 |
Устройство и основы работы с твердомером тмд-3
|
|
|
|
Сведенья из теории
Применение современных приборов измерения твердости существенно упрощает методику измерения указанной характеристики, увеличивает производительность испытаний, позволяет легко документировать результаты испытаний и производить предварительную обработку экспериментальной информации. Современные приборы неразрушающих испытаний объектов механическими способами портативны, отличаются простотой и полной безопасностью работы персонала и не требуют высокой квалификации обслуживающего персонала. Твердомер позволяет проводить экспресс-анализ твердости объектов контроля в условиях депо, ремонтных участков, лабораторных и полевых условиях.
Метод Бринелля.
Метод определения твердости с помощью вдавливания шарика в образец. После снятия нагрузки на поверхности образца остается отпечаток, имеющий форму шарового сегмента (рисунок 1.1). Чем тверже металл, тем меньше будет величина отпечатка. Точность так же зависит от диаметра шарика. Чем больше шарик, тем точнее измерение.
Рисунок 1. – Метод Бринеля.
Определение твердости вдавливанием стального шарика (метод Бринелля) заключается в том, что шарик из закаленной шарикоподшипниковой стали под действием нагрузки вдавливается в зачищенную поверхность металла. Диаметр шарика D и нагрузка F принимаются в зависимости от твердости металла и толщины испытуемого материала; например, при нагрузке 3000 кг диаметр шарика принимается равным 10 мм, при нагрузке 750 кг - 5 мм, при нагрузке 187,5 кг - 2,5 мм. Тонкие образцы металла испытывают шариком меньшего диаметра. Для мягких металлов нагрузка на шарик принимается значительно меньшая, чем для твердых. Испытание на твердость металла вдавливанием шарика производят на специальном прессе. Твердость определяется по формуле 1.
|
|
|
(1)
где 
– приложенная сила, Н;
– диаметр шарика, мм;
– диаметр отпечатка, мм.
Диаметр отпечатка измеряют лупой, на окуляре которой нанесена шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра (0,1 мм). Точность измерения составляет 0,05 мм.
Метод имеет ряд недостатков, таких как определение твердости металла до 450 HB, невозможность определение твердости тонких металлов, измеряема твердость зависит от нагрузки.
Одним из достоинств метода измерения твердости по Бринеллю является то, что, зная число твердости по Бринеллю, можно быстро найти предел прочности испытуемого материала, что важно для прикладных инженерных задач, особенно в машиноведении. Эта зависимость описывается уравнением:
(2)
Значение коэффициента k для различных материалов представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Значения коэффициентов «k» для различных материалов
| № п/п | Материалы | Значение коэффициента «k» |
| Чугуны | 0,15 | |
| Алюминиевые сплавы литейные | 0,25 | |
| Алюминиевые сплавы деформируемые | 0,38 | |
| Стальное литье | 0,32-0,36 | |
| Малоуглеродистые кованые и горячекатаные стали | 0,36 | |
| Высокопрочные стали | 0,33 | |
| Аустенитные стали и медные сплавы | 0,45 | |
| Титановые сплавы | 0,30 |
При использовании тех или экспериментальных данных следует быть внимательными к тому, в каких единицах измеряется число твердости по Бринеллю – в кгс/мм2 или МПа.
Метод Роквелла.
Метод Роквелла – более универсальный способ определения твердости металлов, т.к. он лишен недостатков, присущих методу Бринелля (можно испытывать материалы, более твердые, чем НВ 450, и определять твердость тонких, например, цементированных слоев).
|
|
|
Твердость по Роквеллу определяется вдавливанием в испытуемый материал алмазного конуса с углом при вершине 120° или закаленного стального шарика диаметром 1,58 мм под действием постепенно прилагаемой нагрузки и измерения глубины проникновения индентора после снятия нагрузки. В методе Роквелла использовано двухступенчатое нагружение: глубина вдавливания отсчитывается не от исходной поверхности металла, а от уровня, достигнутого при небольшом вдавливании предварительной нагрузки. Под этой нагрузкой отсчетное устройство (индикатор) устанавливается на нуль, после чего добавляется основная нагрузка Pi, величина которой зависит от материала и толщины изделия. Число твердости на приборе Роквелла отсчитывается по циферблату индикатора.
Рисунок 2 – Метод Роквелла
Простота метода Роквелла (главным образом, отсутствие необходимости измерять диаметр отпечатка) привела к его широкому применению в промышленности для проверки твёрдости. Также не требуется высокая чистота измеряемой поверхности (например, методы Бринелля включают замер отпечатка с помощью микроскопа и требуют полировку поверхности). К недостатку метода Роквелла относится меньшая точность по сравнению с методом Бринелля. Для определения твердости по Роквеллу необходимо пользоваться специальными шкалами. Шкалы по Роквеллу представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Шкалы для определения твердости по Роквеллу
| Шкала | Обозначение | Индентор | Нагрузка, кг | Область применения | ||
| Р0 | Р1 | Р2 | ||||
| А | HRA | Алмазный конус < 1200 | 10 | 50 | 60 | Для особо твердых материалов |
| В | HRB | Стальной закаленный шарик | 10 | 90 | 100 | Для относительно мягких материалов |
| С | HRC | Алмазный конус < 1200 | 10 | 140 | 150 | Для относительно твердых материалов |
Число твердости по Роквеллу можно приближенно перевести в число твердости по Бринеллю при помощи специальной таблицы перевода твердости (Приложение А).
Во многих случаях применение классических твердомеров для измерения может стать проблематичным. Во-первых, когда контролируемое изделие является крупногабаритным и его нельзя поднести к прибору. Кроме этого, вырезка фрагмента из изделия для последующего измерения твёрдости приводит к порче изделия. Во-вторых – когда требуется достаточно высокая производительность контроля.
|
|
|
Чтобы избежать тех недостатков, которые присущи классическим методам твердометрии, были разработаны твердомеры, использующие динамический метод определения твердости.
УСТРОЙСТВО И ОСНОВЫ РАБОТЫ С ТВЕРДОМЕРОМ ТМД-3
2.1. Описание конструкции и работа твердомера
Принцип работы динамического твердомера основан на измерении отношения скорости индентора при падении в момент его соприкосновения с поверхностью испытуемого объекта к скорости индентора в момент его отскока от поверхности объекта испытаний.
Используемый в раде динамических твердомеров метод определения твердости основан на изменении скорости бойка после удара в зависимости от твердости металла испытуемого объекта. Непосредственно по данным измерений оценивается условная твердость материала, которая определяется отношением скоростей бойка до и после удара:
(2)
где V0 и V1 - соответственно скорость бойка до и после удара.
Перевод значений условной твердости в единицы Бринелля, Роквелла и др. осуществляется по данным предварительной тарировки твердомера на образцовых мерах твердости [1].
Отношение скоростей перемещения индентора при падении и отскоке однозначно связано с твердостью материала контролируемого изделия. Преобразователь динамического твердомера включает в себя механическую систему, обеспечивающую перемещение индентора относительно поверхности контролируемого материала, и электрическую катушку (рисунок 3). Во взведенном положении преобразователя цанга спускового механизма удерживает индентор. Цанга разжимается при нажатии спусковой кнопки, и индентор под действием предварительно сжатой пружины сбрасывается на контролируемую поверхность. На конце индентора расположен твердосплавный шарик, непосредственно контактирующий с испытуемым материалом. Внутри индентора находится постоянный магнит. При сбрасывании твердосплавного шарика на испытуемую поверхность внутренний магнит перемещается относительно витков катушки. В результате указанного перемещения в катушке наводится электродвижущая сила. Величина электродвижущей силы пропорциональна скорости движения индентора. Тот же самый эффект происходит и при отскакивании шарика с внутренним магнитом от испытуемой поверхности.
|
|
|
КЛ – клавиатура; ЖКИ – жидкокристаллический индикатор; ПР – преобразователь; С – схема преобразования входного сигнала; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; МК – микроконтроллер; EEPROM – энергонезависимая память; ЗУ – зарядное устройство; БП – блок питания.
Рисунок 3 – Структурная схема и общий вид твердомера
Измеряемая твердость HB является функцией отношения сигналов U1 и U2:
(3)
где U1 – скорость падения;
U2 – скорость отскока.
Зависимость f описывается достаточно сложным образом, поэтому ее получают с помощью испытаний изделий из различных мате- риалов с измерением твердости классическим способом. Полученная база данных хранится в памяти цифровых динамических измерителей твердости.
Твердомер динамический ТДМ-3 предназначен
· для измерения твердости конструкционных, углеродистых и нержавеющих сталей, а также сплавов из цветных металлов по шкалам Роквелла (HRA,HRB), Супер Роквелла (HRN, HRT), Шора (HSC) и Лейба (HL);
· разбраковка материалов по твердости;•
· режим однократных или многократных (от 2 до 99) измерений;•
· режим «Эксперимент» (для установления корреляционных зависимостей между упругими свойствами и твердостью различных материалов);
· коррекция показаний в зависимости от угла наклона преобразователя;
· калибровка по образцовым мерам (от 2 до 9);
Рисунок 4 – Схема твердомера ТДМ-3
а: Последовательность измерения твердости:
1. Провести внешний осмотр прибора, убедиться в отсутствии механических повреждений электронного блока, датчика, соединительного кабеля. Подключить преобразователь к электронному блоку твердомера.
2. Соединить датчик с электронным блоком. Проверить наличие элементов питания в батарейном отсеке. При их отсутствии вставить элементы питания в батарейный отсек, соблюдая полярность. Привернуть толкатель к корпусу прибора. Проверить, чтобы опорное кольцо датчика было плотно завернуто на направляющую трубку.
1. Включить прибор нажатием на кнопку «Вкл/Меню». При этом на дисплее должна появиться индикация.
2. В рабочем меню в параметре «Шкала твердости» с помощью клавиш выбрать требуемую шкалу (выбираем шкалу НВ, HRA,HRB), Супер Роквелла (HRN, HRT), Шора (HSC) и Лейба (HL);).
|
|
|
3. В параметре «Тип материала» выбрать необходимый вид материала (выбираем «М1» – Сталь).
4. В параметре «Угол наклона преобразователя» выбрать угол между преобразователем и нормалью к поверхности (сверху вниз, сбоку горизонтально, снизу вверх)
. 
5. В параметре «Режим измерений» выбрать режим проведения измерения (выбираем «Многократный» и вводим количество измерений в формате двухзначного числа).
6. В параметре «Память» установить необходимый
режим (выбираем «Ф» – просмотр).
7. В параметре «Режим работы» установить необходимый (выбираем «И» – измерение).
8. «Взвести» преобразователь, плавно загрузив индентор с помощью толкателя до защелкивания ударного механизма.
9. Установить преобразователь на контролируемую поверхность.
10. Установить преобразователь на изделие торцевой частью и плотно прижать его к поверхности, нажав на спусковую кнопку на преобразователе.
11. Снять показание твердости (на дисплее прибора появится число твердости по выбранной шкале).
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
1.2.3. Последовательность выполнения лабораторной работы
1) Ознакомиться с физическими основами методов измерения твердости по различным методам.
2) Ознакомиться с конструкцией и принципом работы динамического твердомера ТДМ-3.
3) Подготовить твердомер к работе.
4) Измерить прибором твердость по Бринеллю эталонной меры твердости по Бринеллю (выдается преподавателем) не менее 25 раз.
Сравнить среднее значение твердости по Бринеллю, полученное экспериментально, с эталонной меры твердости. При отклонении вычислить калибровочный коэффициент по формуле:
(1.5.)
Где HB э - значения твердости по Бринеллю для эталона твердости;
HB ср- - среднее значение твердости полученное экспериментально с помощью твердомера статического принципа измерения ТМД-3.
5) Занести данные в шаблон
| № п/п | HBi | HBi 2 |
| 1 2 … 25 | ||
| 
|
6) Вычислить среднее значение твердости по формуле:
(1.6)
7) Вычислить дисперсию по формуле:
(1.7)
Для значения доверительной вероятности γ и числа степеней свободы n – 1 определить табличное значение коэффициента Стьюдента (см. электронный ресурс https://studfiles.net/preview/5213511/).
8) Записать доверительный интервал:
(1.8)
9) Измерить твердость предлагаемых образцов из разных материалов, определяемых преподавателем на выбор по шкале Бринелля или Роквелла:
- отожженных сталей (образцы №1 – 9);
- закаленной легированной стали (№ 10 – 12);
- закаленной углеродистой стали (№13).
10) Проведя тринадцать замеров и установив среднее значение твердости, перевести полученное число твердости на шкалу Роквелла или Бринелля по стандартной таблице, приведенной в электронном ресурсе http://azbukametalla.ru/ spravochnik/perevod-tverdosti-po-brinellyu-rokvellu-vikkersu-i-shoru.html
11) Результаты измерений твердости сталей внести в протокол испытаний.
Протокол испытаний
|
| Марка | Число твердости по шкале НВ | Среднее число твердости по Бринеллю | Число твердости по Роквеллу | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||||
| 1 | 75 | |||||||
| 2 | 25 | |||||||
| 3 | У7 | |||||||
| 4 | 50 | |||||||
| 5 | 60 | |||||||
| 6 | 55А | |||||||
| 7 | 40 | |||||||
| 8 | У10 | |||||||
| 9 | 70 | |||||||
| 10 | ШХ20СГ | |||||||
| 11 | ШХ9 | |||||||
| 12 | ШХ4 | |||||||
| 13 | У9 | |||||||
12) На основании полученных результатов построить график зависимости твердости стали от содержания в ней углерода. Указать факторы, влияющие на твердость стали, проанализировать полученный график, установив зависимость между твердостью и содержанием углерода, построив тренд, и привести коэффициент корреляции.
13) Произвести расчет прочности материала по формуле 2 заданных преподавателем марок сталей. На основании данных построить график зависимости
«σв-%С». Установив зависимость между прочностью и содержанием углерода, построив тренд, и привести коэффициент корреляции.
|
|
|
