Метод измерения микротвердости

При определении микротвердости четырехгранная алмазная пирамида (с углом между противоположными гранями при вершине 135°) вдавливается в испытуемый материал под очень небольшой нагрузкой от 0,05 до 5 Н.

 

Рис. 1.5. Измерение микротвердости

 

Число твердости выражается в величинах твердости Н и определяется по формуле (5).

Среднее значение микротвердости Н вычисляем по формуле (6),

 

 (6)

 

где n - число измерений,

Н_i - текущее измерение

Числа твердости согласно ГОСТ 9450 - 60 обозначают символом Н с указанием в индексе величины нагрузки в граммах (например, H₅₀ = 220 означает, что число микротвердости 220 получено при нагрузке 0,5 Н).

Испытание на микротвердость применяют для контроля качества материала очень мелких деталей, а также для определения твердости структурных составлявших, твердости покрытий и весьма тонких поверхностных слоев. Поверхность образца для определения микротвердости подготавливают так же, как и для микроисследования. Полирование рекомендуется электролитическое во избежание наклепа в тонком поверхностном слое. Для определения микротвердости применяют прибор ПМТ - 3. Это вертикальный микроскоп 1 с нижним положением столика, Принцип измерения твердости такой же, как и по Виккерсу, только пирамида отличается более высокой точностью изготовления.

Выбор нагрузки зависит от задачи измерения. Центр отпечатка должен быть удален от края шлифа или от края соседнего отпечатка не менее чем на две диагонали отпечатка. Если отпечаток получен слишком близко к краю, то вдавливание индентора облегчается и поэтому значение твердости оказывается заниженным. Если первый отпечаток расположен слишком близко от второго, то второй отпечаток будет находиться в зоне, уже наклепанной от первого вдавливания, поэтому твердость получается завышенной. [3]

При малой нагрузке велика относительная погрешность в измерении отпечатка и сильнее сказывается качество шлифа, поэтому желательно брать наибольшую нагрузку.

Вместо определения числа твердости по формуле обычно пользуется таблицами, рассчитанными для нагрузок 0,2; 0,5; 1 и 2 Н. Но если нужно измерить твердость отдельного зерна, приходится снижать нагрузку, пока отпечаток не окажется настолько малым, чтобы до краев зерна оставалось не менее двух диагоналей. Даже отпечаток, далеко отстоящий от видимой границы зерна, может давать завышенное (или заниженное) значение твердости из-за того, что под ним на небольшой глубине под поверхностью шлифа залегает другая фаза (более твердая или более мягкая). Индентор «упирается» в нее или, наоборот, «проваливается» сквозь твердую корку в мягкую подложку. Поэтому разброс измеренных значений микротвердости, как правило, гораздо больше, чем при обычных измерениях твердости. Измерения микротвердости имеют ценность только при правильной статистической обработке диагонального числа размеров.

 

Порядок выбора оборудования

 

Порядок выбора оборудования зависит от многих факторов и условий в которых требуется определить твердость. В зависимости от этого Приборы для измерения твердости делятся на:

) Стационарные

) Переносные

Стационарные приборы используются в основном в лабораториях, в основе их приборы давлением: то есть твердомеры для металлов по методу Бринелля, Роквелла и Виккерса. Стационарные твердомеры обладают высокой точностью, удобством в эксплуатации и обслуживании. Могут использоваться для определения твердости закаленных и незакаленных сталей, черных и цветных металлов, литого чугуна, твердых и мягких сплавов. [3]

Переносные - в основе этих приборов лежат ульразвуковые и динамические твердомеры. При использовании стационарных твердомеров требуется, чтобы испытываемый образец помещался под измерительным устройством, что не всегда возможно. Переносные измерительные устройства разработаны для того, чтобы позволить проводить определение твердости не только в лаборатории, но и в полевых условиях

) Приборы для измерения микротвердости - микротвердомеры

1) Приборы давлением:

Для измерения твердости по методу Бринелля используют прибор ТШП-4.

Прибор имеет следующие основные характеристики: - испытательные нагрузки, кгс…………………………..750, 1000, 3000-допустимая погрешность в, %…………………………………..+1 и -1

твердость проверяемая прибором HB………………………8-450

диаметры стальных шариков к наконечникам, мм …………. 5,10

величина свободного хода шарикового наконечника до испытуемой поверхности…………………………….10

Это переносной прибор состоит из измерительной головки, включающий в себя узел измерения нагрузок и приспособлений для крепления ее к деталям. С прибором поставляются приспособления: для градуировки и проверки прибора, для крепления прибора в шпинделе вертикально-сверильных станков, для крепления к спец. стенду

Твердость материала при измерении на приборе ТШП-2 не должна превышать 4500 МН/м², т. к. для вдавливания используется стальной закаленный шарик с твердостью НВ = 6000 МН/м² и при испытании более твердых металлов он будет деформироваться сам.

