Твердость металлов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Усвоить понятие  твердости, изучить сущность ее определения  различными методами. Научиться самостоятельно измерять твердость наиболее распространенными  методами.

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

Приборы Бринелля и Роквелла, образцы из горячекатаной и термически упрочненной углеродистой стали и цветных сплавов, эталонные бруски известной твердости.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Под твердостью материала понимают его способность  сопротивляться пластической или упругой  деформации при внедрении в него более твердого тела (индентора).

Этот вид механических испытаний не связан с разрушением  металла и, кроме того, в большинстве  случаев не требует приготовления  специальных образцов.

Все методы измерения твердости  можно разделить на две группы в зависимости от вида движения индентора: статические методы и динамические. Наибольшее распространение получили статические методы определения твердости.

Статическим методом измерения  твердости называется такой, при  котором индентор медленно и непрерывно вдавливается в испытуемый металл с определенным усилием. К статическим методам относят следующие: измерение твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу (рис. 1).

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

При динамическом испытании контролируется величина отскока испытательного инструмента от поверхности испытываемого образца. К динамическим методам относят следующие: твердость по Шору, по Польди.

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ  ПО БРИНЕЛЛЮ

Сущность метода заключается в том, что шарик (стальной или из твердого сплава) определенного диаметра под действием усилия, приложенного перпендикулярно поверхности образца, в течение определенного времени вдавливается в испытуемый металл (рис. 1а). Величину твердости по Бринеллю определяют исходя из измерений диаметра отпечатка после снятия усилия.

При измерении твердости  по Бринеллю применяются шарики (стальные или из твердого сплава) диаметром 1,0; 2,0; 2,5; 5,0; 10,0 мм.

При твердости металлов менее 450 единиц для измерения твердости  применяют стальные шарики или шарики из твердого сплава. При твердости металлов более 450 единиц - шарики из твердого сплава.

Величину твердости  по Бринеллю рассчитывают как отношение  усилия F, действующего на шарик, к площади  поверхности сферического отпечатка  А:

    (1)

где НВ – твердость  по Бринеллю при применении стального  шарика; 
(HBW твердость но Бринеллю при применении шарика из твердого сплава), МПа (кгс); 
F – усилие, действующее на шарик, Н (кгс); 
А – площадь поверхности сферического отпечатка, мм²; 
D – диаметр шарика, мм; 
d – диаметр отпечатка, мм.

Одинаковые  результаты измерения твердости  при различных размерах шариков  получаются только в том случае, если отношения усилия к квадратам  диаметров шариков остаются постоянными. Исходя из этого, усилие на шарик необходимо подбирать по следующей формуле:

     (2)

Диаметр шарика D и соответствующее усилие F выбирают таким образом, чтобы диаметр  отпечатка находился в пределах:

       (3)

Если отпечаток  на образце получается меньше или  больше допустимого значения d, то нужно увеличить или уменьшить усилие F и произвести испытание снова. 
Коэффициент К имеет различное значение для металлов разных групп по твердости. Численное, же значение его должно быть таким, чтобы обеспечивалось выполнение требования, предъявляемого к размеру отпечатка (3). 
Толщина образца должна не менее, чем в 8 раз превышать глубину отпечатка. 

 

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ  ИЗМЕРЕНИЯ  
ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЛЮ

Подготовка  образца, выбор условий испытания, получение отпечатка, измерение  отпечатка и определение числа твердости производится в строгом соответствии ГОСТ 9012-59 (в редакции 1990 г.). Необходимые для замера твердости значения выбираются из таблиц этого ГОСТа.  
Значение К выбирают в зависимости от металла и его твердости в соответствии с табл. 1.

Таблица 1

Испытание твердости  по Бринеллю 

 

Диаметр шарика  D, мм	Прикладываемое  усилие F, Н
	K=F/D2
	30	10	5	2,5	1
10	29420	9807	4903	2452	980,7
5	7355	2452	1226	612,9	245,2
2,5	1839	612,9	306,5	153,2	61,3
1	294,2	98,1	49,0	24,5	9,81
Диапазон твердости HB	55 – 650	35 – 200	<55	8 – 55	3 – 20
Измеряются	Сталь, чугун, медь и ее сплавы, легкие сплавы	Чугун, сплавы меди, легкие сплавы	Медь и ее сплавы, легкие сплавы	Легкие сплавы	Свинец, олово

 

 

Усилие, F в зависимости  от значения К и диаметра шарика D устанавливают в соответствии с табл. 1. 
Рекомендуемое время выдержки образца под нагрузкой для сталей составляет 10 с, для цветных сплавов 30 с (при K=10 и 30) или 60 с (при K=2.5).  
Данные замеров занести в протокол.

ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ

Марка металла	D  шарика, мм	F,  H (кгс)	Продол. выдержки, с	Диаметр  отпечатка ,  мм		Среднее  арифм.,  dср  мм	HB (HBW
				d1	d2

 

 

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ  ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ 
ПО РОКВЕЛЛУ

Шкалу испытания (А, В или С) и соответствующие  ей условия испытания (вид наконечника, общее усилие) выбирают в зависимости от предполагаемого интервала твердости испытуемого материала по табл. 2.

