Измерение твердости вдавливание стального шарика

(метод Бринелля)

По методу Бринелля твердость металла определяют вдавливанием в испытуемый образец (изделие) закаленного стального шарика (рисунке 3.1а) диаметром 10; 5 или 2,5 мм под действием заданной нагрузки в течении определенного времени и выражают числом твердости НВ, полученный путем деления приложенной нагрузки Р в кг на поверхность образовавшегося на образце отпечатка шарика (шарового сегмента) F в мм:

, [кг / мм² ] (3.1)

где Р - нагрузка в кг; D - диаметр шарика в мм; d - диаметр отпечатка шарика в мм.

Диаметр шарика, нагрузку и длительность выдержки под нагрузкой выбирают в зависимости от твердости и толщины образца (таблице 3.1).

Чем тверже металл, тем меньше диаметр отпечатка и тем выше число твердости по Бринеллю.

Диаметр отпечатка измеряется при помощи специальной лупы, имеющей шкалу с ценой деления 0,1 мм или 0,05мм (рисунок 3.1б).

а)	б)
Рисунок 3.1 - Схема определения твердости по Бринеллю (а) и отсчет по шкале (б)

 

При диаметре шарика 10 мм и нагрузке 3000 кг твердость обозначается цифрами перед символом HB, например 250 HB, что означает твердость по Бринеллю 250 кг /мм².

Во избежание сложных вычислений числа твердости для каждого отпечатка на практике используются готовыми таблицами.

 

Таблица 3.1 – Выбор режимов испытаний на твердость методом Бринелля

Матери-ал	Интер-вал твердо-сти в числах Бри-нелля	Минималь-ная толщина испытуе-мого образца, мм	Соотноше-ние между нагрузкой Р и диаметром шарика D	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка Р, кг	Выдерж-ка под нагру-зкой, сек
Черные металлы	140-450	От 6 до 3	Р=30D2
От 4 до 2
Менее 2	2,5	187,5
Черные металлы	Менее 140	Более 6	Р=10D2
От 6 до 3
Менее 3	2,5	62,5
Цветные металлы	Более 130	От 6 до 3	Р=30D2
От 4 до 2
Менее 2	2,5	187,5
Цветные металлы	35-130	0т 9 до 5	Р=10D2
От 6 до 3
Менее3	2,5	62,5
Цветные металлы	8-35	Более 6	Р=2,5D2
От 6 до 3		62,6
Менее3	2,5	15,6

 

Между числами твердости по Бринеллю и пределом прочности σ_в металлов существует следующая приближенная зависимость:

(3.2)

где к - коэффициент, определяемый по таблице (3.2).

 

Таблица 3.2 – Выбор значения коэффициента к в зависимости от вида испытуемого материала

Сталь легированная	0,34	Дуралюминий	0,37
Сталь углеродистая	0,36	Медь холоднокатаная	0,35
Алюминий отожженный	0,4	Медь отожженная	0,48

 

Наиболее распространенными стандартными условиями при испытании твердости являются: нагрузка 3000 кг, диаметр шарика 10 мм и длительность выдержки 10 сек.

а)	б)
Рисунок 3.2 - Прибор типа ТШ с механическим приводом: а – общий вид; б – кинематическая схема

 

Для определения твердости по Бринеллю используются твердомером типа ТШ (рисунок 3.2).

Прибор имеет станину 1, в нижней части которой помещен винт 2 со сменными столиками 4 для испытуемых образцов. Перемещения винта осуществляется вручную маховиком 3. В верхней части станины находится шпиндель 6 со сменными наконечниками, в которые вставляются шарики 5. Основная нагрузка прикладывается к образцу посредством рычажной системы. На длинном плече основного рычага 7 имеется подвеска 8 с грузами 9. Комбинацией грузов можно осуществить нагрузки 187,5; 250; 750; 1000 и 3000 кг. Нагрузка прилагается автоматически с помощью электродвигателя 11, находящегося внутри станины, при нажатии пусковой кнопки. Для установки продолжительности испытания служит передвижной упор переключателя 10, устанавливающийся до начала испытания в положение, соответствуующее требуемой выдержке (10, 30 или 60 сек).

Недостатки метода Бринелля:

- невозможность испытания материалов, имеющих твердость более 450 НВ, так как шарик будет деформироваться и показания будут неточными;

- невозможность испытания твердости тонкого поверхностного слоя и пластин (менее 1-2 мм), так как шарик будет продавливать тонкий слой материала;

- после испытания остаются заметные следы на поверхности изделия.

 

Измерение твердости вдавливанием алмазного конуса или стального шарика (метод Роквелла)

По методу Роквелла твердость металлов определяют вдавливанием в испытуемый образец (изделие) стального шарика диаметром 1,588 мм при нагрузке 100 кг или алмазного конуса с углом при вершине 120⁰ при нагрузке 60 или 150 кг. Схема определения твердости по Роквеллу приведена на рисунке 3.3.

При испытании сначала прикладывают предварительную нагрузку Р₀, равную 10 кг, а затем нормальную Р, равную 60, 100 или 150 кг (ГОСТ 9013-59). Разность глубин проникновения шарика или алмаза под нагрузками Р₀ и Р (h-h₀) характеризует твердость. Чем меньше эта разность, тем тверже испытуемый материал, и, наоборот, чем больше эта разность, тем мягче материал.

Числа твердости по Роквеллу обозначают HR и вычисляют по формуле.

(3.3)

где h₀ - глубина внедрения в мм наконечника под действием предварительной нагрузки Р₀; h – глубина внедрения наконечника под действием общей нагрузки; К – постоянная величина; для шарика К=0,26 и для конуса К=0,2; С - цена деления циферблата индикатора прибора, соответствующая углублению наконечника на 0,002 мм.

Рисунок 3.3. - Схема определения твердости по Роквеллу: 1 – углубление конуса под предварительной нагрузкой Р0; 2 – углубление конуса под общей нагрузкой Р, которая равна Р0+Р1; 3 – глубина внедрения конуса под действием нагрузки Р0	Рисунок 3.4. - Циферблат индикаторного прибора

 

Таким образом, твердость по Роквеллу выражается в условных единицах.

На практике числа твердости по Роквеллу обычно не вычисляют по приведенной выше формуле, а отсчитывают по шкале индикатора прибора типа ТК непосредственно в процессе испытания (рисунок 3.4).

Нулевое деление черной шкалы совпадает с начальным положением стрелки. Красная шкала смещена относительно нулевого деления черной шкалы на 30 делений в направлении, противоположном движению стрелки индикатора при внедрении наконечником. Следовательно, начальное деление красной шкалы совпадает с делением 30 на циферблате индикатора. Это смещение сделано по той причине, что глубина вдавливания шарика часто превышает 0,2 мм, и тогда стрелка при вдавливании делала бы поворот более чем на 100 делений, т.е. значение твердости могли бы получаться отрицательными. Большая стрелка служит для указания твердости, а малая – для контроля величины предварительного нагружения.

Твердость на приборе ТК можно измерить:

- Алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кг (предварительная – 10 кг и основная 140 кг). Значение твердости определяют по черной шкале С и обозначают НRC. Эта шкала применяется для испытания закаленных сталей, обладающих твердостью до 67HRC , и для определения твердости тонких поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм;

- Алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кг (предварительная – 10 кг и основная 50 кг). Значение твердости определяют по черной шкале С и обозначают HRA. Эта шкала применяется для испытания сверхтвердых сплавов (например, карбидов вольфрама), тонкого листового материала и для измерения твердости тонких поверхностных слоев (0,3-0,5 мм) или тонких пластинок;

- Стальным шариком 1/16 дюйма с общей нагрузкой 100 кг (предварительная – 10 кг и основная 90 кг). Значение твердости определяют по красной шкале В и обозначают HRB. Шкала В служит для испытаний металлов средней твердости и для испытаний изделий толщиной от 0,8 до 2 мм.

На основании опытных работ установлена связь между числами твердости по Роквеллу (при HRC>20) и по Бринеллю

НВ≈10·HRC (3.4)

К достоинствам метода Роквелла следует отнести высокую производительность, простоту обслуживания, точность измерения и сохранение качественной поверхности после испытаний. Не рекомендуется применять этот метод для определения твердости неоднородных по структуре сплавов (чугуна), для испытания криволинейных поверхностей с радиусом кривизны менее 5 мм и для испытания деталей которые под действием нагрузки могут деформироваться.

Порядок выполнения работы

Измерение твердости методом Бринелля

1. Изучить работу твердомера типа ТШ.

2. Подготовить образцы к испытанию (поверхность образца должна быть плоской и чистой от загрязнений и окалины. Толщина образца – не менее десятикратной глубины отпечатка).

3. Выбрать в зависимости от заданных условий испытания и типа образца диаметр шарика, нагрузку и время выдержки под нагрузкой.

4. Закрепить шариковый наконечник в шпинделе установочным винтом.

5. Поместить на подвеску требуемое для испытания количество сменных грузов.

6. Установить упор на нужную продолжительность выдержки и закрепить стопорным винтом.

7. Установить на столик (испытания круглых образцов производят с помощью специальной подставки) испытуемый образец и вращением маховика поднять его к шариковому наконечнику, оказывая предварительную нагрузку на образец порядка 100 кг. Нагрузка должна быть приложена в направлении, перпендикулярном к плоскости образца. Центр отпечатка должен находиться от края образца на расстоянии не менее диаметра шарика, а от центра соседнего отпечатка – на расстоянии не менее двух диаметров шарика.

8. Нажать на пусковую кнопку, приводя в движение электродвигатель и передать нагрузку на образец.

9. После окончания испытания опустить столик, снять образец и измерить диаметр отпечатка в двух взаимно перпендикулярных направлениях при помощи лупы. Диаметр отпечатка измеряют с точностью до 0,05 мм при испытании шариком диаметром 10 и 5 мм и с точностью до 0,01 мм при испытании шариком диаметром 2,5 мм.

10. По величине диаметра отпечатка рассчитать число твердости НВ.

11. Повторить эксперимент 3 раза.

12. Определить среднее число твердости НВ.

13. По полученным числам твердости определить величины предела прочности, пользуясь имеющимися соотношениями между НВ и σ_в.

14. Результаты испытаний внести в протокол.

 

Протокол испытания на твердость по методу Бринеля.

№ исп	Материал и толщина образца, мм	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка Р, кг	Диаметр отпечатка d, мм	Число твердости НВ	Среднее число твердости НВ	Предел прочности σв, кг/мм2
1.
2.
3.

 

Измерение твердости методом Роквелла

1. Изучить работу твердомера типа ТК.

2. Подготовить образцы к испытанию (поверхность образца должна быть плоской и чистой от загрязнений и окалины. Толщина образца – не менее восьмикратной глубины отпечатка).

3. Выбрать в зависимости от заданных условий испытания и типа образца наконечник.

4. Закрепить наконечник в шпинделе установочным винтом.

5. Подобрать грузы соответственно выбранному наконечнику и применительно к шкале, по которой предполагается вести испытания и подвесить их.

6. Установить на столик (испытания круглых образцов производят с помощью специальной подставки) испытуемый образец и вращением маховика поднять его до соприкосновения с наконечником, а затем дальнейшим вращением маховика произвести предварительное нагружение до тех пор, пока малая стрелка индикатора не совпадет с красной точкой на шкале, а большая стрелка не примет вертикальное положение. Если малая стрелка индикатора перейдет за красную точку, то необходимо выбрать на испытуемой поверхности другую точку и испытание начать сначала; затем повернуть ободок индикатора до совпадения нуля черной шкалы с большой стрелкой.

7. Привести в движение механизм основного нагружения. В это время большая стрелка поворачивается против часовой стрелки и принимает некоторое положение. После секундной выдержки снять основную нагрузку возвращением рукоятки в начальное положение (притягивают ее к себе). Большая стрелка при этом вращается по часовой стрелке и занимает нужное положение.

8. Отсчитать числа твердости по шкале индикатора. В случае применения алмазного наконечника отсчет производить по наружной черной шкале С, при шариковом наконечнике – по внутренней красной шкале В. Опустить столик вращением маховика и снять образец.

9. Повторить эксперимент 3 раза.

10. Определить среднее число твердости НR.

11. Перевести полученную твердость по Роквеллу HR в твердость по Бринелю НВ.

12. Результаты испытаний внести в протокол.

 

Протокол испытания на твердость по методу Роквелла.

№ исп	Материал и толщина образца, мм	Наконечник	Нагрузка Р, кг	Шкала	Число твердости НR	Среднее число твердости HR	Твердость по Бринелю НВ
1.
2.
3.

Вопросы к зачету

1. Что такое твердость?

2. Какие существуют методы измерения твердости?

3. Как определяется твердость по методу Бринелля?

4. Каким образом производится выбор диаметра шарика при измерении твердости по методу Бринелля?

5. Какова зависимость между числами твердости НВ и пределом прочности металлов σ_в?

6. Недостатки метода Бринелля.

7. Как определяется твердость по методу Роквелла?

8. Каким образом производится выбор наконечника при измерении твердости по методу Роквелла?

9. Достоинства метода Роквелла по сравнению с методом Бринелля.

10. Какова зависимость между числами твердости HRC и НВ?