Montagpena.ru

Строительство и Монтаж
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

К вопросу о методах определения твердости материалов

К вопросу о методах определения твердости материалов

Надежность и долговечность машин и механизмов во многом зависит от ряда факторов: качества материала, из которого изготовлены детали; качества проведенной термической или химико-термической обработки поверхности трущихся деталей, качества смазочного материала и др.

Под твердостью понимают механическое свойство материалов, которое характеризует их способность сопротивляться проникновению в их поверхность другого более твердого стандартного тела (индентора). Высокая твердость поверхностного слоя играет важную роль в деталях машин, которые работают как пара трения — это подшипники качения, кулачки, клапана, зубчатые и червячные передачи и т.д. От твердости поверхностного слоя деталей машин во многом зависит надежность и долговечность механизма в целом. Одним из важнейших механических свойств для режущего инструмента, конечно же является твердость. Высокая твердость поверхности играет важную роль при изготовлении такого режущего инструмента как ножовочные полотна, напильники, зубила, топоры, ножи, сверла, фрезы, зенкеры, протяжки, резцы и многое другое.

На сегодняшний день существует целый ряд методов определения твердости, а именно метод Бринелля, Роквелла, Виккерса, Супер Роквелла, Шора, Мооса, Кузнецова-Герберта-Ребиндера, Польди, Бухгольца. Любой метод определения твердости материалов можно отнести к неразрушающему методу контроля механических свойств. Для того, чтобы определить твердость того или иного материала, оценить качество проведенной термической обработки, износостойкости поверхностей деталей машин не требуется изготавливать специальные образцы, испытания можно производить на готовом изделии. При этом изделие не разрушается.

Среди перечисленных методов определения твердости наибольшую популярность получили следующие методы: Бринелля, Роквелла и Виккерса. Эти методы получили признание во всем мире в силу того, что методика испытаний достаточно проста, высока точность измерений, не требуются подготовка специальных образцов, современные приборы Роквелла, Виккерса и Бринелля способны автоматически производить измерения и обрабатывать полученные данные. Следует отметить, что все выше перечисленные методы определения твердости материалов получили свое название в честь инженеров, разработавшеих данные методы и лишь один из них — метод Виккерса назван в честь английского военно-промышленного концерна «Vickers Limited». Схемы испытаний по методам Бринелля, Роквелла и Виккерса представлены на рисунке 1.

Схемы испытаний материалов на твердость: а — метод Бринелля: 1 — индентор; 2 — образец из испытуемого материала; 3 — опорный столик пресса Бринелля; б — метод Роквелла: <em>h</em><sub>0</sub> — углубление конуса под действием предварительной нагрузки <em>P</em><sub>0</sub> = 100 (Н); <em>h</em><sub>1</sub> — углубление конуса под действием общей нагрузки <em>P</em> = <em>P</em><sub>0</sub> + <em>P</em><sub>1</sub>; <em>h</em> — глубина остаточного вдавливания индентора после снятия нагрузки <em>Р</em>; <em>N</em> — сила реакции опоры от действия прикладываемой нагрузки <em>P</em>; 1 — индентор (алмазный конус); 2 — испытуемый образец; в — Метод Виккерса: Р — нагрузка (Н), <em>d</em><em><sub>0</sub></em><em>,d<sub>1</sub> — </em>размеры диагонали отпечатка (мм).Рисунок 1. Схемы испытаний материалов на твердость: а — метод Бринелля: 1 — индентор; 2 — образец из испытуемого материала; 3 — опорный столик пресса Бринелля; б — метод Роквелла: h — углубление конуса под действием предварительной нагрузки P = 100 (Н); h1 — углубление конуса под действием общей нагрузки P = P + P1; h — глубина остаточного вдавливания индентора после снятия нагрузки Р; N — сила реакции опоры от действия прикладываемой нагрузки P; 1 — индентор (алмазный конус); 2 — испытуемый образец; в — Метод Виккерса: Р — нагрузка (Н), d,d1 размеры диагонали отпечатка (мм).

Сущность определения твёрдости по данным трем методам основан на вдавливании в поверхность образца с определенным нормированным усилием стандартного индентора (более твердого тела). На рисунке 1 видно, что по методу Бринелля в качестве индентора используется шарик. Шарик может быть изготовлен из твердого сплава или из закаленной стали. При испытании могут быть использованы шарики диаметром 2,5 мм, 5 мм или 10 мм. Диаметр шарика подбирают в зависимости от условий испытания и материала образца. По методу Роквелла в качестве индентора используется алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,588 мм. Выбор индентора по методу Роквелла зависит от твердости испытуемого материала. Для определения твердости закаленных сталей, твердых сплавов используют алмазный конус, а для определения твердости цветных металлов и сплавов стальной шарик. Это связано с тем, что при испытании материала с низкой твердостью, например меди, алюминия, вершина алмазного конуса может проникнуть в поверхность образца слишком глубоко, что приведет к весьма большой погрешности измерений. По методу Виккерса в качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине 136°. После вдавливания пирамиды в поверхность образца измеряются диагонали отпечатка на образце и рассчитывается твердость материала. Также необходимо упомянуть и о существовании методов экспресс оценки твердости материалов. К таким методам относится метод Мооса (метод царапания) и динамический метод Шора. Метод Мооса предназначен для определения относительной твердости материалов, заключающийся в царапании испытываемого образца эталонным карандашом с наконечником из природного минерала. Минералогическая шкала твердости Мооса включает в себя 10 природных минералов, расположенных по возрастанию их твердости от 1 до 10. Твердость равная 1 присвоена тальку, 2 — гипсу, 3 — кальциту, 4 — флюориту, 5 — апатиту; 6 — ортоклазу, 7 — кварцу, 8 — топазу, 9 — корунду, 10 — алмазу (см. рисунок 2)

Читайте так же:
Ножны из пластика для ножа своими руками

Шкала твердости МоосаРисунок 2. Шкала твердости Мооса

Данный метод можно отнести к экспресс оценке твердости материалов и он может быть использован только как вспомогательный метод. Метод Мооса может быть использован в качестве самостоятельного метода, но только для определения твердости драгоценных и полудрагоценных камней и других минералов.

Динамический метод Шора для определения твердости материалов в принципе можно назвать эксклюзивным, он не похож ни на один другой метод. Этот метод основан на взаимосвязи твердости поверхности материалов и упругости. Шором была отмечена взаимосвязь твердости и упругости поверхности материала. А зависимость здесь следующая: чем выше твердость материала, тем выше его упругие свойства. Шор предложил ронять на поверхность образца с определенной высоты стальной боек и по высоте отскока бойка от поверхности образца судить о твердости материала (см. рисунок 3).

Данный метод позволяет получать очень приблизительные, примерные значения твердости материала, так как имеет очень высокую погрешность измерений.

Рисунок 3 — Аналоговый дюрометр Шора, установленный на штативе с устройством пригружения: а — внешний вид прибора; б — схема принципа работы прибора.

Механические свойства твердых тел

При применении твердых строительных материалов, а также при их переработке необходимо учитывать их механические свойства. При этом различают твердые и мягкие тела, вязкие и хрупкие, упругие и пластичные. Причиной этих свойств во многом являются силы когезии между молекулами материала.

Если материал может сопротивляться проникновению в него других тел, то он тверже, чем другие. Под твердостью понимают сопротивление материала, которое он создает при вдавливании или царапании его поверхности другим телом.

Оценка твердости материала проводится по шкале твердости Моса с помощью простого испытания на твердость методом царапания. Более мягкий материал будет царапаться более твердым. При этом различают степени твердости 1—10. Для оценки различным минералам приписываются различные степени твердости.

Твердыми материалами, например, являются алмаз, твердые строительные материалы, например гранит, клинкерные стеновые камни. Твердые материалы применяются в основном для производства режущих инструментов и для деталей, подвергающихся особо сильному истиранию, как, например, ступени лестниц и полы в производственных зданиях.

Читайте так же:
Режимы автоматической сварки под флюсом

О мягкости материала говорят, когда его можно сжать с приложением небольшой силы или процарапать другим материалом.

Мягкими материалами являются, например, свинец, гипс и вспененные синтетические материалы. Они применяются, например, там, где они как прокладка должны разделять два других материала от повреждения.

Под вязкостью понимают способность материала под воздействием изгибных, ударных и толчковых нагрузок хотя и поддаваться, но при этом не разрушаться.

Вязкими являются такие материалы, как сталь, свинец, дерево, кожа и термопластичные пластмассы. Они в основном имеют волокнистое строение.

Под хрупкостью понимают свойство материала под воздействием изгибающих, ударных и толчковых нагрузок не изменять свою форму, а сразу разрушаться.

К хрупким материалам относится, например, стекло, природные камни, искусственные стеновые камни и бетон. Строение их в основном зернистое. Хрупкость материалов считается недостатком.

Упругость — это свойство материала позволять себя сжимать или растягивать, а после снятия нагрузки — возвращаться к первоначальной форме.

Упругими материалами являются, например, резина и рессорная сталь, которые можно использовать для упругой звукоизоляции от корпусного шума. Также и различные сорта древесины являются более или менее упругими. Существуют материалы, которые при чрезмерной нагрузке не возвращаются в свою первоначальную форму, так как их предел упругости перейден. Такие материалы, как, например строительная сталь и дерево, могут нагружаться только ниже их предела упругости.

Пластичностью называют свойство материалов под воздействием нагрузки изменять свою форму и сохранять эту новую форму после снятия нагрузки

Если потянуть рукой за спиральную пружину, то она удлинится на определенную величину. Этого же можно достигнуть, если подвесить на эту пружину определенный груз. В обоих случаях на пружину действует сила F, в данном случае как мускульная сила или вес груза. Она является причиной удлинения пружины. Если удлинения одинаковы, то и силы должны быть равны.

Единицей измерения силы в системе СИ является ньютон (Н). Десятичными кратными ньютону единицами являются деканьютон (даН), кило-ньютон (кН) и Меганьютон (МН).

Кроме мускульной силы и силы тяжести существуют еще и другие силы, например сила ветра, сила воды, магнитные силы, силы, создаваемые машинами.

Методы определения твердости металла

Твердость – ключевая характеристика металлов. От ее величины зависит качество сплавов, возможность использования того или иного материала в конструкции, необходимый тип обработки, а также смежные свойства: прочность, износостойкость и пр. Твердость характеризует и другие материалы: пластик, минералы, композиты. Для таких замеров используют твердомер универсальный.

определение твердости металла

Под определением твердости обычно понимают фактическую способность исследуемого металла сопротивляться деформации от взаимодействия с более твердым материалом.

Типы методов

В зависимости от способа и продолжительности вдавливания идентора в металл все методы делятся на такие группы:

  • Статические

Реализуются в таких способах: по Бринеллю, по Роквеллу, по Кнупу, во Виккерсу.

  • Динамические

Проводятся такими способами: по Бауману, по Шору, по Шварцу, по Граве, по Морину. В последние годы активно используются также косвенные методы. Исследования проводятся с помощью высокоточных электронных приборов, регистрирующих смежные характеристики, а не саму твердость. Один из таких приборов – твердомер портативный ультразвуковой регистрирует скорость затухания колебаний стержня с индентором. Метод не имеет требований к весу, размеру или геометрии исследуемого объекта. Единственное ограничение – крупнозернистая структура металлического изделия.

Читайте так же:
Точка ножей своими руками

Статические методы

Наиболее распространенные. Суть их в том, что индентор получает нагрузку постепенно, а замер проводится в регулируемый промежуток времени (от 10 до 15 с для черных металлов, от 10 до 180 с для сплавов и цветных металлов).

Твердость по Бринеллю

Характеристика металла зависит от размеров отпечатка, оставляемого металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Исследование проводится на стационарном приборе – прессе Бринелля и регламентировано ГОСТ 9012-59. Твердость по Бринеллю измеряется делением величины приданной нагрузки на площадь отметины и выражается в НВ. Расчеты по формуле в реальных условиях не проводятся, для этого разработаны готовые таблицы. Измерения по Бриннелю подходят для стали не тверже 450 НВ и цветных металлов не более 200 НВ с шероховатостью 1,25 — 2,5 Ra.

Твердость по Роквеллу

Метод подходит для твердых закаленных металлов. В качестве идентора используется алмазная пирамидка или стальной шарик. Специальный пресс вдавливает идентор в металл с начальной нагрузкой в 10 кг, а затем с полной – в 60 или 150 кг. Единица измерения – НRC. Метод регламентирован ГОСТ 9013-59.

Твердость по Виккерсу

Нормативы для проведения исследования содержит ГОСТ 2999-75. Измерения по Виккерсу используют для тонких металлов или верхних слоев твердых металлов с минимальной шероховатостью 0,02 — 0,04 Ra. В качестве идентора применяют алмазный наконечник правильной четырехгранной пирамиды. Наконечник вдавливают в исследуемый металл в ограниченный промежуток времени, а затем вычисляют среднее арифметическое диагонали отпечатка. По сводным таблицам и полученной диагонали выясняют число Виккерса. Единица измерения – HV. Основные недостатки статических методов: ограничения по твердости, минимальной толщине, шероховатости металла; низкая мобильность оборудования.

Динамические методы

Реализуются на замерах отскока и падения бойка. Особую популярность имеет динамический твердомер. Он измеряет соотношение скорости падения индентора при падении и отскоке. Результат от сигналов анализируется преобразователем и выводится на дисплей. Компактный переносной твердомер имеет большую производительность и мобильность в отличие от оборудования для классических методов измерения.

методы определения твердости металла

Твердость по Шору

Метод регламентируется ГОСТом 23273-78. Регистрируется скорость падения бойка с алмазным наконечником и высота его отскока. Чем тверже металл, тем выше отскакивает боек. На основе полученных данных выводится число твердости по Шору. Единица измерения – HSD. Основная область применения этого метода – изготовление и эксплуатация прокатных валков.

Работа № 5. Метод измерения твёрдости

Работа №5 МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЁРДОСТИ 5.1. Основные положения Цель работы: определение значения твёрдости материала по Бринеллю и Роквеллу. Общие сведения. Под твёрдостью понимают свойство материала сопротивляться проникновению в него более твёрдого наконечника (индентора), не получающего остаточных деформаций. Испытания на твёрдость получили большое распространение в промышленности, т.к. они дают возможность изучать свойства материала не только на опытных образцах, но и на готовых конструкциях и деталях. К тому же имеется возможность по результатам испытаний на твёрдость определить величину предела прочности материала без проведения испытаний материала на растяжение. Наибольшее распространение получили статические методы: а) метод Бринелля – вдавливание стального закалённого шарика; б) метод Роквелла – вдавливание стального шарика при контроле мягких материалов или алмазного конуса при испытании твёрдых; в) метод Виккерса – вдавливание алмазной пирамиды. Указанные методы определения твёрдости регламентированы соответствующими ГОСТами. Здесь рассматриваются только наиболее распространённые методы, к которым относятся: метод измерения твёрдости по Бринеллю (ГОСТ 9012-59) и метод измерения твёрдости по Роквеллу (ГОСТ 9013-59). 5.2. Метод измерения твёрдости по Бринеллю Сущность метода заключается во вдавливании шарика (стального или из твёрдого сплава) в образец или изделие под воздействием нагрузки Р, приложенной перпендикулярно поверхности образца, в течение определённого времени и измерении диаметра отпечатка d после снятия нагрузки (рис. 5.1.). Диаметр образующегося сферического отпечатка d измеряется лупойкомпаратором (с помощью микроскопа). Твёрдость по Бринеллю (НВ) численно равна напряжению, выраженному отношением приложенной нагрузке Р к площади поверхности А сферического отпечатка диаметром d (размерность при обозначении твёрдости опускается). Для случая измерения нагрузки в килограммах P HB = . (5.1) A Для случая измерения нагрузки в ньютонах Р НВ = 0,102 , (5.2) А 38

Читайте так же:
Что в описании проводов

Работа №5. Методы измерения твердости

  πD  D − D 2 − d 2  πD 2    2ϕ А= =  1 − 1 − sin 2 2  2

 ,  ϕ – угол вдавливания, т. е. угол между двумя радиусами шарика, проведёнными к концам отпечатка.

Рис. 5.1. Схема вдавливания шарика в образец или изделие

Согласно формулам (5.1 и 5.2) для получения одинаковой твёрдости при использовании шариков различных диаметров (ГОСТ допускает применение диаметром 1,0; 2,0; 2,5; 5,0 и 10 мм) необходимо, чтобы угол вдавливания ϕ (рис. 5.1) оставался неизменным при постоянном отношении нагрузки к квадрату диаметру шарика, которое обозначается через Р 0,102 Р , Н/мм2 (К = , кГ/мм2). К= D2 D2 Для выбора значений К при испытании различных материалов рекомендуется пользоваться данными табл. 5.1. Определившись значением К и диаметром шарика D, используемого при испытаниях, выбирают нагрузку Р согласно данным табл. 5.2. Таблица 5.1 Значения коэффициента К Металлы и славы Железо, сталь, чугун и другие высокопрочные сплавы Титан и его сплавы Алюминий, медь, никель и их сплавы Магний и его сплавы Подшипниковые сплавы Олово, свинец

