Богодухов С.И., Бондаренко Е.В., Проскурин А.Д. и др. Материаловедение и технологические процессы машиностроительного производства. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

Рисунок 2.6 - Отпечатки, полученные при определении микротвердости

2.3.5 Приборы для испытания на твердость методами Виккерса и

Бринелля

а) б)

а - общий вид; б – схема;

1 – микрометрический винт; 2 – окуляр; 3 – микроскоп; 4 – барабанчик;

5 – поворотная головка; 6 – объектив; 7 – защитный чехол;

8 – индентор; 9 – рукоятка; 10 – стол; 11 – маховик; 12 – клавиша;

13 – рычаг; 14 – сигнальная лампа; 15 – промежуточный шпиндель;

16 – рабочий шпиндель; 17 – подвеска с грузом; 18 – станина.

Рисунок 2.7 - Прибор ТП-2

Прибор ТП-2 (рисунок 2.7) предназначен для измерения твердости по

Виккерсу по методу вдавливания алмазной пирамиды (ГОСТ 2999-75) при

нагрузках, Н(кгс): 49(5); 98(10); 196(20); 294(30). Прибор позволяет произво-

дить испытания твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012-59) в диапазоне до

140 HB стальным шариком диаметром 2,5 мм при нагрузках 153,2 H (15,5

кгс) и 613 H (62,5 кгс).

На приборе можно производить испытания как мягких металлов, так и

металлов высокой твердости, а также цементованных, азотированных и др.

Все части прибора смонтированы на литой станине 18. Испытуемый

образец устанавливают на стол 10, имеющий возможность перемещаться в

вертикальном направлении с помощью маховика 11. Конструкция гидравли-

ческой системы привода прибора обеспечивает получение цикла испытания,

при котором все операции (нагружение, выдержка под нагрузкой и снятие

нагрузки) происходят автоматически. Подготовку привода к испытанию

осуществляют путем заведения рычага 13. Включение привода производят

клавишей 12. При этом нагрузка, создаваемая грузами 17, через рычажную

систему и шпиндели 15 и 16 передается на индентор 8, который внедряется в

поверхность испытуемого материала. В период нагружения горит сигнальная

лампа 14, а рычаг 13 поднимается вверх.

Отпечаток индентора, остающийся на поверхности образца после сня-

тия нагрузки, измеряют с помощью измерительного микроскопа 3, смонти-

рованного на приборе и снабженного двумя сменными объективами,

позволяющими получать общее увеличение, равное 50

и 125

В настоящее время ОАО «Точприбор» (г. Иваново) выпускает приборы

для измерения твердости металлов по методу Бринелля ТБ 5004 и приборы

универсальные ИТ 5010 для измерения твердости металлов и сплавов по ме-

тодам Виккерса и Бринелля с цифровой индексацией.

Диапазоны измерения твердости прибора ТБ 5004:

- наконечниками со стальными шариками от 4 до 450 HB;

- с твердосплавными шариками от 4 до 650 HBW;

Испытательные нагрузки, H(кгс): 1839(1875,5); 2452(250); 4903(500);

7355(750); 9807(1000); 14710(1500); 29420(3000);

Продолжительность выдержки образца под нагрузкой регулируемая:

от 5 до 300 с.

Диапазоны измерений твердости прибора ИТ 5010 по методу Виккерса,

HV – 8 - 2000; по методу Бринелля, HB - 5 - 450.

ОАО «Точприбор» (г. Иваново) также выпускает приборы переносные

ИТ 5160 для измерения твердости HV на плоских и криволинейных поверх-

ностях изделий из сталей и их сплавов в лабораторных, цеховых и полевых

условиях. Допускается применение приборов для измерения твердости чугу-

нов и сплавов из цветных металлов. Прибор состоит из датчика, электронно-

го блока и блока питания с соединительными устройствами. Прибор обеспе-

чивает математическую обработку результатов испытаний, а именно:

- вычисление среднего значения из серии до 255 измерений;

- нахождение наименьшего значения в серии;

- вычисление вариации (размаха) показаний в серии;

- просмотр последовательно каждого результата испытания в серии;

- исключение некорректного результата испытания из последующей

статистической обработки;

- сохранение настроечных параметров, введенных оператором, после

выключения;

- коррекцию градуировочной кривой.

2.3.6 Метод Роквелла

Этот метод измерения твердости (ГОСТ 9013-59) наиболее универса-

лен и наименее трудоемок. Испытания проводят на приборе ТК-2. Здесь

нужно измерять размеры отпечатка, так как числа твердости отсчитывают

непосредственно по шкале. Отпечатки от конуса или шарика очень малы и

поэтому можно испытывать без их порчи.

