Измерение твердости металлических материалов

Работа №1

Цель работы:

1. Познакомиться с методами измерения твердости металлических материалов.

2. Приобрести навыки измерения твердости методами Роквелла (прибор ТК-2) и Бринелля (прибор ТШ-2).

3. Освоить методику перевода единиц твердости в единицы характеристик механических свойств, получаемых при испытаниях на растяжение.

 

Краткие теоретические сведения:

1. Измерение твердости металлических материалов

Распространенность испытаний на твердость объясняется относительной простотой и низкой стоимостью их проведения, возможностью испытаний мате­риалов различной пластичности и прочности, небольшим объемом образцов, воз­можностью проведения измерений непосредственно на деталях. При испытаниях на твердость могут быть получены оценки иных механических свойств, таких как предел текучести, предел прочности и другие.

Наибольшее практическое значение имеют статические испытания твердо­сти вдавливанием в испытуемое тело другого, более твердого тела - индентора [от англ. indentor, от лат. in - в, внутрь и dens (dentis) - зуб] (методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, метод микротвердоети). Значительно реже используются дина­мические испытания твердости по отскоку шарика (методы Шора, Польди) и еще реже используется измерение твердости царапаньем (склерометрия). В машино­строении и приборостроении основным методом измерения твердости является измерение твердости вдавливанием - дюрометрия.

2. Измерение твердости методом Бринелля (ГОСТ 9012 - 59)

Сущность метода Бринелля за­ключается во вдавливании шарика (стального или из твердого сплава) в образец (изделие) под действием усилия, приложенного перпендикулярно поверхности об­разца в течение определенного времени, и измерении диаметра отпечатка после снятия усилия.

В качестве индентора применяются:

- стальной шарик диаметром 10,0; 5,0; 2,5; 2,0 или 1,0 мм, имеющий твер­дость не менее 850 HV 10 (850 единиц твердости по Виккерсу, измеренной при на­грузке 100 Н (10 кгс)).

- шарик из твердого сплава диаметром 10,0; 5,0; 2,5; 2,0 или 1,0 мм, имеющий твердость не менее 1500 HV 10.

Твердость по Бринеллю при применении стального шарика обозначают сим­волом НВ, а при применении шариком из твердого сплава - символом HBW. Числено твердость НВ (HBW) равна отношению приложенного усилия F к площади сферического отпечатка А и рассчитывается по формуле:

 

где F -усилие, Н; D - диаметр шарика, мм; d - диаметр отпечатка, мм.

 

Запись результата измерения состоит из числового значения твердости из трех значащих цифр, символа твердости по Бринеллю HB (HBW), диаметра шарика, приложенного усилия и продолжительности выдержки под нагрузкой, если последняя отличается от (10...15) с. Например, запись 575 HBW 2,5/187/30 означает твердость по Бринеллю 575 единиц, измеренную при применении шарика из твердого сплава диаметром 2,5 мм, при усилии 187 кгс и продолжительности выдержки под нагрузкой 30 с.

При измерении твердости индентором диаметром 10 мм при усилии 3000 кгс и продолжительности выдержки от 10 до 15 с твердость по Бринеллю обозначают только числовым значением твердости и символом НВ или HBW, например 185 НВ, 620 HBW. При твердости металлов более 450 единиц по Бринеллю для измерения используют шарики только из твердого сплава, во из­бежание деформации индентора, а при твердости менее 450 единиц применяют стальные шарики или шарики из твердого сплава. Максимально допустимая твердость металлов при применении метода Бринелля в 650 единиц.

Отбор и подготовка образцов к измерению состоит из следующих этапов:

1. Определяется необходимая толщина образца, которая должна превышать глубину отпечатка не менее чем в 8 раз. В любом случае после испытаний на противоположной стороне образца не должно быть заметно следов деформации от индентора.

2. Поверхность образца (изделия) должна быть гладкой, ровной и свободной от окалины или оксидной пленки. Обработку поверхности образца (изделия) допускается проводить шлифовкой на наждачной бумаге или мелким напильником. При использовании шарика диаметром 1 мм поверхность образца должна быть отполирована.

3. Используя стандарт ГОСТ 9012 – 59 выбираются оптимальные усилия измерения (диаметр шарика, усилие, длительность выдержки).

Диаметр отпечатка d измеряют с помощью инструментального микроскопа или других сред измерения.

3. Измерение твердости методом Роквелла (ГОСТ 9013-59)

Сущность метода Роквелла заключается во внедрении в поверхность образца (или изделия) алмазного конуса или стального сферического наконечника под действием последовательно прилагаемых предварительного F_o и основного F₁ усилий и в определе­нии глубины внедрения индентора после снятия основного усилия F₁. Принципиальным отличием метода измерения твердости по Роквеллу от метода Бринелля заключается в том, что в методе Роквелла за меру твердости при­нимают глубину отпечатка, а в методе Бринелля диаметр отпечатка.

Для измерения твердости используют специальные приборы (например, твердомер ТК – 2). Приборы должны обеспечивать приложение усилий, указанных в табл.1.

