Измерение твердости вдавливание стального шарика

(метод Бринелля)

По методу Бринелля твердость металла определяют вдавливанием в испытуемый образец (изделие) закаленного стального шарика (рисунке 3.1а) диаметром 10; 5 или 2,5 мм под действием заданной нагрузки в течении определенного времени и выражают числом твердости НВ, полученный путем деления приложенной нагрузки Р в кг на поверхность образовавшегося на образце отпечатка шарика (шарового сегмента) F в мм:

Измерение твердости вдавливание стального шарика - student2.ru , [кг / мм² ] (3.1)

где Р - нагрузка в кг; D - диаметр шарика в мм; d - диаметр отпечатка шарика в мм.

Диаметр шарика, нагрузку и длительность выдержки под нагрузкой выбирают в зависимости от твердости и толщины образца (таблице 3.1).

Чем тверже металл, тем меньше диаметр отпечатка и тем выше число твердости по Бринеллю.

Диаметр отпечатка измеряется при помощи специальной лупы, имеющей шкалу с ценой деления 0,1 мм или 0,05мм (рисунок 3.1б).


а)	б)
Рисунок 3.1 - Схема определения твердости по Бринеллю (а) и отсчет по шкале (б)

При диаметре шарика 10 мм и нагрузке 3000 кг твердость обозначается цифрами перед символом HB, например 250 HB, что означает твердость по Бринеллю 250 кг /мм².

Во избежание сложных вычислений числа твердости для каждого отпечатка на практике используются готовыми таблицами.

Таблица 3.1 – Выбор режимов испытаний на твердость методом Бринелля

Матери-ал	Интер-вал твердо-сти в числах Бри-нелля	Минималь-ная толщина испытуе-мого образца, мм	Соотноше-ние между нагрузкой Р и диаметром шарика D	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка Р, кг	Выдерж-ка под нагру-зкой, сек
Черные металлы	140-450	От 6 до 3	Р=30D²
От 4 до 2
Менее 2	2,5	187,5
Черные металлы	Менее 140	Более 6	Р=10D²
От 6 до 3
Менее 3	2,5	62,5
Цветные металлы	Более 130	От 6 до 3	Р=30D²
От 4 до 2
Менее 2	2,5	187,5
Цветные металлы	35-130	0т 9 до 5	Р=10D²
От 6 до 3
Менее3	2,5	62,5
Цветные металлы	8-35	Более 6	Р=2,5D²
От 6 до 3		62,6
Менее3	2,5	15,6

Между числами твердости по Бринеллю и пределом прочности σ_в металлов существует следующая приближенная зависимость:

Измерение твердости вдавливание стального шарика - student2.ru (3.2)

где к - коэффициент, определяемый по таблице (3.2).

Таблица 3.2 – Выбор значения коэффициента к в зависимости от вида испытуемого материала

Сталь легированная	0,34	Дуралюминий	0,37
Сталь углеродистая	0,36	Медь холоднокатаная	0,35
Алюминий отожженный	0,4	Медь отожженная	0,48

Наиболее распространенными стандартными условиями при испытании твердости являются: нагрузка 3000 кг, диаметр шарика 10 мм и длительность выдержки 10 сек.


а)	б)
Рисунок 3.2 - Прибор типа ТШ с механическим приводом: а – общий вид; б – кинематическая схема

Для определения твердости по Бринеллю используются твердомером типа ТШ (рисунок 3.2).

Прибор имеет станину 1, в нижней части которой помещен винт 2 со сменными столиками 4 для испытуемых образцов. Перемещения винта осуществляется вручную маховиком 3. В верхней части станины находится шпиндель 6 со сменными наконечниками, в которые вставляются шарики 5. Основная нагрузка прикладывается к образцу посредством рычажной системы. На длинном плече основного рычага 7 имеется подвеска 8 с грузами 9. Комбинацией грузов можно осуществить нагрузки 187,5; 250; 750; 1000 и 3000 кг. Нагрузка прилагается автоматически с помощью электродвигателя 11, находящегося внутри станины, при нажатии пусковой кнопки. Для установки продолжительности испытания служит передвижной упор переключателя 10, устанавливающийся до начала испытания в положение, соответствуующее требуемой выдержке (10, 30 или 60 сек).