Чем больше диаметр шарика, тем выше точность в определении твердости.

Определение твердости HB производится на прессе Бринелля (твердомер типа ТШ) в следующем порядке. Испытываемый образец (деталь) устанавливают на столике 1 (Рис. 2) шлифованной поверхностью кверху. Поворотом маховика 2 по часовой стрелке столик прибора поднимают так, чтобы шарик 4 мог вдавиться в испытываемую поверхность. Маховик 2 вращают до упора, и нажатием кнопки включают электродвигатель 6. Двигатель перемещает коромысло и постепенно нагружает шток с закрепленным в нем шариком. Шарик под действием нагрузки 3, сообщаемой приведенным к коромыслу грузом, вдавливается в испытываемый материал. Нагрузка действует в течение определенного времени (10…60 с), задаваемого реле времени, после чего вал двигателя, вращаясь в обратную сторону, соответственно перемещает коромысло и снимает нагрузку. После автоматического выключения двигателя, поворачивая маховик 2 против часовой стрелки, опускают столик прибора и снимают образец.

Диаметр отпечатка измеряют при помощи отсчетного микроскопа (лупы Бринелля), на окуляре которого имеется шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. Измерение проводят с точностью до 0,05 мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях; для определения твердости следует принимать среднюю из полученных величин.

Прибор предназначен для измерения твердости металлов и сплавов по методом вдавливания алмазного конуса или стального закаленного шарика под действием заданной нагрузки в течении определенного времени. Испытания образца на твердость осуществляется с помощью механизма погружения, приводимого в действие электродвигателем. От двигателя через червячный редуктор вращение передается кулачковому блоку, который передает нагрузку на образец через наконечник с шариком или алмазным конусом на конце. Фиксирование глубины проникновения наконечника в образец осуществляется индикатором, который приводится в движение рычагом.

Испытания твердости на этом приборе могут производиться вдавливанием закаленного шарика (D =I, 588 мм), алмазного конуса Алмазный конус применяется для испытания твердых металлов (НВ - 2500 МН/м²).

Прибор измеряет глубину отпечатка. Каждое деление шкалы индикатора соответствует глубине вдавливания (h) в 0,002 мм, поэтому, чем меньше h, тем больше твердость.

В зависимости от типа индентора и выбранной нагрузки измерения твердости проводят по шкалам A, B, C, F. Полученное значение твердости является величиной безразмерной и выражается в единицах данной шкалы соответственно HRA, HRB, HRC, HRF

Шкалы А и С применяет для измерения закаленной стали, причем, когда требуется измерить твердость в поверхностном слое, например, после химико-термической обработки, после закалки ТВЧ, нагрузку снижают до 500 Н, т.е. использует для измерения шкалу А. Для определения твердости отожженной и нормализованной стали применяют шкалу В, нагрузку 1000 Н. Дня цветных металлов, имеющих малую твердость, измерения проводят по шкале F. Нагрузка в этом случае снижена до 500 Н, чтобы уменьшить глубину проникновения стального шарика.

Несмотря на ряд недостатков прибора ТК-2М: условность величины определяемой твердости, малая точность измерения он широко применяется для массового контроля. Причиной этого является ряд достоинств метода:

1. Быстрое определение твердости благодаря автоматизации

2. Возможность определения твердости материалов с НВ > 500 ед.

.   Возможность измерения твердости на малых и тонких образцах.

После приложения предварительной нагрузки индикатор, измеряющий глубину отпечатка, устанавливается на нуль. Когда отпечаток получен приложением окончательной нагрузки, основную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения наконечника t.

Твердость измеряют на приборе Роквелла, в нижней части станции которого установлен столик 5. В верхней части станции индикатор 3, масляный регулятор 2 и шток 4, в котором устанавливается наконечник с алмазным конусом (имеющим угол при вершине 120⁰ и радиус закругления 0,2 мм) или стальным шариком диаметром 1,588 мм. Индикатор 3 представляет собой циферблат, на котором нанесены две шкалы (черная и красная) и имеются две стрелки - большая (указатель твердости) и маленькая - для контроля величины предварительного нагружения, сообщаемого вращением маховика 6. Столик с установленным на нем образцом для измерений поднимают вращением маховика до тех пор, пока малая стрелка не окажется против красной точки на шкале. Это означает, что наконечник вдавливается в образец под предварительной нагрузкой, равной 10 кгс.

