ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ. Твердістю називається здатність матеріалу чинити опір зовнішній пластичній деформації, що виникає при вдавлюванні в нього більш твердого тіла – індентора

Твердістю називається здатність матеріалу чинити опір зовнішній пластичній деформації, що виникає при вдавлюванні в нього більш твердого тіла – індентора.

Існують наступні методи визначення твердості металів та сплавів, наприклад, метод вдавлювання, метод пружного відскакування бойка (твердомір Шора), метод дряпання, метод вимірювання електроопору, метод коливання маятника. Найбільш поширеним з них є метод вдавлювання. За цим методом працюють прилади Брінелля, Роквелла, Віккерса, ПМТ-3 та Польді.

Метод Брінелля (за іменем шведського інженера
Ю.А. Брінелля) дозволяє вимірювати твердість в межах від 8 до 450 одиниць НВ сталевою загартованою кулькою і до 650 – кулькою з твердого сплаву.

На приладі Брінелля в матеріал вдавлюється сталева загартована кулька під навантаженням Р (рисунок1)

Рисунок 1 - Схема вимірювання твердості

за Брінеллем

Внаслідок цього на поверхні метала виникає відбиток діаметром d. Твердість за Брінеллем буде визначатися за формулою:

, (1.1)

де Р – навантаження, Н;

F – площа поверхні відбитку, мм².

Площа поверхні відбитку буде:

, (1.2)

таким чином, твердість за Брінеллєм може бути знайдена за формулою:

, . (1.3)

Для того, щоб можна було порівнювати результати виміряних твердостей, треба, щоб умови випробування були однакові (стандартні умови випробування). Ці умови встановлюються згідно з законом подібності та враховують застосування при випробуванні кількох необхідних розмірів кульок, навантаження та часу витримки кульки під навантаженням. Ці параметри регламентуються згідно з ГОСТ 9012-59 (таблиця 1). Площа поверхні відбитку вимірюється спеціальною лупою (ручним мікроскопом), яка додається до прибору. Збільшення лупи 50, точність ±0,05мм.

Перед початком випробування з таблиці 1 вибирають необхідний розмір кульки в залежності від товщини зразка, навантаження та час витримки.

Таблиця 1 – Умови вимірювання твердості за Брінеллем залежно від матеріалу, його твердості та товщини зразка

На підвісці пресу встановлюють вантажі 1 згідно з вибраним для випробування навантаженням. Наконечник з кулькою 2 встановлюють у шпиндель пресу. На столику 3 приладу (рисунок 2) розміщують зразок 4 так, щоб центр відбитка знаходився від краю зразка або від краю вже зробленого раніш відбитка на відстані не менш діаметра сталевої кульки (індентора). За допомогою маховика 5 підводять зразок до стикання з кулькою 2 до тих пір, доки пружина 6 не стиснеться до кінця. Таким чином задається попереднє навантаження, рівне 1000 Н. Після цього натисненням на кнопку 7 вмикають прес. Електродвигун 8 через черв'ячні передачі редуктора 9, шатун 10 та систему важелів 11 і 12 з вантажами 1 створює повне навантаження на кульку. Після закінчення випробування прес автоматично повертає вантажі до вихідного (початкового) становища та вимикається. Обертанням маховика в протилежному напрямку опускають донизу стіл та знімають зразок.

Рисунок 2 - Схема приладу Брінелля

За допомогою ручного мікроскопу МПБ-2 заміряють діаметр відбитка. Згідно з таблицею, яка додається до приладу, або за формулою (1.3) знаходять твердість. Випробування має бути проведено 2...3 рази.

Якщо при випробуваннях навантаження дорівнює Р=3000 кгс (30000 Н), діаметр кульки D=10 мм, тривалість навантаження
t=10...15 с і отримана величина твердості 200 кгс/мм² (2000 МПа), то твердість позначається 200 HB або HB=2000 МПа. (H – від першої літери англійського слова «hardness» – твердість, В – перша літера назви метода «Брінелль»). У всіх останніх випадках, пов’язаних зі зміною умов виміру твердості, в позначенні обов’язково вказується діаметр кульки, що використовується, навантаження та час витримки, наприклад, 200 HB 5/750/20, де D=5 мм; P=750 кгс; t=20 с; 200 – розрахункове значення твердості. При вимірі твердості кулькою зі твердого сплаву твердість позначається HBW, наприклад, 500 HBW або HBW=5000 МПа. Для визначення по таблиці числа твердості при випробуванні кулькою діаметром 5 мм, діаметр відбитку треба помножити на 2, а при випробуванні кулькою діаметром 2,5 мм – помножити на 4. Наприклад, для відбитку діаметром 1,65 мм, отриманого при дослідженні кулькою діаметром 5 мм під навантаженням 750 кгс число твердості слід шукати в таблиці для відбитку 3,30 мм (2x1,65=3,30); воно дорівнює 341.

