Измерение твердости по методу Бринелля

Лабораторная работа №3

«Измерение твердости металлов»

Цель работы: научиться определять твёрдость металлов и сплавов

различными методами.

 

К работе допущена: Бирюкова В.В.

ст. гр. МС-109

Работу выполнила:

 

Работу защитила:

 

 

Твердостью называется способность материала оказывать сопротивление внедрению в него другого тела, не получающего остаточных деформаций. Для определения твёрдости в поверхность материала с определённой силой вдавливается тело (индентор), выполненное в виде стального шарика, алмазного конуса, пирамиды или иглы. В результате вдавливания под достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. По размерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твёрдости материала.

Значения твердости зависят от метода измерений. На практике наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и метод микротвердости.

 

Измерение твердости по методу Бринелля

 

Твердость по Бринеллю (НВ) (ГОСТ 9012-59) определяется по диаметру отпечатка закалённого стального шарика, который медленно вдавливают в испытываемую поверхность под определенной нагрузкой Р (см. рис. 1).

HB ,

где Р ‑ нагрузка, кгс; F ‑ площадь отпечатка, мм ²; D ‑ диаметр шарика, мм; d ‑ диаметр отпечатка, мм.

 

Рис.1. Схема определения твердости металла по методу Бринелля:

Р ‑ нагрузка, кгс; D ‑ диаметр шарика, мм; d ‑ диаметр отпечатка, мм.

 

При измерении твердости шариком D = 10 мм, при Р = 3000 кгс с выдержкой t = 10 c обозначение твердости имеет вид, например, 185 НВ. При других условиях 185 НВ 5/750/30, где 5 – диаметр шарика (мм), 750 – нагрузка (кгс), 30 – время вдавливания (с).

По твердости можно определить другие характеристики металла, в первую очередь предел прочности σ_в. Установлено, что σ_в = k НВ, где k – коэффициент, зависящий от материала:

k = 0,34 для сталей с НВ 120…175,

k = 0,35 для сталей с HB 175…450;

k = 0,55 для меди, латуни и бронзы (отожженных);

k = 0,33…0,36 для алюминия и его сплавов.

 

Достоинство метода: отсутствие необходимости тщательной подготовки поверхности.

Недостатки: возможность испытания металлов с твердостью не выше 450 НВ во избежание деформации стального шарика и получения неточных результатов, метод не пригоден для измерения твёрдости тонких деталей, на контролируемой поверхности остается значительный отпечаток – поэтому метод Бринелля чаще применяется при измерении твёрдости заготовок.

Измерение твердости по методу Роквелла

 

Твёрдость по Роквеллу определяется по глубине вдавливания в испытываемую поверхность твёрдого наконечника (алмазного конуса или стального закаленного шарика), подвергающегося действию статической нагрузки (рис. 2) и выражается в условных единицах. Глубина отпечатка измеряется в самом процессе вдавливания, что значительно упрощает испытания. Нагрузка прилагается последовательно в две стадии: сначала предварительная Р₀, обычно равная 10 кгс (для устранения влияния упругой деформации и различной степени шероховатости), а затем основная Р (рис. 2).

 

Рис.2. Схема определения твердости металла по методу Роквелла:

Р₀ – предварительная нагрузка, кгс; Р ‑ общая нагрузка, кгс; h ₀ ‑ глубина внедрения наконечника в поверхность под давлением предварительной нагрузки, мм; h ‑ глубина внедрения под действием общей нагрузки, мм.

 

Твердомер Роквелла измеряет разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной и предварительной нагрузок. Каждое давление (единица шкалы) индикатора соответствует глубине вдавливания 2 мкм. Однако условное число твердости по Роквеллу (HR) представляет собой не указанную глубину вдавливания (h – h ₀), а величину 100 – (h – h ₀) по черной шкале при измерении конусом и величину 130 – (h – h ₀) по красной шкале при измерении шариком.

Твёрдость может быть выражена по одной из трёх шкал:

- шкала С ‑ вдавливается алмазный конус (имеющий угол при вершине 120º и радиус закругления 0,2 мм) под нагрузкой Р = 1500 Н (150 кгс); число твердости определяется по формуле HRC = 100 ‑ (h – h ₀)·0,002;

- шкала В ‑ вдавливается стальной шарик диаметром 1,588 мм под нагрузкой Р = 1000 Н (100 кгс); число твердости определяется по формуле HRB = 130 ‑ (h – h ₀)·0,002;

- шкала А ‑ вдавливается алмазный конус под нагрузкой Р = 600 Н (60 кгс); число твердости определяется по формуле HRА = 100 ‑ (h – h ₀)·0,002.

Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и того физического смысла, который имеют числа твердости по Бринеллю, однако можно найти соотношение между ними с помощью таблицы 1.

По шкале В измеряется твердость образцов из мягких материалов (60…230 HB) толщиной не менее 2 мм (отожженные стали и цветные сплавы). По шкале С измеряется твердость образцов из твердых материалов (230…700 HB) толщиной не менее 0,4 мм (закаленные и отпущенные стали, материалы средней твердости), поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм. По шкале А измеряется твердость образцов из твердых материалов (230…700 HB) толщиной менее 0,4 мм, но не менее десятикратной глубины вдавливания, а также тонколистового материала.

При обозначении твердости по Роквеллу указывают число твердости, буквы HR, и шкалу измерения. Например, 40HRC, 65HRB, 70HRA, 40‑45HRC. Числа твёрдости при измерениях определяются непосредственно по соответствующим шкалам на приборе.

 

Преимущества метода: быстрота ‑ значение твердости фиксируется непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка, возможность измерения поверхностей с высокой твердостью, а также малых и тонких образцов, незначительное повреждение поверхности.

Недостаткиметода: необходимость тщательной подготовки поверхности испытываемого образца.