Твёрдость – один из важнейших эксплуатационных показателей деталей механизмом и машин, который во многом определяет их стойкость и долговечность. Поэтому у нас в стране испытания на твёрдость стандартизированы, и проводятся в строго определённо последовательности.
Независимо от метода значение твёрдости устанавливается по результату контактирования рабочего элемента – индентора – с предварительно подготовленной поверхностью изделия. Если такой контакт происходит в течение некоторого времени, то испытание на твёрдость называют статическим , в противном случае – динамическим .
Выбор метода определения твёрдости зависит от условий работы детали, точности полученного результата и воспроизводимости испытания при различных условиях его проведения
Твёрдость по Виккерсу: методика и оборудование
Твёрдость по Виккерсу (HV) определяется путём вдавливания алмазной пирамиды, которая имеет угол при вершине в 136 0 .
Пирамидальный индентор прибора Виккерса должен обладать строго определённым соотношением сторон и площади основания пирамиды, которые оговариваются ГОСТ 2999. В результате внедрения на поверхности исследуемого образца остаётся отпечаток в виде ромба (иногда – неправильного). По значению диагонали этого ромба (или среднего арифметического значения обеих диагоналей) устанавливают число твёрдости Виккерса , которое имеет размерность механического давления.
Выпускаемое оборудование , при помощи которого можно определить твёрдость по Виккерсу относится к машинам статического действия. Они могут быть стационарными и переносными. Линейка видов такого оборудования отечественного производства маркируется ТП (Твёрдость Пирамидальная).
Стандартными условиями для проведения испытаний служат:
- Измерительный диапазон усилий нагружения 49….1176 Н, который в твердомерах ТП имеет 7 ступенчато изменяемых положений;
- Время выдержки образца под давлением – не менее 5 с.
- Принцип измерения диагоналей отпечатка.
Измерение твёрдости по Виккерсу HV выполняется в следующей последовательности.
- Образец или деталь устанавливается на стол прибора измеряемой поверхностью вверх. После этого стол вращением рукоятки маховика поднимают вверх, до лёгкого соприкосновения с индентором.
- Отпускают рычаг, приводя тем самым в движение нагружающий механизм. После установленной с помощью реле времени продолжительности снимается, и рабочая головка, с закреплённым в ней индентором, возвращается в исходное положение.
- После этого можно развернуть приборный стол с образцом к имеющемуся на станине твердомера отсчётному микроскопу , и замерить диагонали отпечатка.
Предварительные установки твердомера Виккерса производят при помощи рукоятки настройки. При этом с уменьшением толщины образца нагрузку следует принимать меньшей. Твёрдость по Виккерсу иногда указывается при значении рабочей нагрузки. Например , обозначение HV 50 940 отмечает, что твёрдость по Виккерсу в 940 единиц была получена после нагружения образца усилием 50 кг.
Достоинствами метода Виккерса являются:
- Постоянство отношения диагоналей получаемого отпечатка при изменении рабочей нагрузки.
- Возможность определения твёрдости сколь угодно тонких слоёв материала изделия, поскольку в своём крайнем положении индентор имеет весьма малую площадь поверхности.
- Повышенная точность результата , вследствие высокой твёрдости алмазной пирамидки индентора и, следовательно, отсутствием деформации самой испытательной головки.
- Широкий диапазон измерений , который охватывает как сравнительно мягкие металлы — алюминий, медь, так и высокопрочные стали и твёрдые сплавы.
- Метод Виккерса позволяет определять твёрдость отдельных слоёв металла , например, цементированного при химико-тнермической обработке образца, или слоя с изменённым химическим составом — после поверхностного упрочнения, либо легирования.
Практический диапазон измерения твёрдости по Виккерсу – 145….1000HV. Ввиду высокой точности метода, для оценки параметра НV больших партий заготовок широко применяются автоматизированные установки Briviscope и Briro от немецкой фирмы Reicherter с гидравлическим и электромеханическим приводом, а также с автоматизацией отсчёта результатов, которые выводятся на монитор.
Твёрдость по Бринеллю: методика и оборудование
Метод определения твёрдости по Бринеллю (НВ) заключается в вдавливании стального закалённого шарика.
Условия измерения твёрдости стандартизированы ГОСТ 9012, и распространяются на сталь, чугун, цветные металлы и сплавы, при этом температура испытания должна находиться в пределах 20±10 0 С. Метод Бринелля также относится к статическим.
Определяя НВ, полагают, что твёрдость испытуемой детали будет зависеть от площади отпечатка . В некоторых приборах в комплект рабочего индентора входит также шарик из вольфрамокобальтового твёрдого сплава , в связи с чем практический диапазон измеряемой твёрдости увеличивается.
Стандартом определены следующие начальные условия для оценки твёрдости по методу Бринелля:
- Нагрузка на поверхность должна находиться в пределах 12,25…29420 Н;
- Размерный ряд стальных шариков – 1,0…10 мм;
- Длительность нагружения 10…15 с.