Перевагами метода Брінелля є простота випробування та висока точність результатів. Крім того, між твердістю HB та межею міцності σ_В існує залежність σ_В=k·HB, де k – коефіцієнт, який дорівнює 3,5 для сталі та дюралюмінію; 5,5 – для міді та її сплавів в відпаленому стані; 4,0 – для міді ті її сплавів після наклепу.

До недоліків методу Брінелля відносяться: обмежене застосування внаслідок можливої деформації кульки, неможливість випробувань тонких виробів (товщиною менш 2...3 мм) та тонких поверхневих шарів (товщиною менш 1 мм), значний розмір (2...6 мм) відбитку, що залишається на виробі.

Твердість за Роквеллом (за іменем американського металурга С.П. Роквелла) дозволяє випробувати твердість матеріалів, які мають високу твердість (більш 450 одиниць по Брінеллю), наприклад, загартовану сталь; твердість зразків після хіміко-термічної обробки – цементації, азотування. При випробуванні твердості за Роквеллом (ТК-2) в якості індентора використовують алмазний конус з кутом 120⁰ при вершині або сталеву кульку діаметром 1/16 дюйма (тобто 1,588 мм). Якщо визначається твердість відносно м'яких металів, тоді втискають сталеву кульку (шкала В), а твердих металів (загартована сталь) – алмазний конус (шкала С). Алмазним конусом можна випробувати матеріал товщиною до 0,4 мм, а кулькою – до 2 мм. Товщина зразка повинна бути не менш 8-кратної товщини зразка. Коли визначається твердість твердих сплавів, тоді також використовують алмазний індентор (шкала А). Вибір шкали та навантаження при випробуванні здійснюють за таблицею 2.

Таблиця 2 - Вибір шкали та навантаження при випробуванні за

Роквеллом (ТК-2)

В позначенні твердості, що вимірюється методом Роквелла: H – від першої літери англійського слова «hardness» – твердість, R – перша літера назви метода «Роквелл», В – від першої літери англійського слова «ball»,C – від першої літери англійського слова «cone».

При визначенні твердості металів за Роквеллом вимірюється глибина відбитка (рисунок 3) за допомогою важільного механізму та індикатора годинникового типу.

Рисунок 3 - Схема вимірювання

твердості за Роквеллом

Умови визначення твердості за методом Роквелла надаються в ГОСТ 9013-59. Спочатку надається попереднє навантаження Р₀=100 Н (для щільного притискання алмаза або кульки до металу, що випробується, та вибирання зазорів у шарнірах), потім – основне навантаження (згідно таблиці 2). Незалежно від того,що вдавлюється в зразок, що досліджується – алмазний конус або кулька, з великою стрілкою індикатору завжди суміщається нуль чорної шкали з позначкою "С". Велику стрілку з нульовим штрихом червоної шкали з позначкою "В", не суміщають ні в якому разі.

Числа твердості за Роквеллом вимірюються в умовних одиницях виміру та обчислюються за формулами:

HRC = для шкали "С",

HRB = для шкала "В",

де h₀ – глибина проникнення індентора у зразок під дією

попереднього навантаження Р₀;

h – глибина проникнення індентора у зразок під дією

загального навантаження Р, виміряна після зняття загального

навантаження Р₁ з залишенням попереднього навантаження Р₀.

