Измерение твердости металлов и сплавов

Цель: ознакомиться с теорией и практикой измерения твердости материалов по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу.

Общие сведения

При изготовлении деталей и изделий из различных сплавов необходимо знать их качество, которое определяется уровнем механических свойств. Твердость является одной из наиболее распространенных характеристик, применяемых для оценки физико -механических свойств металлов и сплавов, их пригодность для того или иного назначения.

Под твердостью понимают сопротивление металла деформации на поверхности при установленном механическом воздействии на нее другого более твердого тела заданной формы и размера, не изменяемых во время испытания.

Иначе твердость можно определить как способность материала сопротивляться внедрению более твердого тела.

Методы измерения твердости характеризуются простотой и оперативностью оценки качества полуфабрикатов, заготовок и деталей независимо от формы и размеров (измерение твердости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности, пластичности и вязкости); при измерении твердости отсутствует разрушение металла или порча поверхности изделия; по твердости можно аналитически определить значения предела прочности и предела текучести, что значительно повышает надежность быстрой оценки качества изделий.

Часто пригодность изделий и заготовок определяют только по твердости. Все виды режущего, мерительного, все цементованные и азотированные детали, а также детали, подвергнутые термической обработке контролируются на твердость. Определение твердости является почти единственным методом контроля качества штампов и пресс-форм, металла для холодной обработки.

В настоящее время применяют следующие способы (методы) определения твердости:

– царапанием – характеризует сопротивление материала разрушению;

– отскоком бойка – характеризует упругие свойства материала;

– вдавливанием идентора – характеризует сопротивление пластической деформации.

Наибольшее распространение получил метод измерения твердости вдавливанием.

В свою очередь среди методов измерения твердости вдавливанием наибольшее распространение получили методы Роквелла, Бринелля и Виккерса (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Методы измерения твердости:

а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

7.2. Измерение твердости вдавливанием шарика
(твердость по Бринеллю)

По этому методу в материал под действием нагрузки P, приложенной без удара перпендикулярно поверхности, вдавливают стальной закаленный шарик, диаметром D (рис. 7.1, а).

Шарик вдавливается с помощью пресса с гидравлическим или механическим приводом. В результате на поверхности образца образуется отпечаток, диаметр d которого измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью специальной лупы («лупа Бринелля»).

Числом твердости по Бринеллю HB называют отношение приложенной нагрузки P к площади сферической поверхности отпечатка F:

где P – нагрузка; F – площадь отпечатка; D – диаметр шарика;

d – диаметр отпечатка.

Число твердости по Бринеллю HB имеет размерность МПа.

При испытаниях стали и чугуна выбирают D = 10 мм и P = 30 кН, при испытании меди и ее сплавов D = 10 мм и P = 10 кН, а при испытании очень мягких материалов D = 10 мм и P = 2, 5 кН.

Метод Бринелля не рекомендуется применять для материалов с твердостью более, чем HB 450, так как в этом случае идентор (шарик) может деформироваться, что исказит результаты испытаний.

Между пределом прочности и числом твердости HB имеется приближенная аналитическая зависимость:

Значения коэффициента k приведены в таблице 7.1

Таблица 7.1

Материал	k
Сталь, твердостью 1200…1750 НВ	0, 343 НВ
Сталь, твердостью 1750…4500 НВ	0, 362 НВ
Медь, латунь, бронза (отожженные)	0, 55 НВ
Медь, латунь, бронза (наклепанные)	0, 40 НВ
Алюминий и алюминиевые сплавы, 200…450 НВ	0, 34 НВ
Дюралюмин (отожженный)	0, 36 НВ
Дюралюмин (закаленный)	0, 35 НВ

7.3. Измерение твердости вдавливанием конуса
или шарика (твердость по Роквеллу)

При измерении твердости по Роквеллу в испытуемой образец вдавливается алмазный конус с углом при вершине , равный 120 ^о, или стальной закаленный шарик диаметром 1, 587 мм. Алмазный конус применяют для измерения твердых материалов, а шарик – для мягких материалов.

Принципиальное отличие измерения твердости по Роквеллу от способа измерения по Бринеллю состоит в том, что измеряется не диаметр, а глубина отпечатка.

Конус (шарик) вдавливают двумя последовательно прилагаемыми нагрузками (рис. 7.1, б): предварительной и общей (где – основная нагрузка). Основная нагрузка выбирается исходя из предполагаемой твердости испытываемых материалов (таблица 7.2).

Таблица 7.2

Испытываемый материал	Индентор	Шкала прибора	Основ-ная нагрузка , Н	Общая нагрузка , Н
Измерение очень твердых материалов, твердых поверхностных слоев, тонких образцов		А
Измерение мягкой (отожженной) стали и цветных сплавов		В		1 000
Измерение твердости закаленной или низкоотпущенной стали, определение твердости тонких поверхностных слоев		С
Примечание: – алмазный конус; О – стальной закаленный шарик

После приложения общей нагрузки Р, основная нагрузка снимается и идентор поднимается до глубины h (см. рис. 7.1, б). Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу твердости принято значение осевого перемещения наконечника на 0, 002 мм. Твердость HR определяется по формулам:

(при измерении по шкалам A и C);

(при измерении по шкале B),

где ;

– глубина внедрения наконечника в испытуемый материал, измеренная после снятия основной нагрузки (но с оставлением предварительной нагрузки );

– глубина внедрения наконечника под действием нагрузки .

Твердость по Роквеллу обозначается:

HRA – испытание алмазным конусом при общей нагрузке 600 Н;

HRB – испытание стальным шариком при нагрузке 1000 Н;

HRC – испытание алмазным конусом при нагрузке 1500 Н.

При испытаниях на приборе Роквелла значение твердости материала считывается со шкалы прибора.

Значение твердости по Роквеллу – безразмерные единицы.

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