Единицы измерения твердости металла. Твердость. Методы определения твердости. Как определить твердость металла: методы
Для того чтобы детали и механизмы служили длительно и надежно, материалы, из которых они изготовлены, должны соответствовать необходимым условиям работы. Именно поэтому важно контролировать допустимые значения их основных механических показателей. К механическим свойствам относятся твердость, прочность, пластичность. Твердость металлов - первичная конструкционная характеристика.
Понятие
Твердость металлов и сплавов - это свойство материала создавать сопротивление при проникновении в его поверхностные слои иного тела, которое не деформируется и не разрушается при сопутствующих нагрузках (индентора). Определяют с целью:
- получения информации о допустимых конструкционных особенностях и о возможностях эксплуатации;
- анализа состояния под действием времени;
- контроля результатов температурной обработки.
От этого показателя частично зависят прочность и устойчивость поверхности к старению. Исследуют как исходный материал, так и уже готовые детали.
Варианты исследования
Показателем является величина, которая называется числом твердости. Существуют различные методы измерения твердости металлов. Наиболее точные исследования заключаются в использовании различных видов вычисления, инденторов и соответствующих твердомеров:
- Бринелля: суть работы аппарата - вдавливание шарика в исследуемый металл или сплав, вычисление диаметра отпечатка и последующее математическое вычисление механического параметра.
- Роквелла: используются шарик или алмазный конусный наконечник. Значение отображается на шкале или определяется расчётно.
- Виккерса: наиболее точное измерение твердости металла с применением алмазного пирамидального наконечника.
Для определения параметрических соответствий между показателями разных способов измерения для одного и того же материала существуют специальные формулы и таблицы.
Факторы, определяющие вариант измерения
В лабораторных условиях, при наличии необходимого ассортимента оборудования, выбор способа исследования осуществляется в зависимости от определенных характеристик заготовки.
- Ориентировочное значение механического параметра. Для конструкционных сталей и материалов с небольшой твердостью до 450-650 НВ применяют метод Бринелля; для инструментальных, легированных сталей и других сплавов - Роквелла; для твердосплавов - Виккерса.
- Размеры испытуемого образца. Особо маленькие и тонкие детали обследуются с помощью твердомера Виккерса.
- Толщина металла в месте замера, в частности, цементированного или азотированного слоя.
Все требования и соответствия задокументированы ГОСТом.
Особенности методики Бринелля
Испытания на твердость металлов и сплавов с помощью твердомера Бринелля проводятся со следующими особенностями:
- Индентор - шарик из легированной стали или из карбидо-вольфрамового сплава диаметром 1, 2, 2,5, 5 или 10 мм (гост 3722-81).
- Продолжительность статического вдавливания: для чугуна и стали - 10-15 с., для цветных сплавов - 30, также возможна длительность в а в некоторых случаях - 120 и 180 с.
- Граничное значение механического параметра: 450 НВ при измерении стальным шариком; 650 НВ при использовании твердосплава.
- Возможные нагрузки. С помощью входящих в комплект грузов корректируется фактическая сила деформации на испытуемый образец. Их минимальные допустимые значения: 153,2, 187,5, 250 Н; максимальные - 9807, 14710, 29420 Н (гост 23677-79).
С помощью формул, в зависимости от диаметра выбранного шарика и от испытуемого материала, можно вычислить соответствующее допустимое усилие вдавливания.
Пример обозначения:
400HB10/1500/20, где 400HB - твердость металла по Бринеллю; 10 - диаметр шарика, 10 мм; 1500 - статическая нагрузка, 1500 кгс; 20 - период осуществления вдавливания, 20 с.
Для установления точных цифр рационально исследовать один и тот же образец в нескольких местах, а общий результат определять путем нахождения среднего значения из полученных.
Определение твердости по методу Бринелля
Процесс исследования протекает в следующей последовательности:
- Проверка детали на соответствие требованиям (ГОСТ 9012-59, гост 2789).
- Выбор необходимого шарика, определение возможного усилия, установка грузов для его формирования, периода вдавливания.
- Запуск твердомера и деформация образца.
- Измерение диаметра углубления.
- Эмпирическое вычисление.
где F - нагрузка, кгс или Н; A - площадь отпечатка, мм 2 .
НВ=(0,102*F)/(π*D*h),
где D - диаметр шарика, мм; h - глубина отпечатка, мм.
