Определение твердости металлов

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе,

профессор П.Б. Акмаров

«___»_______________2009 г.

 

 

Лабораторная работа

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ

Методическое пособие для студентов Агроинженерного факультета подготовки инженеров и бакалавров специальностей:

ФМСХ, ТОРМ, ФЭАСХ, ФМПСХП

311300, 311900, 311400, 311500

 

Ижевск 2009 г

Методическое пособие составлено на основе Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования, утвержденного 05.04.2000 г.

Рассмотрено и рекомендовано к изданию кафедрой МТКМ, протокол №___ от___________2009 г. рекомендовано к изданию методической комиссией Агроинженерного факультета ФГОУ ВПО «Ижевская ГСХА», протокол №___от __________ 2009г.

 

 

Рецензент:

Кандидат технических наук, доцент кафедры МСХ

Большаков В.И.

 

Составители:

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, доцент кафедры РМТКМ

Дронзиков В.А.

 

Определение твердости металлов. Лабораторная работа./Сост.: Дронзиков В.А., Ижевск: РИО ИжГСХА, 2009 г. – 11с.

 

УДК 620.22

ББК 34.63-56я2

 

 

© РИО ИжГСХА, 2009 г.

©Дронзиков В.А. сост., 2004, 2009г.

 

Краткая теория.

I.I. Твердость как характеристика свойства металлов

Твердость, это свойство металлов оказывать сопротивление пластической деформации или хрупкому разрушению при местном контактном воздействии в определенных условиях испытаний.

Условия испытаний и характеристики твердости определяются способом испытаний.

Твердость характеризует наличие и вид предществующей термической обработки, прочностные и пластические свойства, износостойкость и обрабатываемость металлов. Испытание на твердость является наиболее распространенным и самым простым методом оценки качества термической обработки металлов.

Твердость металлов измеряют при помощи воздействия на поверхность металла инструмента (индентора), изготовленного из малодеформирующегося, т.е. заведомо более твердого, чем измеряемый металл, материала (твердая закаленная сталь, алмаз, твердый сплав) и имеющего форму шарика, конуса, пирамиды или иглы. Существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника (вдавливание, царапание, отскок и др.) на поверхность металла. Наибольшее применение нашло измерение твердости вдавливанием наконечника в металл.

1.2. Измерение твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012-?).

В металл вдавливается статической нагрузкой стальной закаленный шарик (рис.1).

 

Рис. 1.

 

Твердость определяется по диаметру отпечатка d шарика в металле по специальным таблицам. Например, при d=4,0 мм по таблице (на лабораторной работе таблица представлена плакатом) находим, что твердость металла равна НВ229. Число твердости по Бринеллю НВ характеризуется отношением нагрузки, действующей на шарик, к площади сферической поверхности отпечатка:

,

где P – нагрузка на шарик, кгс;

F – площадь отпечатка, мм²;

D – диаметр шарика, мм;

D – диаметр отпечатка, мм.

Получаемое число твердости при прочих равных условиях определяется диаметром отпечатка d. Последний тем меньше, чем выше твердость испытуемого металла.

Испытание на твердость проводят на специальном приборе твердометре ТШ. Твердометр ТШ обеспечивает установленные ГОСТ 9012-59 нормы для испытаний (табл. 1): статическое приложение нагрузки на шарик от 15,6 до 3000 кГс, время выдержки под нагрузкой от 10 до 60 с и применение шариков диаметра 2,5; 5 и 10 мм.

Для того чтобы совпадало число твердости металла, определенное при разных диаметрах шарика, необходимо создать подобные (одинаковые) условия деформации металла под шариком. Это будет выполнено, если соотношение между нагрузкой и квадратом диаметра шарика будет таким, как приведено в таблице 1.

Твердость по Бринеллю в стандартных условиях записывается: НВ 232, НВ 420 и т.п.

В нестандартных условиях: НВ _2,5-15,6-60 80.

Таблица 1

Условия испытаний металлов на твердость по Бринеллю (ГОСТ 9012-?)

 

Диаметр шарика, мм	Нагрузка, Р, кгс	Выдержка под нагрузкой, с
2,5	От 15,6     до

 

Жирным шрифтом выделены стандартные условия испытаний.

Существует количественная связь между величиной твердости по Бринеллю и пределом прочности σ_в многих металлов и сплавов.

Так, для сталей, алюминия и алюминиевых сплавов с НВ (20-45), дуралюмина эта связь описывается формулой σ_в= (0,33-0,36)НВ кгс/мм²,

где НВ – число твердости.

Эта и другие подобные зависимости широко используются в инженерной деятельности, так как позволяют быстро, просто и достаточно надежно определить прочность металлов. Обычно пользуются готовыми таблицами.

 

1.2. Измерение твердости по Роквеллу (ГОСТ 9013-59)

 

При этом методе испытания на твердость в металл статически вдавливается алмазный (или твердосплавный) конус с углом при вершине в 120⁰ или стальной твердый шарик диаметром D = 1,588 мм = дюйма (рис 2).

 

Рис. 2. Схема измерения твердости по Роквеллу

 

Число твердости определяется глубиной проникновения наконечника в металл, чем она меньше, тем выше твердость, см. рис 2. Глубину проникновения наконечника в металл легко измерить и связать с показывающим прибором, поэтому на твердомерах Роквелла установлен прибор, сразу показывающий число твердости.

Твердомеры для измерения твердости по Роквеллу типа ТК могут создавать нагрузку на наконечник Р = 60, 100, 150 кГс. Каждая шкала определяется нагрузкоц и индентором и имеет, свое буквенное обозначение, цвет, характеристику твердости, и свои пределы измерения, см. табл. 2.

Таблица 2

Условия испытаний, обозначение (характеристика) и пределы измерения твердости по Роквеллу

Обозна-чение шкалы	Нагрузка на наконеч-ник, кГс	Тип наконечника	Цвет шкалы	Пример обозначения и допускаемые пределы измерения твердости (цифра – число твердости)
А		алмазный конус	черный	HRА 70 и т.п. HRА (70-85)
В		стальной шарик	красный	HRВ 25 и т.п. HRВ (25-100)
С		алмазный конус	черный	HRC 20 и т.п. HRC (20-67)

1 .3. Область применения, достоинства и недостатки методов измерения твердости по Бринеллю и Роквеллу

Методом Бринелля определяют твердость металлов в пределах НВ (80-450), но применение шариков из особо твердых сплавов позволяет измерить твердость до НВ 740. Толщина слоя металла, имеющего примерно одинаковую твердость, должна быть не менее 10 глубин вдавливания шарика. Поверхность металла в местах определения твердость должна быть обработана (зачищена) по плоскости. Этот метод применяется для определения твердости заготовок для деталей (поковок, отливок и др.).

Достоинства метода Бринелля: 1) простота и надежность прибора измерения твердости; 2) отсутствие необходимости тщательной подготовки поверхности металла для измерения; 3) результат измерения определяет среднюю твердость в металлах с неоднородной твердостью зерен (например, чугун), вследствие большого размера отпечатка шарика в металле.

Недостатком этого метода является то, что его нельзя применять для измерения твердости тонких листов, лент, деталей с твердым тонким поверхностным слоем и деталей, на поверхности которых недопустим большой размер отпечатка шарика.

Методом Роквелла по шкале С измеряют твердость закаленных сталей твердостью НВ (230-700), по шкале В – твердость мягких сталей, цветных металлов и сплавов с НВ (60-240), по шкале А – твердость закаленных сталей с НВ (380-780). Место измерения твердости должно быть плоским,тщательно отшлифовано или отполировано. Глубина слоя металла, твердость которого измеряется, должна быть не менее 10 глубин вдавливания наконечника в металл.

Достоинством метода Роквелла является то, что им можно измерять твердость более тонких и твердых слоев металла, чем методом Бринелля, причем размеры отпечатка на детали и затрата времени на измерение существенно меньше, чем при методе Бринелля.

Недостатки метода Роквелла: 1) тщательная подготовка поверхности металла для измерения; 2) необходимость в специальном помещении (чистота, отсутствие вибрации); 3) на результат измерения из-за малого размера отпечатка сильно влияет неоднородность некоторых металлов.

 

1.4. Измерение твердости по Виккерсу (ГОСТ 2999-59)

 

При этом методе в металл статически вдавливается правильная четырехугольная алмазная пирамида с углом при вершине 136⁰.

Измерения проводятся на твердомере Виккерса типа ТП под нагрузками от 1 до 120 кГс. С помощью измерительного микроскопа, установленного на твердомере, с большой точностью определяется длина диагонали отпечатка, которая по таблице переводится на число твердости по Виккерсу HV.

Число твердости по Виккерсу можно определить расчетом как усилие, приходящееся на единицу поверхности отпечатка (так же, как и по Бринеллю), т.е. .

Число твердости по Виккерсу и по Бринеллю имеют одинаковую размерность и для материалов твердость до НВ 450 практически совпадает. Вместе с тем, измерения пирамидой дают более точные значения для металлов с высокой твердостью, чем измерения шариком или конусом. Алмазные пирамиды имеют большой угол при вершине 136⁰, поэтому диагональ ее отпечатка примерно в 7 раз больше глубины отпечатка даже при проникновении пирамиды на небольшую глубину, что делает этот метод особенно пригодным для измерения твердости тонких образцов (до 0,3-0,5 мм) или также поверхностных слоев металлов (до 0,03-0,05 мм).

 

1.5. Измерение микротвердости (ГОСТ 9550-60)

 

Метод микротвердости предназначен для измерения твердости микроскопических объемов металлов, например, отдельных фаз или структурных составляющих сплавов. Применяют его и для измерения твердости мелких деталей, тонкой проволоки или ленты, тонких поверхностных слоев металла. Он отличается от метода Виккерса только величиной алмазной пирамиды и нагрузки Р, которые здесь меньше. Так, величину статической нагрузки на алмазную пирамиду можно обеспечить в пределах Р = 0,005 … 0,5 кГс. Единицы твердости обозначаются Н_Р 300, где Р – нагрузка на наконечник в, цифра – число твердости.

Например, Н₅200, Н₂₀255 и т.п.

 

1.6. Измерение твердости по Шору

 

Твердость определяют при помощи бойка весом 2,6г с твердосплавным стальным или алмазным наконечником, падающего с высоты 257мм на подготовленную поверхность детали. О величине твердости металла судят по высоте отскока бойка. Величину отскока от закаленной на мартенсит инструментальной стали приняли за 100 единиц твердости Шора. Твердость определяют с помощью прибора, называемого склероскопом Шора, и обозначают HS90, HS83 и т.п.

Величина твердости по Шору связана с упругостью, пластичностью металлов. например, отскок бойка от бронзы и стали одинаковой прочности будет разной величины, т.к., эти материалы имеют разную упругость (жесткость).

1.7. Измерение твердости методом царапания

Поверхность детали тщательно полируют, а затем алмазным конусом или пирамидой под определенной и постоянной нагрузкой наносят царапину, по ширине которой судят о твердость металла.

Твердость определяют по условным единицам шкалы Мооса.

2. Контрольные вопросы

1. Понятие о твердости.

2. Факторы, влияющие на твердость.

3. Обозначение твердости по Бринеллю и ее размерность.

4. Обозначение твердости по Роквеллу и ее размерность.

5. Выбор метода измерения твердости заданного изделия или образца.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Геллер Ю.А. и Рахштадт А.Г. Материаловедение. М.Металлургия,1984.

2. Практикум по материаловедению и технологии конструкционных материалов. Некрасов С.С.

 

Учебное издание

 

 

Лабораторная работа

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ

Методическое пособие для студентов Агроинженерного факультета подготовки инженеров и бакалавров специальностей:

МСХ, ТОРМ, ЭАСХ, МПСХП

311300, 311900, 311400, 311500

 

 

Составители

Дронзиков Вячеслав Александрович

 

 

Редактор ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­____________________

Техн. Редактор _______________

 

Подписано к печати_____________2009 г

Формат 60×84 1/16. Усл.печ.л.____ Уч.-изд. л­ ­­­­­­­­­­­­___

Тираж _____экз. Заказ №______

 

ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА

426069, г. Ижевск, ул. Студенческая,11.