После этого поворачивают шкалу индикатора (круг циферблата) до совпадения цифры 0 на черной шкале с большой стрелкой. Затем включают основную нагрузку, определяемую грузом 1, и после остановки стрелки считывают значение твердости по Роквеллу, представляющее собой цифру. Столик с образцом опускают, вращая маховик против часовой стрелки.

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 t, а величину 100 - t по черной шкале при измерении конусом и величину 130 - t по красной шкале при измерении шариком.

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 специальных таблиц.

Прибор регулирует скорость подвода индентора в испытываемому изделию и снабжен проекционной оптической системой, обеспечивающей замер диагонали отпечатка на экране микрометрического устройства. В конструкцию прибора входят слудующие основные механизмы, смонтированные внутри литого корпуса: шпиндель, макрометрическая головка, грузовой рычаг, грузовая подвеска, механизм подъема стола и панель с электроаппаратурой.

Шпиндель (выполнен в виде трубы) и рычажная система предназначены для создания и передачи нагрузки на испытываемый образец. Пределы измерения твердости 8HV - 2000 HV

Измерение твердости алмазной пирамидой дает более точные значения для металлов с высокой твердостью, чем измерения шариком или конусом, так как диагонали отпечатка достаточно велики даже при малой глубине отпечатка.

На приборе ТП-7Р-1 можно измерять твердость мягких металлов и очень твердых сплавов и, кроме того, твердость в тонких поверхностных слоях, например при обезуглероживании, поверхностном наклепе, химико-термической обработке и т.д.

Однако каждое определение по Виккерсу занимает сравнительно много времени и требует тщательной подготовки поверхности образца, что является основным недостатком этого метода, препятствующим широкому применению его в цеховых условиях.

2) Портативные приборы:

подразделяются на портативные ультразвуковые и портативные динамические:

Портативный ультразвуковой твердомер МЕТ-У1 (рис. 1.9)

Ультразвуковой твердомер МЕТ-У1А состоит из электронного блока МЕТ-У1А и ультразвукового датчика У1А с нагрузкой 15Н. Принцип действия Определение частот свободных колебаний индентора, находящегося под действием постоянного усилия 1,5 кГс или 5 кГс.

Измерение твердости:

) любых по массе изделий толщиной от 1 мм - недоступное для динамических твердомеров (малые детали, тонкостенные конструкции, трубы, резервуары, стальные листы и т.д.);

) без видимого отпечатка на поверхности изделия (зеркальные поверхности, шейки коленчатых валов, ножи);

) металлических покрытий;

) изделий сложной формы, в труднодоступных местах.

Принцип действия Определение частот свободных колебаний индентора (акустический резонатор с алмазной пирамидой Виккерса), находящегося под действием постоянного усилия 1,5 кГс или 5 кГс.

Недостатки:

Ограниченное использование для измерения изделий с крупнозернистой структурой (например, чугун) или массой менее 10 г., или толщиной менее 1 мм.

Портативный динамический твердомер МЕТ-Д1. (рис. 1.10)

Определяет отношения скоростей индентора до и после соударения с поверхностью контролируемого изделия

Преимущества:

) измерение твердости материалов с неоднородной, крупнозернистой структурой, кованных изделий, литья;

) измеренная величина твердости не зависит от пространственного положения датчика;

) малая чувствительность к кривизне и шероховатости измеряемой поверхности;

) высокая производительность (30 измерений в минуту). Реализует метод отскока.

Недостатки:

) Измерение изделий массой менее 3-х кг или толщиной менее 12 мм возможно только при 2) выполнении следующих условий:

) наличии чугунной или стальной опорной плиты массой не менее 3 кг;

) наличии смазки для притирки изделия к опорной плите;

) изделие должно быть плотно притёрто к поверхности опорной плиты.

3) Ультразвуковые приборы:

Ультразвуковой твердомер Узит-3 (рис. 1.11)

Твердомер предназначен для измерения твердости в пределах 80-450 НВ, 20-70 HRC. Твердомер комплектуется насадками для работы на плоских и цилиндрических поверхностях.

Твердомер УЗИТ-3 позволяет легко измерить твердость любых (крупногабаритных, сложной формы и т.п.) изделий из конструкционных сталей. Принцип действия твердомера УЗИТ-3 основан на измерении ультразвукового импеданса при внедрении магнитостриктора с алмазом Виккерса в поверхность изделия.

УЗИТ-3 позволяет измерять твердость как крупных, так и мелких изделий, в местах с большой кривизной поверхности, вблизи краев и т.п.

Преимущества:

максимальная портативность,

низкое энергопотребление,

прямая индикация в шкалах Бринелля и Роквелла,

высокая надёжность,