Недостатки метода Бринелля:

- невозможность испытания материалов, имеющих твердость более 450 НВ, так как шарик будет деформироваться и показания будут неточными;

- невозможность испытания твердости тонкого поверхностного слоя и пластин (менее 1-2 мм), так как шарик будет продавливать тонкий слой материала;

- после испытания остаются заметные следы на поверхности изделия.

Измерение твердости вдавливанием алмазного конуса или стального шарика (метод Роквелла)

По методу Роквелла твердость металлов определяют вдавливанием в испытуемый образец (изделие) стального шарика диаметром 1,588 мм при нагрузке 100 кг или алмазного конуса с углом при вершине 120⁰ при нагрузке 60 или 150 кг. Схема определения твердости по Роквеллу приведена на рисунке 3.3.

При испытании сначала прикладывают предварительную нагрузку Р₀, равную 10 кг, а затем нормальную Р, равную 60, 100 или 150 кг (ГОСТ 9013-59). Разность глубин проникновения шарика или алмаза под нагрузками Р₀ и Р (h-h₀) характеризует твердость. Чем меньше эта разность, тем тверже испытуемый материал, и, наоборот, чем больше эта разность, тем мягче материал.

Числа твердости по Роквеллу обозначают HR и вычисляют по формуле.

Измерение твердости вдавливание стального шарика - student2.ru (3.3)

где h₀ - глубина внедрения в мм наконечника под действием предварительной нагрузки Р₀; h – глубина внедрения наконечника под действием общей нагрузки; К – постоянная величина; для шарика К=0,26 и для конуса К=0,2; С - цена деления циферблата индикатора прибора, соответствующая углублению наконечника на 0,002 мм.

Рисунок 3.3. - Схема определения твердости по Роквеллу: 1 – углубление конуса под предварительной нагрузкой Р₀; 2 – углубление конуса под общей нагрузкой Р, которая равна Р₀+Р₁; 3 – глубина внедрения конуса под действием нагрузки Р₀

Рисунок 3.4. - Циферблат индикаторного прибора

Таким образом, твердость по Роквеллу выражается в условных единицах.

На практике числа твердости по Роквеллу обычно не вычисляют по приведенной выше формуле, а отсчитывают по шкале индикатора прибора типа ТК непосредственно в процессе испытания (рисунок 3.4).

Нулевое деление черной шкалы совпадает с начальным положением стрелки. Красная шкала смещена относительно нулевого деления черной шкалы на 30 делений в направлении, противоположном движению стрелки индикатора при внедрении наконечником. Следовательно, начальное деление красной шкалы совпадает с делением 30 на циферблате индикатора. Это смещение сделано по той причине, что глубина вдавливания шарика часто превышает 0,2 мм, и тогда стрелка при вдавливании делала бы поворот более чем на 100 делений, т.е. значение твердости могли бы получаться отрицательными. Большая стрелка служит для указания твердости, а малая – для контроля величины предварительного нагружения.

Твердость на приборе ТК можно измерить:

- Алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кг (предварительная – 10 кг и основная 140 кг). Значение твердости определяют по черной шкале С и обозначают НRC. Эта шкала применяется для испытания закаленных сталей, обладающих твердостью до 67HRC , и для определения твердости тонких поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм;

- Алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кг (предварительная – 10 кг и основная 50 кг). Значение твердости определяют по черной шкале С и обозначают HRA. Эта шкала применяется для испытания сверхтвердых сплавов (например, карбидов вольфрама), тонкого листового материала и для измерения твердости тонких поверхностных слоев (0,3-0,5 мм) или тонких пластинок;

- Стальным шариком 1/16 дюйма с общей нагрузкой 100 кг (предварительная – 10 кг и основная 90 кг). Значение твердости определяют по красной шкале В и обозначают HRB. Шкала В служит для испытаний металлов средней твердости и для испытаний изделий толщиной от 0,8 до 2 мм.

На основании опытных работ установлена связь между числами твердости по Роквеллу (при HRC>20) и по Бринеллю

НВ≈10·HRC (3.4)

К достоинствам метода Роквелла следует отнести высокую производительность, простоту обслуживания, точность измерения и сохранение качественной поверхности после испытаний. Не рекомендуется применять этот метод для определения твердости неоднородных по структуре сплавов (чугуна), для испытания криволинейных поверхностей с радиусом кривизны менее 5 мм и для испытания деталей которые под действием нагрузки могут деформироваться.