Определение твердости по методу Роквелла основано на вдавливании в

исследуемый материал закаленного стального шарика диаметром 1,59 мм

или алмазного конуса и последующем измерении глубины вдавливания

(рисунок 2.8).

Рисунок 2.8 – Схема измерения твердости по Роквеллу

Шарик или конус вдавливается в испытуемый образец под действием

двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной P

и основной

Предварительно нагружают для того, чтобы исключить влияние упру-

гой деформации и шероховатости поверхности образца на результаты изме-

рений. Под действием предварительной нагрузки P

, она всегда равна

98 H (10 кгс), индентор погружается в поверхность образца на величину h

(рисунок 2.8). Затем на образец подается основная нагрузка P

(общая на-

грузка Р будет равна сумме предварительной Р

и основной Р

нагрузок).

Глубина вдавливания h после снятия основной нагрузки P

, когда на инден-

тор вновь действует только предварительная нагрузка P

, в условных едини-

цах определяет число твердости по Роквеллу. Твердость по Роквеллу – вели-

чина безразмерная, выраженная в условных единицах.

Величину твердости определяют по индикаторной шкале, каждое деле-

ние которой соответствует глубине вдавливания 2 мкм. На циферблате име-

ются две шкалы: черная – при использовании алмазного конуса и красная –

при использовании стального шарика. Стрелка индикатора отмечает не ука-

занную глубину вдавливания h , а величину 100 – h по черной шкале при из-

мерении твердости алмазным конусом и величину 130 – h по красной шкале

при измерении шариком, где 100 и 130 – число делений на шкалах С и В ин-

дикатора.

Твердость на приборе Роквелла можно измерять:

- алмазным конусом с общей нагрузкой 1471 H (150 кгс), значение

твердости характеризуется цифрой, показываемой стрелкой на черной шкале

С циферблата. Обозначается символом HRC. Эту шкалу используют для

твердых материалов с твердостью более 450 НВ, например, закаленных ста-

лей. Предел измерений по шкале С - 20-67;

- алмазным конусом с общей нагрузкой 589 H (60 кгс). Значение твер-

дости в этом случае определяют по шкале А. Обозначают HRA и применяют

для особо твердых материалов, например, для изделий из твердых сплавов с

твердостью более HRC 70, а также для измерения тонких твердых поверхно-

стных слоев (0,3-0,5 мм); изделий с поверхностной термической или химико-

термической обработкой. Пределы измерений твердости по шкале А - 70-85;

- стальным шариком с общей нагрузкой 981 H (100 кгс). Значение

твердости определяют по красной шкале В. Обозначают HRB. Способ при-

меняют для измерения сравнительно мягких материалов, например мягкой

отожженной стали или цветных сплавов. Пределы измерения твердости по

шкале В - 25-100.

При замере твердости по Роквеллу расстояние от центра отпечатка до

края образца или до центра другого отпечатка должно быть не менее 1,5 мм

при вдавливании конуса и 4 мм при вдавливании шарика. Толщина образца

должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка. Твердость следует за-

мерять не менее, чем в трех точках.

Сравнение чисел твердости по Роквеллу и по Бринеллю приведено в

приложении А.

2.3.7 Приборы для измерения твердости по методу Роквелла

Прибор ТК-2 предназначается для определения твердости металлов и

сплавов по методу вдавливания алмазного конуса или стального закаленного

шарика под действием заданной нагрузки в течение определенного времени.

Испытания проводят в соответствии с ГОСТ 9013-59.

Схема прибора ТК представлена на рисунке 2.9. Основные механиз-

мы: рычажное устройство, привод с электродвигателем, механизм подъема,

шток нагрузки.

а) б)

а - общий вид; б - схема

1 – индикатор; 2 – индентор; 3 – стол; 4 – маховик;

5 – установочный диск; 6 – клавиша; 7 – сигнальная

лампа; 8 – тумблер; 9 – нагрузка; 10 - станина

Рисунок 2.9 - Прибор ТК-2

При измерении твердости в поверхность образца, установленного на

столе 3, под действием предварительной нагрузки, создаваемой сжатием

пружины и основной нагрузки 9, внедряется индентор 2. Глубина вдавлива-

ния индентора измеряется индикатором 1. Однако шкалы индикатора про-

градуированы не в единицах длины, а в единицах твердости, поэтому значе-

ние твердости читают непосредственно по одной из шкал индикатора.

