• Название:

    Л. р. №1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ

  • Размер: 0.3 Мб
  • Формат: PDF
  • или

    ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

    Самым распространенным из перечисленных методов является метод
    вдавливания, который используется в приборах - твердомерах:

    ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ

    Бринеля
    Роквелла

    Цель работы: Изучить сущность основных методов определения
    твердости. Научиться выбирать прибор и нагрузку для определения твердости различных материалов.

    Виккерса
    приборе для определения микротвердости (ПМТ).
    Между твердостью пластичных материалов и другими механически-

    Получить представление о реальной твердости некоторых материалов.

    ми свойствами существует зависимость. Чем больше твердость металла
    определяемого вдавливанием, тем выше и его прочность, т.к. оба эти свой-

    ВВЕДЕНИЕ
    Определение твердости является одним из распространенных испы-

    ства представляют сопротивление пластической деформации. По этой же
    причине, чем тверже данный металл, тем ниже его пластичность.

    таний металлов. Оно отличается простотой техники, быстротой измерений
    и возможностью проведения их непосредственно на изделии.
    Твердость металлов измеряют при помощи воздействия на их поверхность специального наконечника (индентора), изготовленного из малодеформирующегося материала (закаленная сталь, алмаз, твердый сплав)
    и имеющего форму шарика, конуса, пирамиды или иглы.

    Принципиальное устройство перечисленных твердомеров одинаково
    и может быть рассмотрено на примере прибора Бринеля (рис. 1). Основными узлами твердомеров являются станина, рабочий столик для измерения твердости образца или детали, наконечник (индентор), нагружающее
    устройство и прибор для измерения деформации.

    По способу воздействия индентора на испытуемый материал различают:
    *

    статические методы определения твердости (метод вдавлива-

    ния и метод царапания);
    *

    динамические методы определения твердости (метод отскока

    падающего наконечника) и другие методы.
    Метод вдавливания характеризует сопротивление металла пластической деформации при внедрении в него индентора из более твердого мате-

    Рисунок 1 – Устройство прибора Бринеля

    риала. Метод царапания характеризует сопротивление разрушению при
    воздействии на материал индентора в виде алмазной иглы. Метод отскока

    ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЮ

    падающего наконечника характеризует сопротивление упругой деформации при динамическом воздействии на материал индентора в виде шарика.
    3

    4

    Измерение твердости по Бринелю производится в соответствии с
    ГОСТ 9012-59, срок действия которого продлен до настоящего времени.

    Значения K могут быть равны 30; 15; 10; 5; 2,5; 1 в зависимости от
    твердости контролируемого материала. Так для черных металлов и их

    При измерении твердости по Бринелю стальной закаленный шарик

    сплавов (железо, сталь) и других высокопрочных материалов K = 30; для

    диаметром D вдавливается в испытуемый образец или изделие под дейст-

    алюминия, меди, никеля и их сплавов K = 10; для олова, свинца и сплавов

    вием нагрузки P в течение определенного времени. После удаления на-

    на их основе K = 2,5.

    грузки измеряется диаметр d полученного при этом сферического отпечатка (рис. 2.а).

    При выборе условий испытания также важно учитывать толщину металла и продолжительность выдержки образца под нагрузкой, в соответствии со стандартами.
    Перед началом испытаний выбранный индентор закрепляется в
    шпинделе твердомера, с помощью сменных грузов устанавливается выбранная нагрузка. Затем, образец подлежащий измерению, устанавливается
    на столик прибора и столик поднимается вверх, прижимая образец к шарику, пока не загорится сигнальная лампочка. Таким образом на образец подается предварительная нагрузка, которая на приборе Бринеля составляет

    Рисунок 2. Схемы определения твердости:

    100 кгс (981 Н). Затем нажатием кнопки на корпусе прибора включается

    а- по Бринелю;

    механизм, который автоматически осуществляет полное нагружение, вы-

    б - по Роквеллу;

    держку образца под нагрузкой и ее снятие.
    После этого нужно опустить столик, снять образец, измерить диаметр

    в - по Виккерсу

    полученного отпечатка с помощью специального микроскопа (рис. 3) и опВ качестве индентора при работе на приборе Бринеля используют

    ределить твердость.

