Краткие теоретические сведения. Твердость - способность материала сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела

Твердость - способность материала сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела. Наконечники при замере твердости имеют форму шарика, конуса или пирамиды и называются инденторами. Измерение твердости вследствие быстроты и простоты осуществления, а также возможности без разрушения изделия судить о его свойствах, получило широкое применение для контроля качества металла в изделиях и деталях.

Метод Бринелля. Применяют для определения твердости незакаленных сталей, чугуна и цветных металлов. По этому методу стальной закаленный шарик диаметром D вдавливается с силой Р в поверхность испытываемого металла. В результате на поверхности образца остается отпечаток в виде шарового сегмента (лунки) диаметром d с площадью поверхности F (рис. 1, а). Твердость по Бринеллю определяют по формуле НВ = P/F, кгс/мм² (МПа). Если поверхность отпечатка F выразить с использованием диаметров шарика D и отпечатка d, то твердость можно определить по формуле . В зависимости от толщины испытуемого материала диаметр шарика может быть 2,5, 5 и 10 мм. При толщине металла более 6 мм отпечаток получают шариком, диаметр которого равен 10 мм. Нагрузка определяется по формуле Р = к × D ², где к коэффициент, учитывающий состав испытуемого материала. Так для стали и чугуна к = 30.

Для определения твердости в практической деятельности пользуются специальными таблицами, в которых приведены значения твердости в зависимости от диаметра отпечатка, нагрузки и диаметра вдавливаемого шарика. Схема измерения диаметра отпечатка показана на рис. 1, а.

Способом Бринелля испытывают металлы, твердость которых не превышает 450НВ, в противном случае шарик может деформироваться, что исказит результаты испытания.

Между твердостью по Бринеллю НВ и пределом прочности при растяжении s_в существует зависимость для:

термически неупрочненной углеродистой стали s_в = 0,36 НВ (1);

серого чугуна s_в = 0,1 НВ (2).

Рис 1. Схема определения твердости: а - по Бринеллю; б - по Роквеллу; в - по Виккерсу.

Метод Роквелла. В этом методе твердость определяют в зависимости от глубины отпечатка h по формуле HR = К – h/c, где К и с – постоянные коэффициенты, при испытаннии шариком К = 130, а при использовании алмазного конуса – К = 100; с – цена деления индикатора прибора, равная 0,002 мм.

Для относительно мягких материалов с твердостью до 240НВ - применяется стальной закаленный шарик диаметром 1,588 мм при нагрузке 1000 Н (HRВ); для более твердых металлов - вдавливанием алмазного конуса с углом при вершине 120^о (рис. 1,б) при нагрузке 1500 Н (HRC_э) или 600 Н (HRA). Величину твердости определяют с помощью индикатора, циферблат которого имеет две шкалы: красную В - для испытаний стальным шариком; черную С - для испытаний алмазным конусом. Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах.

С помощью специальных таблиц показания твердости по Роквеллу могут быть переведены на показания по Бринеллю.

Метод Роквелла является более совершенным способом, чем метод Бринелля. Он позволяет производить испытание тонких и поверхностно-упрочненных (цементованных, азотированных, цианированных) деталей.

Метод Виккерса(HV). Используется для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев. Твердость определяется вдавливанием в испытуемую поверхность (шлифованную или даже полированную) четырехгранной алмазной пирамиды с углом при вершине 136^о (рис. 1, в) и выражается отношением приложенной нагрузки Р к среднеарифметическому значению длин обеих диагоналей отпечатка, измеренных после снятия нагрузки, т.е. HV = 1,854 Р/d², кгс/мм².

Практически пользуются специальными таблицами по измеренной с помощью микроскопа при увеличении до 125 раз величине диагонали отпечатка d. При измерении твердости применяют нагрузку от 10 до 1200 Н. Чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка.

Метод особенно удобен при определении твердости поверхностно-упрочненных деталей, имеющих сложную конфигурацию, замеряют твердость сварных швов.

Определение микротвердости (Н).Используется для определения твердости отдельных фазовых и структурных составляющих. Микротвердость (Н) определяют вдавливанием в испытуемую поверхность четырехгранной алмазной пирамиды с углом при вершине 136^о (рис. 1, в). Образцы для определения твердости готовятся так же, как микрошлифы.

Определяется микротвердость по той же формуле, что и твердость по Виккерсу: H = 1,854 Р/d², кгс/мм², где Р – нагрузка, d – диагональ отпечатка.

Твердость определяется по специальным таблицам по измеренной с помощью микроскопа при увеличении до 485 раз величине диагонали отпечатка d. При измерении твердости применяют нагрузку от 0,02 до 1,2 Н.

Порядок проведения работы и содержание отчета

1. Произвести испытание на твердость образца отожженной стали на приборе Бринелля.

2. Измерить при помощи микроскопа диаметр отпечатка. По результатам измерения по специальной таблице определить твердость по Бринеллю.

3. Вычислить величину предела прочности отожженной стали, зная ее твердость по формуле 1.

4. Произвести испытание на твердость образцов отожженной и закаленной стали на приборе Роквелла.

5. Перевести числа твердости по Роквеллу в числа твердости по Бринеллю по соответствующей таблице.

6. Занести в таблицу результаты определения твердости различными способами .

7. Указать области применения различных способов определения твердости.