Оценка механических свойств металлов по известной твердости

Между твердостью пластичных металлов, определяемой статическими методами, и другими механическими свойствами существует количественная зависимость.

Например, временное сопротивление для конструкционных, углеродистых и перлитных легированных сталей

σ_в =0,365НВ^0,989 _,

где размерности σ_в и НВ в МПа.

Условия испытаний и требования к образцам.Минимальная толщина образца должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка и определять­ся по формуле S ≥10h.

На практике минимальная толщина образца или изделия определяется по таблице, приведённой в приложении 2 ГОСТ 9012-59.

При испытании на твёрдость особое значение имеет качество поверхно­сти. Чем меньше глубина вдавливания индентора (или нагрузка), тем выше должна быть чистота поверхности. Немаловажно также, чтобы в процессе под­готовке поверхности не изменялись свойства поверхностного слоя (вследствие наклёпа или разогрева при шлифовании или полировке).

Требования к качеству вдавливаемого шарика, условиям приложения си­лы и качеству испытуемой поверхности регламентируются ГОСТом. Продол­жительность выдержки под нагрузкой должна быть от 10 до 15 с для черных металлов, для цветных металлов и сплавов – от 10 до 180 с, в зависимости от материала и его твёрдости, и должна быть указана в норматив­но-технической документации. Расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее 4d, а расстояние от цен­тра отпечатка до края образца (изделия) - не менее 2,5d; для ме­таллов с твёрдостью менее 35НВ расстояния должны быть соответ­ственно 6d и 3d.

Число твёрдости может быть определено по формуле (1). Для быстрого определе­ния числа твёрдости, в зависимо­сти от диаметра шарика D, испы­тательной нагрузки Р, величины К, пользуются специальными таблицами (см. таблицу 3), заме­няющими вычисления по указан­ным формулам, приведёнными в приложении 2 ГОСТ 9012-59.

Прибор для измерения твёрдости металлов ТШ – 2М (тип ТБ). Прибор ТШ – 2М предназначен для измерения твёрдости металлов по методу Бринелля. Принципиальная схема прибора изображена на рисунке 2.

Рисунок 2. Прибор для измерения твердости материалов ТШ-2М: фото и схема

Механизм подъемного столика 8, на который помещается образец, состоит из пары винт-маховик 9, 10. Испытания осуществляются с помощью механизма, приводимого в работу электродвигателем 1, включение которого производится нажатием пусковой кнопки, расположенной на левой стороне станины 4. От двигателя через червячный редуктор 2 вращение передаётся на кривошипно-шатунный механизм нагружения 5. Шатун опускается, и освобождённая рычажная система нагружения 6 с грузами 3 передаёт через оправку 7 с шариком на конце заданную нагрузку образцу. Механизм нагружения возвращается в исходное положение механизмом переключения вращения ротора электродвигателя. Электродвигатель при этом автоматически отключается.

Время выдержки образца под полной нагрузкой контролируют с помощью сигнальной лампы. Величина нагрузки, диаметр шарика и время испытания могут меняться путём регулирования пресса в зависимости от твёрдости материала образца.

Проведение испытания. Выбираются соответственный шариковый на-конечник, закрепляют его в шариковой оправке 7, накладывают на подвеску требуемое количество грузов и устанавливают необходимую продолжительность выдержки образца под нагрузкой. Поскольку твёрдость материалов, испытываемого студентами в лаборатории лежит в пределах от 140<НВ<450, то испытания проводятся при нагрузке Р=29240 Н (3000 кГ) и диаметре шарика D=10 мм. Образец кладётся на столик пресса 8 и с помощью маховика 10 до отказа поджимается к шариковой оправке 7. Нажимом на кнопку включается электродвигатель 1, вращение которого через редуктор 2 передаётся на образец. По окончании испытания, когда погаснет лампочка и включится электродвигатель, опускается столик, снимается образец и измеряется диаметр полученного отпечатка с помощью специальной лупы или микроскопа.

Методика измерения отпечатка. Полученный отпечаток измеряется лупой или микроскопах в двух взаимно перпендикулярных направлениях, диаметр отпечатка определяется как средне арифметическое из двух измерений.

Передвигая лупу, надо один край отпечатка совместить с началом шкалы. Прочитать деления шкалы, с которым совпадает противоположный край отпечатка. Данный отсчет и будет соответствовать размеру диаметра отпечатка. Затем лупу или образец надо повернутьна 90⁰ и измерить диаметр отпечатка второй раз.

На рисунке 3 дано изображение отпечатка, видимое в лупу (d = 4,25 мм).

Диаметр каждого отпечатка следует измерить дважды по двум взаимно перпендикулярным направления с точностью до сотых долей миллиметра и взять среднее из двух полученных измерений (разность измерений не должна превышать 2%). Число отпечатков каждый раз должно быть не менее трех. По диаметру отпечатка находят число твёрдости по формулам (1) или по таблице 3. По числу вычисляют предел прочности материала.

Для измерения диаметра отпечатка (лунки) при определении твердости по методу Бринелля применяется микроскоп, МПБ-2, 24-х кратное увеличение. Шкала с ценой деления 0,05 мм (50 микрон).

Рисунок 3. Схема измерения отпечатка

Рисунок 4 - Внешний вид микроскопа МПБ-2, для измерения отпечатка по Бринеллю

Метод измерения твёрдости по Роквеллу.Сущность методазаключается во вдавливании наконечника с алмазным конусом или со стальным шариком в испытуемый образец (изделие) под дейст­вием последовательно прилагаемых предварительной (Р₀) и основной (Р₁) на­грузок и в измерении остаточной глубины проникновения этого наконечника (е) после снятия основной нагрузки (рисунок 4). Число твердости является мерой глубины проникновения индентора в испытуемый образец после снятия основной нагрузки.

При измерении твёрдости по Роквеллу применяют два типа стандартных наконечников:

а) для материалов небольшой (средней) твёрдости - стальной шарик диа­метром 1,588 мм (1/16 дюйма);

б) для материалов с высокой твёрдостью (с твёрдостью по Бринеллю
НВ>230) - алмазный наконечник, представляющий собой конус с
углом α = 120º и радиусом закругления при вершине К=0,2 мм.

При испытании по Роквеллу сначала прикладывается малая (предвари­тельная нагрузка) Р₀=98 Н (10 кГ) для надёжного прижатия наконечника к об­разцу. Затем дополнительно прикладывается дополнительная нагрузка Р₁, кото­рая в сумме с предварительной нагрузкой составляют общую нагрузку Р, при­кладываемую к испытуемому образцу (Р₀+Р₁=Р). При отсчёте числа твёрдости нагрузка Р уменьшается до Р₀ .

Таким образом, твёрдость по Роквеллу характеризуется разницей между максимальной глубиной проникновения в материал наконечника (выраженной в делениях шкалы прибора) и остаточной глубиной его проникновения после снятия основной нагрузки (рисунок 5).

Твердость по Роквеллу HR определяют по формуле

,

где К - постоянная величина (для шарика К =0,26, для алмазного конуса К =0,2);

h, h₀ - глубина внедрения наконечника в образец под действием общей и предварительной нагрузки, соответственно, мм; С - цена деления циферблата индикаторного прибора, соответствующая углублению наконечника на 0,002 мм.

При испытании по Бринеллю более твёрдому материалу соответствует и большее число твёрдости. Чтобы это условие выполнялось и при определении твёрдости по Роквеллу, вводят условную шкалу глубин, принимая за одно её деление глубину, равную 0,002 мм. При испытании алмазным конусом пре­дельная глубина внедрения составляет 0,2 мм, или 0,2/0,002=100 делений, при испытании шариком - 0,26 мм, или 0,26/0,002=130 делений.

Замеры глубины проникновения осуществляют по шкале циферблата ин­дикатора прибора. На циферблате нанесены числа твердости в условных еди­ницах. Единица твёрдости по Роквеллу соответствует осевому перемещению наконечника на 0,002 мм (размерность при обозначении числа твёрдости опус­кается).

Практически твердость по методу Роквелла отсчитывают по индикатору прибора непосредственно в процессе испытания. Значение твердости выражается в условных единицах.

Твердость по Роквеллу обозначается цифрами и последующим за ним символом HR с указанием шкалы твердости например: 61,5 HRС - твердость по Роквеллу равна 61,5 единицам по шкале С.

Шкала А - применяется для хрупких твердых сплавов, тонких деталей высокой поверхностной твердости 70...90 HRА, индентор - алмазный конус, общая нагрузка Р_А = 588 Н.

Шкала В - применяется для мягких металлов и сплавов, имеет диапазон измерений 25...100 HRВ, индентор стальной шарик, общая нагрузка общая нагрузка Р_В = 981 Н.

Шкала С - применяется для закаленных изделий толщиной более 1 мм, имеет диапазон измерений 20..67 HRС, индентор - алмазный конус, общая нагрузка Р_С= 1471 Н.

Предварительная нагрузка для всех шкал Р₀ = 98 Н.

Таблица 4 - Значения нагрузок вдавливаемого шарика

Нагрузка	Испытание по Роквеллу
Шкала С Шкала С	Шкала А	Шкала В
Н Н	кГ	Н	кГ	Н	кГ
Предварительная нагрузка (Р0)
Основная нагрузка (Р1)
Общая нагрузка (Р)

Рисунок 5 - Схемы внедрения алмазного (а) и шарикового (б) наконечников

Чем твёрже материал, тем меньше будет глубина проникновения нако­нечника в него. Чтобы при большей твёрдости материала получалось большее число твёрдости по Роквеллу, принято выражать его формулами:

а) при измерении по шкале А и С

, (см. рисунок 5, а).

где е - остаточная глубина проникновения наконечника;

б) при измерении по шкале В

(см. рисунок 5, б).

Число твёрдости по Роквеллу можно перевести в число твёрдости по Бринеллю, пользуясь табличными данными (таблица 5) или эмпирическими формулами Петренко:

а) для чёрной шкалы

б) для красной шкалы

Таблица 5 - Перевод чисел твёрдости по Роквеллу в числа твёрдости по Бринеллю

HRB	HB	HRB	HB	HRB	HB	HRB	HB	HRC	HB	HRC	HB
HRB	HB	HRB	HB	HRB	HB	HRB	HB	HRC	HB	HRC	HB
						-

Результат испытаний по Бринеллю точнее испытаний по Роквеллу вслед­ствие больших размеров получаемых отпечатков и, следовательно, меньшего влияния неоднородности материала и дефектов на поверхности. Однако метод Роквелла имеет следующие преимущества: незначительность повреждений по­верхности испытуемого образца, возможность определения твёрдости тонко­стенных деталей, а также твёрдости термически обработанных стальных по­верхностей.

Условия испытания и требования к образцам. Толщина образца или глубина поверхностного слоя должна быть не менее чем в 8 раз больше величины е. После испытания на противоположной стороне образца не должно быть заметно следов деформации от отпечатка. Расстояние между центрами двух со-седних отпечатков или от центра отпечатков до края образца должно составлять не менее 3 мм, если в нормативно-технической документации на металло-продукцию не установлены иные требования. Подготовка поверхности испытуемого образца, требования к наконечникам и условия проведения испытаний регламентируются ГОСТ 9013-59.

Прибор для измерения твёрдости металлов ТК-2М. Прибор предназначен lля измерения твёрдости металлов и сплавов по методу вдавливания алмазного конуса или стального закалённого шарика под действием заданной нагрузки в течение определённого времени (метод Роквелла). Испытания проводятся в соответствии с ГОСТ 9013-59. Принципиальная схема прибора показана на рисунке 6.

Рисунок 6 - Прибор для измерения твердости материалов ТК-2М

Механизм 14 подъёмного столика 11 состоит из пары винт-маховик 12, 13. Испытания образца на твёрдость осуществляется с помощью механизма погружения, приводимого в действие электродвигателем 1. От двигателя через червячный редуктор 2 вращение передаётся кулачковому блоку 16, который через шток 5 опускает грузовой рычаг 6 с грузами 3 и передаёт нагрузку на образец через наконечник 10 с шариком или алмазным конусом на конце. При повороте кулачкового блока 16 на один оборот шток 5 возвращает грузовой рычаг 6 в первоначальное положение, снимая с наконечника приложенную нагрузку (за счёт подвески 6 и пружины 9 на образец передаётся нагрузка, равная соответственно 60 и 10 кГ; нагрузка в 100 или 150 кГ передаётся на образец за счёт смен-ных грузов 3).

Включение привода нагружения осуществляется педалью 15, а включение электродвигателя – включателем, установленном на правой стороне корпуса прибора 4.

Фиксирование глубины проникновения наконечника в образец осуществляется индикатором 7, который приводится в движение рычагом 8.

Точная уcтановка индикатора на нуль достигается махо­вичком 14, который управляет шкалой индика­тора 7 через трос 17.

Проведение испытания. Испытуемый образец помещают на подъёмный столик 11. Согласно выжидаемой твёрдости выбирают тип наконечника и устанавливают соответствую­щие грузы 3. (В лаборатории кафедры испыта­ния проводятся для материалов средней твёр­дости путём вдавливания стального шарика -отсчёты снимаются по красной шкале В). Вра­щением маховичка 13 поднимается столик с образцом до соприкосновения с наконечником. Затем продолжают медленно вращать маховик подъёмного столика до тех пор, пока малая стрелка индикатора не станет против красной точки, а большая примерно вертикально. При таком положении стрелок пружина 9 сжимается и создаёт дополнительную нагрузку на образец Р₀=10 кГ.

После этого при помощи маховичка 14 управления шкалой индикатора совмещают тридцатое деление красной шкалы (соответствующее отметки 130 условной шкалы глубин) с концом большой стрелки индикатора (положение «а» на рисунке 7). Нажатием педали 15 включают механизм нагружения прибора: вначале прикладывается полная нагрузка (она соответствует положению стрел­ки «б»), происходит выдержка под нагрузкой, а затем полная нагрузка снижает­ся до предварительной нагрузки Р₀. Положение стрелки при этой нагрузке (по­ложение «в» на рисунке 7) соответствует числу твёрдости по Роквеллу (на рисунке 7 - HRB=94).

Рисунок 7 - Индикатор пресса Роквелла (ТК-2)

Указанные положения стрелки связаны с положением ша­рика на шкале глубин, обозначенными буквами «а», «б» и «в». После определе­ния числа твёрдости вращением маховика 13 в обратном направлении освобож­дают образец. На каждом образце должно быть проведено не менее трех испы­таний. Все испытания желательно проводить на одном участке образца. Рас­стояние от центра отпечатка до края образца или до центра другого отпечатка должно быть не менее 4 мм. Не следует также проводить вдавливание наконеч­ника близко к отпечаткам, полученным по способу Бринелля.