Измерение твердости металлов (стр. 1 из 6)
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра физического металловедения
Измерение твердости металлов
Методические указания к лабораторным работам
для студентов специальностей 150105, 150702
Ю. С. Шатов,
И. П. Горбунов,
А. Г. Гвоздев
Липецк – 2006
669.01(07)
Ш 288
Шатов, Ю.С. Измерение твердости металлов. Методические указания к лабораторным работам для студентов специальностей 150105, 150702. /Ю.С. Шатов, И.П. Горбунов, А.Г. Гвоздев. – Липецк: ЛГТУ, 2006. – 33 с.
Предназначены для студентов 3 курса специальностей 150105, 150702. В методических указаниях приведена методика работы на твердомерах. Указывается цель каждой работы; сообщаются теоретические сведения, необходимые для выполнения эксперимента, приводятся схемы приборов; рассматривается порядок выполнения работ и дается форма отчета. Даны варианты индивидуальных заданий студентам для определения твердости металлов.
Ил. 5. Табл. 7. Библиогр.: 6 назв. Приложений 2.
Методические указания утверждены на заседании кафедры физического металловедения 15 сентября 2006 г., протокол № 1
Рецензент – В.В.Логунов
© Липецкий государственный
технический университет, 2006
Общие указания
Цель работы:
1. Освоить методику измерения твердости на приборах Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердомере.
2. Научиться правильно выбирать прибор, нагрузку и наконечник при испытаниях твердости различными методами и определять твердость выданных образцов.
3. Уметь измерять твердость отдельных фаз и структурных составляющих.
Твердость определяет способность металла сопротивляться деформации на поверхности образца или изделия.
Испытания на твердость широко применяется в лабораторных и заводских условиях для характеристики механических свойств металлов и сплавов.
Твердость металлов измеряют при помощи воздействия на поверхность изделий наконечником, изготовленного из твердого материала (закаленная сталь, алмаз и др.) и имеющего форму шарика, конуса, пирамиды или иглы. По характеру воздействия наконечника различают несколько способов измерения твердости: а) метод вдавливания; б) метод отскока; в) метод царапания.
Твердость, определенная вдавливанием, характеризует сопротивление металла пластической деформации.
Твердость, определенная по отскоку, характеризует упругие свойства. Твердость, определенная царапанием, сопротивление разрушению. Таким образом, твердость является специфическим свойством металла и при испытаниях на твердость могут измеряться упругие свойства металлов, сопротивление пластическим деформациям, сопротивление разрушению и ар. Широкое применение испытаний на твердость в практике объясняется тем, что они не требует длительного времени, специальных сложных образцов, могут проводиться на готовых изделиях без их разрушения и позволяют по эмпирическим соотношениям судить о других механических свойствах металла. Выбор формы, размеров наконечника и величины нагрузки зависит от целей испытания, структуры, ожидаемых свойств, состояний поверхности и размеров испытуемого образца.
Если металл имеет гетерогенную структуру с крупными выделениями отдельных структурных составляющих, различных по свойствам (например, серый чугун, подшипниковые сплавы), то для измерения твердости выбирают шарик большого диаметра.
При испытаниях металлов с высокой, твердостью (например, закаленная сталь) применяют алмазный конус при снижении общей нагрузки (во избежание образования трещин в образце). Однако значительное снижение нагрузки нежелательно т.к. приведет к резкому уменьшению деформируемого объема и может дать значения, не характерные для основной массы металла.
Измерение микротвердости имеет целью определить плотность отдельных зерен, фаз, структурных составляющих и поверхностных слоев металла при его химико-термической обработке. В этом случае объем, деформируемый вдавливанием, должен быть меньше объема измеряемого зерна, поэтому прилагаемая нагрузка выбирается небольшой.
Значительное влияние на результаты испытаний твердости оказывает состояние поверхности материала. Если поверхность неровная – криволинейная или с выступами – то отдельные участки в различной степени оказывает сопротивление вдавливанию, что приводит к ошибке при измерении твердости.
Поэтому, чем меньше нагрузка, тем тщательнее готовится поверхность. Она должна представлять шлифованную горизонтальную площадку, а для измерения микротвердости и полированную. Измеряемая поверхность должна быть установлена горизонтально, т.е. перпендикулярно действию нагрузки. Противоположная сторона образца должна быть зачищена и не иметь окалины, т.к. последняя при нагружении сминается, что искажает результаты измерения. Метод вдавливания твердого наконечника получил наибольшее распространение в практике испытаний металлов. К этому методу относятся методы Бринелля, Роквелла, Виккерса. Измерение твердости этими методами стандартизированы и устанавливаются ГОСТами:
Бринелля – ГОСТ 9012 – 59, Роквелла – ГОСТ 9013 – 59, Виккерса – ГОСТ 2999 – 59.