АО «Точприбор» г. Иваново в настоящее время выпускает приборы для

измерения твердости по методу Роквелла ТР 5006 и ТР 5006 – 02. Прибор

ТР 5006 предназначен для измерения твердости по Роквеллу металлов и

сплавов, графитов и металлографитов, пластмасс, клееной фанеры, прессо-

ванной древесины и других материалов. К прибору может дополнительно по-

ставляться грузовая подвеска для обеспечения измерения твердости по мето-

ду Бринелля с нагрузками H(кгс): 612,9(62,5); 980,7(100); 1226(125);

1839(187,5). При этом обозначение прибора ТР 5006 – 02. Диапазон измере-

ния твердости по методу Роквелла: шкала А, HRA – от 70 до 93; шкала B,

HRB - от 25 до 100; шкала C, HRC

- от 20 до 70. Продолжительность вре-

мени приложения основной нагрузки регулируемая, от 2 до 8 с.

Твердомер 2120ТР (рисунок 2.10) относится к группе полуавтоматиче-

ских твердомеров. Особенностью конструкции является электромеханиче-

ское перемещение испытательного стола, предварительное обжатие испы-

туемого изделия, автоматизация приложения и снятия предварительной и ос-

новной нагрузок.

Рисунок 2.10 - Твердомер 2120ТР

2.3.8 Метод Польди

Наряду с рассмотренными статическими методами, иногда для опреде-

ления твердости крупногабаритных деталей применяется также и динамиче-

ский метод Польди.

Определение твердости по методу Польди НР основано на сравнении

диаметров отпечатков шарика, полученных одновременно на исследуемом

образце и эталоне с известной твердостью в результате одного удара

(рисунок 2.11).

Рисунок 2.11 - Определение твердости по методу Польди

Удар производится ручным молотком по бойку, который прижат к эта-

лону пружиной. Шарик находится между эталоном и образцом. При ударе

шарик вдавливается и в образец, и в эталон.

Измерив диаметры отпечатков на образце и эталоне и зная твердость

эталона, можно подсчитать твердость исследуемого образца

HBHP

обр

где

HB - число твердости эталона в единицах Бринелля;

- площадь поверхности отпечатка на эталоне;

обр

F - то же, на исследуемом образце.

Если подсчитать поверхность отпечатков на эталоне и образце, имею-

щих форму шаровых сегментов, то приближенно

HBHP

обр

где

d - диаметр отпечатка на эталоне;

обр

d - то же, на образце.

Прибор Польди дает приближенные результаты, так как твердость эта-

лона Н

определяется при статическом вдавливании по методу Бринелля, а

твердость исследуемого образца НР- при динамическом вдавливании.

Для одного и того же материала динамическая твердость значительно

больше статической. Для различных материалов отношение этих твердостей

колеблется в пределах от 1,6 до 2,8.

Практически твердость по методу Польди после удара и измерения

диаметров отпечатков не подсчитывается по приведенным формулам, а оп-

ределяется по соответствующим таблицам.

2.3.9 Измерение твердости методом Шора

При измерении твердости по Шору груз вместе с укрепленным на нем

индентором (обычно это стальной шарик) падает с высоты Нп на образец

перпендикулярно его поверхности (рисунок 2.12). Твердость по Шору опре-

деляется по высоте отскока шарика Н

. Шкала твердости разделена на 130

единиц. Она рассчитана таким образом, что твердость закаленной заэвтекто-

идной стали оказывается равной 100 единиц. Эти приборы используются для

экспресс-анализов. Между твердостью по Шору и другими методами нет ни-

какой взаимосвязи.

Рисунок 2.12 – Схема определения твердости по Шору

В некоторых случаях, когда применение перечисленных методов не-

возможно, твердость определяется с помощью тарированных напильников.

Этот метод менее точен, но прост и легко применим в цеховых условиях.

2.4 Порядок выполнения работы

Получите у лаборанта образцы металлов, подлежащие испытанию на

твердость (ориентировочная величина твердости образцов должна быть из-

вестна) и при необходимости прошлифуйте на шлифовальной бумаге.

2.4.1 Проведение испытаний на твердость по Бринеллю на приборе

ТШ-2

2.4.1.1 Используя данные таблицы 2.1, убедитесь, что диаметр шарика

(рисунок 2.2) и величина нагрузки 2, установленные на приборе, соответст-

вует характеристикам образца, подлежащего испытанию на твердость, учи-

тывая, что рычажная система с подвеской создают нагрузку 1839 H (187,5

кгс).

2.4.1.2 Положите образец на стол 5 прибора и вращением маховика 7

по часовой стрелке подожмите его к шарику до тех пор, пока он не упрется в

ограничитель 4.

Нажатием кнопки 8 включите электродвигатель привода прибора. По

окончании испытания (после того как сигнальная лампа 6 погаснет, а элек-

тродвигатель остановится) вращением маховика 7 против часовой стрелки

опустите стол. Снимите образец со стола.

2.4.1.3 Измерьте диаметр отпечатка с помощью микроскопа МПБ-3.

Для этого:

1) установите микроскоп основанием колонки 5 (рисунок 2.3) на испы-

туемый образец так, чтобы отверстие в основании было концентрично с из-

меряемым отпечатком, а окно в колонке находилось против внешнего ис-

точника света;

2) наблюдая в окуляр 1 и вращая его вокруг продольной оси, установи-

те резкое изображение шкалы сетки;

3) вращением установочного кольца 3 добейтесь получения резкого

изображения отпечатка в поле зрения окуляра;

4) снимите отсчет по шкале с ценой деления 0,02 мм;

2.4.1.4 Рассчитайте среднее арифметическое двух измерений, по таб-

лицам (ГОСТ 9012) определите твердость НВ образца и рассчитайте предел

прочности материала.

2.4.1.5 Занесите данные в таблицу 2.2.

Таблица 2.2 - Результаты испытаний твердости

Метод Бринелля Метод Роквелла

Материал образца

Нагрузка, H (кгс)

отпечатка

Твердость, HB

Среднее значение

твердости

Расчет предела

прочности σ

, МПа

Материал образца

Нагрузка, H (кгс)

Индентор

Шкала

Твердость, HR

Среднее значение

твердости

2.4.2 Проведение испытаний на твердость по Бринеллю на приборе

ТП-2

2.4.2.1 Убедитесь, что нагрузка 17 (рисунок 2.7), установленная на при-

боре, составляет 613 Н (62,5 кгс). При этом следует иметь в виду, что подвес-

ка передает нагрузку, равную 49 Н (5 кгс).

2.4.2.2 Включите прибор и проверьте освещенность.

2.4.2.3 Переводом рукоятки 13 вниз до защелкивания приведите привод

прибора в состояние готовности к испытаниям.

2.4.2.4 Установите поворотную головку 5 в крайнее левое положение.

При этом индентор 8 встанет по оси прибора.

2.4.2.5 Провести испытания на твердость образцов малоуглеродистой

стали. Установите испытуемый образец стали на стол 10 и вращением махо-

вика 11 поднимите стол до упора образца в торец защитного чехла 7.

2.4.2.6 Нажатием на клавишу 12 приведите прибор в действие. По

окончании испытания (рычаг 13 поднимется в верхнее положение, а сигналь-

ная лампа 14 погаснет) опустите маховиком стол до выхода образца из кон-

такта с индентором.

2.4.2.7 Установите рукояткой поворотную головку 5 в крайнее правое

положение. При этом объектив 6 микроскопа окажется точно над отпе-

чатком, оставленном индентором на поверхности образца. Наблюдая в оку-

ляр 2 и опуская стол, добейтесь четкого видения отпечатка.

2.4.2.8 С помощью измерительной системы микроскопа измерьте диа-

метр отпечатка. Измерение отпечатков производится с помощью двух штри-

хов, которые перемещаются вращением микрометрического винта 1 и бара-

банчика 4.

Вращением микрометрического винта 1 подведите нулевой штрих ви-

димой в поле окуляра шкалы слева от отпечатка, вращением барабанчика 4

подведите подвижный штрих справа от отпечатка так, как это показано на

рисунке 2.13.

1 -отпечаток; 2 -шкала окуляра; 3 -подвижный штрих

Рисунок 2.13 - Схема измерения диаметра отпечатка

Снять показания: целые числа по шкале, видимой в поле окуляра, деся-

тые и сотые - по шкале, нанесенной на боковой поверхности барабанчика 4

(рисунок 2.7).

По результатам трех измерений диаметров отпечатков по таблице

(ГОСТ 10241 – 62) определить твердость HB. Определить среднее значение

твердости.

2.4.2.9 Вычислить предел прочности стали, зная твердость HB.

2.4.2.10 Данные занесите в таблицу 2.2.

2.4.3 Проведение испытаний на твердость по Роквеллу на приборе

ТК – 2

2.4.3.1 Перед испытанием на твердость по Роквеллу необходимо произ-

вести контроль прибора с целью определения точности его показаний. Кон-

троль прибора производят при помощи брусков, твердость которых заранее

известна. При проверке показания прибора должны находиться в пределах

чисел твердости, обозначенных на контрольных брусках. Если твердость по

прибору не соответствует твердости контрольных брусков, то к показаниям

прибора при испытании образцов вводится соответствующая поправка. По-

рядок проведения контроля аналогичен порядку проведения испытаний.

2.4.3.2 Убедитесь, что индентор и величина нагрузки, установленные

на приборе (рисунок 2.9), соответствуют характеристикам образца, подле-

жащего испытанию на твердость.

2.4.3.3 Тумблером включите электродвигатель привода прибора.