Твердость металлов, измеренная этим способом, имеет эмпирическую связь с вычислением параметров прочности. Метод точен, особенно для мягких сплавов. Является основополагающим в системах определения значений этого механического свойства.
Особенности методики Роквелла
Этот способ измерения был изобретен в 20-х годах XX века, более автоматизирован, чем предыдущий. Применяется для более твердых материалов. Основные его характеристики (ГОСТ 9013-59; гост 23677-79):
- Наличие первичной нагрузки в 10 кгс.
- Период выдержки: 10-60 с.
- Граничные значения возможных показателей: HRA: 20-88; HRB: 20-100; HRC: 20-70.
- Число визуализируется на циферблате твердомера, также может рассчитываться арифметически.
- Шкалы и инденторы. Известно 11 различных шкал в зависимости от типа индентора и предельно-допустимой статической нагрузки. Наиболее распространённые в использовании: А, В и С.
А: алмазный конусный наконечник, угол при вершине 120˚, общая допустимая сила статического влияния - 60 кгс, HRA; исследуются тонкие изделия, в основном прокат.
С: также алмазный конус, рассчитанный на максимальное усилие 150 кгс, HRC, применим для твердых и закаленных материалов.
В: шарик размером 1,588 мм, изготовленный из закаленной стали или из твердого карбидо-вольфрамового сплава, нагрузка - 100 кгс, HRB, используется для оценки твердости отожжённых изделий.
Шарикообразный наконечник (1,588 мм) применим для шкал Роквелла B, F, G. Также существуют шкалы E, H, K, для которых используется шарик диаметром 3,175 мм (ГОСТ 9013-59).
Количество проб, проделанных с помощью твердомера Роквелла на одной площади, ограничивается размером детали. Допускается повторная проба на расстоянии 3-4 диаметра от предыдущего места деформации. Толщина испытуемого изделия также регламентируется. Она должна быть не меньше увеличенной в 10 раз глубины внедрения наконечника.
Пример обозначения:
50HRC - твердость металла по Роквеллу, измерена с помощью алмазного наконечника, ее число равно 50.
План исследования по методу Роквелла
Измерение твердости металла более упрощено, нежели для
- Оценка размеров и характеристик поверхности детали.
- Проверка исправности аппарата.
- Определение типа наконечника и допустимой нагрузки.
- Установка образца.
- Осуществление первичного усилия на материал, величиной в 10 кгс.
- Осуществление полного соответствующего усилия.
- Чтение полученного числа на шкале циферблата.
Также возможен математический расчет с целью точного определения механического параметра.
При условии использования алмазного конуса с нагрузкой 60 или 150 кгс:
HR=100-((H-h)/0,002;
при совершении испытания с помощью шарика под усилием 100 кгс:
HR=130-((H-h)/0,002,
где h - глубина внедрения индентора при первичном усилии 10 кгс; H - глубина внедрения индентора при полной нагрузке; 0,002 - коэффициент, регламентирующий величину перемещения наконечника при изменении числа твердости на 1 единицу.
Является простым, но недостаточно точным. В то же время он позволяет измерять показатели механического свойства для твердых металлов и сплавов.
Характеристики методики Виккерса
Определение твердости металлов по данному способу наиболее просто и точно. Работа твердомера основана на вдавливании в образец алмазного пирамидального наконечника.
Основные особенности:
- Индентор: алмазная пирамида с углом при вершине 136°.
- Предельно допустимая нагрузка: для и стали - 5-100 кгс; для медных сплавов - 2,5-50 кгс; для алюминия и сплавов на его основе - 1-100 кгс.
- Период выдержки статической нагрузки: от 10 до 15 с.
- Испытуемые материалы: сталь и с твердостью более 450-500 НВ, в том числе изделия после химико-термической обработки.
Пример обозначения:
где 700HV - число твердости по Виккерсу; 20 - нагрузка, 20 кгс; 15 - период статического усилия, 15 с.
Последовательность исследования Виккерса
Порядок действий предельно упрощен.
- Проверка образца и аппаратуры. Особое внимание уделяется поверхности детали.
- Выбор допустимого усилия.
- Установка испытуемого материала.
- Запуск твердомера в работу.
- Чтение результата на циферблате.
Математический расчет по этому способу выглядит следующим образом:
HV=1,8544*(F/d 2),
где F - нагрузка, кгс; d - среднее значение длин диагоналей отпечатка, мм.
Он позволяет измерять высокую твердость металлов, тонких и небольших деталей, при этом предоставляя высокую точность результата.
Способы перехода между шкалами
Определив диаметр отпечатка с помощью специального оборудования, можно с помощью таблиц определить твердость. Таблица твердости металлов - проверенный помощник в вычислении данного механического параметра. Так, если известно значение по Бринеллю, можно легко определить соответствующее число Виккерса или Роквелла.
Пример некоторых значений соответствия:
Диаметр отпечатка, | Метод исследования |
||||
Бринелля | Роквелла | Виккерса |
|||
Таблица твердости металлов составлена на основе экспериментальных данных и имеет высокую точность. Также существуют графические зависимости твердости по Бринеллю от содержания углерода в железоуглеродистом сплаве. Так, в соответствии с такими зависимостями, для стали с количеством карбона в составе равному 0,2% она составляет 130 НВ.
Требования к образцу
В соответствии с требованиями ГОСТов, испытуемые детали должны соответствовать следующим характеристикам:
- Заготовка должна быть ровная, твердо лежать на столе твердомера, ее края должны быть гладкими или тщательно обработаны.
- Поверхность должна иметь минимальную шероховатость. Должна быть отшлифована и очищена, в том числе с помощью химических составов. Одновременно, во время процессов механической обработки, важно предупредить образование наклепа и повышения температуры обрабатываемого слоя.
- Деталь должна соответствовать выбранному методу определения твердости по параметрическим свойствам.
Выполнение первичных требований - обязательное условие точности измерений.
Твердость металлов - важное основополагающее механическое свойство, определяющее их некоторые остальные механические и технологические особенности, результаты предыдущих процессов обработки, влияние временных факторов, возможные условия эксплуатации. Выбор методики исследования зависит от ориентировочных характеристик образца, его параметров и химического состава.
Твёрдость
Твёрдость - это способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела - индентора во всем диапазоне нагружения: от момента касания с поверхностью и до вдавливания на максимальную глубину. Существуют методы определения восстановленной и невосстановленной твёрдости.
Метод определения восстановленной твёрдости.
Твёрдость определяется как отношение величины нагрузки к площади поверхности, площади проекции или объему 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.
Метод определения невосстановленной твёрдости.
Твёрдость определяется как отношение силы сопротивления к площади поверхности, площади проекции или объему внедренной в материал части индентора. Различают поверхностную , проекционную и объемную твёрдость:
- поверхностная твёрдость - отношение силы сопротивления к площади поверхности внедренной в материал части индентора;
- проекционная твёрдость - отношение силы сопротивления к площади проекции внедренной в материал части индентора;
- объёмная твёрдость - отношение силы сопротивления к объёму внедренной в материал части индентора.
Твёрдость измеряют в трёх диапазонах: макро, микро, нано. Макродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор от 2 до 30 кН. Микродиапазон 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 твердость в нанодиапазоне называют нанотвердостью (nanohardness) [неизвестный термин ] .
Измеряемая твердость, 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 твердость увеличивается - обратный размерный эффект (reverse indentation size effect );
- для индентора в виде пирамиды Виккерса или Берковича - с увеличением нагрузки твердость уменьшается - прямой или просто размерный эффект (indentation size effect );
- для сфероконического индентора (типа конуса для твердомера Роквелла) - с увеличением нагрузки твердость сначала увеличивается, когда внедряется сферическая часть индентора, а затем начинает уменьшаться (для сфероконической части индентора).
Косвенно твердость также может зависеть от:
- Координационного числа - чем выше число, тем выше твёрдость.
- Природы химической связи
- От направления (например, минерал дистен - его твёрдость вдоль кристалла 4, а поперёк - 7)
- Гибкости - минерал легко гнётся, изгиб не выпрямляется (например, тальк)
- Упругости - минерал сгибается, но выпрямляется (например, слюды)
- Вязкости - минерал трудно сломать (например, жадеит)
- и ряда других физико-механических свойств материала.
Наиболее твёрдыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода - лонсдейлит , на 58 % превосходящий по твёрдости алмаз и фуллерит (примерно в 2 раза твёрже алмаза ). Однако практическое применение этих веществ пока маловероятно. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз (10 единиц по шкале Мооса, см. ниже).
Методы измерения твёрдости
Прибор Польди
Методы определения твёрдости по способу приложения нагрузки делятся на: 1) статические и 2) динамические (ударные).
Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения):
- Метод Бринелля - твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим 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 (твердость по Мейеру)); размерность единиц твердости по Бринеллю МПа (кг-с/мм²). Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012-59 записывают без единиц измерения. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твёрдость, англ. ), B - Бринелль;
- Метод Роквелла - твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA; твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 (130) − kd , где d - глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k - коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу по шкалам A и C составляет 100 единиц, а по шкале B - 130 единиц.
- Метод Виккерса - твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение нагрузки, приложенной к пирамидке, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части поверхности пирамиды, а не как площадь ромба); размерность единиц твёрдости по Виккерсу кг-с/мм² . Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV;
- 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 твердомерами. Методы определения твердости, в зависимости от степени воздействия на объект, могут относиться как к неразрушающим, так и к разрушающим методам.
Существующие методы определения твёрдости не отражают целиком какого-нибудь одного определённого фундаментального свойства материалов, поэтому не существует прямой взаимосвязи между разными шкалами и методами, но существуют приближенные таблицы, связывающие шкалы отдельных методов для определённых групп и категорий материалов. Данные таблицы построены только по результатам экспериментальных тестов и не существует теорий, позволяющих расчетным методом перейти от одного способа определения твердости к другому.
Конкретный способ определения твёрдости выбирается исходя из свойств материала, задач измерения, условий его проведения, имеющейся аппаратуры и др.
В СНГ стандартизированы не все шкалы твёрдости.
Нормативные документы
- ГОСТ 8.062-85 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственный специальный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений твердости по шкалам Бринелля»
- ГЭТ 33-85 «Государственный специальный эталон единиц твердости по шкалам Бринелля»
- ГОСТ 24621-91 (ISO 868-85) «Определение твёрдости при вдавливании с помощью дюрометра (твёрдость по Шору)».
- ГОСТ 263-75 «Резина. Метод определения твёрдости по Шору А».
- ГОСТ 23273-78 «Металлы и сплавы. Измерение твердости методом упругого отскока бойка (по Шору)».
- ISO 2815 «Paints and varnishes - Buchholz indentation test».
- DIN 53153 «Buchholz hardness».
- ISO 14577 Metallic Materials. Instrumented indentation test for hardness and materials parameters. Part 1: Test method.
Примечания
Ссылки
- Сравнительная таблица твёрдостей в разных шкалах. (Прим.: В таблице шкала Шора соответствует методу отскока.)
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :- Эверс, Ганс Гейнц
- Боулдеринг
Смотреть что такое "Твёрдость" в других словарях:
Твёрдость (этика) - У этого термина существуют и другие значения, см. Твёрдость (значения). Твёрдость (также твёрдость характера, твёрдость воли) черта характера, характеризующаяся последовательностью и упорством в достижении целей или отстаивании взглядов.… … Википедия
Твёрдость по Шору (Метод вдавливания) - У этого термина существует и другое значение, см. Твёрдость по Шору. При этом следует понимать, что хотя в другом значении этот метод также является методом измерения твёрдости, оба метода предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие… … Википедия
твёрдость - и; ж. 1) к твёрдый 2), 3), 4), 5), 6), 7), 8), 9) Твёрдость древесины. Твёрдость духа. Твёрдость воли, характера, убеждений. Твёрдость памяти. Твёрдость решения. Твёрдость движений … Словарь многих выражений
Твёрдость по Шору (Метод отскока) - У этого термина существует и другое значение, см. Твёрдость по Шору. При этом следует понимать, что хотя в другом значении этот метод так же является методом измерения твёрдости, оба метода предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие… … Википедия
твёрдость по Мартенсу - склерометрическая твёрдость твёрдость по склероскопу — Тематики нефтегазовая промышленность Синонимы склерометрическая твёрдостьтвёрдость по склероскопу EN… … Справочник технического переводчика
Твёрдость металлов - сопротивление металлов вдавливанию. Т. м. не является физической постоянной, а представляет собой сложное свойство, зависящее как от прочности и пластичности, так и от метода измерения. Т. м. характеризуется числом твёрдости. Наиболее… …
Твёрдость по Бринеллю - Бринелля метод [по имени шведского инженера Ю.А.Бринелля (J.A.Brinell)] способ определения твёрдости материалов вдавливанием в испытываемую поверхность стального закалённого шарика диаметром 2,5; 5 и 10 мм пр нагрузке P от 625 H до 30 кН. Число… … Металлургический словарь
Твёрдость по Виккерсу - Виккерса метод [по названию английского военно промышленного концерна Виккерс (Vickers Limited)] способ определения твёрдости материалов вдавливанием в поверхность образца или изделия алмазного индентора имеющего форму правильной четырёхгранной … Металлургический словарь
Твёрдость по Роквеллу - Роквелла метод [по имени американского металлурга С.Роквелла (S.Rockwell), разработавшего этод метод] способ определения твёрдости материалов (главным образом металлов) вдавливанием в испытываемую поверхность алмазного индентора с углом при… … Металлургический словарь
Твёрдость минералов - свойство минералов оказывать сопротивление проникновению в них др. тел. Твёрдость важный диагностический и типоморфный признак минерала, функция его состава и структуры, которые в различной мере отражают условия минералообразования. Т. м … Большая советская энциклопедия
Твёрдость по Бринеллю определяется по формуле, указанной в таблице (когда усилие выражено в кгс). При определении твёрдости по Бринеллю за диаметр отпечатка d принимают среднеарифметическое значение результатов измерений.
Обозначается твёрдость по Бринеллю численным значением и символом HB, после которых указывается диаметр шарика и приложенное усилие. Только когда твёрдость по Бринеллю определяется шариком диаметром 10 мм при усилии 3000 кгс и продолжительности выдержки 30 секунд, обозначение результата представляет собой лишь числовое значение и HB, например 285 HB.
| Таблица некоторых (с точностью до 0,1) значений твёрдости по Бринеллю
,
диаметр шарика 10 мм; d (mm) - диаметр отпечатка шарика |
||||
| d (mm) | Druckkraft P (kp) | |||
| 3000 | 1000 | 500 | 250 | |
| 2 | 945,76 | 315,25 | 157,63 | 78,81 |
| 2,1 | 856,93 | 285,64 | 142,82 | 71,41 |
| 2,2 | 779,93 | 259,98 | 129,99 | 64,99 |
| 2,3 | 712,75 | 237,58 | 118,79 | 59,40 |
| 2,4 | 653,79 | 217,93 | 108,96 | 54,48 |
| 2,5 | 601,76 | 200,59 | 100,29 | 50,15 |
| 2,6 | 555,61 | 185,20 | 92,60 | 46,30 |
| 2,7 | 514,50 | 171,50 | 85,75 | 42,87 |
| 2,8 | 477,71 | 159,24 | 79,62 | 39,81 |
| 2,9 | 444,65 | 148,22 | 74,11 | 37,05 |
| 3 | 414,85 | 138,28 | 69,14 | 34,57 |
| 3,1 | 387,88 | 129,29 | 64,65 | 32,32 |
| 3,2 | 363,40 | 121,13 | 60,57 | 30,28 |
| 3,3 | 341,10 | 113,70 | 56,85 | 28,43 |
| 3,4 | 320,75 | 106,92 | 53,46 | 26,73 |
| 3,5 | 302,11 | 100,70 | 50,35 | 25,18 |
| 3,6 | 285,00 | 95,00 | 47,50 | 23,75 |
| 3,7 | 269,25 | 89,75 | 44,88 | 22,44 |
| 3,8 | 254,73 | 84,91 | 42,46 | 21,23 |
| 3,9 | 241,31 | 80,44 | 40,22 | 20,11 |
| 4 | 228,88 | 76,29 | 38,15 | 19,07 |
| 4,1 | 217,35 | 72,45 | 36,23 | 18,11 |
| 4,2 | 206,63 | 68,88 | 34,44 | 17,22 |
| 4,3 | 196,65 | 65,55 | 32,77 | 16,39 |
| 4,4 | 187,33 | 62,44 | 31,22 | 15,61 |
| 4,5 | 178,63 | 59,54 | 29,77 | 14,89 |
| 4,6 | 170,49 | 56,83 | 28,41 | 14,21 |
| 4,7 | 162,85 | 54,28 | 27,14 | 13,57 |
| 4,8 | 155,69 | 51,90 | 25,95 | 12,97 |
| 4,9 | 148,96 | 49,65 | 24,83 | 12,41 |
| 5 | 142,63 | 47,54 | 23,77 | 11,89 |
| 5,1 | 136,66 | 45,55 | 22,78 | 11,39 |
| 5,2 | 131,03 | 43,68 | 21,84 | 10,92 |
| 5,3 | 125,71 | 41,90 | 20,95 | 10,48 |
| 5,4 | 120,68 | 40,23 | 20,11 | 10,06 |
| 5,5 | 115,92 | 38,64 | 19,32 | 9,66 |
| 5,6 | 111,41 | 37,14 | 18,57 | 9,28 |
| 5,7 | 107,14 | 35,71 | 17,86 | 8,93 |
| 5,8 | 103,07 | 34,36 | 17,18 | 8,59 |
| 5,9 | 99,21 | 33,07 | 16,54 | 8,27 |
| 6 | 95,54 | 31,85 | 15,92 | 7,96 |
| 6,1 | 92,04 | 30,68 | 15,34 | 7,67 |
| 6,2 | 88,71 | 29,57 | 14,79 | 7,39 |
| 6,3 | 85,53 | 28,51 | 14,26 | 7,13 |
| 6,4 | 82,50 | 27,50 | 13,75 | 6,87 |
| 6,5 | 79,60 | 26,53 | 13,27 | 6,63 |
| 6,6 | 76,82 | 25,61 | 12,80 | 6,40 |
| 6,7 | 74,17 | 24,72 | 12,36 | 6,18 |
| 6,8 | 71,62 | 23,87 | 11,94 | 5,97 |
| 6,9 | 69,19 | 23,06 | 11,53 | 5,77 |
| 7 | 66,85 | 22,28 | 11,14 | 5,57 |
Примечание к таблице твёрдости по Бринеллю : значения, выделенные серым цветом, являются расчётными и на практике применены быть не могут.
Измерение твёрдости по Бринеллю
(метод Бринелля)
Метод измерения твёрдости по Бринеллю [по имени шведского инженера Ю.А.Бринелля (J.A.Brinell)] - это способ определения твёрдости материалов вдавливанием в испытываемую поверхность стального закалённого шарика диаметром 1; 2; 2,5; 5 и 10 мм пр нагрузке P от 625 H до 30 кН. Стальной шарик должен иметь твёрдость не менее 850 HV10. Шарик из твёрдого сплава должен иметь твёрдость не менее 1500 HV10. Измерение твёрдости по Бринеллю возможно для металлов и сплавов с твёрдостью не более 650 единиц.
Число твёрдости по Бринеллю HB - отношение нагрузки (кгс) к площади (мм 2) поверхности отпечатка. Для получения сопоставимых результатов относительной твёрдости материалы (HB свыше 130) испытывают при отношении P :D 2 =30, материалы средней твёрдости (HB 30-130) - при P :D 2 =10, мягкие (HB P:D 2 =2,5. Испытания по методу Бринелля проводят на стационарных твердомерах - прессах Бринелля , обеспечивающих плавное приложение заданной нагрузки к шарику и постоянство её при выдержке в течение установленного времени (обычно 10-15 или 30 секунд).
Метод измерения твердости металлов по Бринеллю регламентирует ГОСТ 9012-59. Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю : Стандарт устанавливает метод измерения твердости по Бринеллю металлов с твердостью не более 650 единиц. Сущность метода заключается во вдавливании шарика (стального или из твердого сплава) в образец (изделие) под действием усилия, приложенного перпендикулярно к поверхности образца, в течение определенного времени, и измерении диаметра отпечатка после снятия усилия. ГОСТ 9012-59, в частности, определяет требования, предъявляемые к отбору образцов металла для измерения твёрдости по Бринеллю - размер образцов, шероховатость поверхности и др.
Твёрдость сталей по Бринеллю
Поскольку, как было описано выше, при определении твёрдости по Бринеллю используется стальной закалённый шарик, можно сделать вывод, что использование этого способа для измерения твёрдости сталей не всегда целесообразно. Поэтому в технической литературе чаще встречается обозначения твёрдости сталей не по Бринеллю, а по Роквеллу или по Виккерсу. Тем не менее измерять твёрдость сталей по Бринеллю иногда можно.
Лит.:
Определение твердости является одним из распространенных испытаний 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.
По способу воздействия индентора на испытуемый материал различают:
* статические методы определения твердости (метод вдавливания 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 материала. Метод царапания характеризует сопротивление разрушению при воздействии на материал индентора в виде алмазной иглы. Метод отскока падающего наконечника характеризует сопротивление упругой деформации при динамическом воздействии на материал индентора в виде шарика.
Самым распространенным из перечисленных методов является метод вдавливания, который используется в приборах - твердомерах:
Роквелла
Виккерса
приборе для определения микротвердости (ПМТ).
Между твердостью пластичных материалов и другими механическими свойствами существует зависимость. Чем больше твердость металла определяемого вдавливанием, тем выше и его прочность, т.к. оба эти свойства представляют сопротивление пластической деформации. По этой же причине, чем тверже данный металл, тем ниже его пластичность.
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.
Рисунок 1 – Устройство прибора Бринеля
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЮ
Измерение твердости по Бринелю производится в соответствии с ГОСТ 9012-59, срок действия которого продлен до настоящего времени.
При измерении твердости по Бринелю стальной закаленный шарик диаметром D вдавливается в испытуемый образец или изделие под действием нагрузки P в течение определенного времени. После удаления нагрузки измеряется диаметр d полученного при этом сферического отпечатка (рис. 2.а).
Рисунок 2. Схемы определения твердости:
а- по Бринелю;
Б - по Роквеллу;
в - по Виккерсу
В качестве индентора при работе на приборе Бринеля используют 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:
(2)
ЗначенияK могут быть равны 30; 15; 10; 5; 2,5; 1 в зависимости от твердости контролируемого материала. Так для черных металлов и их сплавов (железо, сталь) и других высокопрочных материалов K = 30; для алюминия, меди, никеля и их сплавов K = 10; для олова, свинца и сплавов на их основе K = 2,5.
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 100 кгс (981 Н). Затем нажатием кнопки на корпусе прибора включается механизм, который автоматически осуществляет полное нагружение, выдержку образца под нагрузкой и ее снятие.
После этого нужно опустить столик, снять образец, измерить диаметр полученного отпечатка с помощью специального микроскопа (рис. 3) и определить твердость.
Рисунок 3 – Измерение диаметра отпечатка по шкале лупы
Твердость, определяемая на приборе Бринеля обозначается HB и определяется как отношение нагрузки, действующей на индентор, к площади поверхности сферического отпечатка F :
А так как площадь сферического отпечатка равна:
(4)
Следовательно значение твердости будет равно:
(5)
Если нагрузка выражена в ньютонах, то значение твердости умножается на коэффициент равный 0,102 .
Таким образом, диаметр отпечатка является критерием твердости по Бринелю.
Обычно вычисления твердости по вышеуказанной формуле не производят, а определяют твердость по таблице, которая приведена в ГОСТ 9012-59 или справочной литературе.
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:
s В = 3,4 HB (6)
Временное сопротивление определяется в МПа (Н/мм 2).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО РОКВЕЛЛУ
В ряде случаев определение твердости на приборе Бринеля оказывается невозможным. Нельзя, например, испытывать закаленную сталь, так как, индентор прибора Бринеля также изготовлен из закаленной стали. Нельзя измерять твердость тонких поверхностноупрочненных слоев изделий, подвергнутых химико-термической обработке, и твердость различных поверхностных покрытий.
В этих случаях возможно применение других приборов - Роквелла, Виккерса, ПМТ.
Измерение твердости по Роквеллу проводится в соответствии с ГОСТ 9013-59. При этом индентором может служить алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,588мм (1/16 дюйма). При проведении испытаний индентор вдавливается в образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р о и основной:
Р = Р о + Р 1 , (7)
Принципиальное отличие измерения твердости на приборе Роквелла 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.
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 твердости принята безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 0,002 мм.
При испытаниях твердость можно измерять по трем шкалам: А , В , С .
При использовании в качестве индентора алмазного конуса твердость определяют по двум шкалам: А и С , при использовании шарика - по шкале В .
Число твердости по Роквеллу вычисляется по формулам:
При измерении по шкалам А и С:
HRC (HRA) = 100 – e (8)
При измерении по шкале В:
HRB = 130 – e (9)
где e = (h - ho) / 0,002 (10)
При выборе условий испытания целесообразно руководствоваться следующими данными (табл. 1):
Таблица 1
Результаты определения твердости фиксируются на индикаторе прибора, где имеются две шкалы - черная ми красная. Черная используется при измерениях с помощью алмазного конуса или конуса таких же размеров, изготовленного из твердого сплава (А и С ). Красная шкала для измерений с помощью шарика (В ).
Испытания проводятся в следующем порядке:
Устанавливается образец на столике прибора; образец приводится в соприкосновение с индентором с помощью механизма подъема и осуществляется предварительное нагружение. При этом индентор вдавливается в поверхность образца на глубину h о . Достижение предварительной нагрузки Р о = 10 кгс (98 Н) отмечается на шкале установкой маленькой стрелки на красной точке. Положение большой стрелки должно при этом совпадать с цифрой “0” черной шкалы. Если этого не произошло необходимо повернуть шкалу маховичком до точного совпадения этой стрелки с указанной отметкой.
Нажать на клавишу механизма нагружения, в результате чего на индентор подается основная нагрузка Р 1 , 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.
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).
В указанных приборах в качестве индентора используется четырехгранная алмазная пирамида с углами при вершине 136° (рис. 2.в). Число твердости по Виккерсу и микротвердость определяются как отношение действующей нагрузки Р к площади боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка:
(11)
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). 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 меньше и размеры полученных отпечатков, что делает возможным определение твердости отдельных структурных составляющих.
Измерение диагоналей полученных отпечатков проводится с помощью микроскопов.
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
1. Перед проведением практической части работы необходимо ознакомиться с приборами, на которых предстоит проводить измерения, с техникой измерений и методикой определения результатов.
2. Провести измерение твердости углеродистой отожженной стали (40, 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 миллиметра;
d. Используя формулу для определения твердости по Бринелю (5) определить значение твердости испытуемых материалов и занести данные в таблицу 2;
e. При помощи таблиц проконтролировать правильность определения значений твердости и табличные данные также занести в 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 проводиться измерение твердости;
Твердость – свойство металла оказывать сопротивление проникновению в него другого более твердого тела, минимум в 10 раз. Для определения твердости применяют: методы Бриннеля, Роквелла и Виккерса.
Метод Бриннеля : в испытуемый материал под определенной нагрузкой вдавливают стальной закаленный шарик определенного диаметра и по величине диаметра шарового отпечатка судят о тверости. Отпечаток имеет вид шарового сегмента. Твердость по Бриннелю (НВ) определяют из выражения НВ=Р/F, где Р – нагрузка, F – площадь поверхности шарового отпечатка. К недостаткам метода Б. необходимо отнести невозможность испытания металлов, имеющих твердость меньше 450 МПа или толщину больше 2 мм. При испытании с твердостью более 450 МПа возможна деформация шарика и результаты будут неточными.
Метод Роквелла : основан на том, что в испытуемый образец вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120 о или закаленный стальной шарик диаметром 1,59 мм. Алмазный конус – для твердых, шарик – для мягких металлов. Шарик/алмазный конус вдавливают в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок – предварительной (0,1 кН) и основной. Соответственно с этими нагрузками на индикаторе прибора нанесены шкалы: черные А и С и красные В. Шкала А – измерение твердости изделий с очень твердым поверхностным слоем; шкала С – для измерения твердости закаленных сталей; шкала В – незакаленные стали, цветные металлы и сплавы, имеющие твердость HRB 100. Метод Р. отличается простотой и высокой скоростью измерения, обеспечивает сохранение качественной поверхности после испытаний, позволяет испытывать металлы как низкой, так и высокой твердости, при толщине изделий до 0,8 мм. Этот метод не рекомендуется применять для сплавов с неоднородной структурой (чугуны серые, ковкие и высокопрочные).
Метод Виккреса : прибором ТП-2 (типа Виккерса) можно испытывать твердость изделий толщиной 0,15 мм и выше, а также поверхностные слои металла практически из любых материалов. Измерение методом В. заключается во вдавливании под нагрузкой в испытуемое изделие в течение определенного времени наконечника в виде правильной четырехгранной алмазной пирамиды. Определение твердости на приборе ТП-2 : получение отпечатка, оптическое измерение отпечатка, определение числа твердости. При определении твердости должны быть соблюдены следующие правила: нагрузка до необходимого значения должна возрастать плавно; поверхность испытуемого образца должна быть блестящей и не иметь посторонних включений; поверхность образца должна быть сухой и чистой; наконечник должен быть перпендикулярен к поверхности образца.