- Диапазон отпечатков на образце не должен выходить за пределы (0,2…0,7) D, где D – диаметр шарика.
Измерение твёрдости производится с применением отечественных твердомеров Бринелля типа ТШ (Твёрдость Шариком), а также более современными приборами типа БТБ . С целью измерения величины НВ в полевых условиях, либо непосредственно у машины/конструкции выпускаются переносные твердомеры типа ТШП . Для измерения размеров полученного отпечатка необходим также специальный отсчётный микроскоп МПБ-2 , что делает сам процесс определения твёрдости менее мобильным.
Измерение твёрдости на твердомере БТБ происходит так:
- Изделие устанавливают на измерительный стол и фиксируют по упору.
- На приводе набирается требуемое значение нагрузки и через шпиндель прикладывают её к образцу .
- После выдержки под давлением рабочая головка с индентором возвращается в исходное положение, а на экране перед рабочей головкой стрелочный индикатор показывает величину диаметра отпечатка .
- Само значение НВ устанавливается по отсчётным таблицам на станине твердомера. Для смены рабочей нагрузки предназначен комплект переустанавливаемых штырей.
Переносные твердомеры Бринелля при помощи струбцины прикрепляются к требуемому месту на детали, а нагрузка создаётся поворотом рукоятки, снабжённой упорной резьбой.
Практический диапазон измерения твёрдости НВ составляет от 8 до 450 НВ. Это соответствует основной массе марок сталей и сплавов, применяемых для производства металлоконструкций.
При превышении верхнего предела точность метода Бринелля падает, поскольку происходит деформация самого индентора. Шарики из твёрдого сплава не рекомендуется применять, если ожидаемое значение твёрдости по Бринеллю будет находиться в диапазоне 350…450 НВ.
Методом Бринелля можно оценивать и твёрдость деталей в горячем состоянии
– это положительная особенность способа. К числу недостатков следует отнести невозможность определения твёрдости на кромках и краях образцов, а также у деталей с малой толщиной.
Твёрдость по Роквеллу: методика и оборудование
Число твёрдости по Роквеллу (НR) — условная величина, которая зависит от глубины вдавливания в образец стального шарика, либо алмазного конуса.
Условия проведения испытания регламентированы ГОСТ 9013, и включают в себя:
- Предварительное нагружение изделия, в ходе которого ликвидируется влияние всех поверхностных факторов: шероховатости, температуры, скорости внедрения индентора и др.;
- Нагружение основным усилием , при котором и выполняется отсчёт.
- Снятие загрузки .
В отличие от предыдущих методов, твёрдость по Роквеллу принимается по одной из трёх шкал :
- Шкалы А (обозначение твёрдости НRA алмазный конус ), которая используется для весьма твёрдых высокоуглеродистых легированных инструментальных сталей и твёрдых сплавов . Диапазон измерений 60…80 HRA;
- Шкалы В (обозначение твёрдости НRВ , в качестве индентора используется стальной закалённый шарик ), которая используется для сталей средней твёрдости и сплавов цветных металлов . Диапазон измерений 35…100 HRВ;
- Шкалы С (обозначение твёрдости НRС , в качестве индентора используется алмазный конус ), которая испольуется для сталей средней твёрдости . Диапазон измерений 20…90 HRС.
Кроме того, для специфических условий измерения твёрдости (например, для холоднокатаных тонколистовых сталей ) применяется группа методов СуперРоквелл (шкалы HRN и HRT) .
Как и в предыдущем случае, твердомеры Роквелла — типа ТК (Твёрдость Конусом) могут быть стационарными и переносными. Стационарные твердомеры управляются электромеханическим или гидравлическим приводом. Замеры твёрдости по Роквеллу отличаются большей сложностью, что обуславливается необходимостью задать сначала первичную, а затем — вторичную скорость перемещения индентора.
В отличие от индентора на приборе Виккерса, в твердомерах Роквелла алмазный наконечник имеет форму конуса, поэтому точность измерения размеров отпечатка здесь несколько хуже.
Твёрдость по Шору: методика и оборудование
Твёрдость по Шору (НS) устанавливается после удара по этой поверхности стальным бойком. Она является функцией величины отскока бойка.
Все предыдущие способы измерения твёрдости отличаются одним недостатком – на поверхности исследуемой детали остаётся отпечаток. Иногда это не даёт возможность вновь установить деталь в узел или конструкцию. Метод Шора позволяет определять твёрдость изделия HS без деформации его поверхности .
Установка определения твердости по Шёру: 1 — Боек во взведённом состоянии. 2 — Образец испытаний. 3 — Направляющая труба. 4 — Положение отскочившего бойка
Способ Шора относится к динамическим , и заключается в следующем. К измеряемой поверхности (она может быть вертикальной или горизонтальной) подводится портативный твердомер Шора, чаще называемый склероскопом. Если материал – мягкий , то величина отскока будет меньше, поскольку энергия удара будет поглощаться поверхностью детали. Наоборот, если деталь – твёрдая , то вся энергия перейдёт в работу упругого отскока.
Рабочим органом склероскопа Шора является стальной боёк с алмазным наконечником . Сравнивая расстояние, на которое возвратился боёк после удара. Можно установить твёрдость испытуемой детали.
Диапазон измерений твёрдости по Шору составляет 30…140 НS, при этом твёрдости закаленной высокоуглеродистой стали соответствует значение 100 НS. Склероскоп Шора не повреждает поверхность изделия, а потому может использоваться в тех случаях, когда необходимо оценить твёрдость детали, находящейся в составе какого-либо действующего узла. Этим обеспечивается предупреждающая оперативная диагностика механизма или металлоконструкции.
Метод Шора прост в применении, отличается быстротой оценки твёрдости, возможностью повторного использования прибора на той же детали. Однако имеются и ограничения:
- Параметр НS не стандартизирован (хотя в справочниках имеются пересчётные таблицы и графики для перевода единиц твёрдости по Шору в единицы HV, HR или НB);
- Высота отскока бойка зависит от модуля Юнга материала детали, а потому сопоставимость единиц твёрдости по Шору для разных материалов невозможна;
- Поскольку критерием твёрдости НS является величина отскока бойка, то рассматриваемый параметр имеет лишь сравнительное значение ;
- Точность измерений на склероскопе Шора ниже , чем на твердомерах, которые были рассмотрены ранее.
Иные методы
Кроме перечисленных методов для оценки твёрдости ограниченно применяются также способ Мооса (царапанием сапфировой иглой по поверхности образца), пластико-динамический способ Польди и ряд других. Необходимо отметить, что для определения твёрдости тонких поверхностных слоёв широко применяют метод микротвёрдости с использованием прибора ПМТ-3 . По сути, это способ Виккерса, модернизированный под малые толщины измеряемых поверхностей.
Перевод единиц твёрдости
Перевод единиц определённой разными способами, можно выполнить с помощью следующей таблицы.
| HB | HRA | HRC | HV | HS |
| 688 | 84,5 | 65 | 940 | 96 |
| 660 | 83 | 63 | 867 | 93 |
| 627 | 82 | 61 | 800 | 90 |
| 611 | 81 | 59 | 756 | 86 |
| 588 | 80,5 | 58 | 704 | 83 |
| 569 | 80 | 57 | 682 | 81 |
| 555 | 79,5 | 56 | 653 | 79,5 |
| 547 | 79 | 55 | 635 | 77,5 |
| 534 | 78,5 | 54 | 618 | 76,5 |
| 518 | 78 | 53 | 594 | 74,5 |
| 507 | 77 | 52 | 578 | 73,5 |
| 500 | 76 | 51 | 563 | 71,5 |
| 482 | 76 | 49 | 542 | 70,5 |
| 470 | 76 | 49 | 521 | 67,5 |
| 457 | 75 | 48 | 503 | 66 |
| 445 | 74 | 47 | 450 | 64,5 |
| 435 | 73 | 46 | 474 | 63,5 |
| 426 | 73 | 45 | 461 | 61,5 |
| 415 | 73 | 44 | 442 | 59,5 |
| 402 | 72 | 43 | 420 | 56,5 |
| 393 | 72 | 42 | 417 | 56,5 |
| 383 | 71 | 41 | 401 | 55 |
| 373 | 70,5 | 40 | 389 | 53,5 |
| 362 | 70 | 39 | 378 | 52,5 |
| 350 | 69 | 38 | 362 | 50 |
| 341 | 69 | 37 | 351 | 49 |
| 330 | 68 | 36 | 343 | 48,5 |
| 321 | 68 | 35 | 330 | 46,5 |
| 311 | 67 | 34 | 319 | 44 |
| 302 | 67 | 33 | 307 | 43 |
| 297 | 66,5 | 32 | 302 | 42,5 |
| 288 | 66 | 31 | 294 | 41 |
| 282 | 66 | 30 | 288 | 39,5 |
| 275 | 65 | 29 | 280 | 39,5 |
| 266 | 65 | 28 | 274 | 39 |
| 260 | 64 | 27 | 262 | 37 |
| 253 | 64 | 26 | 255 | 36,5 |
| 245 | 63 | 25 | 246 | 35,5 |
| 240 | 62,5 | 24 | 241 | 34,5 |
| 232 | 62 | 23 | 233 | 33,5 |
| 228 | 62 | 22 | 229 | 32,5 |
| 222 | 61 | 21 | 222 | 32 |
| 219 | 61 | 20 | 222 | 31,5 |
Промежуточные данные получаются интерполяцией.
Метод определения восстановленной твёрдости.
Твёрдость определяется как отношение величины нагрузки к площади поверхности, площади проекции или объёму отпечатка. Различают поверхностную , проекционную и объемную твёрдость:
- поверхностная твёрдость - отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка;
- проекционная твёрдость - отношение нагрузки к площади проекции отпечатка;
- объёмная твёрдость - отношение нагрузки к объёму отпечатка.
