Краткие теоретические сведения

Измерение твердости самый доступный и распространенный ме­тод статических испытаний материалов, который широко использует­ся как в исследовательских целях, так и как средство контроля ка­чества металла во многих областях промышленности. Существуют различные методы определения твердости металла: вдавливания индентора, отскакивания бойка, царапания и т.д. Самым распростра­ненным из них является метод вдавливания индентора. При этом под твердостью понимается свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии в поверхност­ном слое со стороны другого, более твердого тела (называемого индентором).

В настоящей работе предлагается ознакомиться с наиболее широко применяемыми методами испытания металлов на твердость: по Бринеллю и Роквеллу.

 

Испытание на твердость по Бринеллю. Испытание на твердость по Бринеллю производится вдавливанием в испытуемый образец стального закаленного шарика диаметром D под действием заданной нагрузки Р в течение определенного време­ни. После снятия нагрузки на поверхности образца получается от­печаток (лунка), диаметром d и глубиной h (рис. 5.1).

 

Рисунок 5.1 – Схема определения твердости по Бринеллю

 

Число твердости по Бринеллю (НВ) опре­деляют как отношение нагрузки Р к поверхности полученного отпечатка (шарового сегмента) Р = πDh:

 

 

и имеет размерность напряжения (МПа). Однако, в соответствии со стандартом, оно не пишется.

Так как глубину отпечатка h измерить трудно, а гораздо проще измерить диаметр отпечатка d, то целесо­образно величину h выразить через диаметр шарика D и отпечат­ка d, т.е. h = D - √D² – d² /2. Тогда число твердости по Бринеллю будет определяться по формуле:

 

 

Автоматический рычажный пресс Бринелля. Пресс Бринелля (рис. 5.2) состоит из станины 1, в верхней части которой имеется шпин­дель 2, в который вставляется наконечник с шариком 3. Столик 4 служит для установки на нем испытуемого образца 5. Вращением по часовой стрелке диска 6 приводят в движение винт 7, который, перемещаясь вверх, поднимает столик 4, и образец 5 прижимается к закаленному шарику 3.

 

Рисунок 5.2 – Схема пресса Бринелля

Электродвигатель включается нажатием кнопки, расположенной сбоку пресса. При этом рычаг 8 с подвес­кой 9 и грузами 10 опускается, соз­давая нагрузку на шарик 3, который вдавливается в образец 5. Через оп­ределенное время рычаг 8 и подвеска 9 с грузами 10 поднимется, снимая нагрузку с шарика 3. В момент вращения электродвигателя загорается сигнальная лампочка 11. Когда рычаг и подвеска с грузами достигают ис­ходного положения, электродвигатель автоматически останавливается, и лампочка 11 гаснет. Вращением диска 6 против часовой стрелки опускается столик 4.

 

Выбор диаметра закаленного шарика и нагрузки. При определении твердости по Бринеллю используют шарики одного из трех диаметров (D=10; 5 и 2,5 мм). Диаметр шарика выбирают в зависимости от толщины испы­туемого образца. Чем меньше толщина образца, тем меньший диаметр шарика используют. Нагрузку Р выбирают в зависимости от твердости испытуемого материала по формуле:

,

 

где К – коэффициент, зависящий от твердости испытуемого материала. В первом приближении можно принять: для стали и чугуна К=30; для меди и медных сплавов К=10; для мягких металлов (алюминий, маг­ний, олово, свинец и сплавов на их основе) К=2,5.

Для более точного выбора диаметра шарика и нагрузки в зави­симости от твердости и толщины испытуемого образца следует поль­зоваться таблицей 5.1.

 

Таблица 5.1 – Выбор диаметра шарика и нагрузки

 

Материал	Предел измерения (НВ)	Минимальная толщина образца, мм	P = kD	D, мм	Р, Н	Время выдержки под нагрузкой
Черные металлы	140-450	6-3 4-2 < 2	P = 300D	10,0 5,0 2,5
< 140	> 6 6-3 < 3	P = 100D	10,0 5,0 2,5
Цветные металлы	> 1300	6-3 4-2 < 2	P = 300D	10,0 5,0 2,5
350-1300	9-3 6-3 < 3	P = 100D	10,0 5,0 2,5
	80-350	> 6 6-3 < 3	P = 25D	10,0 5,0 2,5

 

Во избежание остаточной деформации закаленных шариков необходимо, чтобы твердость испытуемого мате­риала не превышала НВ 450.

Подготовка образца. Перед испытанием поверхность образца, в которую вдавливается шарик, обрабатывают наждачным камнем или напильником, чтобы она была ровной, гладкой и не было окалины или других дефектов. При обработке поверхности образец не должен нагреваться выше 100-150 ⁰С.

Подготовка поверхности образца необходима для получения пра­вильного отпечатка и чтобы края его были отчетливо видны для из­мерения.

 

Подготовка пресса Бринелля и проведение испытания.

1. Устано­вить на подвеску 9 (см. рис. 5.2) грузы 10, соответствующие выбранной для испытания нагрузке.

2. Наконечник с шариком вставить в шпиндель 2 и укрепить.

3. На столик 4 поместить испытуемый образец 5. Образец должен плотно лежать на столике. Центр отпечатка должен находиться от края образца на расстоянии не менее диаметра шарика, а при пов­торных испытаниях центр отпечатка должен находиться от центра соседнего отпечатка на расстоянии не менее двух диаметров шарика.

4. Вращением диска 6 по часовой стрелке поднять столик и прижать образец 5 к шарику 3, продолжить вращать диск 6 до тех пор, пока пружина не сожмется и диск 6 перестанет вращаться.

5. Нажатием кнопки включить электродвигатель. При этом загорится сигнальная лампочка 11.

6. После автоматической остановки вращения электродвигателя и прекращения горения лампочки 11 вращением против часовой стрелки диска 6 опустить столик 4, снять с него образец 5 с полученным отпечатком.

7. Измерить диаметр полученного отпечатка.

8. Определить твердость материала образца.

 

Измерение отпечатка и определение твердости. Полученный от­печаток измеряют с помощью специальной лупы в двух взаимно пер­пендикулярных направлениях. Диаметр отпечатка определяется как среднее арифметическое из двух измерений. Лупа имеет шкалу с ценой деления 0,05 мм. Нижней частью опоры лупу плотно прижимают к испытуемой поверхности образца над отпечатком. Поворачивая окуляр, необходимо добиться, чтобы края отпечатка были резко очерчены. Затем, передвигая лупу, надо один край отпечатка совместить с началом шкалы (рис. 5.3). Прочитать деление шкалы, с которым совпадает противоположный край отпечатка. Данный отсчет и будет соответствовать размеру диаметра отпечатка.

 

Рисунок 5.3 – Отсчет по шкале лупы

Чтобы не прибегать к длительным вычисле­ниям твердости по приведенной выше формуле, на практике пользуются специальной таблицей, которая дает перевод диаметра отпечатка в число твердости (НВ) (табл. 5.2).

 

Таблица 5.2 – Таблица определение чисел твердости по Бринеллю и перевода значений твердости, определенных различными методами

 

 

Число твердости по Роквеллу – число отвлеченное и выражает­ся в условных единицах. За единицу твердости принята величина, соответствующая осе­вому перемещению индентора на 0,002 мм. Число твердости по Роквеллу НR определяется по формулам: при измерении по шкале В НRВ=130-е, при измерении по шкале С НRС= 100-е и А НRА = 100-е.

Испытание на твердость по Роквеллу

Испытание на твердость по Роквеллу проводят вдавливанием в испытуемый образец (деталь) алмазного (или из твердого сплава) конуса с углом 120 ⁰ или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм. Шарик и конус вдавливают в испытуемый образец под де­йствием двух последовательно приложенных нагрузок: предваритель­ной Р₀ и основной Р_1, т.е. Р = Р₀+ Р₁. Предварительная нагрузка Р₀ во всех случаях равна 100 Н. Основная нагрузка Р₁ и общая Р, а также вид индентора зависит от твердости исследуемого материала (табл. 5.3).

 

 

Таблица 5.3 – Выбор нагрузки и индентора для испытаний

 

Материалы	Вид индентора	Р0, Н	Р1, Н	Р, H	Шкала	Обозначение твердости	Предел измерений
Твердые материалы (сплавы)	Алмазный конус				А	HRA	70-85
Цветные металлы	Стальной шарик				D	HRB	25-100
Термообработанные стали	Алмазный конус				C	HRC	20-67

 

Величина е определяется по следующей формуле:

 

,

 

где h - глубина внедрения индентора в испытуемый материал под действием общей нагрузки Р, измеренная после снятия основной наг­рузки Р₁ c оставлением предварительной нагрузки Р₀; h под дейс­твием предварительной нагрузки Р₀ (рис. 5.4).

 

Рисунок 5.4 – Схема определения твердости вдавливанием алмазного конуса на приборе Роквелла

 

Метод Роквелла имеет широкое применение, так как дает возможность испытывать мягкие, твердые, а также тонкие материалы. Отпечатки от конуса или шарика очень малы, что позволяет испытывать готовые детали без их порчи; испытание легко выполнимо и занимает мало времени; число твердости читается прямо по шкале.

Значения твердости по Роквеллу могут быть переведены в значе­ния твердости по Бринеллю и наоборот. С этой целью используют специальные таблицы (см. табл. 5.2).

 

Прибор Роквелла. Прибор Роквелла (рис. 5.5) состоит из станины 1, в верхней передней части которой расположен шпиндель 2, в который с помощью винта закрепляется индентор 3. Стол 4 служит установки на нем испытуемого образца 5, При вращении по часовой стрелке маховика б приводится во вращение винт 7, который, перемещаясь вверх, перемещает стол 4 и образец 5, подводя его к индентору 3. При дальнейшем вращении маховика 6 индентор 3 (шарик или алмазный конус) начинает внедряться в исследуемый образец 5, а маленькая и большая стрелки поворачиваются по шкале индикатора 8. Маховик вращают до тех пор, пока малая стрелка на циферблате индикатора 8 не совпадет с красной точкой (или риской). Это свидетельствует о том, что создана предварительная нагрузка Р = 100 Н.

 

Рисунок 5.5 – Схема прибора Роквелла

 

Установку шкалы индикатора 8 на нуль производят вращением полукольца 9. Циферблат индикатора 8 имеет две шкалы черную (С и А совмещены) и красную (В). В исходном состоянии большая стрелка индикатора должна совпадать с нулевым делением шкалы "С".

Приведение в действие основной нагрузки осуществляется путем поворота тумблера 10 (включается электродвигатель) и нажатием клавиши 11 (приводится в действие кулачковый механизм привода электродвигателя). При этом подвеска с грузами 12 опускается и этим обеспечивается действие основной нагрузки. Создается общая нагрузка (предварительная + основная). Под действием основной нагрузки алмазный конус или шарик еще глубже проникает в испыту­емый образец, при этом большая стрелка индикатора 8 поворачива­ется против часовой стрелки. После окончания вдавливания основ­ная нагрузка автоматически снимается и остается только предварительная нагрузка. Большая стрелка индикатора 8 при этом перемещается по часовой стрелке и указывает на соответствующей шкале индикатора число твердости по Роквеллу. После испытания вращением маховика 6 против часовой стрел­ки стол 4 опускают и образец 5 освобождают от действия предва­рительной нагрузки.

 

Подготовка образца к исследованию. Испытуемая поверхность образца не должна иметь таких дефектов, как окалина, забоины, грязь, различные покрытия. Все дефекты должны быть удалены наж­дачным кругом, напильником или наждачной бумагой. При обработке поверхность образца не должна нагреваться выше 100-150 С.

 

Подготовка прибора Роквелла к работе и проведение испыта­ния.

1. Закрепить оправку с алмазным конусом или шариком и уста­новить необходимую нагрузку.

2. Установить испытуемый образец 5 на стол 4 прибора.

3. Вращением маховика б по часовой стрелке стол осторожно поднимать до тех пор, пока малая стрелка индикатора не встанет против красной точки (или риски) на шкале индикатора 8.

4. Вращением полукольца 9 установить нуль шкалы "С" (черного цвета) против конца большой стрелки индикатора.

5. Включить тумблер 10.

6. Плавным нажатием руки на клавишу 11 включить в работу привод механизма нагружения.

7. После окончания цикла нагружения произвести отсчет по шкале индикатора.

8. Вращением маховика 6 против часовой стрелки опустить стол, образец передвинуть и повторить испытание в другом месте образца. На каждом образце должно быть проведено не менее трех испытаний. Расстояние центра отпечатка от края образца или от центра другого отпечатка должно быть не менее 3 мм.

9. Выключить тумблер 10.