Практическая работа № 1

Практическая работа № 1

Тема: Измерение твердости по Бринеллю и Роквеллу.

Цель работы: изучение методов определения значения твёрдости материалов по Бринеллю и Роквеллу.

Время: 6 часов.

1. 80-84, 2. 43-46

1. Общие сведения.

Под твёрдостью понимают свойство материала сопро­тивляться проникновению в него более твёрдого наконечника (индентора), не получающего остаточных деформаций. Испытания на твёрдость получили большое распространение в промышленности, т.к. они дают возможность изу­чать свойства материала не только на опытных образцах, но и на готовых кон­струкциях и деталях.

Наибольшее распространение получили статические методы:

а). метод Бринелля – вдавливание стального закалённого шарика;

б). метод Роквелла – вдавливание стального шарика при контроле мягких

материалов или алмазного конуса при испытании твёрдых;

Указанные методы определения твёрдости регламентированы соответст­вующими ГОСТами: метод измерения твёрдости по Бринеллю (ГОСТ 9012-59) и метод измерения твёрдости по Роквеллу (ГОСТ 9013-59).

2. Метод измерения твёрдости по Бринеллю

Сущность метода заключается во вдавливании шарика (стального или из твёрдого сплава) в образец или изделие под воздействием нагрузки Р, прило­женной перпендикулярно поверхности образца, в течение определённого вре­мени и измерении диаметра отпечатка d после снятия нагрузки (рис.1.).

Рис.1. Схема вдавливания шарика в образец или изделие

Диа­метр образующегося сферического отпечатка d измеряется лупой­-компаратором (с помощью микроскопа).

Твёрдость по Бринеллю (НВ) численно равна напряжению, выраженному отношением приложенной нагрузке Р к площади поверхности А сферического отпечатка диаметром d (размерность при обозначении твёрдости опускается):

HB = P/А (кгс/мм²), где

Согласно ГОСТу твёрдость по Бринеллю при использовании шарика D=10 мм под нагрузкой Р=29420 Н (3000 кГ) с продолжительностью выдержки под нагрузкой от 10 до 15 секунд обозначается цифрами и буквами НВ, например: 185 НВ. При других условиях испытания после букв НВ указывается условие испытания в следующем поряд­ке: диаметр шарика, нагрузка и продолжительность выдержки под нагрузкой,

например: 185 НВ 5/750/20 – твёрдость по Бринеллю, определённая с примене­нием шарика D =5 мм, при нагрузке 750 кГ и продолжительности выдержки под нагрузкой 20 с. Размерность числа твёрдости во всех случаях опускается.

Диаметр шарика и нагрузку следует выбирать так, чтобы диаметр отпе­чатка находился в пределах 0,25D d D. Согласно ГОСТ допускается применение шариков различных диаметров (диаметром 1,0; 2,0; 2,5; 5,0 и 10 мм).

Определившись с диамет­ром шарика D, используемого при испытаниях, выбирают нагрузку Р согласно данным табл. 1.

Таблица 1

Значение нагрузки P

Следует иметь в виду, что по Бринеллю нельзя определять твёрдость очень мягких (НВ 450). В мягких мате­риалах шарик погрузится очень глубоко, диаметр отпечатка будет близок к диаметру шарика D и перестанет служить критерием твёрдости. Наоборот, если твёрдость материала будет очень большой, величина отпечатка получится ма­ленькой и края его будут столь нечёткими, что не удастся точно измерить диа­метр отпечатка, к тому же шарик может получить остаточную деформацию, ис­кажающую результаты испытания.

Минимальная толщина образца S должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка h и определять­ся по формуле S≥10h. На практике минимальная толщина образца или изделия определяется по ГОСТ 9012-59.

Продол­жительность выдержки под нагрузкой должна быть:

- от 10 до 15 с для черных металлов,

- для цветных металлов и сплавов – от 10 до 180 с, в зависимости от материала и его твёрдости.

Рис.2. Прибор для измерения твердости материалов ТШ-2М

Для измерения твёрдости металлов по методу Бри­нелля предназначен при­бор ТШ –2М (тип ТБ). Принципиальная схема прибора изображена на рис. 2. Механизм подъ­емного столика 8, на который помещается образец, состоит из пары винт-­маховик 9, 10. Испытания осуществляются с помощью механизма, приводимо­го в работу электродвигателем 1, включение которого производится нажатием пусковой кнопки, расположенной на левой стороне станины 4. От двигателя че­рез червячный редуктор 2 вращение передаётся на кривошипно-шатунный ме­ханизм нагружения 5. Шатун опускается, и освобождённая рычажная система нагружения 6 с грузами 3 передаёт через оправку 7 с шариком на конце задан­ную нагрузку образцу. Механизм нагружения возвращается в исходное поло­жение механизмом переключения вращения ротора электродвигателя. Электро­двигатель при этом автоматически отключается.

Время выдержки образца под полной нагрузкой контролируют с помо­щью сигнальной лампы. Величина нагрузки, диаметр шарика и время испыта­ния могут меняться путём регулирования пресса в зависимости от твёрдости материала образца. Если твёрдость материалов, ис­пытываемого образца лежит в пределах от 140D=10 мм.

Для проведения испытания выбирают соответственный шариковый на­конечник, закрепляют его в шариковой оправке 7, накладывают на подвеску требуемое количество грузов и устанавливают необходимую продолжитель­ность выдержки образца под нагрузкой.

На рис. 3 дано изобра­жение отпечатка, видимое в лупу (d = 4,25 мм). По диаметру отпе­чатка находят число твёрдости по формуле (1).

Рис. 3. Схема измерения отпечатка

Диаметр каждого отпечатка следует измерить дважды по двум взаимно пер­пендикулярным направления с точностью до сотых долей миллиметра и взять сред­нее из двух полученных измерений (раз­ность измерений не должна превышать 2%). Число отпечатков каждый раз долж­но быть не менее трёх.

2. Метод измерения твёрдости по Роквеллу

Сущность метода заключается во вдавливании наконечника с алмазным конусом (или со стальным шариком) в испытуемый образец (изделие) под дейст­вием последовательно прилагаемых предварительной (Р0) и основной (Р1) на­грузок и в измерении остаточной глубины проникновения этого наконечника (е) после снятия основной нагрузки (рис. 4).

Рис.4. Схемы внедрения алмазного (а) и шарикового (б) наконечников

При измерении твёрдости по Роквеллу применяют два типа стандартных наконечников:

- для материалов небольшой (средней) твёрдости – стальной шарик диа­метром 1,588 мм (1/16 дюйма);

- для материалов с высокой твёрдостью (с твёрдостью по Бринеллю НВ230) – алмазный наконечник, представляющий собой конус с углом α = 120⁰ и радиусом закругления при вершине R=0,2 мм.

При испытании по Роквеллу сначала прикладывается малая (предвари­тельная нагрузка) Р0=98 Н (10 кГ) для надёжного прижатия наконечника к об­разцу. Затем дополнительно прикладывается дополнительная нагрузка Р1, кото­рая в сумме с предварительной нагрузкой составляют общую нагрузку Р, при­кладываемую к испытуемому образцу (Р0+Р1=Р). При отсчёте числа твёрдости нагрузка Р уменьшается до Р0 .

Таким образом, твёрдость по Роквеллу характеризуется разницей между максимальной глубиной проникновения в материал наконечника (выраженной в делениях шкалы прибора) и остаточной глубиной его проникновения после снятия основной нагрузки (рис. 4). Чем твёрже материал, тем меньше будет глубина проникновения нако­нечника в него.

Замеры глубины проникновения осуществляют по шкале циферблата ин­дикатора прибора. На циферблате нанесены числа твердости в условных еди­ницах. Единица твёрдости по Роквеллу соответствует осевому перемещению наконечника на 0,002 мм (размерность при обозначении числа твёрдости опус­кается).

Прибор для измерения твёрдости по Роквеллу имеет шкалы А, В и С. От­счёт по шкалам А и С (на циферблате индикатора прибора эти шкалы имеют черный цвет) производится при вдавливании в испытуемый образец алмазного наконечника. Отсчёт по шкале В (на циферблате индикатора эта шкала красно­го цвета) производится при вдавливании в образец стального шарика под дей­ствием соответствующих нагрузок, указанных в табл. 2.

Таблица 2

Значения нагрузок вдавливаемого шарика

Символ HR сопровождается буквой, указывающий на шкалу, по которой проводились испытания, например: HRA, HRB или HRC.

Шкалу А применяют для испытания твёрдых сплавов, тонкого листового материала и для определения твердости тонкого верхнего слоя поверхности. Шкалу В применяют для испытаний металлов средней твёрдости.

Шкала С служит для определения твёрдости термически обработанной стали.

Предельные числа твёрдости для соответствующих шкал приведены в табл.3. При твёрдости менее HRC 20 алмаз слишком глубоко проникает в об­разец, а при твердости более HRC 67 – в алмазном конусе создаётся слишком большое давление.

Таблица 3

Предельные числа твёрдости

Результат испытаний по Бринеллю точнее испытаний по Роквеллу вслед­ствие больших размеров получаемых отпечатков и, следовательно, меньшего влияния неоднородности материала и дефектов на поверхности.

Однако метод Роквелла имеет следующие преимущества:

- незначительность повреждений по­верхности испытуемого образца,

- возможность определения твёрдости тонко­стенных деталей, а также твёрдости термически обработанных стальных по­верхностей.

Толщина образца или глубина поверхностного слоя должна быть не менее чем в 8 раз больше вели­чины (е). После испытания на противоположной стороне образца не должно быть заметно следов деформации от отпечатка. Подготовка поверхности испы­туемого образца, требования к наконечникам и условия проведения испытаний регламентируются ГОСТ 9013-59.

Для измерения твёрдости металлов и спла­вов по методу Рок­велла предназначен прибор ТК-2М. ( рис. 5).

Рис. 5. Прибор для измерения твердости материаловТК-2М

Механизм 14 подъёмного столика 11 состоит из пары винт-маховик 12, 13. Для проведения испытания выбирают тип наконечника и устанавливают соответствую­щие грузы 3. Испытания осуществляется с помощью ме­ханизма погружения, приводимого в дей­ствие электродвигателем 1. От двигателя через червячный редуктор 2 вращение пе­редаётся кулачковому блоку 16, который через шток 5 опускает грузовой рычаг 6 с грузами 3 и передаёт нагрузку на образец через наконечник 10 с шариком или алмазным конусом на конце. При повороте кулачкового блока 16 на один оборот шток 5 возвращает грузовой рычаг 6 в первоначальное положение, снимая с наконечника приложенную нагрузку (за счёт подвески 6 и пружины 9 на образец передаётся нагрузка, равная соответст­венно 60 и 10 кГ; нагрузка в 100 или 150 кГ передаётся на образец за счёт смен­ных грузов 3).

Включение привода нагружения осуществляется педалью 15, а включе­ние электродвигателя – включателем, установленном на правой стороне корпу­са прибора 4.

Измерение глубины проникновения наконечника в образец осуществ­ляется индикатором 7 (рис.6), который приводится в движение рычагом 8. Точная ус­тановка индикатора на нуль достигается махо­вичком 14, который управляет шкалой индика­тора 7 через трос 17.

Рис.6. Индикатор пресса Роквелла (ТК-2)

Прочность металла или сплава — это его способность сопротивляться разрушению под действием внешних сил (нагрузок).

Для испытания на растяжение из металла или спла­ва изготовляют образцы, форма и размеры которых ус­тановлены ГОСТом. Испытание прочности труб и про­волоки производится в натуральном виде, т. е. без изготовления образцов.

Испытание производится на разрывных машинах (рис. 7). В верхний и нижний захваты закрепляют головки образца. Верхний захват закреплен неподвижно, а нижний — с помощью специального механизма медлен­но опускается, растягивая образец до его разрыва. Раз­виваемое машиной усилие достигает 50 т.

Рис.7. Разрывная машина: 1 — шкала самописца,

2 — станина, 3 — образец, 4 — верхний и нижний захваты

Наибольшая нагрузка Р_В, когда образец металла на­чинает сужаться (образуется шейка), называется нагруз­кой предела прочности при растяжении, а напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, называется пре­делом прочности при растяжении — Ϭ_В и определяется как отношение наибольшей нагрузки Р_В к первоначаль­ной площади поперечного сечения образца F₀, т. е.

Выводы:

8