На рис. 1 показан диапазон значений твердости этих трех принципиально одинаковых методов, основанных на статическом вдавливании твердого наконечника.
Рис. 1. Диапазон значений твердости
Методические указания по измерению твердости на приборах Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердомере ПМТ – 3
Общие сведения о методах испытания твердости на приборах Бринелля и Роквелла описано в учебных пособиях [1,4], с которыми студент должен подробно ознакомиться при подготовке к данной работе.
Твердость по Бринеллю – НВ, Н/м2.
При измерении твердости на приборе Бринелля студент должен руководствоваться следующими советами:
1. Прежде чем приступить к испытанию на твердость, необходимо правильно подобрать по табл. 2 нагрузку (Р) и диаметр шарика (Д) исходя из материала и толщины образца, ГОСТ 9012 – 59. Нагрузку выбирают так, чтобы соблюдался закон подобия
Р/Д2 = const (1)
В этом случае возможно сравнение твердости, полученной при различном диаметре шариков. Минимальная толщина испытуемого образца должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка. На обратной стороне испытуемого образца после вдавливания шарика не должно быть следов деформации.
2. Чем больше диаметр шарика, тем выше точность в определении твердости.
3. Твердость материала при измерении по Бринеллю не должна превышать 4500 МН/м2, т.к. для вдавливания используется стальной закаленный шарик с твердостью НВ = 6000 МН/м2 и при испытании более твердых металлов он будет деформироваться сам.
4. Продолжительность выдержки образца строго постоянна и устанавливается перед измерением от 10 до 60 секунд (согласно табл.2) в зависимости от материала.
5. Диаметр отпечатка (d), полученного после вдавливания, измеряется при помощи специальной лупы с точностью до 0,05 мм. При этом для лучшей освещенности отпечатка окно лупы располагают в направлении к источнику света.
6. Значение твердости находят из таблиц или рассчитывает по формуле Н/м2
(2)7. Поверхность испытуемого образца должна быть свободна от окалины и других посторонних веществ, при этом поверхность обрабатывается в виде плоскости так, чтобы края отпечатка были отчетливо видны при измерении его диаметра.
8. Расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть больше или равно 2,5 d,. а между центрами двух соседних отпечатков – больше или равно 4 d.
9. Диаметры отпечатков (d) должны находиться в пределах
.В случае несоблюдения этого условия испытание признается неверным и должно быть повторено с применением соответствующей нагрузки.
Порядок измерения твердости на приборе Бринелля
После того, как подобраны нагрузка, диаметр шарика и установлено время выдержки, испытуемый образец помещают на столик и при помощи маховичка приводят в соприкосновение с шариком до упора, создавая этим предварительную нагрузку в 1000 Н. Нажатием кнопки включают электродвигатель. Нагружение образца, выдержка и снятие нагрузки осуществляются автоматически. Длительность выдержки сигнализируется зажиганием лампочки. После отключения электродвигателя столик опускают и измеряют полученный отпечаток специальной лупой. Диаметр отпечатка замеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях и берут среднее значение. Зная диаметр отпечатка и приложенную нагрузку, по табл. 1 находят величину твердости испытуемого образца.
Твердость по Роквеллу – HRB, НRА, НRС, HRF
При измерении твердости на приборе Роквелла студент должен руководствоваться следующими советами:
1. Испытания твердости на этом приборе могут производиться вдавливанием закаленного шарика (D =I,588 мм), алмазного конуса. При этом алмазный конус применяется для испытания твердых металлов (НВ – 2500 МН/м2).
2. В зависимости от типа индентора и выбранной нагрузки измерения твердости проводят по шкалам A,B,C,F. Полученное значение твердости является величиной безразмерной и выражается в единицах данной шкалы соответственно HRA, HRB, HRC, HRF (см. табл. 3).
3. Прибор измеряет глубину отпечатка. Каждое деление шкалы индикатора соответствует глубине вдавливания (h) в 0,002 мм, поэтому, чем меньше h, тем больше твердость.
4. Соотношение между твердостью и глубиной вдавливания определяется выражениями