Машиностроительные детали и механизмы, а также инструменты, предназначенные для их обработки, обладают набором механических характеристик. Немалую роль среди характеристик играет твердость. Твердость металлов наглядно показывает:

• износостойкость металла;
• возможность обработки резанием, шлифованием;
• сопротивляемость местному давлению;
• способность резать другой материал и прочие.

На практике доказано, что большинство механических свойств металлов напрямую зависят от их твердости.

Понятие твердости

Твердость материала – это стойкость к разрушению при внедрении во внешний слой более твердого материала. Другими словами, способность к сопротивлению деформирующим усилиям (упругой или пластической деформации).

Определение твердости металлов производится посредством внедрения в образец твердого тела, именуемого индентором. Роль индентора выполняет: металлически шарик высокой твердости; алмазный конус или пирамида.

После воздействия индентора на поверхности испытуемого образца или детали остается отпечаток, по размеру которого определяется твердость. На практике используются кинематические, динамические, статические способы измерения твердости.

В основе кинематического метода лежит составление диаграммы на основе постоянно регистрирующихся показаний, которые изменяются по мере вдавливания инструмента в образец. Здесь прослеживается кинематика всего процесса, а не только конечного результата.

Динамический метод заключается в следующем. Измерительный инструмент воздействует на деталь. Обратная реакция позволяет рассчитать затраченную кинетическую энергию. Данный метод позволяет проводить испытание на твердость не только поверхности, но и некоторого объема металла.

Статические методы – это неразрушающие способы, позволяющие определить свойства металлов. Методы основаны на плавном вдавливании и последующей выдержке в течение некоторого времени. Параметры регламентируются методиками и стандартами.

• вдавливанием;
• царапанием;
• резанием;
• отскоком.

Машиностроительные предприятия на данный момент для определения твердости материалов используют методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, а также метод микротвердости.

На основе проводимых испытаний составляется таблица, в которой указываются материалы, прилагаемые нагрузки и полученные результаты.

Единицы измерения твердости

Каждый способов измерения сопротивления металла к пластической деформации имеет свою методику его проведения, а также единицы измерения.

Измерение твердости мягких металлов производится методом Бринелля. Данному способу подвергаются цветные металлы (медь, алюминий, магний, свинец, олово) и сплавы на их основе, чугуны (за исключением белого) и отожженные стали.

Твердость по Бринеллю определяется вдавливанием закаленного, отполированного шарика из шарикоподшипниковой стали ШХ15. Окружность шарика зависит от испытуемого материала. Для твердых материалов – все виды сталей и чугунов – 10 мм, для более мягких – 1 – 2 — 2,5 — 5 мм. Необходимая нагрузка, прилагаемая к шарику:

• сплавы железа – 30 кгс/мм2;
• медь и никель – 10 кгс/мм2;
• алюминий и магний – 5 кгс/мм2.

Единица измерения твердости – это числовое значение и следующий за ними числовой индекс HB. Например, 200 НВ.

Твердость по Роквеллу определяется посредством разницы приложенных нагрузок к детали. Вначале прикладывается предварительная нагрузка, а затем общая, при которой происходит внедрение индентора в образец и выдержка.

В испытуемый образец внедряется пирамида (конус) из алмаза или шарик из карбида вольфрама (каленой стали). После снятия нагрузки производится замер глубины отпечатка.

Единица измерения твердости – это условные единицы. Принято считать, что единица — это величина осевого перемещения конуса, равная 2 мкм. Обозначение твердости маркируется тремя буквами HR (А, В, С) и числовым значением. Третья буква в маркировке обозначает шкалу.

Методика отображает тип индентора и прилагаемую к нему нагрузку.

В основном, используются шкалы измерения А и С. Например, твердость стали HRC 26…32, HRB 25…29, HRA 70…75.

Измерению твердости по Виккерсу подвергаются изделия небольшой толщины или детали, имеющие тонкий, твердый поверхностный слой. В качестве клинка используется правильная четырехгранная пирамида угол при вершине, которой составляет 136°. Отображение значений твердости выглядит следующим образом: 220 HV.

Измерение твердости по методу Шора производится путем замера высоты отскока упавшего бойка. Обозначается цифрами и буквами, например, 90 HSD.

К определению микротвердости прибегают, когда необходимо получить значения мелких деталей, тонкого покрытия или отдельной структуры сплава. Измерение производят путем измерения отпечатка наконечника определенной формы. Обозначение значения выглядит следующим образом:

Н □ 0,195 = 2800, где

□ — форма наконечника;

2800 – численное значение твердости, Н/мм 2 .

Твердость основных металлов и сплавов

Измерение значения твердости проводится на готовых деталях, отправляющихся на сборку. Контроль производится на соответствие чертежу и технологическому процессу. На все основные материалы уже составлены таблицы значений твердости как в исходном состоянии, так и после термической обработки.

