (1000) 2450 (250) 613 (62,5)	30
Цветные металлы и сплавы (алюминий, подшипниковые сплавы и др.)	80…350	более 6 6…3 менее 3	10 5 2,5	2450 (250) 613 (62,5) 153,2 (15,6)	60
Пластмассы	-	более 6 6…3 менее 3	10 5 2,5	2450 (250) 613 (62,5) 153,2 (15,6)	60

На рисунке 2 приведена схема рычажного прибора Бринелля. Образец устанавливают на предметный столик 4. Вращая маховик 3, винтом 2 поднимают образец до соприкосновения его с шариком 5 и далее до полного сжатия пружины 7, надетой на шпиндель 6. Пружина создает предварительную нагрузку на шарик, равную 1 кН (100 кгс), что обеспечивает устойчивое положение образца во время нагружения. После этого включают электродвигатель 13 и через червячную передачу редуктора 12, шатун 11 и систему рычагов 8, 9, расположенных в корпусе 1 твердомера с грузами 10 создают заданную полную нагрузку на шарик. На испытуемом образце получается шаровой отпечаток. После разгрузки прибора образец снимают и определяют диаметр отпечатка специальной лупой. За расчетный диаметр отпечатка принимают среднее арифметическое значение измерений в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Рисунок 2 Схема прибора Бринелля.

По вышеприведенной формуле, используя измеренный диаметр отпечатка, вычисляется число твердости НВ. Число твердости в зависимости от диаметра полученного отпечатка можно также найти по таблицам (см. таблицы чисел твердости).

При измерении твердости шариком диаметром D=10,0 мм под нагрузкой F=29430 Н (3000 кгс), с выдержкой под нагрузкой =10 с – число твердости записывается так: НВ 2335 МПа или по старому обозначению НВ 238 (в кгс/мм²). При других условиях измерения числа твердости дополняются числовыми индексами, например, НВ5/750/30-1835, что означает: диаметр шарика 5,0 мм; нагрузка 7355 Н (750 кгс); выдержка под нагрузкой 30 с, число твердости по Бринеллю 1835 (187).

При измерении твердости по Бринеллю необходимо помнить следующее:

1. можно испытывать материалы с твердостью не более НВ 4500 МПа, так как при большей твердости образца происходит недопустимая деформация самого шарика;

2. во избежание продавливания минимальная толщина образца должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка;

3. расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее четырех диаметров отпечатка;

4. расстояние от центра отпечатка до боковой поверхности образца должно быть не менее 2,5d;

5. измерение твердости одного и того же образца при использовании шариков разного диаметра необходимо производить при постоянном отношении F/D², что обеспечивает выполнение условия подобия отпечатков, а диаметр отпечатка должен находится в пределах 0,2D<d<0,6D. В противном случае результаты испытаний будут недействительны.

Для различных металлов и сплавов между твердостью по Бринеллю (НВ) и пределом прочности при растяжении (_в) существуют следующие эмпирические зависимости (таблица 2).

Таблица 2 Зависимость _в от НВ

Материал		в
Сталь с твердостью	НВ1250…1750	0,34НВ
	НВ1750…4500	0,35НВ
Медь, латунь, бронза	отожженные	0,55НВ
	наклепанные	0,40НВ
Серый чугун		(НВ400)/60
Дюралюминий	отожженный	0,36НВ
	после закалки и старения	0,35НВ
Алюминиевое литьё		0,26НВ
Цинковые сплавы		0,09НВ

Для измерения твердости крупногабаритных деталей используют переносные твердомеры ТШП-1 и ТШП-2. На них определяют твердость как наружных, так и внутренних поверхностей деталей.

Твердость углеродистых незакаленных сталей прямо пропорциональна содержанию углерода в них. На рисунке 3, показана зависимость твердости углеродистой стали в отожженном состоянии от содержания углерода. Используя этот график, можно по измеренному числу твердости определить примерное содержание углерода в испытуемом образце стали.