Следует отметить, что твёрдость испытуемого материала не должна превышать HB 450, поскольку в противном случае деформация шарика не позволяет провести точные измерения.

Определение твёрдости по Виккерсу осуществляют таким же образом, как и по Бринеллю. Различие заключается в том, что в качестве индентора используют алмазную пирамиду, что позволяет измерять твёрдость как мягких, так и очень твёрдых металлов и сплавов и их поверхностных слоёв. Четырёхгранную пирамиду изготавливают с углом при вершине 136° (рис. 10). Такой же угол образуют касательные, проведённые к шарику (или шаровому отпечатку) при испытаниях по Бринеллю, если d = 0,375Д. Это соотношение находится в интервале, в котором необходимо выполнять испытания твёрдости и по Бринеллю и по Виккерсу. Величины твёрдости до HB 300, определённые по Виккерсу, совпадают с величинами твёрдости, определёнными по Бринеллю.

Твёрдость по Виккерсу HV, как и HB, определяется отношением приложенной нагрузки F к поверхности А образующегося отпечатка и является безразмерной величиной.

HV = 0,102*F/А ,

где F – нагрузка, Н;

А – поверхность отпечатка, мм².

А = d²/2*cos 22° = d²/2*sin(136°/ 2) = d²/1,854 ,

где d – длина диагоналей.

В результате получаем выражение:

HV = 0,102*F*1,854/d² = 0,189*F/d² ,

где d - среднее значение диагоналей.

При проведении испытаний используют нагрузки 49, 98, 196, 294, 490 и 980 Н. В стандартном случае применяют нагрузку 294 Н и продолжительность её воздействия 10 – 15сек.

Определение твёрдости по Бринеллю и Виккерсу достаточно трудоёмки, т.к. связаны с вычислениями и измерениями. Поэтому метод измерения твёрдости по Роквеллу стал наиболее используемым на практике методом.

По методу Роквелла испытание на твёрдость производится путём вдавливания в образец стального шарика диаметром Д = 1,58 мм или алмазного конуса с углом 120°. Глубина вдавливания t служит мерой твёрдости. Стальной шарик применяется для испытаний мягких металлов (твёрдости < HB 200) при F = 980 Н, алмазный конус - для испытания твёрдых материалов при нагрузке 1470 Н.

Образец помещают на столик 2 прибора Роквелла (рис. 11) и вращением маховичка 1поднимают его до соприкосновения с алмазным конусом 3 (или стальным шариком). Вращение маховичка продолжают до тех пор, пока давление конуса или шарика на образец не станет равным 98 Н (предварительная нагрузка), что указывается малой стрелкой индикатора 4. Далее дают основную нагрузку с помощью рукоятки 5. Вдавливание длится 5 – 6 сек, затем основная нагрузка снимается обратным поворотом рукоятки 5. После этого большая стрелка индикатора показывает величину твердости. Для освобождения образца нужно снять предварительную нагрузку обратным вращением маховичка 1.

Циферблат индикатора имеет две шкалы: красную В для испытаний стальным шариком и черную С для испытаний алмазным конусом.

Твёрдость по Роквеллу является величиной условной, характеризующей разность глубин отпечатков. Число твёрдости по Роквеллу обозначается HR с добавлением индекса шкалы, по которой производилось испытание, например, HRB или HRC. Для испытания очень твёрдых материалов применяют алмазный конус при F = 588 Н, а число твёрдости обозначают HRA.

Испытания на микротвёрдость производят вдавливанием алмазной пирамиды с углом при вершине 136° под нагрузкой от 0,002 до 2 Н на приборе ПМТ – 3 (рис. 12).

Столик 11 и стойка 4 тубуса опираются на станину 1 прибора. Испытуемый предмет 2 устанавливают на столик под объектив 9 и, глядя в окуляр 5, производят наводку на фокус микроскопа и установку нитей с помощью окулярного микрометра 6. Затем столик поворачивают, причем испытуемый предмет попадает под алмазную пирамиду 10. Далее поворачивают рукоятку 8; при этом алмазная пирамида опускается и вдавливается действием груза 3 в испытуемый предмет в течение 5 – 7 сек. После снятия груза столик поворачивают под тубус микроскопа 7 и измеряют диагональ d (рис. 12, б), совмещая пересечение нитей сначала с правым углом отпечатка (пунктирные линии), а затем с левым (сплошные линии). Отсчет десятых долей миллиметра производят по цифрам, находящимся в поле зрения, а сотых и тысячных – по барабану окулярного микрометра 6.

По этому методу можно определять твёрдость отдельных структурных составляющих сплавов, мелких деталей, металлических нитей, окисных пленок и т.п. По величине диагонали определяют площадь отпечатка и твёрдость по формуле: Нm = F/А [МПа],

где F – нагрузка, Н; А – площадь пирамидального отпечатка, мм².

Порядок выполнения работы.

1. Получить стальной образец.

2. Измерить твердость образца способом, заданным преподавателем.

3. Сделать вывод об области использования стали с данной твердостью и способах ее обработки.

4. Составить отчет о проделанной работе.

Требования к отчету.

1. Записать цель работы.

2. Используемые приборы и материалы.

3. Начертить схемы всех видов определения твердости.

4. Краткое описание работы.

5. Сделать выводы по работе.

Контрольные вопросы.

1. Что такое твердость?

2. Основные методы испытаний на твердость?

3. Определение твердости по Бринеллю?

4. Определение твердости по Виккерсу?

5. Определение твердости по Роквеллу?

6. Определение микротвердости?

Лабораторная работа № 4.

Тема: Изучение макроструктуры сталей и их сварных соединений.

Цель работы: ознакомиться с макроструктурой стали и методами ее изучения. Научиться самостоятельно проводить макроанализ.

Оборудование и материалы: образцы стали с неравномерным распределением серы и фосфора, после сварки и закалки. Фильтровальная бумага, резиновый валик, глянцевая бромо-серебряная фотографическая бумага, спирт, реактивы (5%-й раствор серной кислоты, реактивы Гейна и Стеда), чашки для травления, гипосульфит.

Пояснение к работе.

Изучение строения и дефектов металла, сплавов и сварных соединений невооруженным глазом или при небольших увеличениях (до 30 раз) – называется макроанализом, а структура, выявленная этим методом – макроструктурой. От макроструктуры металла зависят технологические и эксплуатационные свойства изделий, поэтому макроанализ широко применяют для контроля сплавов. Макроанализ позволяет выявить структуру стали в литом состоянии, после пластической деформации, ликвационную неоднородность, раковины, пузыри, трещины и т. д.

Существует два способа изучения макроструктуры: исследование изломов и макроанализ.

Исследование макроструктуры на изломах – визуальный (невооружен-ным глазом, с помощью увеличительного стекла и бинокулярного микроскопа).

Анализ излома по форме, виду и способности к отражению света позволяет установить строение и причины хрупкого или вязкого разрушения. Для хрупкого разрушения стали характерен зернистый или кристаллический излом. Вязкое разрушение, которому предшествовала значительная пластическая деформация, имеет матовый или волокнистый излом. Чаще всего в практике встречается смешанный излом: зернистый в одних участках, волокнистый в других.

Макроанализом можно выявить в стали дендритную и зональную ликвацию углерода и вредных примесей – серы, фосфора. При этом макроанализ по макрошлифам дает качественную оценку химической неоднородности в больших сечениях (объемах).

Характер распределения серы в стали выявляют наложением на поверхность макрошлифа фотографической бумаги, смоченной в 5%-м растворе серной кислоты. Сера в стали содержится в виде сульфидов MnS и FeS. На тех участках поверхности, где находятся сульфиды, при взаимодействии с серной кислотой происходит реакция

MnS(FeS)+H₂SO₄→Mn(Fe)SO₄+H₂S.