Цветные металлы

Твердость меди по Бринеллю составляет 35 НВ, значения латуни равны 42-60 НВ единиц в зависимости от ее марки. У алюминия твердость находится в диапазоне 15-20 НВ, а у дюралюминия уже 70НВ.

Черные металлы

Твердость по Роквеллу чугуна СЧ20 HRC 22, что соответствует 220 НВ. Сталь: инструментальная – 640-700 НВ, нержавеющая – 250НВ.

Для перевода из одной системы измерения в другую пользуются таблицами. Значения в них не являются истинными, потому что выведены империческим путем. Не полный объем представлен в таблице.

HB	HV	HRC	HRA	HSD
228	240	20	60.7	36
260	275	24	62.5	40
280	295	29	65	44
320	340	34.5	67.5	49
360	380	39	70	54
415	440	44.5	73	61
450	480	47	74.5	64
480	520	50	76	68
500	540	52	77	73
535	580	54	78	78

Значения твердости, даже если они производятся одним и тем же методом, зависят от прилагаемой нагрузки. Чем меньше нагрузка, тем выше показания.

Методы измерения твердости

Все методы определения твердости металлов используют механическое воздействие на испытуемый образец – вдавливание индентора. Но при этом не происходит разрушение образца.

Метод определения твердости по Бринеллю был первым, стандартизованным в материаловедении. Принцип испытания образцов описан выше. На него действует ГОСТ 9012. Но можно вычислить значение по формуле, если точно измерить отпечаток на образце:

HB=2P/(πD*√(D 2 -d 2),

• D – окружность шарика, мм;
• d – окружность отпечатка, мм.
  Шарик подбирается относительно толщины образца. Нагрузку высчитывают предварительно из принятых норм для соответствующих материалов:
  сплавы из железа — 30D 2 ;
  медь и ее сплавы — 10D 2 ;
  баббиты, свинцовые бронзы — 2,5D 2 .

Скачать ГОСТ 9012-59

Измерение твердости металлов.

Методы измерения твердости металлов. Одним из широко распространенных видов испытания металлов является определение твердости. Твердость металла можно определять прямыми и косвенными методами.

Прямые методы испытания на твердость состоят в том, что в образец вдавливают специальный твердый наконечник (из закаленной стали, алмаза или твердого сплава) различной формы (шарик, конус, пирамиду). После снятия нагрузки остается отпечаток, величина которого характеризует твердость образца.

При косвенных методах оцениваются свойства металла, пропорциональные его твердости.

Испытания на твердость могут быть статическими и динамическими. К первому виду относятся испытания методом вдавливания, ко второму - методом ударного вдавливания.

В зависимости от характера и способа приложения нагрузки твер­дость косвенно характеризует различные механические свойства метал­лов. Если наконечник вдавливается в образец, то твердость характеризует сопротивление пластической де­формации. Если наконечник цара­пает об-

разец, то твердость характеризует сопротивление разрушению. Твердость, определенная по отскоку наконечника, характеризует упругие свойства металла образца.

По значению твердости металла можно составить представление об уровне его свойств. Например, чем выше твердость, определенная вдав­ливанием наконечника, тем меньше пластичность металла, и наоборот.

Метод измерения твердости имеет ряд преимуществ перед другими методами механических испытаний металла: простота техники и быстрота испытаний, простота формы и небольшие размеры образцов, возможность проводить испытание непосредственно на изделии без его разрушения.

Твердость определяют на специальных приборах - твердомерах.

Твердомеры бывают стационарные и переносные. Принципиальное устройство твердомеров для всех методов испытаний на твердость одина­ково.

Основными узлами твердомеров являются станина, рабочий столик, наконечник (узел, состоящий из оправки и индентора), нагружающее уст­ройство, прибор для измерения величины деформации.

Общая схема испытания такова: деталь или образец помещают на рабочем столике, с помощью нагружающего устройства в образец вдавли­вают индентор и после снятия нагрузки определяют твердость.

В зависимости от цели испытания, свойств испытуемого металла, размеров образца выбирают форму, раз­мер и материал индентора, вели­чину и длительность приложения нагрузки.

Наиболее часто проводят определение твердости следующими ме­тодами: измерение твердости по Бринеллю - по ГОСТ 9012 - 59; измере­ние твердости по Роквеллу - по ГОСТ 9013 - 54; измерение твердости по Виккерсу - по ГОСТ 2999 - 75; изменение твердости методом ударного отпечатка - по ГОСТ 18661 - 73; измерение микротвердости вдавлива­нием алмазных наконечников - по ГОСТ 9450 - 76.

Существуют общие требования к подготовке образцов и проведе­нию испытаний:

1. Изготовление образцов и подготовка поверхности должны осуществляться способами, исключающими изменения свойств металла из-за нагрева или наклепа.

2. Поверхность образца должна быть чистой, без окислых пленок, следов ржавления или окалины, трещин и прочих дефектов.

3. Образцы должны быть определенной толщины. После нанесения отпечатка на обратной стороне образца не должно быть следов деформации.

4. Образец должен лежать на столике жестко и устойчиво. В процессе испытания образец не должен смещаться или прогибаться.

5. Прилагаемая нагрузка должна действовать перпендикулярно к поверхности образца.

6. Нагрузка должна прилагаться и возрастать плавно до заданного значения, а далее поддерживаться постоянной в течение определенного времени.

Измерение твердости по Бринеллю. При определении твердости методом Бринелля в испытуемый образец или изделие вдавливается в течение определенного времени металлический шарик (рис. 5). После снятия нагрузки на поверхности образца остается сферический отпечаток. Величина отпечатка зависит от твердости металла: чем тверже металл, тем меньше будет величина отпечатка. Число твердости по Бринеллю обозначается НВ.

Рис. 5. Схема расположения отпечатка при определении твердости методом Бринелля

Чтобы определить число твердости НВ (МПа или кгс/мм 2), надо величину приложенной нагрузки Р разделить на площадь отпечатка F :

,

где D - диаметр шарика, м (или мм);

d - диаметр отпечатка, м (или мм);

Чтобы не производить каждый раз вычисления, при определении числа твердости пользуются специально cоставленной таблицей (приложение к ГОСТ 9012- 59). Зная нагрузку, диаметры шарика и отпечатка, по этой таблице можно определить число твердости НВ.

Для испытания применяют шарики из закаленной стали или твер­дого сплава диаметром 2,5; 5,0 и 10 мм. Диаметр шарика выбирают в за­висимости от толщины испытуемого образца и его твердости: чем тоньше и тверже образец, тем меньше должен быть диаметр шарика. Обычно ис­пытание проводят на специально подготовленной горизонтальной пло­щадке образца.

Толщина испытуемого образца должна быть не меньше десятикрат­ной глубины отпечатка. Глубину отпечатка определяют пробным испытанием или, если известен уровень твердости, по формуле

где h - глубина отпечатка;

D - диаметр шарика;

НВ - число твердости.

Между временным сопротивлением и числом твердости HB существует следующая зависимость:

Для стали σ в = 0,34 HB;

Для медных сплавов σ в = 0,45 HB;

Для алюминиевых сплавов σ в = 0,35 HB.

Расстояние от центра отпечатка до края образца дол­жно быть не менее 2,5d ,а между центрами двух соседних отпечатков - не менее 4d .Диаметр отпечатка d измеряют при помощи лупы или отсчетного микроскопа (рис. 6) в двух взаимно перпендикулярных направлениях и определяют среднее арифметическое из двух определений.

В зависимости от твердости металла нагрузка на шарик может изменяться от 15,6 до 3000 кгс. Чтобы результаты испытаний были сопоставимы при любом диаметре взятого шарика, между нагрузкой и диаметром шарика должно выдерживаться соотношение: P = 2,5D 2 , Р = 10D 2 , P = = 30D 2 .

Длительность приложения нагрузки должна быть достаточной для прохождения деформации и возрастать с уменьшением твердости испытуемого металла от 10 до 30 и 60 с.

При выборе диаметра шарика D ,нагрузки Р , продолжительности выдержки под нагрузкой t и минимальной толщины образца руководствуются табл. 1.

Запись результатов испытания проводится следующим образом. Если испытание проводится шариком диаметром D = 10 мм под нагрузкой Р = 3000 кгс с выдержкой D = 10 с, то записывается число твердости с cимвoлoм НВ. Например, твердость стали 350 НВ. Если условия испытания иные, то это показывается соответствующими индексами. Например, число твердости 230 и испытание проводилось шариком диаметром D = 5,0 мм при нагрузке 750 кгс с выдержкой под нагрузкой 10 с. В этом случае результаты записываются так: НВ 5/750/10/230.

Рис. 6. Измерение диаметра отпечатка по шкале лупы

Таблица 1

Выбор параметров испытания при определении твердости

методом Бринелля

Материал	Интервал твердости в числах Бринелля	Минимальная толщина испытуемого образца, мм	Соотношение между нагрузкой Р и диаметром шарика	Диаметр шарика D, мм	Выдержка под нагрузкой, с
Черные металлы	140-150	От 6 до 3 От 4 до 2 <2	P = 30D 2	10,0 5,0 2,5	187,5
<140	>6 От 6 до 3 <3	P = 10D 2	10,0 5,0 2,5	62,5
Цветные металлы	>130	От 6 до 3 От 4 до 2 >2	P = 30D 2	10,0 5,0 2,5	187,5
35-130	От 6 до 3 От 6 до 3 <2	P = 10D 2	10,0 5,0 2,5	62,5
8-35	>6 От 6 до 3 <3	P = 2,5D 2	10,0 5,0 2,5	62,5 15,6