    стальной закаленный шарик диаметром d= 1; 2; 2,5; 5 и 10 мм.
    Для того, чтобы значения твердости при разных испытаниях были
    сопоставимы, величину нагрузки при данном диаметре шарика следует выбирать используя соотношение:

    

    P
    D2

    (1)

    Если нагрузка выражена в ньютонах:

    P
    K  0,102 2
    D
    5

    Рисунок 3 – Измерение диаметра отпечатка по шкале лупы
    (2)

    6

    Твердость, определяемая на приборе Бринеля обозначается HB и оп-

    как, индентор прибора Бринеля также изготовлен из закаленной стали.

    ределяется как отношение нагрузки, действующей на индентор, к площади

    Нельзя измерять твердость тонких поверхностноупрочненных слоев изде-

    поверхности сферического отпечатка F:

    лий, подвергнутых химико-термической обработке, и твердость различных

    HB 

    P
    F

    (3)

    В этих случаях возможно применение других приборов - Роквелла,

    А так как площадь сферического отпечатка равна:
    2

    F

    Виккерса, ПМТ.

    2

    D( D D d )
    2

    (4)

    Измерение твердости по Роквеллу проводится в соответствии с ГОСТ
    9013-59. При этом индентором может служить алмазный конус с углом при

    Следовательно значение твердости будет равно:

    HB 

    поверхностных покрытий.

    2P

    вершине 120 или стальной закаленный шарик диаметром 1,588мм (1/16
    (5)

     D (D2  D 2  d 2 )

    дюйма). При проведении испытаний индентор вдавливается в образец под
    действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной

    Если нагрузка выражена в ньютонах, то значение твердости умно-

    Ро и основной:

    жается на коэффициент равный 0,102.

    Р = Ро + Р1,

    Таким образом, диаметр отпечатка является критерием твердости по
    Бринелю.

    (7)

    где Р1 - основная нагрузка (рис. 2.б).
    Принципиальное отличие измерения твердости на приборе Роквелла

    Обычно вычисления твердости по вышеуказанной формуле не производят, а определяют твердость по таблице, которая приведена в ГОСТ
    9012-59 или справочной литературе.

    от измерения на приборе Бринеля состоит в том, что твердость определяют
    не по площади отпечатка, полученного при вдавливании индентора, а по
    его глубине, которая и является критерием твердости при этом испытании.

    Зная число твердости по Бринелю, можно приближенно оценить
    временное сопротивление металла разрыву (предел прочности), используя
    количественное соотношение между этими характеристиками, установленное опытным путем. Например, для углеродистых сталей с твердостью HB
    от 120 до 175 используется соотношение:
    В = 3,4 HB

    Глубину вдавливания h определяют после снятия основной нагрузки
    и по ее значениям вычисляется величина твердости по Роквеллу HR. Естественно, чем больше глубина полученного отпечатка, тем меньше значение
    твердости.
    Твердость по Роквеллу выражается в условных единицах. За единицу

    (6)

    Временное сопротивление определяется в МПа (Н/мм2).

    твердости принята безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 0,002 мм.
    При испытаниях твердость можно измерять по трем шкалам: А, В, С.

    ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО РОКВЕЛЛУ
    В ряде случаев определение твердости на приборе Бринеля оказывается невозможным. Нельзя, например, испытывать закаленную сталь, так
    7

    8

    При использовании в качестве индентора алмазного конуса твердость
    определяют по двум шкалам: А и С, при использовании шарика - по шкале

    Число твердости по Роквеллу вычисляется по формулам:

    осуществляется предварительное нагружение. При этом индентор вдавли-

    - при измерении по шкалам А и С:

    вается в поверхность образца на глубину hо. Достижение предварительной
    нагрузки Ро = 10 кгс (98 Н) отмечается на шкале установкой маленькой

    (8)

    HRC (HRA) = 100 – e

    стрелки на красной точке. Положение большой стрелки должно при этом

    - при измерении по шкале В:

    где

    совпадать с цифрой “0” черной шкалы. Если этого не произошло необхо-

    (9)

    HRB = 130 – e

    димо повернуть шкалу маховичком до точного совпадения этой стрелки с

    (10)

    e = (h - ho) / 0,002

    При выборе условий испытания целесообразно руководствоваться

    Таблица 1

    А

    В

    Обозначение
    твердости
    HRC

    HRA

    HRB

    Индентор

    Алмазный
    конус

    Нагрузка, кгс (Н)

    Ро
    10 (98)

    Алмазный
    конус

    10 (98)

    Стальной
    шарик

    10 (98)

    указанной отметкой.
    Нажать на клавишу механизма нагружения, в результате чего

    следующими данными (табл. 1):

    С

    Устанавливается образец на столике прибора; образец приводится в соприкосновение с индентором с помощью механизма подъема и

    В.

