Лабораторна робота № 2

Тема: Вивчення методів визначення твердості способами Бринелля і Роквелла.

Мета: Вивчення будови та роботи твердомірів ТШ-2 і ТК-2. Ознайомитись з правилами техніки безпеки при роботі на твердомірах. Виміряти величини твердості м’яких, середньої твердості і твердих матеріалів при допомозі твердомірів ТШ-2 та ТК-2 і порівняти отримані результати.

Обладнання та матеріали: Твердоміри ТШ-2; ТК-2.,зразки для випробувань на твердість,

тубус для визначення діаметра відбитка, таблиця чисел твердості

Короткі теоретичні відомості

Властивості металів і сплавів прийнято розділяти на фізичні (густина, температура плавлення, теплове розширення, теплопровідність, електрична провідність та ін.), механічні (міцність, пружність, пластичність, твердість, в’язкість), хімічні (стійкість проти корозії), технологічні (обробка різанням, зварюванням та ін.) і спеціальні.

З усіх видів механічних випробовувань металів визначення твердості проводиться найчастіше. Це пояснюється простотою, швидкістю, точністю і зручністю випробовувань, а також тим, що визначення твердості не пов’язано з руйнуванням виробу, який після випробовування надходить в експлуатацію. Твердість характеризує опір металу до проникнення в нього стороннього, більш твердого тіла (індентора). За твердістю може бути побічно оцінена така характеристика металу, як межа міцності в. Найбільше поширення одержали наступні методи визначення твердості вдавленням індентора: Бринелля, Роквелла, Віккерса (рисунок 1), а також визначення мікротвердості..

Рисунок 1. Схеми визначення твердості:

а - по Бринеллю; б - по Роквеллу; в - по Віккерсу.

Визначення твердості способом Бринелля

Твердість по Бринеллю визначається на стаціонарному приладі ТШ-2. Сталева кулька діаметром 2,5, 5 чи 10 мм вдавлюється при навантаженнях 187,5, 250, 500, 750, 1000 і 3000 кгс (1875; 2500; 5000; 7500; 10000 і 30000 Н). Твердість великогабаритних деталей вимірюють переносним приладом ТШК, що відрізняється від ТШ-2 габаритами, системою навантаження і меншими можливостями вибору навантажень - 750, 1000 і 3000 кгс (7500, 10000 і 30000 H). На форму відбитка впливають: навантаження, час витримки під навантаженням і діаметр кульки, що вибирається в залежності від випробуваного матеріалу.

Для одержання порівняльних значень твердості металу при різних діаметрах кульки і навантаженнях необхідно дотримуватися закону подібності:

P/D²=const,

Для чорних металів: P/D²=30, Для кольорових: P/D²=10

Після зняття навантаження на поверхні зразка утвориться відбиток (лунка) з поверхнею F і діаметром d. Число твердості по Бринеллю визначають по рівнянню, кгс/мм² чи H/мм²:

HB=P/F (1)

Твердість за Брінеллем HB розраховується як "прикладене навантаження", що ділиться на "площу поверхні відбитку" :

або за формулою:

де P — прикладене навантаження, кПа; де h — глибина вдавлювання індентора

D — діаметр кульки, мм;

d — діаметр відбитку, мм,

Діаметр отриманого відбитка d вимірюють з похибкою до 0,01 мм за допомогою спеціальної лупи і по таблиці визначають число твердості НВ. Для багатьох матеріалів твердість НВ тісно пов’язана з межею міцності при розтягуванні в, а саме: для сталі (із твердістю 120-175 НВ), в= 0,36 НВ, для сірого чавуна в = (НВ - 40)/6; для міді, латуні, бронзи в = 0,55 НВ. Ці залежності широко використовуються у виробництві для контролю деталей і напівфабрикатів.

Діаметр кульки вибирають в залежності від товщини досліджуваного зразка, прикладене навантаження залежить від твердості досліджуваного матеріалу.

У табл. 1 наведені умови стандартного визначення твердості по Бринеллю (для зразків товщиною більшою 6 мм). Випробовування проводять на пресах Бринелля.

Таблиця 1- Умови для визначення твердості по Бринеллю.

Матеріал	Твердість HB, кгс/мм2 [Н/мм2]	Діаметр кульки, мм	Навантаження Р, кг[H]	Витримка під навантаженням, сек
Чорні метали	140...450 (1400...4500)	10	3000 (30000)	10
Чорні метали	До 140 (1400)	10	3000 (30000)	300
Сплави на основі міді	35...130 (350...1300)	10	1000 (10000)	30
Алюміній, підшипникові сплави	8...35 (80...350)	10	250 (2500)	60

Щоб показати, при яких умовах вимірюють твердість, необхідно застосувати умовний метод запису: НВ10 (10000) 30. Це означає, що випробування виконувалося кулькою діаметром 10 мм, під навантаженням 1000кгс (10000Н) протягом 30с.

Однак, методом Бринелля можна користуватися для матеріалів із твердістю не вище 450 (4500) одиниць (кгс/мм² , Н/мм² ) тому, що при вдавленні в більш тверді матеріали, кулька може деформуватися, що внесе погрішність у вимірах.

Недоліки: Метод можна застосовувати тільки для порівняно м'яких матеріалів через конечне значення твердості самого індентора. Як альтернатива, можливе застосування кульок з карбіду вольфраму (WC).

Твердість за Брінеллем залежить від навантаження, оскільки зміна глибини втискування не пропорційна зміні площі відбитку.

При втискуванні по краях відбитку через витискування матеріалу утворюється "підвищення", що утрудняє вимір глибини відбитку.

Через великий розмір тіла вдавлювання (кульки) метод непридатний для тонких зразків матеріалу.

Переваги : Знаючи твердість за Брінеллем, можна швидко знайти границю міцності і текучості матеріалу, що важливо для прикладних інженерних задач:

Так як метод Брінелля — один із найстаріших методів визначення твердості, накопичено багато технічної документації, де твердість матеріалів вказана згідно з цим методом.