Испытание металлов на твёрдость

Лабораторная работа № 1

Испытание металлов на твёрдость

Цель работы.

Ознакомиться с основными методами определения твердости металлов и сплавов, приобрести навыки измерения твердости на различных приборах.

2.2 Общие сведения.

Твердость – это свойство поверхностного слоя материала оказывать сопротивление упругой и пластической деформации при местных контактных воздействиях со стороны другого, более твердого и не получающего остаточной деформации тела (индентора) установленной формы и размеров.

Существуют следующие методы определения твердости основанные: на принципе вдавливания, на принципе царапания, маятниковом методе, методе упругой отдачи, динамическом методе и др.

Твердость имеет большое практическое значение, так как характеризует многие рабочие свойства металлов и сплавов. Твердость связана определенным соотношением с пределом прочности при растяжении σ_в.

Испытание на твердость может производиться непосредственно на детали без ее разрушения. Поэтому оно широко применяется не только для изучения свойств металла, но и как метод контроля качества металла в готовых изделиях.

В зависимости от формы индентора и измеряемой различают три метода определения твердости материала: определение твердости по Бринеллю, по Роквеллу, по Виккерсу.

2.3 Основные методы определения твердости:

Метод Бринелля.

При измерении твердости по Бринеллю в испытуемый образец вдавливают индентор в виде стального закаленного шарика диаметром D под нагрузкой P, приложенной в течение определенного времени твердость измеряют на приборах ТШ-2 или ТП-2. После снятия нагрузки на поверхности металла образуется отпечаток в виде сферической лунки диаметром d (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 - Схема измерения твердости по методу Бринелля.

Число твердости по Бринеллю НВ (МПа) определяется отношением приложенной нагрузки P (МН) к площади поверхности сферического отпечатка F (м²):

где D – диаметр вдавливаемого шарика, м;

d – диаметр отпечатка, м;

Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012-59 записывают без единиц измерения. На практике при измерении твердости расчет по указанной формуле не проводят, а используют таблицы. Необходимо отметить, что определение твердости по методу Бринелля допускается для сталей, твердость которых не более 450 НВ, цветных металлов с твердостью не более 200 НВ.

 

Между пределом прочности σ_в, МПа, и числом твердости HB, МПа, различных металлов существует следующая приближенная зависимость:

 

где k – коэффициент.

 

Сталь с твердостью HB:

1200 – 1750 ………………………… σ _в ≈3,4·HB

1750 – 4500…………………………. σ _в ≈ 3,5·HB

Медь, латунь, бронза:

отожженная……………………….… σ _в ≈ 5,5·HB

наклепанная…………………………. σ _в ≈ 4,0·HB

Алюминий и алюминиевые сплавы с твердостью:

HB = 200 – 450………………………. σ _в ≈ 3,3-3,6·HB

Дуралюмин:

отожженный………………………... σ _в ≈ 3,6·HB

после закалки и старения………..… σ _в ≈ 3,5·HB

Метод Виккерса.

При измерении твердости по Виккерсу в поверхность шлифованного материала вдавливают алмазный индентор в форме правильной четырехгранной пирамиды. Испытания проводят на приборе ТП-2. После снятия нагрузки P измеряют диагонали отпечатка в виде квадрата, оставшегося на поверхности образца (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Схема измерения твердости по методу Виккерса

Твердость HV (МПа) определяют как отношение нагрузки P к площади боковой поверхности F пирамидального отпечатка:

где P – нагрузка, H;

d – среднее арифметическое значение длины обеих диагоналей отпечатка, мм.

На практике число твердости определяют по специальным таблицам по значению диагонали отпечатка при выбранной нагрузке.

По Виккерсу можно испытывать как мягкие, так и высокотвердые металлы, можно измерять твердость образцов толщиной до 0,3 – 0,5 мм. Числа твердости по Виккерсу можно перевести в числа твердости по Роквеллу, а также в числа твердости по Бринеллю по таблицам (Приложение А).

Числа твердости по Виккерсу и Бринеллю имеют одинаковую размерность и для материалов с твердостью до 450 HB практически совпадают.

Измерение микротвердости.

 

Методом определения микротвердости оценивают твердость отдельных структурных составляющих: отдельных зерен карбидов, металлических соединений или тонких слоев, получающихся в результате химико-термической обработки и гальванических покрытий, тонких полуфабрикатов. Для этих целей используют приборы моделей ПМТ – 3, (рисунок 2. 5), ПМТ-5.

Рисунок 2.5 – Прибор ПМТ-3

Определение микротвердости основано на вдавливании под нагрузкой от 0,005 H (5 гс) до 2 H (200 гс) в испытуемый образец алмазной четырехгранной пирамиды и последующем измерении диагонали отпечатка с помощью микроскопа при увеличении до 485 раз.

Поверхность исследуемого образца должна быть отполирована и подвергнута травлению. Значения микротвердости определяют по специальным таблицам (ГОСТ 9450-76) или по той же формуле (2.3), что и твердость по Виккерсу.

На рисунке 2.6 показаны отпечатки, полученные на отдельных структурных составляющих углеродистой стали, содержащей 0,4 % углерода, большой отпечаток (а) получен на мягком феррите, а отпечаток меньших размеров (б) – на твердом перлите.

Рисунок 2.6 - Отпечатки, полученные при определении микротвердости

Метод Роквелла.

Этот метод измерения твердости (ГОСТ 9013-59) наиболее универсален и наименее трудоемок. Испытания проводят на приборе ТК-2. Здесь нужно измерять размеры отпечатка, так как числа твердости отсчитывают непосредственно по шкале.

Определение твердости по методу Роквелла основано на вдавливании в исследуемый материал закаленного стального шарика диаметром 1,59 мм или алмазного конуса и последующем измерении глубины вдавливания (рисунок 2.8).

 

Рисунок 2.8 – Схема измерения твердости по Роквеллу

 

Шарик или конус вдавливается в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной P₀ и основной P₁.

Предварительно нагружают для того, чтобы исключить влияние упругой деформации и шероховатости поверхности образца на результаты измерений. Под действием предварительной нагрузки Pо, она всегда равна 98 H (10 кгс), индентор погружается в поверхность образца на величину h_о (рисунок 2.8). Затем на образец подается основная нагрузка P₁ (общая нагрузка Р будет равна сумме предварительной Р_о и основной Р₁ нагрузок).

Глубина вдавливания h после снятия основной нагрузки P₁, когда на индентор вновь действует только предварительная нагрузка Pо, 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 имеются две шкалы: черная – при использовании алмазного конуса и красная – при использовании стального шарика. Стрелка индикатора отмечает не указанную глубину вдавливания h, а величину 100 – h по черной шкале при измерении твердости алмазным конусом и величину 130 – h по красной шкале при измерении шариком, где 100 и 130 – число делений на шкалах С и В индикатора.

Твердость на приборе Роквелла можно измерять:

- алмазным конусом с общей нагрузкой 1471 H (150 кгс), значение твердости характеризуется цифрой, показываемой стрелкой на черной шкале.

С циферблата. Обозначается символом HRC. Эту шкалу используют для твердых материалов с твердостью более 450 НВ, например, закаленных сталей. Предел измерений по шкале С - 20-67;

- алмазным конусом с общей нагрузкой 589 H (60 кгс). Значение твердости в этом случае определяют по шкале А. Обозначают HRA и применяют для особо твердых материалов, например, для изделий из твердых сплавов с твердостью более HRC 70, а также для измерения тонких твердых поверхностных слоев (0,3-0,5 мм); изделий с поверхностной термической или химико-термической обработкой. Пределы измерений твердости по шкале А - 70-85;

- стальным шариком с общей нагрузкой 981 H (100 кгс). Значение твердости определяют по красной шкале В. Обозначают HRB. Способ применяют для измерения сравнительно мягких материалов, например мягкой отожженной стали или цветных сплавов. Пределы измерения твердости по шкале В - 25-100.

При замере твердости по Роквеллу расстояние от центра отпечатка до края образца или до центра другого отпечатка должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и 4 мм при вдавливании шарика. Толщина образца должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка. Твердость следует замерять не менее, чем в трех точках.

Сравнение чисел твердости по Роквеллу и по Бринеллю приведено в приложении А.

Метод Польди.

Наряду с рассмотренными статическими методами, иногда для определения твердости крупногабаритных деталей применяется также и динамический метод Польди.

Определение твердости по методу Польди НР основано на сравнении диаметров отпечатков шарика, полученных одновременно на исследуемом образце и эталоне с известной твердостью в результате одного удара (рисунок 2.11).

 

Рисунок 2.11 - Определение твердости по методу Польди

 

Удар производится ручным молотком по бойку, который прижат к эталону пружиной. Шарик находится между эталоном и образцом. При ударе шарик вдавливается и в образец, и в эталон.

Измерив диаметры отпечатков на образце и эталоне и зная твердость эталона, можно подсчитать твердость исследуемого образца

где HBэ - число твердости эталона в единицах Бринелля;

Fэ - площадь поверхности отпечатка на эталоне;

Fобр - то же, на исследуемом образце.

Если подсчитать поверхность отпечатков на эталоне и образце, имеющих форму шаровых сегментов, то приближенно

где Э d - диаметр отпечатка на эталоне;

обр d - то же, на образце.

Прибор Польди дает приближенные результаты, так как твердость эталона Нэ определяется при статическом вдавливании по методу Бринелля, а твердость исследуемого образца НР- при динамическом вдавливании.

Для одного и того же материала динамическая твердость значительно больше статической. Для различных материалов отношение этих твердостей колеблется в пределах от 1,6 до 2,8.

Практически твердость по методу Польди после удара и измерения диаметров отпечатков не подсчитывается по приведенным формулам, а определяется по соответствующим таблицам.

Порядок выполнения работы

Получите у лаборанта образцы металлов, подлежащие испытанию на твердость (ориентировочная величина твердости образцов должна быть известна) и при необходимости прошлифуйте на шлифовальной бумаге.

Содержание отчета.

В отчете должны быть изложены:

1) цель работы;

2) характеристика испытаний на твердость, как способа исследования металлов; краткое описание методов определения твердости по Бринеллю, Виккерсу, Роквеллу;

3) схемы испытания на твердость методами Бринелля, Виккерса и Роквелла;

4) заполненные таблицы с результатами измерения твердости по методам Бринелля и Роквелла; расчет предела прочности материалов, испытанных по методу Бринелля.

2.6 Контрольные вопросы.

2.6.1 Что понимается под твердостью?

2.6.2 Назовите приборы для определения твердости.

2.6.3 Опишите принцип действия приборов для испытания на твердость.

2.6.4 Чем объясняется широкое применение способа измерения твердости?

2.6.5. Какова размерность твердости для различных способов испытания?

2.6.6 Когда применяются методы Роквелла, Виккерса, Бринелля?

2.6.7 Твердость каких металлов испытывают по методу Бринелля?

Приложение А (справочное).

Таблица ориентировочного перевода значений твердости, определяемых различными методами

Лабораторная работа № 1

Испытание металлов на твёрдость

Цель работы.

Ознакомиться с основными методами определения твердости металлов и сплавов, приобрести навыки измерения твердости на различных приборах.

2.2 Общие сведения.

Твердость – это свойство поверхностного слоя материала оказывать сопротивление упругой и пластической деформации при местных контактных воздействиях со стороны другого, более твердого и не получающего остаточной деформации тела (индентора) установленной формы и размеров.

Существуют следующие методы определения твердости основанные: на принципе вдавливания, на принципе царапания, маятниковом методе, методе упругой отдачи, динамическом методе и др.

Твердость имеет большое практическое значение, так как характеризует многие рабочие свойства металлов и сплавов. Твердость связана определенным соотношением с пределом прочности при растяжении σ_в.

Испытание на твердость может производиться непосредственно на детали без ее разрушения. Поэтому оно широко применяется не только для изучения свойств металла, но и как метод контроля качества металла в готовых изделиях.

В зависимости от формы индентора и измеряемой различают три метода определения твердости материала: определение твердости по Бринеллю, по Роквеллу, по Виккерсу.

2.3 Основные методы определения твердости:

Метод Бринелля.

При измерении твердости по Бринеллю в испытуемый образец вдавливают индентор в виде стального закаленного шарика диаметром D под нагрузкой P, приложенной в течение определенного времени твердость измеряют на приборах ТШ-2 или ТП-2. После снятия нагрузки на поверхности металла образуется отпечаток в виде сферической лунки диаметром d (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 - Схема измерения твердости по методу Бринелля.

Число твердости по Бринеллю НВ (МПа) определяется отношением приложенной нагрузки P (МН) к площади поверхности сферического отпечатка F (м²):

где D – диаметр вдавливаемого шарика, м;

d – диаметр отпечатка, м;

Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012-59 записывают без единиц измерения. На практике при измерении твердости расчет по указанной формуле не проводят, а используют таблицы. Необходимо отметить, что определение твердости по методу Бринелля допускается для сталей, твердость которых не более 450 НВ, цветных металлов с твердостью не более 200 НВ.

 

Между пределом прочности σ_в, МПа, и числом твердости HB, МПа, различных металлов существует следующая приближенная зависимость:

 

где k – коэффициент.

 

Сталь с твердостью HB:

1200 – 1750 ………………………… σ _в ≈3,4·HB

1750 – 4500…………………………. σ _в ≈ 3,5·HB

Медь, латунь, бронза:

отожженная……………………….… σ _в ≈ 5,5·HB

наклепанная…………………………. σ _в ≈ 4,0·HB

Алюминий и алюминиевые сплавы с твердостью:

HB = 200 – 450………………………. σ _в ≈ 3,3-3,6·HB

Дуралюмин:

отожженный………………………... σ _в ≈ 3,6·HB

после закалки и старения………..… σ _в ≈ 3,5·HB