Определение твердости металлов

Лабораторная работа №2

1.Цель работы

Усвоить понятие твердости, изучить сущность ее определения различ­ными методами. Научиться самостоятельно измерять твердость наиболее распро­страненными методами.

 

2. Основные теоретические положения

 

Под твердостью материалов понимают его способность сопротивляться пластической и упругой деформации при внедрении в него более твердого тела (индектора).

Этот вид механических испытаний не связан с разрушением металла и, кроме того, в большинстве случаев не требует приготовления специальных образцов. Все методы измерения твердости можно разделить на две группы в зависимости от вида движения индектора: статические методы и динамические. Наибольшее распространение получили статические методы определения твердости.

Статическим методом измерения твердости называется такой, при котором индектор медленно и непрерывно вдавливается в испытуемый металл с определенным усилием.

Различают следующие статические методы определения твердости: по Бринеллю (по диаметру отпечатка шарика); по Роквеллу (по глубине вдавливания алмазного конуса для закаленного шарика); по Виккерсу (для деталей малой толщины или тонких поверхностных слоев твердость определяют по диагонали отпечатка алмазной пирамиды). Схемы этих методов приведены на рис. 3.4.4.

 

Рис. 3.4.4. Схема определения твердости:

а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

 

Испытание по методу Бринелля состоит во вдавливании в испытуемое тело стального шарика диаметром  под действием постоянной нагрузки  и измерении диаметра отпечатка . Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость металла.

Диаметр шарика выбирается в зависимости от толщины испытываемого металла:

– при толщине более 6 мм = 10 мм;

– при толщине 3…6 мм = 5 мм;

– при толщине мене 3 мм = 2,5 мм.

Твердость изделий толщиной мене 2 мм по методу Бринелля измерять не рекомендуется.

При твердости металлов менее 450 единиц для измерения твердости применяют стальные шарики или шарики из твердого сплава. При твердости металлов более 450 единиц – шарики из твердого сплава.

Величину твердости по Бринеллю рассчитывают как отношение уси­лия , действующего на шарик, к площади поверхности сферического отпе­чатка

,

где  НB – твердость по Бринеллю при применении стального шарика; – уси­лие, действующее на шарик, Н; – площадь поверхности сферического отпе­чатка, мм²;  – диаметр шарика, мм; – диаметр отпечатка, мм.

Одинаковые результаты измерения твердости при различных размерах шариков получаются только в том случае, если отношения усилия к квадратам диаметров шариков остаются постоянными. Исходя из этого, усилие на шарик необходимо подбирать по следующей формуле:

,

где  – коэффициент, отражающий природу сплава, определяемый по табл.

Коэффициент  имеет различное значение для металлов разных групп по твердости. Численное значение его должно быть таким, чтобы обеспечива­лось выполнение требования, предъявляемого к размеру отпечатка.

 

Материал (твердость по Бринеллю)

Чугун, сталь

(НВ = 250…140)

Чугун, сталь, бронза

(НВ = 140…80)

Алюминий

(НВ<80)

Величина К

2,5

 

Продолжительность выдержки под нагрузкой составляет 15…30 сек.

Диаметр шарика и соответствующее усилие  выбирают таким образом, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах:

.

Если отпечаток на образце получается меньше или больше допустимого значения , то нужно увеличить или уменьшить усилие  и произвести испыта­ние снова.

Временное сопротивление и число твердости по Бринеллю свя­заны между собой: для стали  = 0,34 НВ, для медных сплавов = 0,45 НВ, для алюминиевых сплавов  = 0,35 НВ.

При испытании по методу Роквелла индентором служит алмазный конус (для более мягких материалов маленький стальной шарик). Конус или шарик вдавливаются в металл двумя по­следовательными нагружениями: предварительным  = 100 Н и основ­ным .  Имеются три шкалы. При испытании алмазным конусом и на­грузке   = 1400 Н – шкала С, твердость обозначается НРС, то же при  = 500 Н – шкала А (НRА), а при испытании стальным шариком и   = 900 Н – шкала В (НRB).

Единица твердости по Роквеллу – безразмерная величина, соот­ветствующая осевому перемещению индикатора на 0,002 мм.

По шкале С определяют значения твердости более твердых ма­териалов, чем методом Бринелля (твердость более 450 НВ).

Твердость по Виккерсу определяют путем вдавливания правильной четырехгранной пирамиды под действием нагрузки Р и из­мерения диагонали отпечатка . Нагрузка меняется от 10 до 1000 Н. Чем тоньше материал, тем меньше должна быть прилагаемая нагрузка. Чис­ло твердости по Виккерсу HV определяют с помощью специальных таб­лиц по величине диагонали отпечатка.

В некоторых случаях определяют микротвердость отдельных участков металла. Этот метод используют для измерения твердости от­дельных зерен или очень тонких слоев.

 

Содержание отчета

1. Сведения об испытуемом образце.

2. Схемы, иллюстрирующие методы проведения испытаний по методу Бринелля и Роквелла.

3. Таблицы измерений и расчетов.

4. Сопоставление результатов испытаний и выводы.

 

Литература: [2], [4]