В качестве индентора используются: алмазный конусный наконечник (шка­лы А, С);стальной шариковый наконечник диаметром 1,588 мм (шкалы В).

Численное значение твердости считывается со шкалы индикатора или показателя цифрового отсчетного устройства прибора с округлением результата до 0,5 единицы твердости. Запись результата измерения состоит из численного значения твердости из трех значащих цифр и символа твер­дости. Например, запись 65,0 HRC означает твердость по Роквеллу равную 65 ус­ловным единицам по шкале С, полученным при вдавливании алмазного наконеч­ника в поверхность образца (изделия) с общим усилием F = 1500 Н.

 

Таблица 1

Условия измерения твердости методом Роквелла

 

Шкала твердости	Обозначение единиц измерения	Предварительное усилие Fo, , Н	Основное усилие F1, Н	Общее усилие F, Н	Диапазон измерения единиц твердости
А	HRA				20…88
В	HRB				20…100
С	HRC				20…70

 

Отбор и подготовка образцов к измерению твердости проводится аналогично рассмотренным в методе Бринелля.

Твердость по шкале А измеряют на твердых сплавах, на металлах после по­верхностной упрочняющей обработки, на тонких и хрупких образцах. Твердость по шкале В измеряют на сталях в отожженном состоянии, на цветных металлах, если их твердость не превосходит 200 НВ. Твердость по шкале С измеряют на упрочненных термообработкой или пластическим деформированием сталях и ту­гоплавких металлах и сплавах.

Выбор шкалы осуществляется из следующих соображений:

- если твердость образца (изделия) не известна, то первое измерение следует проводить по шкале С;

- если твердость при этом окажется больше 20 HRC, то это число принимают за результат измерения;

- если твердость окажется менее 20 HRC, то следует повторно измерить твердость по шкале В.

В настоящее время получены зависимости, описы­вающих связь твердости с характеристиками механических свойств, получаемых при испытаниях на растяжение, ползучесть, сопротивление усталости, износ, некоторые из которых приведены в табл.2.

 

Таблица 2

Формулы перевода единиц твердости в характеристики

прочности при растяжении

 

Формула перевода	Погрешность	Область применения
σ 0,2 = 3,67 . НВ - 240	≈ 10 %	Легированные стали перлитного и мартенситного классов (НВ≥150)
σ 0,2 = 2 . НВ	≈ 10 %	Тоже (НВ<150)
σ В = 3,45 . НВ	<10 %	Углеродистые и низколегирован­ные стали (НВ ≥150)
σВ =325 + 207 . ехр (0,0377 . HRC)	≈ 2 %	Углеродистые и легированные конструкционные стали в литом, горячекатанном и термообработанном состояниях

 

Отчет

1. Определить твердость образцов различных материалов. На каждом образце твердость измерить три раза и за результат измерений принять среднее арифметическое значение.

2. Заполнить табл. 3. Для сравнения твердости разных образцов все результаты измерений, полученные при различных нагрузках и на различных шкалах пересчитать в твердость по Бринеллю.

3. Используя табл. 2 определить предел прочности при растяжении для исследуемых сталей. Полученные результаты занести в табл.3.

4. Сделать выводы о влиянии состава материала, термической, термомеханической и механической обработки на твердость металлического материала. Указать, какой способ упрочнения сталей является наиболее эффективным.

Таблица 3

Материал	Тип индентора	Нагрузка, Н	Твердость	σв, МПа
HRB	HRC	HB
Медь
Латунь
Алюминий
Дюралюмин
Сталь в холоднокатонном состоянии
Сталь в горячекатанном состоянии
Сталь в отожженном состоянии
Сталь в закаленном состоянии
Сталь в отпущенном состоянии

 

ВЫВОДЫ:

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

Контрольные вопросы:

1. Что называется твердостью металлов?

2. Как обозначается твердость по Роквеллу и Бринеллю?

3. В чем разница методов измерения твердости по Бринеллю и Роквеллу?

4. Каким методом можно измерить твердость закаленной стали?

5. Каким методом следует измерять твердость алюминиевых деталей?

6. Как влияет на твердость металла термообработка, обработка давлением?

7. Запишите результат измерения твердости, если стрелка индикатора твердости остановилась на значении 46,75 HRB

8. Почему при измерении твердости неизвестного материала нужно в качестве индентора использовать алмаз?

 

Литература:

1. ГОСТ 9012-59

2. ГОСТ 9013-59

3. Геллер Ю.А., Рахшадт А.Г. Материаловедение, М., Металлургия. 1980. 447с.

4. Самохоцкий А.И., Кунявский М.Н. Лабораторные работы по металловедению и термической обработке металлов. М. Машиностроение, 1981, 173 с

5. Паисов И.В. Пособие к лабораторным работам по материаловедению и термической обработки металлов, М., Металлургия, 1968, 95с

 

Дата выполнения _____________________________

Подпись преподавателя _____________________________

Подпись студента _____________________________

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: