Краткие теоретические сведения

Определение твердости металлов

Цель работы: изучить устройство приборов Бринелля и Роквелла и усвоить приемы работы на этих приборах.

Материалы и оборудование:

1. Твердомер Бринелля (электронный имитатор).

2. Твердомер Роквелла (электронный имитатор).

 

Краткие теоретические сведения

Под твердостью понимают  свойство металлов оказывать сопротивление пластической деформации. Твердость – одна из наиболее распространенных характеристик, позволяющая судить о качестве металлов без их разрушения. Часто только по твердости определяют годность полуфабрикатов и готовых изделий. Широкое распространение методов измерения твердости объясняется следующими причинами: быстротой оценки качества изделий, отсутствием разрушений изделий и порчи поверхности. Для определения твердости применяют методы вдавливания, отскакивания бойка, царапания.

Наибольшее распространение и практическое применение имеет определение твердости при пластическом вдавливании индентора (стального шарика, алмазного конуса).

Испытание на твердость производят с помощью приборов Бринелля, Роквелла. Прибор и нагрузку следует выбирать в соответствии с материалом и твердостью образца, его размерами и строением по сечению. О величине твердости судят либо по глубине вдавливания индентора (твердость по Роквеллу – HRC, HRB, HRA), либо по величине отпечатка при вдавливании индентора при соответствующей нагрузке (твердость по Бринеллю – НВ). Во всех случаях при вдавливании индентора происходит пластическая деформация испытуемого материала под индентором. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем на меньшую глубину проникает индентор, и тем выше твердость. Таким образом, твердость при испытаниях методом вдавливания характеризует сопротивление материала пластическим деформациям.

Измерение твердости по Бринеллю

При определении твердости по Бринеллю в плоскую поверхность металла под действием нагрузки вдавливают твердый стальной шарик диаметром 2,5; 5; и 10 мм (рис.1). Время выдержки под нагрузкой – 10,30 или 60 секунд.

Числом твердости по Бринеллю называют отношение нагрузки, передаваемой через шарик на образец, к площади поверхности сферического отпечатка шарика. Твердость по Бринеллю можно определить по формуле:

 

кгс/мм²,

 

где Р – приложенная нагрузка, кгс (;

F – сферическая поверхность отпечатка,мм²;

D – диаметр шарика, мм;

d - диаметр отпечатка, мм.

Для перевода твердости по Бринеллю в единицы СИ необходимо умножить число твердости в кгс/мм² на 9,81, т.е. .

 

 

Рисунок 1. Схема определения твердости по Бринеллю

 

Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов твердостью более 450 НВ, так как стальной шарик может деформироваться, и результаты будут искажаться. Толщина испытуемого образца должна быть не менее 10-ти кратной глубины отпечатка.

Твердость по Бринеллю определяют на прессах с гидравлическим или механическим приводом (рис.2).

 

 

Рисунок 2. Электронный и ручной твердомеры Бринелля

 

 

Диаметр отпечатка определяется с помощью лупы с точностью до 0,01 мм при испытаниях шариком диаметром 2,5 мм, а при испытаниях шариком 5 и 10 мм – с точностью до 0,05 мм. Измерение диаметра отпечатка надо производить в 2-х взаимно перпендикулярных направлениях и брать среднее значение. Также число твердости по Бринеллю можно определить с помощью специальных таблиц (таблица 1).

 

 

Таблица 1

Условия испытания металлов на твердость по Бринеллю

Металлы	Твердость HB, кгс/мм2	Толщина образца, мм	Соотношение между P и D2	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка Р, кгс	Выдержка под нагрузкой, с
Черные	140-250	6-3		10	3000	10
		4-2		5	750
		менее 2		2,5	187,5
Черные	140	более 6		10	1000	10
		6-3		5	250
		менее 3		2,5	62,5
Цветные	130	6-3		10	3000	30
		4-2		5	750
		менее 2		2,5	187,5
Цветные	35-130	9-3		10	1000	30
		6-3		5	250
		2-3		2,5	62,5
Цветные	8-35	более 6		10	250	60
		6-3		5	62,5
		менее 3		2,5	15,6

 

 

Измерение твердости по Роквеллу

 

При определении твердости по Роквеллу в испытуемый образец вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120º или стальной шарик диаметром 1,59 мм. Алмазный конус применяют для испытания твердых металлов, а шарик – для мягких металлов. Толщина образца при испытании по Роквеллу должна быть не менее 1,5 мм.

Конус и шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками: предварительной Р₀, равной 100 Н (10 кгс), и основной Р₁, равной 900 Н для шарика (шкала В), 1400 Н для алмазного конуса (шкала С) и 500 Н для алмазного конуса при испытании твердых и тонких материалов (шкала А) (таблица 2).

Таблица 2

Основные шкалы твердости по Роквеллу

Обозначение твердости	Шкала индикатора	Индентор (наконечник)	Полная нагрузка, кг
НRA	А	Алмазный конус с углом при вершине 120º	60
HRB	В	Шарик диаметром 1/16 дюйма из карбида вольфрама (или из твердой стали)	100
HRC	С	Алмазный конус с углом при вершине 120º	150

 

Предварительно нагружают для того, чтобы исключить влияние упругой деформации и шероховатости поверхности образца на результаты измерений. Под действием предварительной нагрузки индентор погружается в поверхность образца на величину h₀ (рисунок 3).

 

Рисунок 3. Схема определения твердости по Роквеллу

 

Затем на образец подается основная нагрузка (общая нагрузка Р будет равна сумме предварительной Р₀ и основной Р₁ нагрузок). Глубина вдавливания H после снятия основной нагрузки Р₁, когда на индентор вновь действует только предварительная нагрузка Р₀, в условных единицах определяет число твердости по Роквеллу. Твердость по Роквеллу – величина безразмерная, выраженная в условных единицах.

Величину твердости определяют по индикаторной шкале, каждое деление которой соответствует глубине вдавливания 2 мкм.

На циферблате индикатора имеются 2 шкалы – красная и черная (для стального шарика и алмазного конуса соответственно). Шкала В имеет 130 делений, нулевая точка – та же, что и для шкалы С. твердость по Роквеллу определяют в условных единицах и обозначают:HRA 70, YRC 62 и т.д.

Цифры указывают твердость по соответствующей шкале.

Метод Роквелла благодаря своей простоте и скорости измерения, высокой точности и небольшой величине отпечатка получил широкое применение в промышленности.

Твердость по шкале С определяется формулой:

Шкала С имеет 100 делений. Разность H-h₀ представляет разность глубин погружения индентора после снятия основной нагрузки и до ее приложения (при предварительном нагружении).

Твердость по шкале В (HRB) определяется формулой:

Испытание на приборе Роквелла производится следующим образом. Подвесив груз и вставив в оправку индентор (стальной шарик или алмазный конус), испытуемый образец кладут на предметный столик. Включают прибор. При помощи штурвала образец подводится к наконечнику и слегка вдавливается в него. Пружина при этом сжимается до достижения предварительной нагрузки в 10 кгс, что отмечается на циферблате установкой маленькой стрелки против красной точки. Затем шкала обнуляется поворотом ободка, при этом большая стрелка совпадает с нулем черной шкалы индикатора. Нажатием на педаль прикладывается максимальное усилие. Далее следует прочесть на циферблате по соответствующе шкале значение твердости и освободить индентор.

 

Данные, полученные при замере твердости на приборе Бринелля, заносятся в таблицу № 3, а на приборе Роквелла – в таблицу № 4.

 

Таблица 3

Твердость при испытании на приборе Бринелля

№	Нагрузка	Диаметр шарика D, мм	Диаметр отпечатка			Число твердости HB
			d1	d2	dср	по формуле	по таблице

Таблица 4

Твердость при испытании на приборе Роквелла

№	Нагрузка	Шкала	Показания индикатора
			отдельные измерения	среднее значение
		В
		С