Измерение твердости по Роквеллу. При измерении твердости этим методом алмазный конус или стальной шарик вдавливается в испытуемый образец под действием общей нагрузки Р. Причем сначала прилагается предварительная нагрузка Р 0 , а затем основная P 1 , т. е. Р = Р 0 + P 1 . Твердость определяют по глубине отпечатка (рис. 7). За единицу твердости по Роквеллу принята условная величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. В зависимости от твердо­сти испытуемого образца испытание проводят вдавлива­нием алмазного конуса или шарика при различной величине основной и общей нагрузки. При испытании твердость можно измерять по трем шкалам: А, В и С (табл. 2).

Поверхность для испытания может быть плоской и криволинейной. Радиус кривизны поверхности должен быть не менее 15 мм. Минимальная толщина образца должна быть не меньше восьмикратной глубины внедре­ния индентора после снятия основной нагрузки P 1 .

При измерении твердости расстояние между центрами двух соседних отпечатков или расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 3,0 мм. На каждом образце проводят не менее трех измерений.

Рис. 7. Схема испытания на твердость по методу Роквелла

Таблица 2

Выбор параметров при определении твердости методом Роквелла

Измерение твердости по Виккерсу. При измерении твердости по этому методу в образец вдавливается алмазный наконечник, имеющий форму правильной четырехгранной пирамиды. Нагрузка Р действует в течение определенного времени.

Величина нагрузки может быть следующей: 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 20,0; 30,0; 50,0; 100,0 кгс. Чем больше нагрузка, тем более точным получается результат.

Продолжительность выдержки образца под нагрузкой составляет обычно 10-15 с.

Поверхность испытуемого образца должна быть хорошо подготовлена - шероховатость ее не должна превышать 0,16 мкм. Минимальная толщина стального образца должна быть больше диагонали от­печатка в 1,2 раза, а образцов из цветных металлов в 1,5 раза. Радиус кривизны по­верхности должен быть не менее 5 мм.

Отпечатки ставят так, чтобы расстояние между центром отпе­чатка и краем образца или краем соседнего отпечатка было не ме­нее 2,5 длины диагона­ли отпечатка (рис. 8).

Рис. 8. Схема расположения отпечатка при определении твердости методом

Виккерса

Погрешность при измерении диагоналей должна быть не более ±0,001 мм при длине диагонали до 0,2 мм, а при большей длине не более 0,5%.

Твердость по Виккерсу (HV) вычисляют по формуле:

,

α - угол между противополож­ными гранями пирамиды при вершине, равный 136°;

d - среднее арифметическое значение длин обеих диагоналей отпечатка после снятия на­грузки, мм.

Если испытания прово­дятся в стандартных усло­виях, то, чтобы не прово­дить вычисления, пользуются таблицей (приложение к ГОСТ 2999-75), в которой приведена твердость в зави­симости от длины диагонали отпечатка при различной нагрузке.

При записи результатов испытаний в обычных усло­виях твердость по Виккерсу обозначается символом HV. Обычными условиями испытания считаются нагрузка 300 Н (30 кгс) и время выдержки 10-15 с. В этом случае твердость записывается,например, HV 300. Если условия испытания другие, то это указывается индексами, причем сначала указывается величина нагрузки, потом время выдержки. Например, запись HV 20/40 - 250 значит, что при нагрузке 200 Н (20 кгс) и времени выдержки 40 с твердость по Виккерсу 250.

2.1. Определение твердости по Бринеллю

Твердость определяется вдавливанием в изделие стального шарика определенного диаметра (D) с определенной нагрузкой (Р).

Число твердости по Бринеллю НВ (Н/м 2) равно отношению нагрузки к площади отпечатка (F).

НВ = Р/ F = Р / π D h = 2P/ π (D – D 2 – d 2)

где d – диаметр отпечатка, измеренный после снятия нагрузки, h – глубина отпечатка, вычисленная по D и d.

Для определения твердости металла применяют шарики следующих диаметров: 2,5 мм; 5 мм и 10 мм, для металла толщиной, соответственно, до 3 мм; 3-6 мм; более 6 мм.

Между диаметром шарика и нагрузкой существует определенная зависимость:

Для черных металлов Р = 30 D 2 ;

Для меди, латуни, бронзы Р = 10 D 2 ;

Для алюминия и его сплавов Р = 2,5 D 2 .

2.2. Определение твердости по Роквеллу.

В поверхность испытуемого материала вдавливают наконечник под действием предварительной (Р 1 = 100 Н) и окончательной (Р 2) нагрузок. В качестве наконечников для твердых металлов применяют алмазный конус с углом при вершине 120º или стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм для мягких металлов. В зависимости от типа испытуемого материала выбирается тип наконечника и назначается окончательная нагрузка. (см. табл. 1.1). Показания снимают по одной из шкал прибора (А, В или С). В зависимости от шкалы, по которой определяют число твердости, приняты следующие обозначения: HRA, HRB и HRC.

Таблица 1.1.

Тип испытуемого металла	Тип наконечника		Обозначение марки

Твердость по Роквеллу определяют по формуле:

HR = K – (h 2 – h 1) / b

где h 1 и h 2 – глубины внедрения наконечника под действием предварительной (Р 1) и окончательной (Р 2) нагрузок соответственно, мм; К – постоянное число, имеющее размерность в мм; b – цена деления шкалы индикатора, соответствующая углублению наконечника на 0,002 мм.

2.3. Определение твердости по Виккерсу.

При определении твердости в испытуемый материал вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136º. При этом применяют нагрузки от 50 до 1200 Н. После действия нагрузки на образце остается отпечаток в виде квадрата.

Число твердости определяют как нагрузку, приходящуюся на единицу поверхности отпечатка.

НV = 2 P sin 0,5α / d 2

где Р – нагрузка на пирамиду; α – угол при вершине пирамиды; d – длина диагонали отпечатка.

3. ИЗМЕРЕНИЕ ПРОЧНОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ АРМАТУРЫ

МЕТОДОМ СТАТИЧЕСКОГО РАСТЯЖЕНИЯ

Испытание на растяжение производят на разрывных машинах с автоматической записью кривой растяжения.

Образцы для испытания бывают в зависимости от площади поперечного сечения нормальные и пропорциональные . Нормальные образцы имеют площадь поперечного сечения 314 мм 2 (d 0 = 20 мм). Они бывают двух видов:

длинные (длина расчетной части ℓ 0 = 200 мм, а отношение ℓ 0 / d 0 =10);

короткие (ℓ 0 = 100 мм, ℓ 0 / d 0 = 5);

Площадь поперечного сечения пропорциональных образцов может быть произвольная, а расчетную длину определяют по формуле:

ℓ 0 = 11,3 F 0 или ℓ 0 = 6,65 F 0

где F 0 – исходная площадь поперечного сечения образцов, мм 2 .

Литые образцы и образцы из хрупких материалов изготавливают с расчетной длиной ℓ 0 = 2,82 F 0 .

На вертикальной оси диаграммы откладывается нагрузка Р, по горизонтальной абсолютное удлинение образца Δℓ.

На участке ОР р удлинение Δℓ образца увеличивается прямо пропорционально нагрузке Р р, называемой нагрузкой предела пропорциональности. На этом участке происходят упругие (обратимые) деформации образца и сохраняется закон Гука (ε = σ / Е). Пределом пропорциональности σ р называется наибольшее напряжение, до которого относительное удлинение образца остается прямо пропорциональным нагрузке Р р.

σ р = Р р / F 0

Нагрузку Р е, при которой образец получает остаточное удлинение, равное 0,005 % расчетной длины, называют нагрузкой предела упругости. Пределом упругости σ е называют такое напряжение, при котором остаточное удлинение получается равным 0,005 % первоначальной длине образца.

σ е = Р е / F 0

Нагрузку Р т, при которой начинается течение металла, называют нагрузкой предела текучести, а горизонтальный участок кривой – площадкой текучести.

σ т = Р т / F 0

Пределом текучести σ т называют наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки.

За площадкой текучести нагрузка снова растет до некоторой максимальной величины Р в, после которой на образце начинается образование местного сужения (шейки). Уменьшение сечения в области шейки вызывает снижение нагрузки, и в точке К при нагрузке Р z происходит разрыв образца. Наибольшую нагрузку Р в, при которой начинается образование шейки, называют нагрузкой предела прочности при растяжении.

Пределом прочности при растяжении называют отношение наибольшей нагрузки, при которой начинается образование шейки к площади поперечного сечения образца.

σ в = Р в / F 0

Истинное сопротивление разрыву σ z определяют по формуле

σ z = Р z / F 1

где F 1 – площадь поперечного сечения образца в месте разрыва.

Полная деформация образца Δℓ п складывается из остаточной Δℓ ост и упругой деформации Δℓ упр. Для определения этих деформаций необходимо на диаграмме растяжения из точки К провести прямую, параллельную прямолинейному участку кривой (рис. 1) до пересечения с осью абсцисс.

Р

Рис. 1. Диаграмма растяжения

Относительным удлинением δ называют отношение приращения длины образца после разрыва к его расчетной длине, выраженное в процентах

δ = 100 (ℓ 1 – ℓ 0) / ℓ 0 (%)

где ℓ 1 – длина образца после разрыва, мм; ℓ 0 – расчетная длина образца, мм.

Относительным сужением ψ называют отношение уменьшения площади поперечного сечения после разрыва к начальной площади поперечного сечения, выраженное в процентах.

Ψ = 100 (F 0 – F 1) / F 0 (%)

где F 0 – начальная площадь поперечного сечения образца, мм 2 ; F 1 – конечная площадь поперечного сечения образца, мм 2 .

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Ознакомиться с теоретической частью работы. Дать определение металлографического макроанализа. Записать, чем обусловлено волокнистое строение стали. Выписать основные дефекты сварного шва. Дать определение цементации, с какой целью и как производится цементация сталей. Дать определение ликвации и влияние ликваций серы и фосфора на свойства сталей.

Описать методику подготовки шлифов предназначенных для изучения волокнистости стали, дефектов сварного соединения, глубины цементации и ликваций серы и фосфора. Зарисовать шлифы изученных на занятии изделий.

Ознакомиться с принципом работы твердомеров Роквелла и Виккерса и с их помощью определить твердость трех эталонных образцов металла. Результаты испытаний занести в таблицу.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Что называют металлографическим макроанализом?

Чем обусловлено волокнистое строение металлов? Метод определения волокнистсти стали?

Как определяется глубина цементация стали?

Влияние ликваций серы и фосфора на свойства стали.

Метод определения ликваций серы и фосфора в сталях.

Структура сварного шва и методы его исследования.

Методы определения твердости металлов.

В чем отличие твердости HRC, HRB, HRA?

Как определяется прочность, пластичность и текучесть металла?

Для того чтобы детали и механизмы служили длительно и надежно, материалы, из которых они изготовлены, должны соответствовать необходимым условиям работы. Именно поэтому важно контролировать допустимые значения их основных механических показателей. К механическим свойствам относятся твердость, прочность, пластичность. Твердость металлов - первичная конструкционная характеристика.

Понятие

Твердость металлов и сплавов - это свойство материала создавать сопротивление при проникновении в его поверхностные слои иного тела, которое не деформируется и не разрушается при сопутствующих нагрузках (индентора). Определяют с целью:

• получения информации о допустимых конструкционных особенностях и о возможностях эксплуатации;
• анализа состояния под действием времени;
• контроля результатов температурной обработки.

От этого показателя частично зависят прочность и устойчивость поверхности к старению. Исследуют как исходный материал, так и уже готовые детали.

Варианты исследования

Показателем является величина, которая называется числом твердости. Существуют различные методы измерения твердости металлов. Наиболее точные исследования заключаются в использовании различных видов вычисления, инденторов и соответствующих твердомеров:

1. Бринелля: суть работы аппарата - вдавливание шарика в исследуемый металл или сплав, вычисление диаметра отпечатка и последующее математическое вычисление механического параметра.
2. Роквелла: используются шарик или алмазный конусный наконечник. Значение отображается на шкале или определяется расчётно.
3. Виккерса: наиболее точное измерение твердости металла с применением алмазного пирамидального наконечника.

Для определения параметрических соответствий между показателями разных способов измерения для одного и того же материала существуют специальные формулы и таблицы.

Факторы, определяющие вариант измерения

В лабораторных условиях, при наличии необходимого ассортимента оборудования, выбор способа исследования осуществляется в зависимости от определенных характеристик заготовки.

1. Ориентировочное значение механического параметра. Для конструкционных сталей и материалов с небольшой твердостью до 450-650 НВ применяют метод Бринелля; для инструментальных, легированных сталей и других сплавов - Роквелла; для твердосплавов - Виккерса.
2. Размеры испытуемого образца. Особо маленькие и тонкие детали обследуются с помощью твердомера Виккерса.
3. Толщина металла в месте замера, в частности, цементированного или азотированного слоя.

Все требования и соответствия задокументированы ГОСТом.

Особенности методики Бринелля

Испытания на твердость металлов и сплавов с помощью твердомера Бринелля проводятся со следующими особенностями:

1. Индентор - шарик из легированной стали или из карбидо-вольфрамового сплава диаметром 1, 2, 2,5, 5 или 10 мм (гост 3722-81).
2. Продолжительность статического вдавливания: для чугуна и стали - 10-15 с., для цветных сплавов - 30, также возможна длительность в а в некоторых случаях - 120 и 180 с.
3. Граничное значение механического параметра: 450 НВ при измерении стальным шариком; 650 НВ при использовании твердосплава.
4. Возможные нагрузки. С помощью входящих в комплект грузов корректируется фактическая сила деформации на испытуемый образец. Их минимальные допустимые значения: 153,2, 187,5, 250 Н; максимальные - 9807, 14710, 29420 Н (гост 23677-79).

С помощью формул, в зависимости от диаметра выбранного шарика и от испытуемого материала, можно вычислить соответствующее допустимое усилие вдавливания.

Пример обозначения:

400HB10/1500/20, где 400HB - твердость металла по Бринеллю; 10 - диаметр шарика, 10 мм; 1500 - статическая нагрузка, 1500 кгс; 20 - период осуществления вдавливания, 20 с.

Для установления точных цифр рационально исследовать один и тот же образец в нескольких местах, а общий результат определять путем нахождения среднего значения из полученных.

Определение твердости по методу Бринелля

Процесс исследования протекает в следующей последовательности:

1. Проверка детали на соответствие требованиям (ГОСТ 9012-59, гост 2789).
2. Выбор необходимого шарика, определение возможного усилия, установка грузов для его формирования, периода вдавливания.
3. Запуск твердомера и деформация образца.
4. Измерение диаметра углубления.
5. Эмпирическое вычисление.

где F - нагрузка, кгс или Н; A - площадь отпечатка, мм 2 .

НВ=(0,102*F)/(π*D*h),

где D - диаметр шарика, мм; h - глубина отпечатка, мм.

Твердость металлов, измеренная этим способом, имеет эмпирическую связь с вычислением параметров прочности. Метод точен, особенно для мягких сплавов. Является основополагающим в системах определения значений этого механического свойства.

Особенности методики Роквелла

Этот способ измерения был изобретен в 20-х годах XX века, более автоматизирован, чем предыдущий. Применяется для более твердых материалов. Основные его характеристики (ГОСТ 9013-59; гост 23677-79):

1. Наличие первичной нагрузки в 10 кгс.
2. Период выдержки: 10-60 с.
3. Граничные значения возможных показателей: HRA: 20-88; HRB: 20-100; HRC: 20-70.
4. Число визуализируется на циферблате твердомера, также может рассчитываться арифметически.
5. Шкалы и инденторы. Известно 11 различных шкал в зависимости от типа индентора и предельно-допустимой статической нагрузки. Наиболее распространённые в использовании: А, В и С.

А: алмазный конусный наконечник, угол при вершине 120˚, общая допустимая сила статического влияния - 60 кгс, HRA; исследуются тонкие изделия, в основном прокат.

С: также алмазный конус, рассчитанный на максимальное усилие 150 кгс, HRC, применим для твердых и закаленных материалов.

В: шарик размером 1,588 мм, изготовленный из закаленной стали или из твердого карбидо-вольфрамового сплава, нагрузка - 100 кгс, HRB, используется для оценки твердости отожжённых изделий.

Шарикообразный наконечник (1,588 мм) применим для шкал Роквелла B, F, G. Также существуют шкалы E, H, K, для которых используется шарик диаметром 3,175 мм (ГОСТ 9013-59).

Количество проб, проделанных с помощью твердомера Роквелла на одной площади, ограничивается размером детали. Допускается повторная проба на расстоянии 3-4 диаметра от предыдущего места деформации. Толщина испытуемого изделия также регламентируется. Она должна быть не меньше увеличенной в 10 раз глубины внедрения наконечника.

Пример обозначения:

50HRC - твердость металла по Роквеллу, измерена с помощью алмазного наконечника, ее число равно 50.

План исследования по методу Роквелла

Измерение твердости металла более упрощено, нежели для

1. Оценка размеров и характеристик поверхности детали.
2. Проверка исправности аппарата.
3. Определение типа наконечника и допустимой нагрузки.
4. Установка образца.
5. Осуществление первичного усилия на материал, величиной в 10 кгс.
6. Осуществление полного соответствующего усилия.
7. Чтение полученного числа на шкале циферблата.

Также возможен математический расчет с целью точного определения механического параметра.

При условии использования алмазного конуса с нагрузкой 60 или 150 кгс:

HR=100-((H-h)/0,002;

при совершении испытания с помощью шарика под усилием 100 кгс:

HR=130-((H-h)/0,002,

где h - глубина внедрения индентора при первичном усилии 10 кгс; H - глубина внедрения индентора при полной нагрузке; 0,002 - коэффициент, регламентирующий величину перемещения наконечника при изменении числа твердости на 1 единицу.

Является простым, но недостаточно точным. В то же время он позволяет измерять показатели механического свойства для твердых металлов и сплавов.

Характеристики методики Виккерса

Определение твердости металлов по данному способу наиболее просто и точно. Работа твердомера основана на вдавливании в образец алмазного пирамидального наконечника.

Основные особенности:

1. Индентор: алмазная пирамида с углом при вершине 136°.
2. Предельно допустимая нагрузка: для и стали - 5-100 кгс; для медных сплавов - 2,5-50 кгс; для алюминия и сплавов на его основе - 1-100 кгс.
3. Период выдержки статической нагрузки: от 10 до 15 с.
4. Испытуемые материалы: сталь и с твердостью более 450-500 НВ, в том числе изделия после химико-термической обработки.

Пример обозначения:

где 700HV - число твердости по Виккерсу; 20 - нагрузка, 20 кгс; 15 - период статического усилия, 15 с.

Последовательность исследования Виккерса

Порядок действий предельно упрощен.

1. Проверка образца и аппаратуры. Особое внимание уделяется поверхности детали.
2. Выбор допустимого усилия.
3. Установка испытуемого материала.
4. Запуск твердомера в работу.
5. Чтение результата на циферблате.

Математический расчет по этому способу выглядит следующим образом:

HV=1,8544*(F/d 2),

где F - нагрузка, кгс; d - среднее значение длин диагоналей отпечатка, мм.

Он позволяет измерять высокую твердость металлов, тонких и небольших деталей, при этом предоставляя высокую точность результата.

Способы перехода между шкалами

Определив диаметр отпечатка с помощью специального оборудования, можно с помощью таблиц определить твердость. Таблица твердости металлов - проверенный помощник в вычислении данного механического параметра. Так, если известно значение по Бринеллю, можно легко определить соответствующее число Виккерса или Роквелла.

Пример некоторых значений соответствия:

Диаметр отпечатка,	Метод исследования
	Бринелля	Роквелла			Виккерса

Таблица твердости металлов составлена на основе экспериментальных данных и имеет высокую точность. Также существуют графические зависимости твердости по Бринеллю от содержания углерода в железоуглеродистом сплаве. Так, в соответствии с такими зависимостями, для стали с количеством карбона в составе равному 0,2% она составляет 130 НВ.

Требования к образцу

В соответствии с требованиями ГОСТов, испытуемые детали должны соответствовать следующим характеристикам:

1. Заготовка должна быть ровная, твердо лежать на столе твердомера, ее края должны быть гладкими или тщательно обработаны.
2. Поверхность должна иметь минимальную шероховатость. Должна быть отшлифована и очищена, в том числе с помощью химических составов. Одновременно, во время процессов механической обработки, важно предупредить образование наклепа и повышения температуры обрабатываемого слоя.
3. Деталь должна соответствовать выбранному методу определения твердости по параметрическим свойствам.

Выполнение первичных требований - обязательное условие точности измерений.

Твердость металлов - важное основополагающее механическое свойство, определяющее их некоторые остальные механические и технологические особенности, результаты предыдущих процессов обработки, влияние временных факторов, возможные условия эксплуатации. Выбор методики исследования зависит от ориентировочных характеристик образца, его параметров и химического состава.

Твердость – свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела, например инструмента. От твердости зависит область применения материалов, поведение их в процессе эксплуатации и сохранение внешнего вида. По этой характеристике оценивают качество металлов, пластических масс, керамики, древесины, каменных и других материалов.

Она существенно влияет на характер и трудоемкость обработки материала.

Существует несколько способов определения твердости материалов: царапание, вдавливание, прокол стандартной иглой, испытания с помощью бойка и колебаний маятника. Все они основаны на внедрении в испытываемый образец минерала, шарика, пирамиды, пуансона под определенным давлением: чем меньше усилие и больше глубина внедрения, тем ниже твердость материала, и наоборот.

Наиболее простым и распространенным на практике способом определения твердости природных каменных материалов является царапание их другими минералами шкалы твердости. Предложенная в прошлом столетии немецким ученым Ф. Моосом указанная шкала содержит 10 минералов от самого мягкого (талька) до самого твердого (алмаза), причем порядковый номер минерала в шкале соответствует его твердости и каждый следующий по порядку минерал оставляет черту (царапину) на предыдущем, а сам им не прочерчивается (см. табл. 3).

Твердость других материалов определяют различными способами, обычно на специальных приборах. Твердость металлов, бетона, древесины и пластмасс (кроме пористых) оценивают, вдавливая в образцы стальной шарик или алмазный конус. О величине твердости судят либо по глубине вдавливания шарика или конуса, либо по диаметру полученного отпечатка.

Числовыми характеристиками твердости материалов служат числа твердости, которые сведены в различные шкалы, соответствующие разным методам ее измерения. Числа твердости указываются в единицах HB (метод Бринелля), HV (метод Виккерса), HR (метод Роквелла), где H – первая буква английского слова харднесс – твердость.

При определении твердости методом Роквелла вводятся дополнительные обозначения: В (шарик), С и А (конус, при разных грузах). Поясним сказанное на примере определения твердости металлов: для незакаленных деталей применяют стальной закаленный шарик и груз массой 100 кг, твердость отсчитывают по красной шкале В и обозначают HRB для закаленных деталей высокой твердости используют алмазный конус и груз массой 150 кг, твердость отсчитывают по черной шкале С и обозначают HRC; для особо твердых или тонких, деталей применяют также алмазный конус, но груз 60 кг, твердость отсчитывают по шкале А специального прибора и обозначают HRA.

Следует отметить, что твердость материала не всегда соответствует его прочности. Например, древесина, значительно уступая бетону по твердости, имеет одинаковую с ним прочность.