    Шкала

    Испытания проводятся в следующем порядке:

    Р1
    140
    (1373)

    50 (490)

    90 (883)

    Р=Ро+Р1
    150
    (1471)

    60 (588)

    100 (981)

    Пределы
    измерения
    твердости
    по шкале

    Область применения

    22-68

    Закаленная и
    низкоотпущенная сталь,
    твердые поверхност-ные
    слои толщиной 0,5мм
    Твердые поверхност-ные
    слои толщиной 0,3-0,5мм
    Мягкая (отожжен-ная)
    сталь, цветные металлы

    70-85

    25-100

    на индентор подается основная нагрузка Р1 , под действием которой он углубляется в образец. Выдержка под нагрузкой и снятие нагрузки происходит автоматически. В конечном положении большая стрелка указывает на
    значение твердости по соответствующей шкале.

    Результаты определения твердости фиксируются на индикаторе
    прибора, где имеются две шкалы - черная ми красная. Черная используется

    Твердость по Роквеллу обозначается цифрами, характеризующими
    величину твердости, и буквами HR с указанием шкалы, например: 61,0
    HRC; 42,0 HRB.

    ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО ВИККЕРСУ И
    МИКРОТВЕРДОСТИ
    В ряде случаев необходимо определить твердость тонких поверхностных слоев или распределение ее по сечению образца. Выполнить эти задачи на приборах Бринеля или Роквелла невозможно из-за больших размеров отпечатков. Для таких измерений используют приборы Виккерса или
    микротвердости (ПМТ).

    при измерениях с помощью алмазного конуса или конуса таких же разме-

    В указанных приборах в качестве индентора используется четырех-

    ров, изготовленного из твердого сплава (А и С). Красная шкала для изме-

    гранная алмазная пирамида с углами при вершине 136 (рис. 2.в). Число

    рений с помощью шарика (В).
    9

    10

    твердости по Виккерсу и микротвердость определяются как отношение

    d. Используя формулу для определения твердости по Бринелю (5)

    действующей нагрузки Р к площади боковой поверхности полученного пи-

    определить значение твердости испытуемых материалов и за-

    рамидального отпечатка:

    нести данные в таблицу 2;

    B  1,854

    P
    D2

    (11)

    e. При помощи таблиц проконтролировать правильность определения значений твердости и табличные данные также занести в

    где d - среднее арифметическое длин обеих диагоналей отпечатка.
    Для удобства и ускорения вычислений следует пользоваться таблицами, рассчитанными по приведенной формуле.
    Испытательные нагрузки при измерениях на приборе Виккерса
    (ГОСТ 2999 - 75) выбираются в пределах от 5 до 120 кгс (от 49 до 1176 Н).

    таблицу 2.
    3. Провести измерение твердости инструментальной закаленной стали
    У8 и конструкционной низкоуглеродистой стали 30 на приборе Роквелла. Для этого:
    a. В соответствии с таблицей выбрать шкалу, по которой будет

    При измерениях микротвердости нагрузки значительно ниже: от 0,005 до
    0,5 кгс (от 0,05 до 5 Н). Благодаря этому в последнем случае значительно

    проводиться измерение твердости;
    b. В соответствии со шкалой выбрать индентор и нагрузку для

    меньше и размеры полученных отпечатков, что делает возможным определение твердости отдельных структурных составляющих.
    Измерение диагоналей полученных отпечатков проводится с помо-

    определения твердости;
    c. Данные измерений занести в таблицу 3.
    d. Данные твердости полученные по шкале С и В в соответствии

    щью микроскопов.

