Твёрдость материалов. Испытания на твёрдость

Под твёрдостью понимают свойство поверхностного слоя материала оказывать сопротивление упругой и пластической деформации при локальном воздействии со стороны, более твёрдого тела (индентора) определённой формы и размеров.

По широте применения испытания на твёрдость, особенно при комнатной температуре, конкурируют с наиболее распространёнными испытаниями на статическое растяжение. Это объясняется простотой и высокой производительностью, возможностью оценки свойств отдельных структурных составляющих и тонких слоёв на малой площади, легко устанавливаемой связью результатов определения твёрдости с данными других испытаний.

Существующие методы измерения твёрдости отличаются друг от друга по форме применяемого индентора, условием приложения нагрузки и способу расчёта чисел твёрдости. Выбор метода измерения твёрдости зависит от различных факторов: твёрдости материала образца, его размеров, и т. д. Наиболее распространены методы определения твёрдости, в которых используют статическое вдавливание индентора нормально поверхности образца.

При измерении твёрдости по Бринеллю стальной закалённый шарик диаметром D вдавливается в исследуемый образец под нагрузкой Р, приложенной в течение определённого времени, и после снятия нагрузки измеряют диаметр d оставшегося на поверхности образца отпечатка.

 

                                          а                                                                б

 

Рис. Схема измерения твёрдости методом Бринелля (а) и Роквелла (б)

 

 

Число твёрдости по Бринеллю (HB) есть отношение нагрузки Р к площади F шаровой поверхности отпечатка:

 (18)

При определении твёрдости по Бринеллю используют шаровые инденторы одного из трёх диаметров: 2,5; 5,0; 10,0 мм.

При измерении твёрдости по Роквеллу индентор – алмазный конус с углом при вершине 120 ° или стальной шарик диаметром 1,588 мм – вдавливается в образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р₀ и общей Р. Число твёрдости по Роквеллу измеряют в условных единицах и оно является мерой глубины вдавливания индентора под определённой нагрузкой.

При использовании в качестве индентора алмазного конуса твёрдость по Роквеллу определяют по двум шкалам – А и С. При измерении по шкале А (HRA): P =60 кгс, по шкале С (HRC): Р =150 кгс. При использовании в качестве индентора стального шарика число твёрдости HRB определяют по шкале В: Р =100 кгс.

Измерение твёрдости методом Виккерса предусматривает вдавливание в поверхность образца алмазный индентор в форме четырёхгранной пирамиды с углом при вершине 136 °. Число твёрдости по Виккерсу HV определяют делением нагрузки на площадьбоковой поверхности полученного пирамидального отпечатка:

 (19)

Физический смысл числа твёрдости по Виккерсу аналогичен НВ. Величина HV тоже является усреднённым условным напряжением в зоне контакта индентор-образец и характеризует обычно сопротивление материала пластической деформации.

Описание лабораторной установки для определения твёрдости

Для проведения испытаний в лабораторной работе используются твёрдомеры трех типов.

1. Прибор типа ТШ-2М для определения твёрдости методом Бринелля. Порядок работы на приборе ТШ-2М следующий:

1) выбирают диаметр шарика и величину нагрузки;

2) закрепляют наконечник с нужным шариком в шпинделе винтом;

3) на подвеску накладывают требуемое количество сменных грузов;

4) испытываемый образец устанавливают на столик и, вращая маховик, поднимают, и прижимают его к шаровому индентору;

5) нажав кнопку, приводят в движение электропривод;

6) по окончании испытания вращением маховика в обратную сторону опускают столик, снимают образец, измеряют диаметр отпечатка и определяют число твёрдости.

2. Прибор ТК-2 для определения твёрдости методом Роквелла. Порядок работы на приборе ТК-2 следующий:

1) в зависимости от материала и формы образца выбирают и устанавливают соответствующий индентор и необходимую нагрузку;

2) устанавливают образец на столик и вращением маховичка плавно поднимают образец до тех пор, пока индентор не окажется вдавленным в образец предварительной нагрузкой Р₀ =10 кгс;

3) этот момент будет достигнут, когда маленькая стрелка на лимбе индикатора совпадёт с красной точкой на шкале;

4) если в качестве индентора используют алмазный конус (по шкале А или С), необходимо повернуть ободок индикатора, чтобы ноль чёрной шкалы совместился с большой стрелкой. Если испытания проводят по шкале В (индентор – стальной шарик), большую стрелку устанавливают на деление 30 красной шкалы;

5) нажимают рукоятку привода прибора и после остановки большой стрелки считывают число твёрдости с точностью до половины деления шкалы.

 

Рекомендации по проведению экспериментов

 

Основные области применения для наиболее часто используемых способов испытания на твёрдость следующие:

1) по Бринеллю – металлические материалы твёрдостью до НВ 450;

2) по Виккерсу – металлические материалы от очень низкой до очень высокой твёрдости, а также для маленьких и тонких образцов;

3) по Роквеллу (шкала С) – стили и сплавы в диапазоне твёрдости HRC 20-67;

4) по Роквеллу (шкала В) – материалы средней твёрдости: низкоуглеродистые стали, латуни, бронзы и др. в диапазоне твёрдости HRB 35-100.

Результаты практического испытания та твёрдость в первую очередь зависят от правильности выбора способа испытания, от надёжности испытательной аппаратуры и соблюдения инструкций по проведению испытания.

Повышению точности и достоверности определяемых значений твёрдости способствует соблюдение следующих указаний:

1. При подготовке к испытанию на твёрдость рекомендуется проводить проверку прибора путём промера эталонных образцов различной твёрдости. Кроме того, следует проверить индентор на пригодность и на плотность посадки.

2. Испытываемая поверхность образца должна иметь металлический блеск и быть обработана таким образом, чтобы можно было точно замерить диаметр, диагональ или глубину отпечатка индентора. Рекомендуется производить обработку таким образцом, чтобы не происходил нагрев образца.

3. Образец следует установить таким образом, чтобы испытываемая плоскость образца была расположена перпендикулярно направлению действия нагрузки.

4. Расстояние центра отпечатка от края образца должно быть, по крайней мере, в 2,5 раза больше среднего диаметра отпечатка. Расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть равно четырём средним диаметрам отпечатка.

5. При испытаниях методом Роквелла расстояние между центрами двух соседних отпечатков или расстояние центра отпечатка индентора от края образца должно составлять не менее 3 мм

6. На каждом образце твёрдость измеряют не менее чем 3-5 точках и подсчитывают среднее значение.

 

Произвести измерения твёрдости методом Бринелля образцов из конструкционных углеродистых и легированных марок сталей.

При испытаниях по методу Бринелля после снятия нагрузки и удаления шарика замеряются два взаимно перпендикулярных диаметра оставшегося отпечатка. В случае анизотропных материалов величина этих отпечатков может быть различной. Твёрдость по Бринеллю НВ определяется при этом для среднего диаметра с учётом диаметра шарика и величины нагрузки по формуле (18) и таблице твёрдости (табл.6).

Найденные значения твёрдости следует занести в протокол испытания, где, кроме того, указывается использованный способ и условия испытания (табл. 4).

По найденным значениям твёрдости, используя формулы из табл. 2, необходимо: рассчитать условный предел прочности и условный предел текучести, оформить отчёт по лабораторной работе.

Задание №3

Произвести измерения твёрдости методом Роквелла образцов из конструкционных и инструментальных марок сталей.

При испытаниях по Роквеллу после снятия испытательной нагрузки на испытательном приборе ТК-2 считывается значение числа твёрдости по Роквеллу. Найденные значения твёрдости следует занести в протокол испытания (табл. 5). Оформить отчёт по лабораторной работе.

 

Таблица 4

Протокол испытания на твёрдость методом Бринелля

№ п/п

Марка стали

Химический состав

Способ испытания

Испытательная нагрузка, кгс

Длительность испытания, с

Диаметры отпечатков (первый отпечаток)

НВ для первого отпечатка

…

…

…

…

НВ среднее значение

Примечание (sВ, sТ)

d1

d2

dСР

…

…

…

…

…

…

 

Таблица 5

Протокол испытания на твёрдость методом Роквелла

№ п/п	Марка стали	Химический состав	Способ испытания	Испытательная нагрузка, кгс	Значение твёрдости				Примечание
					Первый отпечаток	Второй отпечаток	Третий отпечаток	Среднее значение твёрдости

 

 

Составление отчёта

 

Отчёт о лабораторной работе должен включать:

1. Наименование и цель работы.

2. Краткое описание методики проведения экспериментов.

3. Схемы проведения опытов и экспериментальных установок.

4. Расчётные формулы.

5. Таблицы экспериментальных результатов.

6. Выводы по результатам лабораторной работы.

 

 

Список литературы

1. Захарова Г.Г. Методические указания к практическому занятию «Технологии, машины и оборудование машиностроительного производства», «Технология машиностроения», Северодвинск: Севмашвтуз, 2000.
2. Варгасов Н.Р., Кондрашова А.А. Лабораторный практикум по дисциплине «Технология конструкционных материалов», Северодвинск: Севмашвтуз, 1988.
3. Варгасов Н.Р. Методическое пособие к лабораторной работе «Механические свойства конструкционных материалов», Северодвинск: Севмашвтуз, 2001.
4. Варгасов Н.Р. Проектирование и производство заготовок: учебное пособие, Северодвинск: РИО Севмашвтуза, 2001, - 51 с.
5. Варгасов Н.Р. Учебно-методическое пособие по практическим занятиям «Разработка чертежа поковки и технологического процесса горячей штамповки», Северодвинск: Севмашвтуз, 1993.
6. Кузнецова Ю.Ю. Оценка технологичности заготовок из проката. Методические указания по выполнению лабораторных работ. Северодвинск: Севмашвтуз, 2004 – 18 с.
7. Материаловедение: Учебник для вузов/ Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др., Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 7-е изд., стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. – 648 с.: ил.