Твёрдость измеряют в трёх диапазонах: макро , микро , нано . Макродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор от 2 до 30 кН. Микродиапазон (см. микротвёрдость) регламентирует величину нагрузки на индентор до 2 Н и глубину внедрения индентора больше 0,2 мкм . Нанодиапазон регламентирует только глубину внедрения индентора, которая должна быть меньше 0,2 мкм . Часто твёрдость в нанодиапазоне называют нанотвердостью (nanohardness). Величина нанотвердости может значительно отличаться от микротвёрдости для одного и того же материала. .
Измеряемая твёрдость, прежде всего, зависит от нагрузки, прикладываемой к индентору. Такая зависимость получила название размерного эффекта , в англоязычной литературе - indentation size effect . Характер зависимости твердости от нагрузки определяется формой индентора:
- для сферического индентора - с увеличением нагрузки твёрдость увеличивается - обратный размерный эффект (reverse indentation size effect );
- для индентора в виде пирамиды Виккерса или Берковича - с увеличением нагрузки твёрдость уменьшается - прямой или просто размерный эффект (indentation size effect );
- для сфероконического индентора (типа конуса для твердомера Роквелла) - с увеличением нагрузки твёрдость сначала увеличивается, когда внедряется сферическая часть индентора, а затем начинает уменьшаться (для конической части индентора).
Методы измерения твёрдости
Методы определения твёрдости по способу приложения нагрузки делятся на: 1) статические и 2) динамические (ударные).
Для измерения твёрдости существуют несколько шкал (методов измерения):
- Метод Бринелля - твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому твердосплавным шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части сферы, а не как площадь круга (твёрдость по Мейеру)); размерность единиц твердости по Бринеллю МПа (кгс/мм²). Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HBW, где H - hardness (твёрдость, англ. ), B - Бринелль, W - материал индентора, затем указывают диаметр индентора, нагрузку и время выдержки. Стальные шарики в качестве инденторов для метода Бринелля уже не используются.
- Метод Роквелла - твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания стального, твердосплавного шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HRA, HRB, HRC и т.д.; твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 (130) − h/e , где h - глубина относительного вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а e - коэффициент, равный 0,002 мм для метода Роквелла и 0,001 мм для супер Роквелла. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу по шкалам A и C составляет 100 единиц, а по шкале B - 130 единиц. Всего существует 54 шкалы измерения твердости по Роквеллу.
- Метод Виккерса - твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение нагрузки, приложенной к пирамидке, к площади поверхности отпечатка (причём площадь поверхности отпечатка берётся как площадь части геометрически правильной пирамиды, а не как площадь поверхности фактического отпечатка); размерность единиц твёрдости по Виккерсу кгс/мм² . Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV с обязательным указанием нагрузки и времени выдержки.
- Методы Шора:
- Дюрометры и шкалы Аскер - по принципу измерения соответствует методу вдавливания (по Шору). Фирменная и нац. японская модификация метода. Используется для мягких и эластичных материалов. Отличается от классического метода Шора некоторыми параметрами измерительного прибора, фирменными наименованиями шкал и инденторами .
Методы измерения твёрдости делятся на две основные категории: статические методы определения твёрдости и динамические методы определения твёрдости.
Для инструментального определения твёрдости используются приборы, именуемые твёрдомерами . Методы определения твёрдости, в зависимости от степени воздействия на объект, могут относиться как к неразрушающим, так и к разрушающим методам.
Твердость - это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.
Это неразрушающий метод контроля, основной способ оценки качества термической обработки изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля , Виккерса , микротвердости).
Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость. Схемы испытаний представлены на рис. 1.
Рис. 1. Схемы определения твердости: а - по Бринеллю; б - по Роквеллу; в - по Виккерсу
В результате вдавливания с достаточно большой нагрузкой поверхностные слои материала, находящиеся под наконечником и вбли-зи него, пластически 5 деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Особенность происходящей при этом деформа-ции заключается в том, что она протекает только в небольшом объеме, окруженном недеформированным материалом.
В таких условиях возникают главным образом касательные напряжения, а доля растягивающих напряжений незначительна по сравнению с получаемыми при других видах механических испытаний (на растяжение, изгиб, кручение, сжатие). Поэтому при измерении твердости вдавливанием пластиче-скую деформацию испытывают не только пластичные, но также металлы (например, чугун), которые при обычных механических испытаниях (на растяжение, сжатие, кручение, изгиб) разрушаются практически без пластической деформа-ции.
Таким образом, твердость характеризует сопротивление пласти-ческой деформации и представляет собой механическое свойство ма-териала, отличающееся от других его механических свойств, способом измерения.
Преимущества измерения твердости следующие:
1. Между твердостью пластичных металлов, определяемой спо-собом вдавливания, и другими механическими свойствами (главным образом пределом прочности), существует количественная зависимость. Так, сосредоточенная пла-стическая деформация металлов (при образовании шейки) аналогична деформации, создавае-мой в поверхностных слоях металла при измерении твердости вдавли-ванием наконечника.
Подобная количественная зависимость не наблюдается для хруп-ких материалов, которые при испытаниях на растяжение (или сжа-тие, изгиб, кручение) разрушаются без заметной пластической дефор-мации, а при измерении твердости получают пластическую деформа-цию. Однако в ряде случаев и для этих металлов (например, серых чугунов) наблюдается качественная зависимость между пределом прочности и твердостью; возрастанию твердости обычно соответствует увеличение предела прочности на сжатие.
По значениям твердости можно определять также и некоторые пластические свойства металлов. Твердость, определенная вдавливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в частности меди, дуралюмина и сталей в отожженном состоянии.
2. Измерение твердости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Испытания твердости не требуют изготовления специальных образцов и выполняются непосредственно на проверяемых деталях после за-чистки на поверхности ровной горизонтальной площадки, а иногда даже и без такой подготовки.
Измерения твердости выполняются быстро.
3. Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения проверяемой детали, и после измерения её можно использовать по своему назначению, в то время как для определения прочности, пластичности и вязкости необходимо изготовление специальных об-разцов.
4. Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях, не превышающих (для некоторых спо-собов измерения твердости) десятых долей миллиметра, или в микро-объемах металла; в последнем случае измерения проводят способом микротвердости. Поэтому многие способы измерения твердости пригодны для оценки различных по структуре и свойствам слоев металла, например поверхностного слоя цементованной, азотирован-ной или закаленной стали, имеющей разную твердость по сечению детали. Методом определения микротвердости можно также измерять твердость отдельных составляющих в сплавах.
Следует различать два способа определения твердости вдавлива-нием: измерение макротвёрдости и измерение микротвер-дости.
Измерение макротвердости отличается тем, что в испытуемый материал вдавливается тело, прони-кающее на сравнительно большую глубину, ависящую от величины прилагаемой нагрузки и свойств металла. Кроме того, во многих испытаниях вдавливается тело значительных размеров, например стальной шарик диаметром 10 мм, в результате чего в де-формируемом объёме оказываются представленными все фазы и струк-турные составляющие сплава. Измеренная твердость в этом случае характеризует твердость всего испытуемого материала.
Выбор формы, размеров наконечника и величины нагрузки зави-сит от целей испытания, структуры, ожидаемых свойств, состояния поверхности и размеров испытуемого образца. Если металл имеет гетерогенную структуру с крупными выделе-ниями отдельных структурных составляющих, различных по свой-ствам (например, серый чугун, цветные подшипниковые сплавы), то для испытания твердости следует выбирать шарик большого диа-метра.
Если же металл имеет сравнительно мелкую и однородную структуру, то малые по объёму участки испытуемого металла могут быть достаточно характерными для оценки его твёрдости. В этих случаях испытания можно про-водить вдавливанием тела меньшего размера, например алмазного конуса или пирамиды, и на меньшую глубину, и, следовательно, при небольшой нагрузке.
При испытании металлов с высокой твердостью, например зака-ленной или низкоотпущенной стали, приведенное условие является даже обязательным, поскольку вдавливание стального шарика или алмаза с большой нагрузкой может вызвать деформацию шарика или скалывание алмаза.
Однако значительное снижение нагрузки нежелательно, так как это приведет к резкому уменьшению деформируемого объёма и может дать значения, не характерные для основной массы металла. Поэтому величины нагрузок и размеры получаемых в материалах отпечатков не должны быть меньше некоторых определенных пределов.
Измерение микротвёрдости имеет целью определить твёрдость отдельных зерен, фаз и структурных составляющих сплава (а не «усредненную» твёрдость, как при измерении макротвёрдости). В данном случае объём, деформируемый вдавливанием, должен быть меньше объёма (площади) измеряемого зерна. Поэтому прилагаемая нагрузка выбирается небольшой. Кроме того, микротвёрдость изме-ряют для характеристики свойств очень малых по размерам деталей.
Значительное влияние на результаты испытаний твёрдости оказы-вает состояние поверхности измеряемого материала. Если поверх-ность неровная — криволинейная или с выступами, то отдельные уча-стки в различной степени участвуют в сопротивлении вдавливанию и деформации, что приводит к ошибкам в измерении. Чем меньше нагрузка для вдавливания, тем более тщательно должна быть подго-товлена поверхность. Она должна представлять шлифованную гори-зонтальную площадку, а для измерения микротвердости — полиро-ванную.
Измеряемая поверхность должна быть установлена горизон-тально, т. е. перпендикулярно действию вдавливаемого тела. Проти-воположная сторона образца также должна быть зачищена, и не иметь окалины, так как последняя при нагружении образца сминается, что искажает результаты измерения.
Для приблизительнойердости удобно пользоваться шкалой Мооса - набором из 10 минералов, расположенных по возрастанию твердости:
Тальк - 1 Полевой шпат - 6
Гипс - 2 Кварц - 7
Кальцит - 3 Топаз - 8
Флюорит - 4 Корунд - 9
Апатит - 5 Алмаз - 10
Метод измерения твёрдости вдавливанием шарика (твердость по Бринеллю)
Этот способ универсальный и используется для определения твердости практически всех материалов.
В материал вдавливается стальной шарик, и значения твердости определяют по величине поверхности отпечатка, оставляемого шари-ком. Шарик вдавливают с помощью пресса.
 |
Рис.2. Схема прибора для получе-ния твердости вдавливанием шарика (измерение по Бринеллю): 1 - столик для центровки образца; 2 — маховик; 3 — грузы; 4 — шарик; 5 — электродвигатель.
Испытуемый образец устанавливают на столике 1 в ниж-ней части неподвижной станины пресса (рис. 2), зашлифованной поверхностью кверху. Поворотом вручную маховика 2по часовой стрелке столик поднимают так, чтобы шарик мог вдавиться в испытуемую поверхность. В прессах с электродвигателем вращают маховик 2 до упора и нажатием кнопки включают двигатель 5.
Последний перемещает коромысло и постепенно вдавливает шарик под действием нагрузки, сообщаемой привешенным к коро-мыслу грузом. Эта нагрузка дейст-вует в течение определенного вре-мени, обычно 10-60 с, в зависимо-сти от твердости измеряемого мате-риала, после чего вал двигателя, вращаясь в обратную сторону, соответственно перемещает коромысло и снимает нагрузку. По-сле автоматического выключения двигателя, поворачивая маховик 2против часовой стрелки, опускают столик прибора и затем снимают об-разец.
В образце остается отпечаток со сферической поверхностью (лун-ка). Диаметр отпечатка измеряют лупой, на окуляре которой нанесена шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. Диаметр отпечатка змеряют с точностью до 0,05 мм (при вдавливании шарика диаметром 10 и 5 (мм) в двух взаимно пер-пендикулярных направлениях; для определения твердости следует принимать среднюю из полученных величин.
Число твердости по Бринеллю НВ вычисляют по уравнению:
где Р — нагрузка на шарик, кг · с (1кг · с - 0,1 Мпа); D — диаметр вдавливаемого шарика, мм; d — диаметр отпечатка, мм. Получаемое число твердости при прочих равных условиях тем выше, чем меньше диаметр отпечатка.
Однако получение постоянной и одинаковой зависимости между Р и d, необходимое для точного определения твердости, достигается только при соблюдении определенных условий. При вдавливании шарика на разную глубину, т. е. с разной нагрузкой для одного и того же мате-риала, не соблюдается закон подобия между получаемыми диамет-рами отпечатка.
Наибольшие отклонения наблюдаются, если шарик вдавливается с малой нагрузкой и оставляет отпечаток небольшого диаметра или вдавливается с очень большой нагрузкой и оставляет отпечаток с диаметром близким к диа-метру шарика. Поэтому твердость материалов измеряют при постоянном соотно-шении между величиной нагрузки Ри квадратом диаметра шарика D 2 . Это соотношение должно быть различным для материалов разной твер-дости.
В процессе вдавливания наряду с пластической деформацией измеряемого материала происходит также упругая деформация вдавли-ваемого шарика. Величина этой деформации, искажающей результаты определения, возрастает при измерении твердых материалов. По-этому испытания вдавливанием шарика ограничивают измерением металлов небольшой и средней твердости (для стали с твердостью не более НВ = 450).
Известное влияние оказывает также длительность выдержки металла под нагрузкой. Легкоплавкие металлы (свинец, цинк, баб-биты), имеющие низкую температуру рекристаллизации, испытывают пластическую деформацию не только в момент вдавливания, но и в течение некоторого времени после приложения нагрузки. С увели-чением выдержки под нагрузкой пластическая деформация этих металлов практически стабилизируется.
Для металлов с высокими температурами плавления влияние продолжительности выдержки под нагрузкой незначительно, что позво-ляет применять более короткие выдержки (10-30 с).
При измерении твердости шариком определенного диаметра и с установленными нагрузками на практике пользуются заранее составленными таблицами, указывающими число НВ в зависимости от диа-метра отпечатка и соотношения между нагрузкой Ри поверхностью отпечатка F. При указании твердости НВ иногда отмечают принятые нагрузку и диаметр шарика.
Между пределом прочности и числом твердости НВ различных ме-таллов существует следующая зависимость:
Сталь с твердостью НВ :
120-175 s b » 0,34 HВ
175-450 s b » 0,35 HВ
Медь, латунь, бронза :
Отожженная s b » 0,55 HВ
Наклепанная s b » 0,40 HВ
Алюминий и алюминиевые сплавы с твер-достью НВ :
20 - 45 s b » (0,33 - 0,36) НВ
Дуралюмин :
Отожженный s b » 0,36 HВ
После закалки и старения s b » 0,35 HВ
МЕТОД БРИНЕЛЛЯ
Метод измерения твердости металлов по Бринеллю регламентирует ГОСТ 9012-59 (ИСО 6506-81. ИСО 410-82) (в редакции 1990 г.).
Сущность метода заключается во вдавливании шарика (стального или из твердого сплава) в образец (изделие) под действием силы, приложенной перпендикулярно поверхности образца в течение определенного времени, и измерении диаметра отпечатка после снятия силы.
Твердость по Бринеллю обозначают символом НВ или HBW.
НВ - при применении стального шарика (для металлов и сплавов твердостью менее 450 единиц);
HBW - при применении шарика из твердого сплава (для металлов и сплавов твердостью более 450 единиц).
Символу НВ (HBW) предшествует числовое значение твердости из трех значащих цифр, а после символа указывают диаметр шарика, значение приложенной силы (в кгс). продолжительность выдержки, если она отличается от 10 до 15 с.
Примеры обозначений:
250 НВ 5/750 - твердость по Бринеллю 250, определенная при применении стального шарика диаметром 5 мм при силе 750 кгс (7355 Н) и продолжительности выдержки от 10 до 15 с.
575 HBW 2,5/187,5/30 - твердость по Бринеллю 575, определенная при применении шарика из твердого сплава диаметром 2,5 мм при силе 187,5 кгс (1839 Н) и продолжительности выдержки 30 с.
При определении твердости стальным шариком или шариком из твердого сплава диаметром 10 мм при силе 3000 кгс (29420 Н) и продолжительности выдержки от 10 до 15 с твердость по Бринеллю обозначают только числовым значением твердости и символом НВ или HBW.
Пример обозначения: 185 НВ, 600 HBW.
МЕТОД ВИККЕРСА
Метод измерения твердости черных и цветных металлов и сплавов при нагрузках от 9,807 Н (1 кгс) до 980,7 Н (100 кгс) по Виккерсу регламентирует ГОСТ 2999 - 75* (в редакции 1987 г.).
Измерение твердости основано на вдавливании алмазного наконечника в форме правильной четырехгранной пирамиды в образец (изделие) под действием силы, приложенной в течение определенного времени, и измерении диагоналей отпечатка, оставшихся на поверхности образца после снятия нагрузки.
Твердость по Виккерсу при условиях испытания - силовое воздействие 294.2 Н (30 кгс) и время выдержки под нагрузкой 10 ... 15 с. обозначают цифрами, характеризующими величину твердости, и буквами HV.
Пример обозначения: 500 HV - твердость по Виккерсу, полученная при силе 30 кгс и времени выдержки 10 ... 15 с.
При других условиях испытания после букв HV указывают нагрузку и время выдержки.
Пример обозначения: 220 HV 10/40 - твердость по Виккерсу, полученная при силе 98,07 Н (10 кгс) и времени выдержки 40 с.
Общего точного перевода чисел твердости, измеренных алмазной пирамидой (по Виккерсу), на числа твердости по другим шкалам или на прочность при растяжении не существует. Поэтому следует избегать таких переводов, за исключением частных случаев, когда благодаря сравнительным испытаниям имеются основания для перевода.
МЕТОД РОКВЕЛЛА
Метод измерения твердости металлов и сплавов по Роквеллу регламентирует ГОСТ 9013 - 59* (в редакции 1989 г.).
Сущность метода заключается во внедрении в поверхность образца (или изделия) алмазного конусного (шкалы А. С. D) или стального сферического наконечника (шкалы В. Е. F. G. Н. К) под действием последовательно прилагаемых предварительной и основной сил и в определении глубины внедрения наконечника после снятия основной силы.
Твердость по Роквеллу обозначают символом HR с указанием шкалы твердости, которому предшествует числовое значение твердости из трех значащих цифр.
Пример обозначения: 61,5 HRC - твердость по Роквеллу 61,5 единиц по шкале С.
СРАВНЕНИЕ ЧИСЕЛ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
ПО РАЗЛИЧНЫМ ШКАЛАМ
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ТАБЛИЦА ТВЕРДОСТИ
по DIN 50150
С целью обеспечения единства измерений введен государственный специальный эталон для воспроизведения шкал твердости Роквелла и Супер-Роквелла и передачи их при помощи образцовых средств измерений (рабочих эталонов) рабочим средствам измерений, применяемым в стране (ГОСТ 8.064 - 94).
ДИАПАЗОНЫ ШКАЛ ТВЕРДОСТИ по РОКВЕЛЛУ и СУПЕР-РОКВЕЛЛУ,
ВОСПРОИЗВОДИМЫХ ЭТАЛОНОМ по ГОСТ 8.064-94
Похожие документы:
ГОСТ 8.044-80 - Наконечники алмазные к приборам для измерения твердости металлов и сплавов. Методы и средства поверки
ГОСТ 8.062-85 - Государственный специальный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений твердости по шкалам Бринелля
ГОСТ 8.063-2007 - Государственная поверочная схема для средств измерений твердости металлов и сплавов по шкалам Виккерса
ГОСТ 8.064-94 - Государственная поверочная схема для средств измерений твердости по шкалам Роквелла и Супер-Роквелла
ГОСТ 8.335-2004 - Меры твердости эталонные. Методика поверки
ГОСТ 8.398-80 - Приборы для измерения твердости металлов и сплавов.Методы и средства поверки
ГОСТ 8.426-81 - Приборы для измерения твердости металлов методом упругого отскока бойка (по Шору). Методы и средства поверки
ГОСТ 2999-75 - Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу
ГОСТ 4670-91 - Пластмассы. Определение твердости. Метод вдавливания шарика
ГОСТ 5233-89 - Материалы лакокрасочные. Метод определения твердости по маятниковому прибору
ГОСТ 9627.1-75 - Древесина слоистая клееная. Метод определения твердости
Таганрогский Государственный Радиотехнический Университет
Кафедра Механики
Реферат
Выполнил:
Студент гр. Р-99
Андриевский В. А.
Проверил:
доцент кафедры механики
Шаповалов Р. Г.
Таганрог 2001
Методы определения твердости металлов
Одной из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность их применения в различных конструкциях и при различных условиях работы, является твердость. Испытания на твердость производятся чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.
Твёрдостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твёрдого тела. Для определения твёрдости в поверхность материала с определённой силой вдавливается тело (индентор), выполненное в виде стального шарика, алмазного конуса, пирамиды или иглы. По размерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твёрдости материала. В зависимости от способа измерения твёрдости материала, количественно её характеризуют числом твёрдости по Бринелю (НВ), Роквеллу (HRC) или Виккерсу (HV) .
Указанные механические характеристики связаны между собой, поэтому их конкретные значения могут быть найдены расчётным путём на основе данных о твёрдости с помощью формул, полученных для конкретного материала с определённой термообработкой. Так, например, предел выносливости на изгиб сталей с твёрдостью 180-350 НВ равен примерно 1,8 НВ, с твёрдостью 45-55 HRC - 18 HRC+150, связь предела выносливости с пределом прочностистали описывается соотношениями:
Конкретным образцам конструкционных материалов, а также выполненным из них изделиям, присуща индивидуальность прочностных и упругих характеристик. Разброс их значений для различных образцов, выполненных из одного и того же материала, обусловлен статистической природой прочности твёрдых тел, различием структур внешне одинаковых образцов. Из-за неопределённости реальных механических характеристик материала, неопределённости некоторых внешних нагрузок, действующих на технический объект, погрешности расчётов для обеспечения безопасной работы проектируемых конструкций должны быть приняты соответствующие проектному этапу обеспечения надёжности меры предосторожности. В качестве такой меры используется понижение в n раз относительно опасного напряжения материала (предела прочности, предела текучести, предела выносливости или предела пропорциональности) величины максимально допускаемых напряжений, используемых в условии прочности. Величина n получила название нормативного коэффициента запаса прочности , который выбирается по таблице или рассчитывается как произведение
n = n 1 * n 2 * n 3 ,
где n 1 -учитывает среднюю точность определения напряжений, n 2 -учитывает неопределённость механических характеристик материала, n 3 -учитывает среднюю
степень ответственности проектируемой детали.
Существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерять вдавливанием индентора (способ вдавливания), ударом или же по отскоку наконечника – шарика. Твердость, определенная царапаньем, характеризует сопротивление разрушению, по отскоку – упругие свойства, вдавливанием сопротивление пластической деформации. В зависимости от скорости приложения нагрузки на индентор твердость различают статическую (нагрузка прикладывается плавно) и динамическую (нагрузка прикладывается ударом).
Широкое распространение испытаний на твердость объясняется рядом их преимуществ перед другими видами испытаний:
простота измерений, которые не требуют специального образца и могут быть выполнены непосредственно на проверяемых деталях;
высокая производительность;
измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению;
возможность ориентировочно оценить по твердости другие характеристики металла, в первую очередь предел прочности.
Так,
например, зная твердость по Бринеллю
(HB),
можно определить предел прочности на
растяжение
(временное сопротивление).
,
где k – коэффициент, зависящий от материала;
k = 0,34 – сталь HB 120 … 175;
k = 0,35 – сталь HB 175 … 450;
k = 0,55 – медь, латунь и бронза отоженные;
k = 0,33 … 0,36 – алюминий и его сплавы.
Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием в испытываемый металл индентора в виде шарика, конуса и пирамиды (соответственно методы Бринелля, Роквелла и Виккерса). В результате вдавливания достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Величина внедрения наконечника в поверхность металла будет тем меньше, чем тверже испытываемый материал.
Таким образом под твердостью понимают сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела – индентора.