Рисунок 4 - Схема приладу Роквелла

Зразок встановлюється на столику 1 і обертанням маховичка 2 за годинною стрілкою його піднімають до стикання з алмазним конусом або кулькою 3. При наступному обертанні маховичка починають переміщатися маленька та велика стрілки індикатора 4. Суміщають маленьку стрілку з красною крапкою, яка є на циферблаті індикатора. Таке суміщення надає попереднє навантаження Р₀ = 100Н. Попереднє навантаження дозволяє встановити щільне зіткнення між алмазом (кулькою) та зразком і таким чином уникнути помилок, що викликаються різною чистотою обробки поверхні деталей, які досліджуються. Після цього циферблат індикатора 4 повертають так, щоб нульова поділка чорної шкали "С" була проти великої стрілки. Рукояткою 5 або включенням електричного приладу завдяки вантажам надається основне навантаження Р на індентор. Вдавлювання триває 5...6 сек., потім основне навантаження знімають зворотним повертанням рукоятки 5 (у електричного приладу автоматично). Після цього велика стрілка індикатора показує величину твердості. Щоб звільнити зразок, потрібно зняти навантаження зворотним обертанням маховика 2. Правильність показань приладу Роквелла перевіряється по еталонам, т.б. по зразкам, твердість яких заздалегідь відома.

За число твердості приймають середнє арифметичне значення, яке отримують з трикратного випробування. Число твердості за Роквеллом можна перевести в число твердості за Брінеллєм за таблицями.

Метод Віккерса (за назвою англійського військово-промислового концерну «Віккерс») дає можливість вимірювати твердість як м'яких, так і дуже твердих металів та сплавів; він придатний для визначення твердості тонких поверхневих шарів (наприклад, при хіміко-термічній обробці). За цим методом у зразок вдавлюють чотиригранну алмазну піраміду з кутом при вершині 136⁰ (рисунок 5). Навантаження може становити від 5 до 120 кгс.

Рисунок 5 - Схема випробування на твердість

за Віккерсом

Число твердості за Віккерсом позначається символом HV та визначається за формулою:

,

де Р – навантаження, Н

d – довжина діагоналі відбитку, мм

Числа твердості за Віккерсом та Брінеллем мають однакову розмірність (МПа) і для матеріалів твердістю до 450 НВ практично збігаються.

Випробування на мікротвердість застосовують при визначенні твердості окремих структурних складових (антифрикційних та інших сплавів), властивості тонких поверхневих шарів товщиною в декілька сотих міліметра, вивчити розподіл деформацій після холодної обробки тиском та інш. Дослідження мікротвердості методом вдавлювання відбувається на приладі ПМТ-3, який розроблений вченими М.М. Хрущовим та Є.С. Берковичем. Цей прилад дозволяє вимірювати твердість при вдавлюванні чотиригранної алмазної піраміди з кутом при вершині 136⁰ (як у Віккерса) з приложенням навантажень від 2 до 200 (500)г. Тривалість витримки під навантаженням складає 5 сек. У результаті випробування визначається довжина діагоналі отриманого відбитку за допомогою спеціальних окулярмікрометров. Наприклад, мікротвердість структурних складових бабіта Б83 для твердого розчину α (м’яка основа сплава) дорівнює Н22, кристалів твердого розчину β (SnSb) H65 та кристалів Cu₃Sn H232, в той же час як звичайна твердість (макротвердість) цього сплаву дорівнює НV31.

Для вимірювання твердості великогабаритних виробів невисокої твердості застосовується прилад Польді (рисунок 6). Принцип роботи приладу - метод вдавлювання та порівняння твердості з еталоном, яким є брусок зі сталі 45. До приладу входять оправка 1, бойок 2, індентор 4 та еталон 3. Вдавлювання індентора (кульки Ø10мм) здійснюється ударом молотка з силою 200…250 Н (середній удар молотком).

Після удару від індентора виникає дві лунки (відбитка): одна - на еталоні, а друга - на зразку, який випробують. Після виміру діаметрів відбитків на еталоні та виробі по таблиці порівняння можна знайти твердість матеріалу, що випробують. Твердість за Польді та Брінеллем порівняні.

Рисунок 6 - Схема вимірювання твердості

на приладі Польді

Для визначення залежності твердості сталі від вмісту вуглецю необхідно випробувати твердість кількох марок сталей – 10, 20, 30, 45, У8, які вміщують 0,10; 0,20; 0,30; 0,45 та 0,8 %С. Результати випробувань занести до протоколу та за цими даними побудувати графік залежності твердості сталі від вмісту вуглецю.

Поиск по сайту: