Визначення твердості металів

Мета роботи: ознайомитися з призначенням та будовою приладів різних типів; навчитися практично визначати твердість металів.

Завдання студенту: на заданих зразках визначити твердість кожним із вивчених методів.

Устаткування, матеріали, посібники: твердомір ТШ (прилад Брінелля); твердомір ТК (прилад Роквелла); прилад ПМТ-3; мікроскоп МПБ-2; еталони твердості; зразки металу для визначення твердості, методичні посібники з проведення роботи і оцінки їх результатів.

Теоретичні відомості. Широке використання металів у техніці пов’язане, в першу чергу, із різноманітністю їх властивостей, що залежать від особливостей внутрішньої будови металу. Основні властивості металів показані на рисунку Л.1.1.

 

Рис. Л.1.1. Класифікація основних властивостей металів

Твердістю називають властивість металу чинити опір проникненню в нього іншого (більш твердого) тіла, яке не отримує в процесі цього залишкової деформації. Твердість металу найчастіше визначають одним із трьох методів: Брінелля (ГОСТ 9012-59), Роквелла (ГОСТ 9013-59) та Віккерса (ГОСТ 9450-76).

Ці методи характеризуються простотою, можливістю застосовувати їх на готовому виробі без руйнування.

Для визначення твердості фаз та структурних складових твердості в середині окремих зерен, тонкого поверхневого шару (після хіміко-термічної обробки) тонких листів та фольги застосовують метод визначення мікротвердості на приладі ПМТ-3 (ГОСТ 9450-76).

Різноманітні тіла, що втискаються (стальна кулька, алмазний конус, алмазна піраміда), називаються інденторами (англ. indent – зазубрина, виїм).

Метод Брінелля. У процесівизначення твердості за методом Брінелля в дослідний зразок втискається металева кулька (рис. Л.1.2 а). Після припинення дії навантаження Р на поверхні зразка залишається сферичний відбиток. Величина відбитку залежить від твердості металу – чим твердіший метал, тим меншою буде величина відбитку. Твердість за Брінеллем позначається символом з англійських літер НВ.

Щоб визначити число твердості – НВ, потрібно величину прикладеного навантаження Р поділити на сферичну площину відбитку F:

,

де D – діаметр кульки, мм;

d – діаметр відбитку, мм;

Р – навантаження на кульку, Н (кгс).

Для випробовування застосовують кульки із загартованої сталі або твердого сплаву діаметром 2,5; 5,0 та 10 мм. У залежності від твердості металу, навантаження на індентор може змінюватись від 156 до 30000 Н. Щоб результати випробувань були співставними за будь-якого діаметру взятої кульки, між навантаженням і діаметром кульки повинно витримуватися відношення: Р = 25 Д ², Р = 100 Д ² та Р = 300 Д ² (табл. Л.1.1).

Таблиця Л.1.1. Технічні межі дослідження твердості
за методом Брінелля

Матеріал	Твердість, Па	Товщина зразка, мм	Діаметр кульки, мм	Навантаження, Н	Тривалість навантаження, с
Чорні метали	1400–4500	більше 6 6–3 до 3	2,5
< 1400	більше 6 6–3 до 3	2,5
Кольорові метали	350–1300	більше 6 6–3 до 3	2,5
80–350	більше 6 6–3 до 3	2,5

 

Запис результатів випробування проводиться наступним чином. Якщо випробування проводиться кулькою Д = 10 мм під навантаженням Р = 30 кН із тривалістю навантаження t = 10 с, то записують число твердості з символом НВ. Наприклад, твердість сталі 350 НВ. Якщо умови випробування інші, то це показують відповідними індексами: наприклад, число твердості 230; випробування проводилось кулькою Д = 5,0 мм за навантаження 7,5 кН (750 кгс) із тривалістю навантаження 10 секунд. У цьому випадку результати записують так: 230 НВ _5/750/10.

На рисунку Л.1.2 б наведена схема важільного приладу типу ТШ. Прилад має станину 1. Дослідний зразок встановлюють на предметний столик 4, повертаючи маховик 3, ґвинтом 2 піднімають зразок до дотику його з кулькою 5 і далі до повного стискання пружини 6.

Пружина створює попереднє навантаження на кульку, рівне 1 кН, що забезпечує стійке положення зразка під час навантаження. Після цього кнопкою вмикають електродвигун 10 і через черв’ячну передачу редуктора 11, шатун 9 та систему важелів 7 разом із вантажами 8 створюють задане навантаження на кульку. Після розвантаження приладу зразок знімають і визначають діаметр відбитку за допомогою мікроскопа МПБ-2.