Порядок выполнения работы

Измерение твердости методом Бринелля

1. Изучить работу твердомера типа ТШ.

2. Подготовить образцы к испытанию (поверхность образца должна быть плоской и чистой от загрязнений и окалины. Толщина образца – не менее десятикратной глубины отпечатка).

3. Выбрать в зависимости от заданных условий испытания и типа образца диаметр шарика, нагрузку и время выдержки под нагрузкой.

4. Закрепить шариковый наконечник в шпинделе установочным винтом.

5. Поместить на подвеску требуемое для испытания количество сменных грузов.

6. Установить упор на нужную продолжительность выдержки и закрепить стопорным винтом.

7. Установить на столик (испытания круглых образцов производят с помощью специальной подставки) испытуемый образец и вращением маховика поднять его к шариковому наконечнику, оказывая предварительную нагрузку на образец порядка 100 кг. Нагрузка должна быть приложена в направлении, перпендикулярном к плоскости образца. Центр отпечатка должен находиться от края образца на расстоянии не менее диаметра шарика, а от центра соседнего отпечатка – на расстоянии не менее двух диаметров шарика.

8. Нажать на пусковую кнопку, приводя в движение электродвигатель и передать нагрузку на образец.

9. После окончания испытания опустить столик, снять образец и измерить диаметр отпечатка в двух взаимно перпендикулярных направлениях при помощи лупы. Диаметр отпечатка измеряют с точностью до 0,05 мм при испытании шариком диаметром 10 и 5 мм и с точностью до 0,01 мм при испытании шариком диаметром 2,5 мм.

10. По величине диаметра отпечатка рассчитать число твердости НВ.

11. Повторить эксперимент 3 раза.

12. Определить среднее число твердости НВ.

13. По полученным числам твердости определить величины предела прочности, пользуясь имеющимися соотношениями между НВ и σ_в.

14. Результаты испытаний внести в протокол.

Протокол испытания на твердость по методу Бринеля.

№ исп	Материал и толщина образца, мм	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка Р, кг	Диаметр отпечатка d_,мм	Число твердости НВ	Среднее число твердости НВ	Предел прочности σ_в, кг/мм²
1.
2.
3.

Измерение твердости методом Роквелла

1. Изучить работу твердомера типа ТК.

2. Подготовить образцы к испытанию (поверхность образца должна быть плоской и чистой от загрязнений и окалины. Толщина образца – не менее восьмикратной глубины отпечатка).

3. Выбрать в зависимости от заданных условий испытания и типа образца наконечник.

4. Закрепить наконечник в шпинделе установочным винтом.

5. Подобрать грузы соответственно выбранному наконечнику и применительно к шкале, по которой предполагается вести испытания и подвесить их.

6. Установить на столик (испытания круглых образцов производят с помощью специальной подставки) испытуемый образец и вращением маховика поднять его до соприкосновения с наконечником, а затем дальнейшим вращением маховика произвести предварительное нагружение до тех пор, пока малая стрелка индикатора не совпадет с красной точкой на шкале, а большая стрелка не примет вертикальное положение. Если малая стрелка индикатора перейдет за красную точку, то необходимо выбрать на испытуемой поверхности другую точку и испытание начать сначала; затем повернуть ободок индикатора до совпадения нуля черной шкалы с большой стрелкой.

7. Привести в движение механизм основного нагружения. В это время большая стрелка поворачивается против часовой стрелки и принимает некоторое положение. После секундной выдержки снять основную нагрузку возвращением рукоятки в начальное положение (притягивают ее к себе). Большая стрелка при этом вращается по часовой стрелке и занимает нужное положение.

8. Отсчитать числа твердости по шкале индикатора. В случае применения алмазного наконечника отсчет производить по наружной черной шкале С, при шариковом наконечнике – по внутренней красной шкале В. Опустить столик вращением маховика и снять образец.

9. Повторить эксперимент 3 раза.

10. Определить среднее число твердости НR.

11. Перевести полученную твердость по Роквеллу HR в твердость по Бринелю НВ.

12. Результаты испытаний внести в протокол.

Протокол испытания на твердость по методу Роквелла.

№ исп	Материал и толщина образца, мм	Наконечник	Нагрузка Р, кг	Шкала	Число твердости НR	Среднее число твердости HR	Твердость по Бринелю НВ
1.
2.
3.