Таблица 2

Выбор нагрузки и наконечника для испытания  твердости по Роквеллу

Примерная твердость  по Виккерсу	Обозначение шкалы	Вид наконечника	Общее усилие, кгс	Обозначение твердости  по Роквеллу	Допускаемые пределы  шкалы
60 – 240 240 – 900 390 – 900	В С А	Стальной шарик Алмазный конус То же	100 150 60	HRB HRC HRA	25 – 100 20 – 67 70 – 85

 

 

Измерение твердости  по Роквеллу осуществляется в строгом соответствии ГОСТ 9013-59. Данные замеров занести в протокол.

ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ

Марка  металла	Обозначение  шкалы	Вид  наконечника	Общее  усилие, кгс	Результаты  измерения	Примечание

 

 

СОДЕРЖАНИЕ  ОТЧЕТА

1. Название работы.
2. Цель работы.
3. Протокол испытаний твердости по методу Бринелля.
4. Протокол испытаний твердости по методу Роквелла.
5. Выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ  ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что такое  твердость?  
2. Классификация методов измерения твердости. 
3. Сущность измерения твердости по Бринеллю. 
4. До какого значения твердости при испытании по Бринеллю используются стальные шарики? 
5. Какого диаметра шарики используются при испытании на твердость по Бринеллю? 
6. Из каких условии выбирается диаметр шарика при испытании на твердость по Бринеллю? 
7. Пример записи твердости по Бринеллю? 
8. Сущность измерения твердости по Роквеллу? 
9. При замере какой твердости снимается отсчет показании по шкалам A, С, В? 
10. Пример формы записи твердости по Роквеллу?

ИСПЫТАНИЕ МЕТАЛЛОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с проведением испытания на растяжение и определением показателей прочности и пластичности.

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ:

Разрывная машина Р 0,5, штангенциркуль, мерительная линейка, набор проволочных образцов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Металлы и сплавы, используемые в качестве конструкционных материалов, должны обладать определенными механическими свойствами – прочностью, упругостью, пластичностью, твердостью.

Прочность – это способность  металла сопротивляться деформации и разрушению.

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних сил. Деформации подразделяются на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия сил. В основе пластических деформаций – необратимые перемещения атомов от исходных положений на расстояния, большие межатомных, изменение формы отдельных зерен металла, их расположения в пространстве.

Способность металлов пластически  деформироваться называется пластичностью. Пластичность обеспечивает конструктивную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентратов напряжений – отверстий, вырезов и т.п. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств, в частности при холодном деформировании повышается прочность, но снижается пластичность.

Большинство механических характеристик  металла определяют в результате испытания образцов на растяжение (ГОСТ 1497-84).

При растяжении образцов с  площадью поперечного сечения F_о и рабочей (расчетной) длиной l_о строят диаграмму растяжения в координатах: нагрузка Р – удлинение Dl образца (рис. 1).

Диаграмма растяжения характеризует поведение металла  при деформировании от момента начала нагружения до разрушения образца. На диаграмме выделяют три участка: упругой деформации – до нагрузки Р_упр; равномерной пластической деформации от Р_упр до  Р_max и сосредоточенной пластической деформации от Р_max до Р_к . Если образец нагрузить в пределах Р_упр , а затем полностью разгрузить и замерить его длину, то никаких последствий нагружения не обнаружится. Такой характер деформирования образца называется упругим. При нагружении образца более Р_упр появляется остаточная (пластическая) деформация. Пластическое деформирование идет при возрастающей нагрузке, так как металл упрочняется в процессе деформирования. Упрочнение металла при деформировании называется наклепом. При дальнейшем нагружении пластическая деформация, а вместе с ней и наклеп все более увеличиваются, равномерно распределяясь по всему объему образца. После достижения максимального значения нагрузки  Р_max в наиболее слабом месте появляется местное утонение образца – шейка, в которой в основном и протекает дальнейшее пластическое деформирование. В это время между деформированными зернами, а иногда и внутри самих зерен могут зарождаться трещины. В связи с развитием шейки, несмотря на продолжающееся упрочнение металла, нагрузка уменьшается от Р_max до Р_к , и при нагрузке Р_к происходит разрушение образца. При этом упругая деформация образца (Dl_упр) исчезает, а пластическая (Dl_ост) остается (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма  растяжения металла

При деформировании твердого тела внутри него возникают  внутренние силы. Величину сил, приходящуюся на единицу площади поперечного  сечения образца, называют напряжением. Размерность напряжения кгс/мм², или МПа 
(1кгс/мм²=10 МПа). 
Отмеченные выше нагрузки на кривой растяжения (Р_упр , Р_т, Р_max , Р_к) служат для определения основных характеристик прочности (напряжений): предела упругости, физического предела текучести, временного сопротивления (предела прочности) и истинного сопротивления разрушению. В технических расчетах вместо предела прочности обычно используется условный предел текучести, которому соответствует нагрузка Р_0,2 (рис. 2).

Рис. 2. Участок  диаграммы растяжения металла

При растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается. Но поскольку площадь поперечного сечения образца в каждый данный момент определить сложно, то при расчете предела упругости, предела текучести и временного сопротивления пользуются условными напряжениями, считая, что поперечное сечение образца остается неизменным. Истинное напряжение рассчитывается только при определении сопротивления разрушению. 
Условный предел текучести (s_0,2) – это напряжение, при котором образец получает остаточное (пластическое) удлинение, равное 0,2 % своей расчетной длины: