Выбор наконечника и нагрузки испытания твердости

Шкала	Вид наконечника	Нагрузка, Н	Обозначение твердости	Пределы измерения твердости в единицах HR
А	Алмазный конус	600	HRA	70…85
В	Стальной шарик	1000	HRB	25…100
С	Алмазный конус	1500	HRC	20…67

При испытании неответственных деталей твердостью

HRC_э 20…50 допускается применение наконечника из твердого сплава.

Образец для испытаний должен иметь плоские и параллельные друг другу поверхности, без дефектов и окалины, поэтому сначала проводится зачистка поверхностей напильником,

Таблица 2

Ориентировочный перевод значений твердости, определяемых различными методами

HV, МПа	НВ, МПа	НR по шкале			HV, МПа	НВ, МПа	НR по шкале
		С	А	В			С	А	В
12340	7800	72	84	--	2280	2290	20	61	100
11160	7450	70	83	--	2220	2230	19	60	99
10220	7120	68	82	--	2170	2170	17	60	98
9410	6820	66	81	--	2130	2120	15	59	97
8680	6730	64	80	--	2080	2070	14	59	95
8040	6270	62	79	--	2010	2010	13	58	94
7460	6010	60	78	--	1970	1970	12	58	93
6940	5780	58	78	--	1920	1920	11	57	92
6500	5550	56	77	--	1860	1870	9	57	92
6060	5340	54	76	--	1830	1830	8	56	90
5870	5140	52	75	--	1780	1790	7	56	90
5510	4950	50	74	--	1740	1740	6	55	89
5340	4770	49	74	--	1710	1700	4	55	88
5020	4610	48	73	--	1660	1670	3	54	87
4740	4440	46	73	--	1620	1630	2	53	86
4600	4290	45	72	--	1590	1590	1	53	85
4350	4150	43	72	--	1550	1560	-	-	84
4230	4010	42	71	--	1520	1520	-	-	83
4010	3880	41	71	--	1490	1490	-	-	82
3900	3750	40	70	--	1480	1460	-	-	81
3860	3630	39	70	--	1430	1430	-	-	80
3610	3520	38	69	--	1400	1400	-	-	79
3440	3410	36	68	--	1380	1370	-	-	78
3340	3310	35	67	--	1340	1340	-	-	77
3200	3210	33	67	--	1310	1310	-	-	76
3110	3110	32	66	--	1290	1280	-	-	75
3030	3020	31	66	--	1270	1260	-	-	74
2920	2930	30	65	--	1230	1230	-	-	73
2850	2850	29	65	--	1210	1210	-	-	72
2780	2770	28	64	--	1180	1180	-	-	71
2700	2690	27	64	--	1160	1160	-	-	70
2610	2620	26	63	--	1150	1140	-	-	68
2550	2550	25	63	--	1130	1110	-	-	67
2490	2480	24	62	--	1100	1100	-	-	66
2400	2410	23	62	102	1090	1090	-	-	65
2350	2350	21	61	101	1080	1070	-	-	64

ш лифовальным кругом или шлифовальной бумагой. Правильность показаний прибора периодически проверяют по эталонным образцам с известной твердостью.

Подготовленный образец помещают на столе прибора 1 (рис. 2), вращением маховика 2 по часовой стрелке устанавливают маленькую стрелку против красной точки, а вращением барабана 3 – нуль шкалы “С” против конца большой стрелки индикатора. Плавным нажатием на клавишу 4 включают привод механизма нагружения. После окончания цикла нагружения производят отсчет по шкале индикатора. Вращением маховика 2 опускают стол и повторяют испытание не менее трех раз.

Определение твердости при вдавливании алмазной пирамиды по Виккерсу (HV). Метод используют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость. Твердость определяют, вдавливая в испытуемую поверхность (шлифованную или полированную) четырехгранную алмазную пирамиду (см. рис. 1, в), с углом при вершине 136º.

Твердость по Виккерсу H_μ рассчитывают по формуле

,

где Р – нагрузка на пирамиду 50, 100, 200, 300, 500, 1000 или 1200 Н (обозначения: НV₅, НV₁₀, НV₂₀ и т. д.);

d – среднее арифметическое двух диагоналей отпечатка, измеряемых после снятия нагрузки, мм.

Чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка. Твердость по Виккерсу определяется с помощью специальных таблиц по измеряемым значениям d в мм.

Микротвердость (H_). Определение микротвердости применяется для изделий мелких размеров и отдельных структурных составляющих сплавов. В испытуемую поверхность вдавливают алмазную пирамиду под нагрузкой 0,02…2 Н. Микротвердость H_ определяется по той же формуле, что и твердость по Виккерсу. Образцы для измерений подготавливаются так же, как микрошлифы.

Описание прибора ПМТ-3.

Прибор имеет массивный штатив, который обеспечивает большую устойчивость. Имеется приспособление для исследования в темном поле. Прибор ПМТ-3 (рис. 3) состоит из основания 1, выполненное в виде коробки с ребрами жесткости, к которому прикреплена цилиндрическая колонка 2 с ленточной резьбой. На колонку надет кронштейн 3, который закреплен на ней разрезной втулкой с зажимным винтом 5 и может перемещаться с помощью кольцевой гайки 4. Кронштейн несет тубус 6, в нижней части которого укреплен кронштейн индентора 7. Сверху тубуса устанавливается наклонная окулярная трубка 8 и винтовой окулярный микрометр 9 или прямая трубка для фотографирования. В кронштейне 3 размещены механизмы грубой и тонкой подач тубуса. Рукоятка тонкой подачи имеет деления, каждый из которых соответствует 0,002 мм подъема или опускания тубуса.

Предметный столик может перемещаться во взаимно перпендикулярных направлениях, что достигается с помощью микрометрических винтов. Точность перемещения 0,01 мм достигается в пределах 10 мм. Для поворота предметного столика на 180º от упора до упора (из начального положения, когда визируется место испытания, во второе положение для производства испытания) служит специальная рукоятка.

Рис. 3. Прибор ПМТ-3 (разрез вертикальный)

Конструкция столика и механизмы перемещения позволяют обеспечить совмещение места, выбранного для испытания, с местом фактического отпечатка с точностью до 0,003 мм.

Индентор состоит из штока, укрепленного на двух пружинах. На нижний конец штока надевается оправка с алмазным наконечником. Шток опускается и поднимается вращением рукоятки (приблизительно на 180 º ).

Упругость пружин регулируют таким образом, чтобы без нагрузки, под влиянием собственного веса деталей индентора не получалось заметного отпечатка при максимальном увеличении. В процессе работы регулировка пружин может оказаться нарушенной из-за упругой их деформации.

Положение можно исправить, приподняв корпус индентора вращением гайки. Для этого необходимо освободить винт, стягивающий лапки наружной втулки. Для предохранения штока индентора от разворотов в конструкции предусмотрена колонка, входящая во втулку.

Винтовой окулярный микрометр 9 состоит из компен-сационного окуляра, снабженного отсчетным приспособлением, состоящим из винта, гайки, отсчетного барабанчика и каретки с подвижной сеткой (см. рис. 3). На подвижной сетке нанесены перекрестие и две риски ( би-штрих ) (рис. 4). Перекрестие служит для наводки на отпечаток, а риски – для отсчетов. На неподвижной сетке через каждый миллиметр нанесены штрихи. Цена деления отсчетного барабанчика окулярного микрометра (Z) составляет 0,000315 мм и определяется посредством объект-микрометра с ценой деления 0,01 мм по формуле

= ,

где – число делений объект-микрометра;

- цена деления объект-микрометра;

- число делений окулярного микрометра.

Осветитель, укрепленный на нижней части тубуса микроскопа, работает от лампочки напряжением 8 В (20 Вт), питающийся через трансформатор от электросети.

Проведение испытаний.

Производят настройку прибора в следующей последовательности:

1. Исследуемый образец закрепляют на пластинке со штифтами пластилином; строгое расположение образца по отношению к плоскости предметного столика достигается вдавливанием образца в пластилин ручным прессом.

2. Проверяют исправность работы нагружающего механизма. Для этого шток индентора вхолостую несколько раз перемещают при небольшом нагружении (5…10 г). При этом шток должен перемещаться без заеданий, плавно.

3. Проверяют совмещение отпечатка с точкой пересечения перекрестия. Для этого делают пробный отпечаток в любом месте образца при небольшом нагружении. Если совмещения не будет, то центровочными винтами отпечаток подводят к точке пересечения перекрестия и после этого делают еще один пробный отпечаток.

4. Проверяют чувствительность работы индентора (наконеч-ника). Сначала производят отпечаток без нагружения, а затем при нагружении 0,5 г. В первом случае отпечатка не видно даже при максимальном увеличении. Во втором случае алмаз оставляет небольшой отпечаток, видимый при том же увеличении.

5. Проверяют правильность показаний прибора. Для этого делают несколько отпечатков на эталонном материале.

После проведения проверочных операций приступают к натуральным испытаниям в следующей последовательности:

1. Ставят на утолщенную часть штока индентора выбранный груз.

2. Выбирают место для испытания.

3. Плавно поворачивают предметный столик на 180^○ (от одного упора к другому) для производства отпечатка. Испытуемое место должно оказаться точно под алмазом.

4. Медленным поворотом рукоятки арретира индентора (от упора до упора) отпускают шток с алмазным наконечником до соприкосновения с образцом. Этот поворот следует производить в течение 10…15 с. После выдержки в течение 5 с рукоятку арретира возвращают в исходное положение.

5. Предметный столик возвращают в исходное положение соответствующей рукояткой так, чтобы в момент вращения предметного столика алмаз был в поднятом состоянии. Несоблюдение этого условия может привести к поломке алмаза. Если прибор был предварительно хорошо отцентрован, то полученный отпечаток совместится с точкой пересечения перекрестия.

6. Для измерения диагонали отпечатка вращают микрометрические винты предметного столика, подводя отпечаток к перекрестию окуляра так, чтобы две стороны отпечатка совместились с двумя сторонами перекрестия (положение 1, см. рис. 4).

Если вращением винтов нельзя получить точного совмещения, то вращают окуляр на окулярной трубке. Для этого освобождают стопорный винт окуляра и вращают его до более точного совмещения сторон отпечатка с линиями перекрестия. После этого стопорный винт зажимают. Отмечают показания измерительного барабанчика окулярного микрометра. Затем вращением измерительного барабанчика перемещают отпечаток так, чтобы две другие его стороны были совмещены с линиями перекрестия (положение 2, см. рис. 4). Отмечают второе показание измерительного барабанчика. Разность двух показаний, умноженная на значение цены деления, дает истинную величину диагонали отпечатка.

Рис. 4. Шкала и перекрестие окулярного микрометра прибора ПМТ-3

Правила техники безопасности

1. Все студенты, приступая к лабораторным работам, должны ознакомиться с правилами работы в лаборатории кафедры и расписаться в журнале по технике безопасности.

2. Работы проводятся только с разрешения преподавателя.

3. Все электроприборы должны быть заземлены.

4. Студенты обязаны осторожно обращаться с приборами и оборудованием.

5. По окончании работы приборы должны быть отключены от сети.

Порядок выполнения работы

1. Изучить работу твердомера ТК-2М. Произвести замеры твердости образцов.

2. Произвести соответствующие расчеты и заполнить таблицу. Определить класс (марку) стали или чугуна.

3. Изучить работу микротвердомера ПМТ-3. Произвести замеры микротвердости образцов.

4. Произвести соответствующие расчеты и заполнить табл. 3. Определить марку стали или чугуна.

5. Определить свойства образцов (временный предел прочности), используя формулу

σ_в = КHB,

где К – коэффициент, зависящий от материала. Для стали с твердостью 120 … 450 НВ К ≈ 0,34; для меди, латуни, бронзы отожженных К ≈ 0,55, наклепанных К ≈ 0,40; для алюминия и алюминиевых сплавов с твердостью 20 … 45 НВ К ≈ 0,35.

Микротвердость ( ) определяется по формуле

,

где – нагрузка, кг;

- длина диагонали, мм.

Повторяемость испытаний троекратная. Погрешность измерений микротвердости определяется по ГОСТ Р 8.563-96 и РМГ 29 - 99 по показателю среднего арифметического откло-нения и средней квадратичной погрешности измерений по формулам:

,

= ,

где Н_μi– значение i–го измерения микротвердости;

H_{μ ср} – среднее значение измерений микротвердости;

- количество измерений.

Таблица 3

Результаты испытаний

Обра-зец	Материал	Состояние	HRС ср	Микро-твердость, H	НВ, МПа	σв, МПа
1
2
3
4
5

Полученное значение микротвердости H_μ сравнивают с табличным значением табл. 4. По принятому табличному значению микротвердости определяют марку испытуемого материала.

Сравнительные данные микротвердости различных металлов и сплавов представлены в табл. 5-11.

Таблица 4

Числа твердости Н_μ при испытании квадратной алмазной пирамидкой

с углом при вершине 136^°, нагрузка 100 г

Диагональ отпечатка, мкм	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	кг/мм2
0	-	-	-	-	-	742	515	378	290	229
10	185	153	129	110	946	824	724	642	572	514
20	464	420	383	350	322	297	274	254	236	221
30	206	193	181	170	160	151	143	135	128	122
40	116	110	105	100	95,8	91,6	87,6	84,0	80,5	77,2
50	74,2	71,3	68,6	66,0	63,6	61,3	59,1	57,1	55/1	53,3
60	51,5	49,8	47,8	46,7	45,3	43,9	42,6	41,3	40,1	39,0
70	37,8	36,8	35,8	34,8	33,9	33,0	32,1	31,3	30,5	29,7
80	29,0	28,3	27,6	26,9	26,3	25,7	25,1	24,5	24,0	23,4
90	22,9	22,4	21,9	21,4	21,0	20,5	20,1	19,7	19,3	18,9
100	18,5	18,2	17,8	17,5	17,1	16,8	16,5	16,2	15,9	15,6
110	15,3	15,1	14,8	14,5	14,3	14,0	13,8	13,5	13,3	13,1
120	12,9	12,7	12,5	12,3	12,1	11,9	11,7	11,5	11,3	11,1
130	11,0	10,8	10,6	10,5	10,3	10,2	10,0	9,88	9,74	9,60
140	9,46	9,38	9,20	9,07	8,94	8,82	8,70	8,58	8,47	8,35
150	8,24	8,13	8,03	7,92	7,82	7,72	7,62	7,52	7,43	7,34
160	7,24	7,15	7,07	6,98	6,90	6,81	6,73	6,65	6,57	6,49
170	6,42	6,34	6,27	6,20	6,13	6,05	5,99	5,92	5,85	5,79
180	5,72	5,66	5,60	5,54	5,48	5,42	5,36	5,30	5,25	5,19
190	5,14	5,08	5,03	4,98	4,93	4,88	4,83	4,78	4,73	4,68
200	4,64	4,58	4,54	4,50	4,46	4,42	4,38	4,32	4,28	4,24
210	4,20	4,16	4,12	4,08	4,06	4,02	3,98	3,94	3,90	3,86
220	3,83	3,80	3,76	3,74	3,70	3,66	3,64	3,60	3,56	3,54
230	3,50	3,48	3,44	3,42	3,38	3,36	3,34	3,30	3,28	3,24
240	3,22	3,19	3,17	3,14	3,11	3,09	3,06	3,04	3,02	2,99
250	2,97	2,94	2,92	2,90	2,87	2,85	2,83	2,81	2,79	2,75
260	2,74	2,74	2,70	2,68	2,66	2,64	2,62	2,60	2,58	2,56
270	2,54	2,54	2,52	2,50	2,47	2,45	2,43	2,42	2,40	2,38
280	2,36	2,36	2,33	2,32	2,30	2,28	2,27	2,25	2,24	2,22
290	2,21	2,19	2,18	2,16	2,15	2,13	2,12	2,10	2,09	2,07
300	2,06	-	-	-	-	-	-	-	-	-

Таблица 5

Микротвердость некоторых фаз и cтруктурных составляющих сплавов

Наименование фазы или структурной составляющей	Марка материала	Микротвердость, кг/мм2
Феррит	Сталь 08 Сталь 20 Сталь 30 Сталь 45	125 240…275 275…315 255
Сорбит (феррит с зернистыми карбидами)	Сталь 20ХН Сталь ШХ15 Сталь Х12М	275…325 215…285 295…340
Пластинчатый перлит	Сталь 20 Сталь У7 СЧ 25	275…320 325…345 275…330
Карбидная фаза	АЧС – 1, АЧВ – 1, СЧ 21, СЧ 35 Сталь Х12М Сталь Х12 Сталь Р18	1095…1150 1156…1250 1156…1370 1300
Аустенит	Сталь Х12М АЧС – 5, ЧН15Д7	520 425…495
Ледебуритная эвтектика Троостит Бейнит Стедит Графит	Сталь Х12 БЧ	750…850 1000…1125 570 480 300…775 2…11

Таблица 6 Микротвердость некоторых металлов и сплавов

при нагрузке 100 г

Наименование металла или сплава и его состояние	Микротвердость, кг/мм2
Алюминий литой	16,0
Алюминий литой шлифованный	24,0
Алюминий деформированный, отожженный (400° С, в течение 4 ч), неполированный	19,0
Медь электролитическая (переплавленная и неполированная)	28,0
Медь электролитическая (переплавленная и механически отполированная)	62,0
Медь электролитическая (деформированная, отожженная при 700° С, в течение 1ч и шлифована и электролитически отполирована)	53,0
Цинк литой (неполированный)	46,0
Цинк литой (механически отполированный)	51,0
Олово литое (неполированное)	9,0 при нагрузке 50 г
Олово литое (механически отполированное)	9,0 при нагрузке 50 г
Свинец литой (неполированный)	5,3 при нагрузке 50 г
Свинец литой (механически отполированный)	5,3 при нагрузке 50 г
Латунь (Л68), α – фаза (электролитически отполированая)	66,0
Латунь (Л68), α – фаза (механически отполи-рованая)	139,0
Латунь, β – фаза (механически отполиро-ванная)	193,0
Латунь, β – фаза (электролитически отполи-рованная)	132,0

Таблица 7

Микротвердость мартенсита

Сплав	Максимальная микротвердость мартенсита, кг/мм2	Микротвердость мартенсита (закалка с температуры Ас1), кг/мм2	Микротвердость мартенсита (закалка с температуры оплавления), кг/мм2
Сталь 20	1050	725	425
Сталь 30	935	725	610
Сталь У7	1010	710	910
Сталь 20ХН	635	515	450
Сталь ШХ15	1040	590	800
Сталь Х12М	890	400	510
Чугун	1065	675…800	640

Таблица 8