    с таблицей перевести в твердость по Бринелю и занести в таблицу 3.
    ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

    4. Сопоставить значения твердости различных материалов (сталь, медь,

    1. Перед проведением практической части работы необходимо ознако-

    дюраль) и сталей с различным содержанием углерода (30, 40, 60, У8)

    миться с приборами, на которых предстоит проводить измерения, с

    и способом обработки (отожженная или закаленная). Результаты от-

    техникой измерений и методикой определения результатов.

    разить в выводе.

    2. Провести измерение твердости углеродистой отожженной стали (40,

    Таблица 2

    60), дюралюминия и меди на приборе Бринеля. Для этого:
    a. Выбрать нагрузку, исходя из данных, приведенных в методических указаниях;
    b. Получить отпечаток индентора на перечисленных материалах;
    c. При помощи специального микроскопа определить диаметр
    полученного отпечатка с точностью до сотых долей миллимет-

    Измерение твердости на приборе Бринеля
    Материал

    Диаметр Нагрузка,
    Шарика, Р, кгс (Н)
    мм

    Диаметр отпечатка, мм

    Число твердости

    По отдельным измерениям

    По таблице

    ра;
    11

    12

    Средний

    По формуле

    9. Инденторы какой формы и из каких материалов используются при
    работе на приборе Роквелла?
    10. Какие шкалы используются при работе на приборе Роквелла?
    Таблица 3

    12. По какой формуле определяется твердость при работе на приборе

    Измерение твердости на приборе Роквелла
    Число твердости по
    Роквеллу
    Материал Шкала Индентор Нагрузка,
    Р, кгс (Н)

    11. Что является критерием твердости при работе на приборе Виккерса?

    Число
    твердости
    по Бринелю, получен-ное
    переводом

    Виккерса?
    13. Какой индентор используется при работе на приборе Виккерса?
    14. Какой из приборов может использоваться для измерения твердости
    тонкого поверхностно – упрочненного слоя изделий?
    15. С помощью какого соотношения можно примерно оценить времен-

    По отдельным измерениям

    среднее

    ное сопротивление углеродистой стали, если известна его твердость
    по Бринелю?

    ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ РАБОТЫ
    1. К выполнению работы допускаются студенты, изучившие данные метоВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
    1. В чем состоит сущность определения твердости методом вдавливания?

    дические указания и прошедшие инструктаж по технике безопасности.
    2. Проведение испытаний разрешается при отсутствии неисправностей
    машины.

    2. В чем сущность измерения твердости на приборе Бринеля?

    3. Перед началом испытаний заведующий лабораторией или старший ла-

    3. Что является критерием при измерении твердости этим способом?

    борант кафедры должны проверить техническое состояние испытатель-

    4. По какой формуле рассчитывается твердость при работе на приборе

    ных машин и сообщить о возможности проведения работы преподавате-

    Бринеля?

    лю, под руководством которого она выполняется.

    5. Какие инденторы используются при работе на приборе Бринеля?
    6. Каким соотношением, работая на приборе Бринеля, следует руководствоваться при выборе нагрузки Р, если выбран диаметр шарика и
    известен материал, твердость которого необходимо определить?
    7. В чем сущность измерения твердости по Роквеллу?
    8. Что является критерием твердости при измерении на приборе Рок-

    4. Все операции по проведению испытаний студенты должны выполнять
    только по указанию преподавателя и под его руководством.
    5. Запрещается проводить настройку, крепление и снятие образцов во время работы машины.
    6. Запрещается проводить измерения вблизи краев образца, так как это
    может привести к его выскальзыванию из-под индентора.

    велла?
    13

    14

    7. Навеску и съем грузов при работе на приборах необходимо производить
    осторожно, проверяя правильность установки каждого из них.

    СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
    1. ГОСТ 9012-59. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Бринелю. - Введ. 01.01.60. - М.: Изд-во стандартов. 1987. - 40с.
    2. ГОСТ 9013-59. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Роквеллу. Шкалы А, В и С: Введ. 01.01.69. - М.: Изд-во стандартов. 1986. – 7
    с.
    3. ГОСТ 2999-75. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу. - Введ. 01.07.76. - М.: Изд-во стандартов. 1980. - 29с.
    4. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. - М.: Металлургия, 1983. - 350с.
    5. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1980. - 496с.

    15