Розрахунковий діаметр дорівнює середньому арифметичному значенню вимірів у двох взаємно перпендикулярних напрямах. Розмір відбитку визначають із точністю до 0,05 мм.

Якщо відомі навантаження, діаметр кульки та відбитку, то за спеціальною таблицею визначають число твердості.

Метод Роквелла. Метод Роквелла (рис. Л.1.3 а) базується на тому, що в дослідний зразок втискається алмазний конус із кутом при вершині 120^° або загартована стальна кулька діаметром 1,59 мм. Алмазний конус використовують для твердих металів, кульку – для м’яких.

Індентор втискають у дослідний зразок під дією двох навантажень –попереднього Р_о, яка дорівнює 0,1 кН, та основного Р₁. Під час втискання алмазного конуса до нього накладається загальне навантаження Р, яке дорівнює 0,6 кН або 1,5 кН, а за втискання кульки – 1 кН. Відповідно цим навантаженням, на індикаторі приладу є шкали: чорна С (А) та червона В. Число твердості, отримане з використанням шкал, позначається відповідно: HRC,HRA,HRB. Шкалою А (зведеною зі шкалою С) користуються для визначення твердості виробів із дуже твердим поверхневим шаром, отриманим за хіміко-термічної обробки (цементація, азотування та ін.), а також твердих сплавів із твердістю до HRA 85. Шкалою С користуються у процесі вимірювання поверхні сталей, що мають твердість до HRC 70. Шкалою В користуються у процесі вимірювання твердості незагартованих сталей, кольорових металів та сплавів, що мають твердість до HRB 100.

Число твердості за Роквеллом вимірюється в умовних одиницях і визначається за формулами:

– за втискання алмазного конуса;

– за втискання кульки,

де 100 – число чорних поділок шкали з циферблату індикатора; 130 – число поділок червоної шкали В; h ₀ – глибина втискання конусного індентора (мм) під дією попереднього навантаження, h – глибина входження конусного індентора під дією загального навантаження після його припинення з продовженням дії попереднього навантаження; 0,002 – глибина входження алмазу (кульки по відповідному пересуванню стрілки індикатора на одну поділку).

На рисунку Л.1.3 б показано схему важільного приладу Роквелла (типу ТК). Зразок встановлюють на предметний столик 2. Потім обертанням штурвалу 1 за годинниковою стрілкою піднімають зразок до дотику з алмазним конусом або кулькою 3. Під час наступного обертання штурвалу починають пересуватися велика та мала стрілка циферблата індикатора 4 і утворюється попереднє навантаження 0,1 кН. Після суміщення показника малої стрілки з червоною крапкою, обертання штурвала потрібно припинити. Потім чорним сектором циферблат повертають так, щоб нульова поділка шкали стала навпроти кінця великої стрілки.

Короткочасним натисканням на педаль створюють основне навантаження. Положення великої стрілки після припинення дії основного навантаження показує значення твердості металу, що досліджується.

За число твердості приймають середнє арифметичне значення, отримане протягом трьох вимірювань. Число твердості за Роквеллом можна перевести на число твердості за Брінеллем.

 

Метод Віккерса. Під час випробовування на твердість за даним методом (рис. Л.1.4) у поверхню матеріалу втискається алмазна чотирьохгранна піраміда з кутом при вершині 136^°.

Величина навантаження дорівнює 10–1200 Н (частіше – 100 Н). Тривалість навантаження для чорних металів становить 10–15 с, для кольорових – 30 секунд.

За відомого навантаження Р вимірюється (за допомогою вмонтованого у прес мікроскопа) діагональ відбитку d і визначається число твердості HV як відношення навантаження до площі поверхні відбитку F:

.

Методом Віккерса можна визначити твердість будь-яких матеріалів – від найм’якіших і до алмаза (практично до 9000 МПа).

Число твердості за Віккерсом позначається символом HV із зазначенням навантаження і тривалості навантаження. Наприклад, 450 HV _10/15 означає, що число твердості за Віккерсом 450 отримане за навантаження Р = 100 Н (10 кгс), прикладеного до алмазної піраміди протягом 15 секунд.

Числа твердості за Брінеллем і Віккерсом практично співпадають до 4000 МПа, тобто НВ = HV.

Визначення мікротвердості. Для визначення твердості тонких листів, фольги, дроту малих діаметрів, тонких деформованих шарів, гальванічного покриття, напилення, твердості окремих структурних складових сплавів застосовують метод мікротвердості. Цей метод подібний до методу Віккерса, але відрізняється силою навантаження, яка може становити 0,05–5 Н.

Число мікротвердості записується наступним чином: Н із зазначенням величини навантаження та отриманого результату.

Наприклад: Н ₁₀-180, це означає, що визначення проводилося за навантаження Р = 0,1 Н (10 гс) і мікротвердість металу складає 1800 МПа (180 кгс/мм²).

Випробування мікротвердості проводять на приладі ПМТ-3 (рис. Л.1.5). Зразок 1 розміщують на столику 18 приладу. Спостерігаючи в окуляр 11 зі шкалою, виконують наведення на різкість за допомогою мікрометричних ґвинтів 9 та 8. Обертанням барабана 12 встановлюють перехрестя ниток (подвійний штрих) у центрі поля зору на четверту поділку шкали.

Пересуваючи столик рукоятками 2 і 19, зразок підводять до перехрестя ниток. На шток 16 приладу, що навантажує 5, ставлять вантаж 3. Рукояткою 20 плавно повертають предметний столик у ліве положення до упора, а також плавно навантажують зразок протягом 2–3-х секунд, повертаючи на себе рукоятку 14, витримують 5 секунд.

 

Після витримки зразок плавно розвантажують, повертаючи рукоятку 14 від себе. Потім рукояткою 20 плавно повертають столик у праве положення до упору (не допускаючи удару об упор) та окулярним мікрометром 10 вимірюють діагональ отриманого відбитку з точністю ± 0,5 поділки шкали.

Для цього перехрестя шкали підводять впритул спочатку до правого кута відбитку (рис. Л.1.6), суміщаючи нитки зі сторонами відбитку і записують перше значення на барабані. Після цього перехрестя шкали підводять впритул до лівого кута відбитка та записують друге значення на барабані.

Для визначення довжини діагоналі в поділках потрібно від першого значення відняти друге. Ціна поділу лімбу барабана дорівнює 0,3 мм. Тому для визначення довжини діагоналі (в мкм) отриману різницю множать на 0,3. Для зручності відліку до початку вимірювання потрібно встановити нульову поділку на барабані.

Приклад. Значення показника барабану за першого розташування відбитку відповідає нульовій поділці. Після переміщення відбитка в друге положення значення показника барабану відповідає
97 поділкам. Різниця відбитків становить: 97 – 0 = 97 поділок.

Помноживши число поділок барабана на ціну однієї поділки, визначають довжину діагоналі відбитка:

97 ´ 0,3 = 29,1» 29 мкм.

Далі за таблицями визначають значення твердості:

Н₁₀₀ – 221 кгс/мм² = 2210 МПа.

Питання для самостійної підготовки до роботи

1. Сформулювати поняття твердості матеріалів та назвати методи її визначення.

2. Навести схему та викласти суть визначення твердості за методом Брінелля.

3. Навести схему та коротко описати суть визначення твердості за методом Роквелла.

4. Навести схему та коротко описати суть визначення мікротвердості.

Порядок виконання роботи

1. Ознайомитися з будовою твердомірів Брінелля, Роквелла та приладу для вимірювання мікротвердості ПМТ -3.

2. Приготувати зразки для вимірювання твердості. На них не по­винно бути в місці вимірювання окалини та іржі.

3. На приладі Брінелля виміряти твердість низьковуглецевих сталей. Вимірювання провести індентором діаметром 10 мм, наванта­ження – 30 кН, час витримки – 10 секунд.

Після отримання відбитку за допомогою мікроскопу МПБ -2 заміря­ти діаметр відбитку та за додатком 1 визначити величину твердості.

4. Визначення твердості за методом Роквелла провести по шкалі С (індентор – алмазний конус, навантаження – 1,5 кН). Величину твердості отримують безпосередньо за шкалою приладу.

5. Мікро­твердість визначити шляхом вимірювання довжини діагоналі відбитку переміщенням точки перетину ліній на об'єктиві з лівого в пра­вий кут відбитку шляхом повороту мікрометричного ґвинта. Перемноживши кількість поділок повороту мікрометра на ціну поділки 0,3 мкм, одержати довжину діагоналі та за додатком 2 знайти вели­чину мікротвердості.

Дати висновки за результатами виконаної роботи.

Контрольні запитання для захисту роботи

1. Що називається твердістю металів?

2. Які існують методи визначення твердості?

3. Суть методу визначення твердості за методом Брінелля?

4. В чому суть визначення твердості за методом Роквелла?

5. Яка методика визначення мікротвердості?

6. Назвати шкали, за якими ведеться вимірювання твердості за ме­тодом Роквелла та їх призначення.

7. В чому полягають переваги та недоліки кожного з вивчених методів?

8. Як позначається твердість металів?

9. Як готуються зразки для випробування на твердість?

10. Які методи визначення твердості використовуються для м'яких металів, металів середньої та високої твердості?

Лабораторна робота 2