К 30 15 10 5 2,5 1

НВ от 96 до 450 50 220 32 200 16 100 8 50 3,2 20 39

Механические испытания материалов

Согласно ГОСТу твёрдость по Бринеллю при использовании шарика D=10 мм под нагрузкой Р=29420 Н (3000 кГ) с продолжительностью выдержки под нагрузкой от 10 до 15 секунд обозначается цифрами, характеризующими величину твёрдости, и буквами НВ, например: 185 НВ. При других условиях испытания после букв НВ указывается условие испытания в следующем порядке: диаметр шарика, нагрузка и продолжительность выдержки под нагрузкой, например: 185 НВ 5/750/20 – твёрдость по Бринеллю, определённая с применением шарика D = 5 мм, при нагрузке 750 кГ и продолжительности выдержки под нагрузкой 20 с. Размерность числа твёрдости во всех случаях опускается. Диаметр шарика и нагрузку следует выбирать так, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах 0,25D 450). В мягких материалах шарик погрузится очень глубоко, диаметр отпечатка будет близок к диаметру шарика D и перестанет служить критерием твёрдости. Наоборот, если твёрдость материала будет очень большой, величина отпечатка получится маленькой и края его будут столь нечёткими, что не удастся точно измерить диаметр отпечатка, к тому же шарик может получить остаточную деформацию, искажающую результаты испытания. Таблица 5.2 Значение нагрузки P Диаметр шарика, мм

Читайте так же:
Переходник usb тюльпан своими руками схема

Нагрузка Р, Н (кГ), для К=0,102Р/D2 , (Р/D2) 30

Работа №5. Методы измерения твердости

Условия испытаний и требования к образцам. Минимальная толщина образца должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка и определяться по формуле S≥10h. 0,102 Р S ≥ 10 ⋅ (Р выражена в Н); π DНВ Р S ≥ 10 ⋅ (Р выражена в кГ). π DНВ На практике минимальная толщина образца или изделия определяется по таблице, приведённой в приложении 2 ГОСТ 9012-59. При испытании на твёрдость особое значение имеет качество поверхности. Чем меньше глубина вдавливания индентора (или нагрузка), тем выше должна быть чистота поверхности. Немаловажно также, чтобы в процессе подготовке поверхности не изменялись свойства поверхностного слоя (вследствие наклёпа или разогрева при шлифовании или полировке). Требования к качеству вдавливаемого шарика, условиям приложения силы и качеству испытуемой поверхности регламентируются ГОСТом. Продолжительность выдержки под нагрузкой должна быть от 10 до 15 с для черных металлов, для цветных металлов и сплавов – от 10 до 180 с, в зависимости от материала и его твёрдости, и должна быть указана в нормативно-технической документации. Расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее 4d, а расстояние от центра отпечатка до края образца (изделия) – не менее 2,5d; для металлов с твёрдостью менее 35НВ расстояния должны быть соответственно 6d и 3d. Число твёрдости может быть определено по формуле (5.1) или (5.2). Для быстрого определения числа твёрдости, в зависимости от диаметра шарика D, испытательной нагрузки Р, величины К, пользуются специальными таблицами (см. табл. 5.3), замеРис. 5.2. Прибор для измерения няющими вычисления по указантвердости материалов ТШ-2М ным формулам, приведёнными в приложении 2 ГОСТ 9012-59. 41

Механические испытания материалов

Прибор для измерения твёрдости металлов ТШ – 2М (тип ТБ). Прибор ТШ – 2М предназначен для измерения твёрдости металлов по методу Бринелля. Принципиальная схема прибора изображена на рис. 5.2. Механизм подъемного столика 8, на который помещается образец, состоит из пары винтмаховик 9, 10. Испытания осуществляются с помощью механизма, приводимого в работу электродвигателем 1, включение которого производится нажатием пусковой кнопки, расположенной на левой стороне станины 4. От двигателя через червячный редуктор 2 вращение передаётся на кривошипно-шатунный механизм нагружения 5. Шатун опускается, и освобождённая рычажная система нагружения 6 с грузами 3 передаёт через оправку 7 с шариком на конце заданную нагрузку образцу. Механизм нагружения возвращается в исходное положение механизмом переключения вращения ротора электродвигателя. Электродвигатель при этом автоматически отключается. Время выдержки образца под полной нагрузкой контролируют с помощью сигнальной лампы. Величина нагрузки, диаметр шарика и время испытания могут меняться путём регулирования пресса в зависимости от твёрдости материала образца. Проведение испытания. Выбираются соответственный шариковый наконечник, закрепляют его в шариковой оправке 7, накладывают на подвеску требуемое количество грузов и устанавливают необходимую продолжительность выдержки образца под нагрузкой. Поскольку твёрдость материалов, испытываемого студентами в лаборатории лежит в пределах от 140

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector