Материал: Испытание металлов на твёрдость

Цель работы

Ознакомиться с основными методами определения твердости металлов и сплавов, приобрести навыки измерения твердости на различных приборах.

Общие сведения

Большинство методов определения твердости основано на принципе вдавливания. Вдавливаются стальной шарик или алмазный наконечник (конус или четырехгранная пирамида).

Твердость - это свойство поверхностного слоя материала оказывать сопротивление упругой и пластической деформации при местных контактных воздействиях со стороны другого, более твердого и не получающего остаточной деформации тела (индентора) установленной формы и размеров.

Однако такое определение не является общим, т. к. существуют и другие методы определения твердости, основанные не на принципе вдавливания, а на принципе царапания, маятниковом методе, методе упругой отдачи, динамическом методе и др.

Твердость имеет большое практическое значение, так как характеризует многие рабочие свойства металлов и сплавов, например, износостойкость, режущие свойства и др. Поэтому сложные и требующие времени испытания на растяжение, ударную вязкость и т. д. часто заменяют испытаниями на твердость, которые выполняются значительно быстрее и не требуют больших затрат. Твердость связана определенным соотношением с пределом прочности при растяжении ув.

Испытание на твердость может производиться непосредственно на детали без ее разрушения. Поэтому оно широко применяется не только для изучения свойств металла, но и как метод контроля качества металла в готовых изделиях.

В зависимости от формы индентора (шарик, конус, пирамида) и измеряемой величины (отношение нагрузки к площади полученного отпечатка) различают три метода определения твердости материала: определение твердости по Бринеллю, по Роквеллу, по Виккерсу.

Основные методы определения твердости

Метод Бринелля

При измерении твердости по Бринеллю в испытуемый образец вдавливают индентор в виде стального закаленного шарика диаметром D под нагрузкой P, приложенной в течение определенного времени твердость измеряют на приборах ТШ-2 или ТП-2. После снятия нагрузки на поверхности металла образуется отпечаток в виде сферической лунки диаметром d (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 Схема измерения твердости по методу Бринелля

Число твердости по Бринеллю НВ (МПа) определяется отношением приложенной нагрузки P (МН) к площади поверхности сферического отпечатка F (м2):

где D - диаметр вдавливаемого шарика, м;

d - диаметр отпечатка, м;

Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012-59 записывают без единиц измерения. На практике при измерении твердости расчет по указанной формуле не проводят, а используют таблицы. Необходимо отметить, что определение твердости по методу Бринелля допускается для сталей, твердость которых не более 450 НВ, цветных металлов с твердостью не более 200 НВ.

Между пределом прочности ув, МПа, и числом твердости HB, МПа, различных металлов существует следующая приближенная зависимость:

где k - коэффициент.

Сталь с твердостью HB:

• 1200 - 1750 ………………………… у в ?3,4·HB
• 1750 - 4500…………………………. у в ? 3,5·HB

Медь, латунь, бронза:

отожженная……………………….… у в ? 5,5·HB

наклепанная…………………………. у в ? 4,0·HB

Алюминий и алюминиевые сплавы с твердостью

HB = 200 - 450………………………. у в ? 3,3-3,6·HB

Дуралюмин:

отожженный………………………... ув ? 3,6·HB

после закалки и старения………..… ув ? 3,5·HB

Прибор ТШ-2 для испытания металлов на твердость по методу Бринелля

Прибор ТШ-2 (рисунок 2.2) предназначается для измерения твердости по методу вдавливания стального шарика в соответствии с методикой ГОСТ 9012-59.

Рисунок 2.2 Прибор ТШ-2

При испытаниях на твердость применяют шарики диаметром 10; 5 или 2,5 мм в зависимости от толщины испытуемого материала.

Механизмы прибора (механизмы привода, подъема стола, подъема рычажного устройства, реверсирования, нагружения) смонтированы на литой чугунной станине 1.

Механизм нагружения состоит из подвески с грузами 2, которые через систему рычагов создают необходимые испытательные нагрузки на шаровом инденторе 3.

Механизм привода, состоящий из электродвигателя и червячного редуктора, обеспечивают работу механизма нагружения и возврата его в исходное состояние. Работа прибора протекает в автоматическом цикле. Механизм подъема стола состоит из сменного стола 5, винта 6 и маховика 7. Включение прибора осуществляется пусковой кнопкой 8. Перед проведением испытания следует, в зависимости от твердости материала, выбрать величину испытательной нагрузки и, соответствующий индентор (таблица 2.1).

Таблица 2.1 Ориентировочные параметры испытаний

Для шарика диаметром 10 мм при стандартном испытании применяют нагрузку 29420 H (3000 кгс). В случае шарика меньшего диаметра необходимо сохранять постоянное соотношение нагрузки к квадрату диаметра шарика.

Рисунок 2.3 Общий вид микроскопа МПБ-3

Диаметр шарика и соответствующую нагрузку следует выбирать так, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах от 0,2 до 0,6.

Твердость испытуемого образца определяется путем измерения диаметра отпечатка при помощи микроскопа МПБ-3 (рисунок 2.3) и подсчета по формуле (2.1) или по таблицам (ГОСТ 9012-59).

твердость бринелли металл

Метод Виккерса

При измерении твердости по Виккерсу в поверхность шлифованного материала вдавливают алмазный индентор в форме правильной четырехгранной пирамиды. Испытания проводят на приборе ТП-2. После снятия нагрузки P измеряют диагонали отпечатка в виде квадрата, оставшегося на поверхности образца (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 Схема измерения твердости по методу Виккерса

Твердость HV (МПа) определяют как отношение нагрузки P к площади боковой поверхности F пирамидального отпечатка:

где P - нагрузка, H;

d - среднее арифметическое значение длины обеих диагоналей отпечатка, мм.

На практике число твердости определяют по специальным таблицам по значению диагонали отпечатка при выбранной нагрузке.

По Виккерсу можно испытывать как мягкие, так и высокотвердые металлы, можно измерять твердость образцов толщиной до 0,3 - 0,5 мм. Метод Виккерса особенно удобен при определении твердости поверхностно упрочненных деталей, имеющих сложную конфигурацию, например, цементованных, азотированных или цианированных зубьев шестерен.

Числа твердости по Виккерсу можно перевести в числа твердости по Роквеллу, а также в числа твердости по Бринеллю по таблицам (Приложение А).

Числа твердости по Виккерсу и Бринеллю имеют одинаковую размерность и для материалов с твердостью до 450 HB практически совпадают.

Измерение микротвердости

Методом определения микротвердости оценивают твердость отдельных структурных составляющих: отдельных зерен карбидов, металлических соединений или тонких слоев, получающихся в результате химико-термической обработки и гальванических покрытий, тонких полуфабрикатов (лент, фольги, проволоки). Для этих целей используют приборы моделей ПМТ - 3, (рисунок 2. 5), ПМТ-5.

Рисунок 2.5 Прибор ПМТ-3

Определение микротвердости основано на вдавливании под нагрузкой от 0,005 H (5 гс) до 2 H (200 гс) в испытуемый образец алмазной четырехгранной пирамиды и последующем измерении диагонали отпечатка с помощью микроскопа при увеличении до 485 раз.

Поверхность исследуемого образца должна быть отполирована и подвергнута травлению. Значения микротвердости определяют по специальным таблицам (ГОСТ 9450-76) или по той же формуле (2.3), что и твердость по Виккерсу.

На рисунке 2.6 показаны отпечатки, полученные на отдельных структурных составляющих углеродистой стали, содержащей 0,4 % углерода, большой отпечаток (а) получен на мягком феррите, а отпечаток меньших размеров (б) - на твердом перлите.

Рисунок 2.6 Отпечатки, полученные при определении микротвердости