Измерение твердости по методу Бринелля




ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Цель работы

Ознакомиться с основными методами определения твердости металлов и сплавов, приобрести навыки измерения твердости на различных приборах.

Основные сведения

Под твёрдостью понимают способность материалов сопротивляться упругой деформации, пластической деформации и (или) разрушению в поверхностном слое. Измерение твердости является одним из широко распространенных видов механических испытаний металлов. Широкое применение этого вида испытаний обусловлено следующими его преимуществами:

- измерение твердости проводится, как правило, без разрушения изде­лия (образца) и, следовательно, может проводиться непосредственно на готовой детали. Габариты деталей при этом могут колебаться в очень широких пределах - от нескольких десятых и сотых долей миллиметра (часовые пружины) до нескольких метров (станины станков, валки прокатных станов);

- методики измерения твердости и подготовки испытуемых образцов сравнительно просты и оперативны; их легко освоить;

- приборы и оборудование для измерения твердости, как правило, проще, чем при других методах испытаний. Их можно установить в любой лаборатории или в соответствующем участке цеха;

- по полученному значению твердости можно сделать предварительные выводы о других механических свойствах металла (сплава), так как большинство свойств металлов и сплавов определяются одним и тем же показателем - его структурой;

- измерение твердости позволяет судить о наличии (или отсутствии) в деталях упрочненных поверхностей в результате различных видов термической обработки сплавов, связанной с изменением структуры по сечению детали.

Применительно к приведённому выше определению твёрдости существует три способа её измерения, а именно:

1. Способ упругого отжига.

2. Способ вдавливания (внедрения).

3. Способ царапания.

В промышленности используется очень большое количество металлов и их сплавов с самыми разнообразными механическими свойствами.

Это привело к тому, что в настоящее время существует около трех десят­ков методов испытания твердости, относящихся к перечисленным трём способам, причем каждый имеет вполне определенную область применения. Среди этого большого многообразия можно выделить несколько наиболее распространенных, методов основанных на одних и тех же принципах.

В технической литературе твердость всегда обозначается буквой H (от англ. Hardness - твердость). Следом за буквой Н всегда пишется одна или две буквы, обозначающие метод испытания твердости, например: HВ -твердость но Бринеллю; HRA, HRB, HRC - твердость по Роквеллу (по шкалам Л, В и С); HV - твердость по Виккерсу; HSD - твердость по Шору; HP -твердость по Польди; H - микротвердость и т.д.

Сущность некоторых методов испытания твердости металлов приведена

ниже.

Метод Виккерса (HV) заключается во внедрении в испытуемый металл алмазной пирамиды с углом при вершине между противоположными гранями 136°. Усилие вдавливания выбирается в зависимости от толщины и твердости образца и составляет от 1 до 100 кгс. Значение твердости получается делением приложенной к индентору нагрузки на площадь пирамидального отпечатка, которую определяют по диагонали отпечатка. Метод достаточно универсален, так как позволяет измерять, практически, твердость любого металла и сплава. Этим методом можно измерять твердость тонких пластин и слоев (до 6,05 мм). Метод требует очень тщательной подготовки поверхности - тонкого шлифования или полировки. Метод Виккерса нежелательно применять при измерении твердости крупнозернистых и разнородных структур, так как при малом размере отпечатка (соизмеримом с размерами зерна) можно получить большой разброс данных. Микротвердость (Hp) по своей сути - тот же метод Виккерса. Разница заключается в величине прилагаемой к пирамиде нагрузки - от 5 до 200 гс. Этот метод предназначен для измерения твердости очень тонких и однородных по структуре слоев, а так же отдельных зерен металла (сплава). Измерение твердости производится под микроскопом при увеличении от 200 до 400 раз. Метод применяется в лабораторных условиях и, как правило, в исследовательских целях. Для измерения твердости этим методом поверхность образца необходимо полировать.

Метод Польди (HP) заключается в том, что между испытуемой по­верхностью и эталонным образцом помещают стальной закаленный шарик диаметром 5... 10 мм. Затем но эталону наносят удар молотком (со стороны противоположной шарику), в результате чего на испытуемом образце и на эталоне твердости получаются отпечатки. Замеряя диаметры отпечатков и зная твердость эталона НВЭ (в единицах Бринелля), вычисляют твердость образца

НВ0 (также в ед. Бринелля) по выражению: НВ0=HBэ,

где dэ и d0 - диаметры отпечатков на эталоне и на образце. Полученное значение будет примерно равно твердости, определенной методом Бринелля в стандартных условиях. Этот метод обычно используют для приближенной оценки твердости и когда невозможно использовать стандартные методы, например, на металлобазах, на крупногабаритных деталях и т.д.

Метод Шора (HSD) заключается в том, что на испытуемую поверхность с высоты 19 мм свободно надает боек массой 36 г, боёк имеет алмазный закругленный наконечник. Под действием упругой отдачи материала боек отскакивает на высоту h. Твердость материала пропорциональна высоте отскока. В шкале Шора за 100 ед. твердости принята максимальная твердость закаленной на мартенсит эвтектоидной стали, что соответствует высоте отскока бойка на 13,6мм. Этим методом можно измерять твердость деталей, имеющих массу не менее 5 кг, непосредственно на детали. Можно измерять твердость изделий массой до 100г, но при этом изделие должно иметь толщину не менее 10мм и располагаться на столике прибора. Возможно применение этого метода для контроля твердости металла, нагретого до высокой температуры.

Поверхность изделия (образца), на которой определяется твердость, должна отвечать ряду требований. Она в месте контроля должна быть зачищена до металлического блеска, быть ровной и плоской, не должна иметь следов окалины, ржавчины, краски, грубых рисок, выбоин, царапин. Если деталь имеет криволинейную поверхность, то на ней необходимо подготовить плоскую площадку, размер которой зависит от метода измерения. Поверхность, которой образец ложится на предметный столик прибора также должна быть чистой и ровной. Обе поверхности должны быть параллельны друг другу. Толщина контролируемого образца должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка.

Наиболее распространёнными методами измерения твёрдости металлических материалов являются методы Бринелля и Роквелла, относящиеся к способу вдавливания (внедрения). Совместное применение этих методов позволяет измерять твёрдость любых по твёрдости металлов и сплавов на их основе.

Измерение твердости по методу Бринелля

При измерении твердости этим методом в поверхность изделия в течение определенного времени с усилием Р вдавливается стальной закаленный или твердосплавной шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм. На поверхности образца получается отпечаток диаметром d (рис. 1). Для получения значения твердости необходимо измерить диаметр отпечатка и рассчитать площадь Fотп шарового сегмента по выражению:

Fотп =

 

Твердость НВ (кгс/мм2 *) определятся делением приложенной к шарику нагрузки на площадь отпечатка, т.е.

HB= или HB =

 

Диаметр отпечатка измеряют специальной измерительной лупой с точностью 0,05 мм.

Для получения более точного результата диаметр отпечатка следует измерять в двух взаимноперпендикулярных направлениях.

На рис. 2 показано расположение шкалы лупы относительно кромок отпечатка. Диаметр отпечатка, как видно из рисунка, равен 3,95 мм должно быть не менее 4d, а до края образца - не менее 2,5d.

Время нагружения зависит от материала образца и составляет: 10 с - для черных металлов, 30 или 60 с - для цветных сплавов в зависимости от их твердости (от марки сплава) - таблица 1.

При измерении тонких образцов необходимо соблюдать следующее

условие: толщина образца S должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка h.

В противном случае образец может быть продавлен и результат

испытания будет неверен. Глубину отпечатка можно определить по выражениям:

 

h= или h=

 

Режим испытания твердости, т.е. выбор диаметра шарика и величины прилагаемой нагрузки производится по данным таблицы. 1.

При определении твердости по стандартной методике (т.е. по данным таблицы. 1) значение твердости записывается одним числом, например: НВ 163. Если же измерение проводилось по другим режимам, то значение твердости записывают с учетом принятых при измерении режимов. Например, запись НВ 5/250/30 - 186 означает, что полученное значение твердости 186 кгс/мм2 было получено при испытании шариком 5 мм, под нагрузкой 250 кгс с выдержкой 30 с.

Следует отметить, что методом Бринелля можно испытывать материалы, твердость которых не превышает 450 ед. по Бринеллю. При большей твердости внедритель - шарик будет деформироваться и измерение будет не точным.

При определении твердости по стандартной методике (т.е. по данным таблицы. 1) значение твердости записывается одним числом, например: НВ 163. Если же измерение проводилось по другим режимам, то значение твердости записывают с учетом принятых при измерении режимов. Например, запись HB 5/250/30 - 186 означает, что полученное значение твердости 186 кгс/мм было получено при испытании шариком 5мм, под нагрузкой 250кгс с выдержкой 30с.

Следует отметить, что методом Бринелля можно испытывать материалы, твердость которых не превышает 450ед. по Бринеллю (при использовании стального закалённого шарика). При большей твердости внедритель будет деформироваться, и измерение будет не точным.

Измерение твердости по Бринеллю производится па специальном приборе - прессе Бринелля, который позволяет устанавливать необходимые нафузки на шарик в диапазоне 187,5... 3000кгс и время приложения нагрузки -10, 30 или 60с.

Между численным значением твердости НВ и пределом прочности на растяжение а„ имеется достаточно хорошая связь, которая для некоторых материалов имеет следующий вид:

Материал Предел прочности на растяжение, , кгс/мм
Сталь 0,34 НВ
Мель, латунь, бронза 0,40 HВ
Алюминий 0,26 НВ
Дуралюмин 0,35 HB
Сплавы цинка 0,09 НВ
Чугун серый (НВ 40)/6

 

Таблица 1 - Выбор диаметра шарика и нагрузки в зависимости от толщины и материала образца

Материал HB Толщина Диаметр Нагрузка Р, Кгс Время
  кгс/мм2 испытуемого шарика     под
    образца S, мм D, мм     нагр., с
Чёрные металлы   140 - 150 >6   30D2    
3-6   30D2  
<3 2,5 30D2 187,5
<140 >6   10D2    
3-6   10D2  
<3 2,5 10D2 62,5
  >130 >6   30D2    
Цветные металлы на основе меди; дуралюмины 3-6   30D2  
<3 2,5 30D2 187,5
35 -130 >6   10D2    
3-6   10D2  
<3 2,5 10D2 62,5
Магн. сил., алюминий, олово, свинец, баббит 8-35 >6   2,5D2    
3-6   2,5D2 62,5
<3 2,5 2,5D2 16,5

Задание по работе

- Выбрать режим испытания твердости предложенного образца (из черного или цветного металла).

- Согласовать полученные режимы с преподавателем и произвести испытания на твердость.

- Результаты испытания занести в таблицу.

- Отчет должен также содержать основные понятия о твердости и описание сущности метода Бринелля.

Таблица 2. Результаты измерения твёрдости по Бринеллю

Материал образца Толщина образца S, мм Диаметр шарика D,мм Нагрузка Р,кгс Диаметр отпечатка d, мм Твёрдость, НВ , кгс/м2  
    Сре Д. Расч. Табп
                   
                   
                   


Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-27 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: