Задания и методические указания
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Цель работы
1. Научиться измерять твёрдость металлических образцов различными методами.
2. Ознакомиться с условиями применения того или иного метода определения твёрдости; подготовкой образцов для измерения твёрдости; устройством приборов для измерения твёрдости.
3. Проследить зависимость твёрдости металлов от состава сплава.
Оборудование и материалы для выполнения работы
Приборы Бринелля, Роквелла, Виккерса, микротвердомер. Образцы различных железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов); образцы из меди, алюминия и сплавов на их основе; образцы из закалённой и отпущенной стали. Наждачные круги и абразивная бумага.
Порядок выполнения работы
1. Изучить теоретический материал по теме занятия.
2. Ознакомиться с приборами и методами определения твёрдости по Бринеллю, по Роквеллу, по Виккерсу и микротвердости.
3. Измерить твердость предложенных образцов металлов и сплавов на приборах Бринелля и Роквелла. Данные внести в табл. 1 и 2 соответственно.
4. Определить приблизительное значение предела прочности по данным измерения твёрдости по Бринеллю.
5. Проанализировать результаты измерений и написать отчет.
Основные положения
При проектировании и производстве машин, механизмов, инструментов те или иные детали должны обладать определенными механическими свойствами. Механические свойства металлов характеризуют сопротивление материала деформации и разрушению под действием внешних нагрузок. Практически все методы определения механических свойств являются разрушающими. Для проведения испытаний необходимы специальные машины, процессы испытания довольно длительны, особенно если учесть весьма продолжительный процесс изготовления специальных образцов.
Механические свойства и физические свойства зависят от многих факторов: от состава материала, вида обработки (пластической деформации, термической обработки). Поэтому в процессе изготовления тех или иных деталей необходимо контролировать свойства, особенно механические. Как отмечено ранее, обычные методы испытания механических свойств не могут быть использованы на промежуточных стадиях изготовления деталей вследствие длительности и дороговизны изготовления образцов, длительности самого процесса испытания. В этом случае пользуются методами определения твёрдости.
Твёрдость имеет большое практическое значение, так как она отражает многие рабочие свойства материала, например, сопротивляемость истиранию, режущие свойства, способность обрабатываться шлифованием или резанием, выдерживать местные давления и т. д. Кроме того, по твёрдости можно судить и о других механических свойствах (например, о прочности на разрыв). Следовательно, между твёрдостью и другими свойствами материалов существует определенная связь, подтверждаемая практикой.
Широкое распространение испытаний материалов на твёрдость объясняется тем, что при этом не требуется изготовления специальных образцов; методика испытаний весьма проста и может осуществляться непосредственно на готовой детали без разрушения.
Большинство методов определения твёрдости основано на принципе вдавливания в испытуемый материал твёрдых тел (закалённого стального шарика, алмазного конуса или алмазной пирамиды) и последующего измерения размеров отпечатков. Поэтому часто твёрдость определяют, как способность материала сопротивляться внедрению в него другого тела. Однако такое определение не является общим, так как существуют и другие методы определения твёрдости, основанные не на вдавливании, а на царапании, качании маятника, динамическом методе и других принципах.
Наиболее широко практикуются испытания твёрдости по Бринеллю, по Роквеллу, по Виккерсу и метод определения микротвердости. Во всех перечисленных методах при вдавливании индентора происходит пластическая деформация испытуемого материала под индентором. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем на меньшую глубину проникает индентор и тем выше твёрдость.
По Бринеллю определяют твёрдость относительно мягких материалов: цветных металлов и их сплавов, отожжённых сталей и любых чугунов (кроме белого).
По Роквеллу чаще всего определяют твёрдость очень твёрдых материалов: закалённых сталей, твёрдых сплавов, керамики, твёрдых покрытий, в том числе наплавленных слоев достаточной глубины на сталях и чугунах. Но на приборе Роквелла можно определять твёрдость и сравнительно мягких материалов.
Метод Виккерса используется для испытания твёрдости деталей малой толщины или тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твёрдость. Реже этот метод применяется для измерения твёрдости твёрдых и мягких материалов.
Методом микротвердости обычно измеряется твёрдость в пределах отдельных зёрен или очень тонких слоев. Два последних метода чаще всего используются в исследовательских работах.
Твёрдость по методу Бринелля. Определение твёрдости по Бринеллю основано на вдавливании в испытуемый материал стального шарика и последующего измерения диаметра отпечатка (рис. 1).
Твёрдость по Бринеллю (НВ) выражается отношением взятой нагрузки Р к площади поверхности отпечатка F:
 Рис. 1 |
. (1)
Если вычислить поверхность отпечатка, имеющего форму шарового сегмента, то НВ определится формулой
, (2)
где Р – приложенная нагрузка, кгс; D – диаметр шарика, мм; d – диаметр отпечатка, мм.
Размер шарика выбирается в зависимости от толщины испытуемого образца: шарики стандартных размеров имеют диаметры 10 мм, 5 мм или 2,5 мм.
Нагрузка на шарик выбирается в зависимости от рода материала и должна быть пропорциональна квадрату диаметра шарика. Условные стандартные нормы, принятые для различных материалов:
для стали и чугуна Р = 30D2,
для меди и медных сплавов P = 10D2,
для баббитов и свинцовистых бронз Р = 2,5D2.
Более подробные сведения по выбору нагрузки и времени ее приложения для различных материалов приводятся в соответствующей таблице в лаборатории испытания твёрдости.
Для получения достоверных данных при измерениях твёрдости размер отпечатка должен находиться в пределах
0,2D < d < 0,6D. (3)
 Рис. 2 |
Диаметр отпечатка измеряют с помощью лупы Бринелля или микроскопа в двух взаимно перпендикулярных направлениях и определяют как среднее арифметическое из двух измерений. Лупа имеет шкалу, малое деление которой равно 0,05 мм (цена деления). На рис. 2 показано измерение диаметра отпечатка с помощью лупы.
По результатам измерения диаметра отпечатка на данном материале твёрдость по Бринеллю определяется с помощью формулы (2) или по таблице определения чисел твёрдости по Бринеллю (таблица приводится в Приложении 1).
Как отмечалось ранее, между механическими свойствами (в частности, пределом прочности 
и твёрдостью по Бринеллю) существует определенная зависимость, которая может быть представлена эмпирической формулой:
[МПа],
где С – коэффициент пропорциональности.
Для сталей (при 0,1–0,7 % C) С = 3,3…3,4
Для сталей (при 0,8–1,3 % C) С = 3,5…3,6
Для алюминия С = 4,0
Для меди С = 4,8
Для дуралюмина С = 3,7
Для латуни, бронзы С = 5,3
Следует отметить, что для хрупких материалов (чугун, силумин) надежной корреляции между твёрдостью и пределом прочности получить не удаётся. В частности, для определения предела прочности серого чугуна пользуются следующей эмпирической формулой:
[МПа].
Твёрдость по методу Роквелла. Определение твёрдости по Роквеллу основано на вдавливании в исследуемый материал алмазного конуса с углом в вершине 120° (шкалы А и С) и последующим измерением глубины вдавливания h (см. рис. 3) или стального шарика диаметром 1,5875 мм (шкала В).
 Рис. 3 |
Твёрдость по Роквеллу выражается отвлеченной величиной, зависящей от глубины вдавливания h, и может быть вычислена по формуле, но в этом нет необходимости, так как твёрдость определяется по показаниям прибора.
Метод Роквелла позволяет проводить испытания деталей после объёмной закалки и поверхностного упрочнения достаточной глубины. Определение твёрдости по этому методу практически не связано с порчей поверхности изделия.
Шкала С служит для испытания твёрдых материалов, имеющих твёрдость по Бринеллю от 230 до 700 кгс/мм2. Алмазный конус вдавливается с усилием 150 кгс. Интервал измерения твёрдости по шкале С – от 22 до 68 единиц, твёрдость обозначается HRС.
Шкала А используется при испытании очень твердых материалов или тонких поверхностных слоев (0,5–1,0 мм). Применяют тот же алмазный конус, но сила вдавливания 60 кгс. Значение твердости определяют по шкале С, но обозначают НRА. Интервал измерения твёрдости по этойшкале от 70 до 85 единиц.
Шкала В предназначена для испытания мягких материалов, имеющих твёрдость по Бринеллю от 60 до 230 кгс/мм2. Стальной шарик диаметром 1,5875 мм вдавливается с усилием в 100 кгс. Твёрдость измеряется в пределах от 25 до 100 единиц шкалы В и обозначается HRB.
 Рис. 4 |
Твёрдость по Виккерсу.Метод заключается во вдавливании алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды, в образец (изделие) под действием нагрузки Р и измерении диагонали отпечатка d,оставшегося после снятия нагрузки (рис. 4).
Нагрузка Р может меняться от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Твёрдость по Виккерсу
[МПа],
если Р выражена в Н, и
[кгс/мм2],
если Р выражена в кгс.
Метод используют в основном для определения твёрдости деталей малой толщины, тонких покрытий или твёрдости внешних слоев детали после неглубокого поверхностного упрочнения (например, после азотирования). При рациональном выборе нагрузки на приборе Виккерса можно проводить измерения, заменяя методы Бринелля и Роквелла.
Чем тоньше материал, покрытие или упрочнённый слой, тем меньше должна быть нагрузка. Число твёрдости по Виккерсу HV определяют по специальным таблицам по измеренной величине d (диагонали отпечатка в миллиметрах) с учётом приложенной при измерении нагрузки.
 Рис. 5 |
Микротвёрдость.Определение микротвёрдости (твердости в микроскопически малых объемах) необходимо для тонких покрытий, отдельных структурных составляющих сплавов (рис. 5). Прибор для определения микротвёрдости состоит из механизма для вдавливания алмазной пирамиды с небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа. В испытываемую поверхность вдавливают алмазную пирамиду под нагрузкой 0,05…5,00 Н. Твёрдость Н определяют по той же формуле, что и твердость по Виккерсу:
,
если нагрузка Р выражена в (Н).
Задания и методические указания
Прежде чем приступить к измерению твёрдости образца, необходимо выбрать методику определения твёрдости (Бринелль, Роквелл). Для этого необходимо знать, в каком состоянии находится данный образец или деталь (в отожжённом или закалённом). Если нет данных, то для ориентировки можно попробовать определить твердость обыкновенным напильником. Если напильник скользит по поверхности или лишь незначительно царапает металлическую поверхность, то образец имеет высокую твёрдость, и тогда следует применять метод определения твёрдости по Роквеллу. Если же образец хорошо режется напильником (легко снимается часть металла), то он имеет сравнительно низкую твёрдость, и тогда следует применять метод определения твёрдости по Бринеллю.
После выбора метода испытания необходимо подготовить образец для испытания. При использовании метода Бринелля образец подготавливают так, чтобы его поверхности (испытуемая и опорная) были параллельны и не имели окалины, ржавчины и других неровностей, влияющих на результат испытания. Это достигается (при необходимости) обработкой резанием, зачисткой или обработкой указанных поверхностей наждачной бумагой, наждачным кругом или напильником без разогрева. Минимальная толщина образца должна быть не менее
10-ти кратной глубины отпечатка.
При определении твёрдости по Роквеллу поверхности образцов (испытуемая и опорная) зачищаются на мелкой наждачной шкурке или на мелкозернистом шлифовальном круге. Зачистка не должна сопровождаться нагревом образца выше 150 °С. Опорная поверхность образца должна обеспечивать плотное и устойчивое прилегание его к опорному столику.
При определении твёрдости по методу Виккерса и микротвёрдости испытуемая поверхность образцов обязательно шлифуется и полируется (иногда для определения микротвёрдости отдельных зёрен шлиф подвергается травлению). Опорную поверхность достаточно зачистить на наждачной бумаге. При любом методе испытания образец не должен сдвигаться, качаться или деформироваться, на нем не должно быть грубых царапин, забоин, следов предыдущих испытаний.
Результаты испытания твёрдости по Бринеллю вносятся в табл. 1.
Таблица 1
Результаты эксперимента: измерение твёрдости по Бринеллю
| Материал | Нагрузка, кгс | Диаметр шарика D, мм | Диаметр отпечатка d, мм | Твёрдость, НВ | Предел прочности sВ, МПа |
Студенты должны проанализировать данные, приведенные в табл. 1. При этом обратить внимание на то, как отличается твёрдость черных металлов и сплавов (сталь и чугун) от цветных (медь, латунь, бронза, дуралюмин и т. д.). Кроме того, необходимо обратить внимание на отличие в твёрдости чистых металлов и их сплавов. Анализ результатов испытания должен приводиться в выводах по данной работе.
Все студенты должны познакомиться с методом определения твёрдости по Роквеллу и провести испытания твёрдости данных образцов. Пользуясь переводной таблицей (Приложение 2), сопоставить значение твёрдости по Бринеллю закалённых образцов и образцов, не подвергнутых закалке. Данные внести в табл. 2.
Таблица 2
Результаты эксперимента: измерение твёрдости по Роквеллу
| Материал | Нагрузка, кгс | Твердость, НRС | Значение твердости НВ по переводной таблице |
Содержание отчета
В отчете по лабораторной работе должны быть приведены:
1. Наименование работы и ее цель.
2. Оборудование и материалы, используемые при выполнении работы.
3. Краткое описание методов определения твёрдости и область их применения.
4. Значение данного метода испытания для определения свойств металлов и сплавов.
5. Таблицы экспериментальных данных и выводы по этим данным.
Контрольные вопросы
1. На каком принципе основано определение твёрдости по методу Бринелля?
2. Каким методом определяют твёрдость закалённой стали?
3. Каким методом определяют твёрдость отожженной (мягкой) стали?
4. Какой наконечник используют при определении микротвёрдости?
5. Какой метод используется при определении твёрдости тонких поверхностных слоёв?
6. Каким методом определяют твёрдость отдельных зёрен?
7. Какие нагрузки применяются при определении твёрдости по методу Роквелла?
8. Как можно предварительно оценить твёрдость образца?
9. Как нужно подготовить образец к испытанию твёрдости?
10. Какой метод измерения твёрдости является более универсальным: по Бринеллю или по Роквеллу?
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Таблица определения твердости по Бринеллю
| Диаметр отпечатка d10 или 2d5, или 4d2,5 | Число твердости по Бринеллю при нагрузке Р (кгс), равной | Диаметр отпечатка d10 или 2d5, или 4d2,5 | Число твердости по Бринеллю при нагрузке Р (кгс), равной | ||||||||
| 30 D2 | 10 D2 | 2,5 D2 | 30 D2 | 10 D2 | 2,5 D2 | ||||||
| 2,00 | 315,2 | 4,00 | 76,3 | 19,1 | |||||||
| 2,05 | 299,5 | 4,05 | 74,3 | 18,6 | |||||||
| 2,10 | 285,6 | 4,10 | 72,4 | 18,1 | |||||||
| 2,15 | 272,8 | 4,20 | 68,8 | 17,2 | |||||||
| 2,20 | 4,25 | 67,1 | 16,8 | ||||||||
| 2,25 | 248,2 | 4,30 | 65,5 | 16,4 | |||||||
| 2,30 | 237,6 | 4,35 | 63,8 | 16,0 | |||||||
| 2,35 | 4,40 | 62,4 | 15,6 | ||||||||
| 2,40 | 218,1 | 4,45 | 60,9 | 15,2 | |||||||
| 2,45 | 208,8 | 4,50 | 59,5 | 14,9 | |||||||
| 2,50 | 200,6 | 4,55 | 58,1 | 14,5 | |||||||
| 2,55 | 192,4 | 4,60 | 56,8 | 14,2 | |||||||
| 2,60 | 185,2 | 4,65 | 55,5 | 13,9 | |||||||
| 2,65 | 176,8 | 4,70 | 54,3 | 13,6 | |||||||
| 2,70 | 171,5 | 4,75 | 53,0 | 13,3 | |||||||
| 2,75 | 165,3 | 4,80 | 51,9 | 13,0 | |||||||
| 2,80 | 159,2 | 4,85 | 50,7 | 12,7 | |||||||
| 2,85 | 153,7 | 4,90 | 49,6 | 12,4 | |||||||
| 2,90 | 148,2 | 4,95 | 48,6 | 12,2 | |||||||
| 2,95 | 143,2 | 5,00 | 47,5 | 11,9 | |||||||
| 3,00 | 138,3 | 34,6 | 5,05 | 46,5 | 11,6 | ||||||
| 3,05 | 133,6 | 33,4 | 5,10 | 45,5 | 11,4 | ||||||
| 3,10 | 32,3 | 5,15 | 44,6 | 11,2 | |||||||
| 3,15 | 31,3 | 5,20 | 43,7 | 10,9 | |||||||
| 3,20 | 30,3 | 5,25 | 42,8 | 10,7 | |||||||
| 3,25 | 29,3 | 5,30 | 41,9 | 10,5 | |||||||
| 3,30 | 28,4 | 5,35 | 41,0 | 10,3 | |||||||
| 3,35 | 27,6 | 5,40 | 40,2 | 10,1 | |||||||
| 3,40 | 26,7 | 5,45 | 39,4 | 9,86 | |||||||
| 3,45 | 25,9 | 5,50 | 38,6 | 9,66 | |||||||
| 3,50 | 25,2 | 5,55 | 37,9 | 9,46 | |||||||
| 3,55 | 97,7 | 24,5 | 5,60 | 37,1 | 9,27 | ||||||
| 3,60 | 95,0 | 23,7 | 5,65 | 36,4 | 9,10 | ||||||
| 3,65 | 92,3 | 23,1 | 5,70 | 35,7 | 8,93 | ||||||
| 3,70 | 89,7 | 22,4 | 5,75 | 35,0 | 8,76 | ||||||
| 3,75 | 87,2 | 21,8 | 5,80 | 34,3 | 8,59 | ||||||
| 3,80 | 84,9 | 21,2 | 5,85 | 33,7 | 8,43 | ||||||
| 3,85 | 82,6 | 20,7 | 5,90 | 99,2 | 33,1 | 8,26 | |||||
| 3,90 | 80,4 | 20,1 | 5,95 | 97,3 | 32,4 | 8,11 | |||||
| 3,95 | 78,3 | 19,6 | 6,00 | 95,5 | 31,8 | 7,96 | |||||
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Таблица сопоставления значений твердости
| HV | HB | HRC | HRA | HV | HB | HRC | HRA |
| 20,3 21,3 22,2 23,1 24,0 24,8 25,6 26,4 27,1 27,8 28,5 29,2 29,8 31,0 32,2 33,3 34,4 35,5 36,6 37,7 38,8 39,8 40,8 41,8 42,7 43,6 44,5 45,3 46,1 46,9 47,7 48,4 | 60,7 61,2 61,6 62,0 62,4 62,7 63,1 63,5 63,8 64,2 64,5 64,8 65,2 65,8 66,4 67,0 67,6 68,1 68,7 69,2 69,8 70,3 70,8 71,4 71,8 72,3 72,8 73,3 73,6 74,1 74,5 74,9 | 49,8 50,5 51,1 51,7 52,3 53,0 53,6 54,1 54,7 55,2 55,7 56,3 56,8 57,3 57,8 58,3 58,8 59,2 59,7 60,1 61,0 61,8 62,5 63,3 64,0 64,7 65,3 65,9 66,4 67,0 67,5 68,0 | 75,7 76,1 76,4 76,7 77,0 77,4 77,8 78,0 78,4 78,6 78,9 79,2 79,5 79,8 80,0 80,3 80,6 80,8 81,1 81,3 81,8 82,2 82,6 83,0 83,4 83,8 84,1 84,4 84,7 85,0 85,3 85,6 |