Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Измерение твердости по бринеллю

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13

(Продолжительность лабораторной работы 2 ч;

домашняя подготовка ─ 2 ч)

ВВЕДЕНИЕ

Для оценки твердости металла предложено несколько методов. Так, применяют царапанье острым наконечником при давлении с определенным усилием. Ширину этой царапины используют как критерий для оценки твердости. Распространен также метод отскока, когда стальной шарик сбрасывают с определенной высоты на подготовленную нужным образом поверхность используемого материала; по высоте отскока шарика судят о твердости. Иногда вместо шарика применяют боек с алмазным наконечником определенной формы. Наибольшее распространение получили методы оценки твердости по сопротивлению испытуемого материала внедрению в него другого более твердого тела, называемого индентором.

I. КРАТКИЕ ПРИКЛАДНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ
СВЕДЕНИЯ ПО ИЗУЧАЕМЫМ ВОПРОСАМ

Твердость – это свойство материалов оказывать сопротивление при местных контактных воздействиях пластической деформации или хрупкому разрушению в поверхностном слое в определенных условиях испытания. Эта формулировка пригодна как для методов внедрения, так и для метода царапания.

Существующие методы измерения твердости значительно отличаются друг от друга по форме применяемого индентора, условиям приложения нагрузки и способы расчета чисел твердости. Выбор метода зависит от различных факторов: твердости материала, его размеров, толщины слоя, твердость которого необходимо измерить, и т.д.

Способы определения твердости делят на статические и динамические в зависимости от скорости приложения нагрузки, по способу же ее приложения – на методы вдавливания, царапания. Наиболее распространены методы определения твердости, в которых используется статистическое вдавливание индентора перпендикулярно поверхности образца. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (твердость по Роквеллу — HRC, HRB, HRA), либо по величине отпечатка от вдавливания индентора при соответствующей нагрузке (твердость по Бринеллю—НВ, Виккерсу—HV, микротвердость Н). Во всех перечисленных случаях при вдавливании индентора происходит пластическая деформация испытуемого материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем на меньшую глубину проникает индентор и тем выше твердость.

Во всех методах испытания на твердость очень важно правильно подготовить поверхностный слой образца. Он должен по возможности полно характеризовать тот материал, твердость которого необходимо определить. Все поверхностные дефекты (окалина, выбоины, вмятины, грубые риски и т.д.) должны быть удалены. Требования к качеству испытуемой поверхности зависят от применяемого индентора и величины прилагаемой нагрузки. Чем меньше глубина вдавливания индентора, тем выше должна быть чистота поверхности и тем более строго нужно следить за тем, чтобы свойства поверхностного слоя не изменились вследствии наклепа или разогрева при шлифовании и полировке.

При определении твердости всеми методами, кроме метода микротвердости, измеряют суммарное сопротивление металла внедрению в него индентора, усредняющее твердость всех имеющихся структурных составляющих. Поэтому получающийся после снятия нагрузки отпечаток должен быть по размеру значительно больше размеров зерен отдельных структурных составляющих. Неизбежные различия в структуре отдельных участков образца приводят к разбросу значений твердости.

Наиболее широко практикуются испытания твердости по Бринеллю и по Роквеллу. На рис. 1 приведены схемы методов по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу.

При определении твердости по Бринеллю [метод назван по имени шведского инженера Ю. А. Бринелля (J. A. Brinell; 1849—1925)] индентор в виде стального шарика определенного диаметра D вдавливается при определенной нагрузке Р в испытуемый материал (рис. 1, а).

Число твердости по Бринелю (НВ) определяется как отношение нагрузки Р, действующей на шаровой индентор диаметром D, к площади F шаровой поверхности отпечатка:

НВ= . (1)

Площадь отпечатка может быть определена и по глубине вдавливания индентора:

. (2)

Число твердости имеет размерность напряжения (Па), однако в соответствии со стандартом она не пишется. При определении твердости НВ шариком с D =10 мм под нагрузкой Р=3000 кгс (≈30000Н) и временем выдержки τ=10 с число твердости записывают: НВ 400, НВ 250) и т.д. При использовании других условий испытания индекс НВ дополняют цифрами, указывающими диаметр использованного шарика (мм), нагрузку (кгс) и продолжительность выдержки (с). Например, НВ 5/750/30-350- это число твердости по Бринелю (350), полученное при вдавливании шарика с D = 5 мм нагрузкой Р = 750 кгс в течение τ = 30 с.

При определении твердости по Бринелю в зависимости от толщины испытываемого материала используют шаровые инденторы диаметром 2,5; 5 или 10 мм. Их изготовляют из стали твердостью не менее 850 кгс/мм². С помощью метода Бринеля можно испытывать материалы твердостью от НВ 8 до НВ 450. Минимальная толщина испытуемого образца должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка. При известной НВ примерная глубина отпечатка

h=Р/πD НВ. (3)

Диаметр отпечатка измеряют с точностью 0,01¸0,05 мм с помощью измерительной лупы или микроскопа. Средние значения НВ определяются по 3-5 отпечаткам. Расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2,5 d, а расстояние между центрами двух соседних отпечатков – не менее 4 d (для металлов с НВ<35 соответственно 3 d и 6 d);

Нагрузку Р выбирают в соответствии с качеством испытываемого материала по формуле

Р= kD ², (4)

где k - постоянная, равная 30 для относительно твёрдых материалов (свыше НВ 130), = 10 для материалов средней твердости (НВ 30¸130) и, = 2,5 для мягких (ниже НВ 30).

По Бринеллю определяют твердость относительно мягких материалов (чугунов. отожженной стали, цветных металлов и их сплавов)

В таблице 1 приведены данные по выбору диаметра шарика и нагрузки в зависимости от материала и толщины испытываемого образца. При испытании более мягких металлов применяют меньшие нагрузки.

Испытания по методу Бринелля проводят на стационарных твердомерах (прессах Бринелля), обеспечивающих плавное приложение заданной нагрузки к шарику и постоянство её при выдержке в течение установленного времени (обычно 10 с).

Таблица 1

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 диаметр. шарика D	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка Р, кгс (´9,8 Н)	Выдержка под нагрузкой, с
Черные металлы	140-450	От 6 до 3 «4» 2 Менее 2	Р =30 D ²	10,0 5,0 2,5	187,5
То же	<140	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	Р =10 D ²	10,0 5,0 2,5	62,5
Цветные металлы	>130	От 6 до 3 «4» 2 Менее 2	Р =30 D ²	10,0 5,0 2,5	187,5
То же	35-130	От 9 до 3 «6» 3 Менее 3	Р =10 D ²	10,0 5,0 2,5	62,5
То же	8-35	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	Р =2,5 D ²	5,0 2,5	62,5 15,6

При определении твердости по Роквеллу [по имени американского металлурга 20 века С. П. Роквелла (S.P. Rockwell), разработавшего этотметод] в испытуемое тело вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120° (при испытании твердости очень твердых металлов – шкалы А и С) или стальной закаленный шарик диаметром 1,588 мм (1/16") (при испытании мягких материалов – шкалаВ), соответственно числа твёрдости обозначаются HRC иHRB, например HRC61. Конус или шарик вдавливается при приложении двух последовательных нагрузок (рис. 1, б): предварительной (Р ==10кгс) и основной. Суммарная нагрузка для шкалы В составляет 100 кгс, для шкалы С — 150 кгс, для шкалы А — 60 кгс. Шкала А применяется при испытании очень твердых материалов.

Твердость по Роквеллу устанавливается в условных единицах. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 0,002 мм. Испытание по методу Роквелла производят специальным настольным прибором (твердомером), снабжённым индикатором со стрелкой и двумя шкалами: черной и красной. По черной шкале отсчитывается твердость, замеряемая алмазным конусом, а по красной — стальным шариком (рис. 3).

Твердость по Виккерсу [по названию английского военно-промышленного концерна «Виккерс» (Vickers Limited), разработавшего данный метод] HV, как и микротвердость Н, определяется вдавливанием алмазного индентора, имеющего форму правильной четырёхгранной пирамиды с двугранным углом, равным 136°, при вершине (рис. 1, в). Число твёрдости по Виккерсу HV — отношение нагрузки на индентор (в кгс) к площади пирамидальной поверхности отпечатка (в мм²); напр. HV 650. Вдавливающая нагрузка выбирается от 50 до 1000 Н (от 5 до 100 кгс) в зависимости от твёрдости и толщины испытываемого образца или изделия.. Метод Виккерса используется для испытания твердости деталей малой толщины или тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.

Методом микротвердости обычно пользуются для измерения твердости отдельных зерен или очень тонких слоев. Нагрузку Р можно изменять в пределах от 1 до 500 г.