Реферат: Методы измерения твердости материалов по Виккерсу, Бринеллю, Роквеллу

Министерствообразования Российской Федерации

Таганрогский ГосударственныйРадиотехнический Университет

Кафедра МеханикиРеферат

Выполнил:

Студент гр. Р-99

Андриевский В. А.

Проверил:

доцент кафедры механики

Шаповалов Р. Г.

Таганрог 2001

Методы определения твердости металлов

Одной из наиболее распространенных характеристик,определяющих качество металлов и сплавов, возможность их применения в различныхконструкциях и при различных условиях работы, является твердость. Испытания натвердость производятся чаще, чем определение других механических характеристикметаллов: прочности, относительного удлинения и др.

Твёрдостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твёрдого тела. Для определения твёрдости в поверхность материала с определённой силой вдавливается тело (индентор), выполненное в виде стального шарика, алмазного конуса, пирамиды или иглы. По размерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твёрдости материала. В зависимости от способа измерения твёрдости материала, количественно её характеризуют числом твёрдости по Бринелю (НВ), Роквеллу (HRC) или Виккерсу (HV). Указанные механические характеристики связаны между собой, поэтому их конкретные значения могут быть найдены расчётным путём на основе данных о твёрдости с помощью формул, полученных для конкретного материала с определённой термообработкой. Так, например, предел выносливости на изгиб сталей с твёрдостью 180-350 НВ равен примерно 1,8 НВ, с твёрдостью 45-55 HRC — 18 HRC+150, связь предела выносливости <img src="/cache/referats/7068/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025"> с пределом прочности <img src="/cache/referats/7068/image003.gif" v:shapes="_x0000_i1026"> стали описывается соотношениями:<img src="/cache/referats/7068/image005.jpg" v:shapes="_x0000_i1027"> Конкретным образцам конструкционных материалов, а также выполненным из них изделиям, присуща индивидуальность прочностных и упругих характеристик. Разброс их значений для различных образцов, выполненных из одного и того же материала, обусловлен статистической природой прочности твёрдых тел, различием структур внешне одинаковых образцов. Из-за неопределённости реальных механических характеристик материала, неопределённости некоторых внешних нагрузок, действующих на технический объект, погрешности расчётов для обеспечения безопасной работы проектируемых конструкций должны быть приняты соответствующие проектному этапу обеспечения надёжности меры предосторожности. В качестве такой меры используется понижение в n раз относительно опасного напряжения материала (предела прочности, предела текучести, предела выносливости или предела пропорциональности) величины максимально допускаемых напряжений, используемых в условии прочности. Величина n получила название нормативного коэффициента запаса прочности, который выбирается по таблице или рассчитывается как произведениеn = n1 * n2 * n3, где n1-учитывает среднюю точность определения напряжений, n2-учитывает неопределённость механических характеристик материала, n3-учитывает среднююстепень ответственности проектируемой детали.

Существуетнесколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействиянаконечника. Твердость можно измерять вдавливанием индентора(способ вдавливания), ударом или же по отскоку наконечника – шарика. Твердость,определенная царапаньем, характеризует сопротивление разрушению, по отскоку –упругие свойства, вдавливанием сопротивление пластической деформации. Взависимости от скорости приложения нагрузки на индентортвердость различают статическую (нагрузка прикладывается плавно) и динамическую(нагрузка прикладывается ударом).

Широкоераспространение испытаний на твердость объясняется рядом их преимуществ переддругими видами испытаний:

Ø

простотаизмерений, которые не требуют специального образца и могут быть выполненынепосредственно на проверяемых деталях;

Ø

высокаяпроизводительность;

Ø

измерениетвердости обычно не влечет за собой разрушения детали, и после измерения ееможно использовать по своему назначению;

Ø

возможностьориентировочно оценить по твердости другие характеристики металла, в первуюочередь предел прочности.

Так, например, зная твердость по Бринеллю (HB), можноопределить предел прочности на растяжение <img src="/cache/referats/7068/image007.gif" v:shapes="_x0000_i1028"> (временноесопротивление).

где k–коэффициент, зависящий от материала;

k= 0,34 – сталь HB120 … 175;

k= 0,35 – сталь HB175 … 450;

k= 0,55 – медь, латунь и бронза отоженные;

k= 0,33 … 0,36 – алюминий и его сплавы.

Наибольшееприменение получило измерение твердости вдавливанием в испытываемый металл индентора в виде шарика, конуса и пирамиды (соответственнометоды Бринелля, Роквелла иВиккерса). В результате вдавливания достаточно большойнагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизинего, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток.Величина внедрения наконечника в поверхность металла будет тем меньше, чемтверже испытываемый материал.

Такимобразом под твердостью понимают сопротивление материала местнойпластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела –индентора.

Измерение твердости по Бринеллю

Рис. 1. Схема испытаний на твердость по Бринеллю

<img src="/cache/referats/7068/image011.gif" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1026"> Твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012-59) измеряют вдавливанием виспытываемый образец стального шарика определенного диаметра Dподдействием заданной нагрузки Pв течение определенноговремени (Рис. 1). В результате вдавливания шарика на поверхности образцаполучается отпечаток (лунка). Число твердости по Бринеллю,обозначаемое HB, представляет собой отношение нагрузки Pкплощади поверхности сферического отпечатка Fи измеряется в кгс/мм2 или МПа:

<img src="/cache/referats/7068/image013.gif" v:shapes="_x0000_i1030"> (2)

Площадь шарового сегмента составит:

<img src="/cache/referats/7068/image015.gif" v:shapes="_x0000_i1031">2 (3)

где D–диаметр шарика, (мм);

h– глубина отпечатка, (мм).

Так как глубину отпечатка измерить трудно, а проще измерить диаметротпечатка d, выражают hчерез диаметр шарика Dиотпечатка d:

<img src="/cache/referats/7068/image017.gif" v:shapes="_x0000_i1032"> (мм) (4)

Тогда <img src="/cache/referats/7068/image019.gif" v:shapes="_x0000_i1033"> (мм2) (5)

Число твердости по Бринеллю определяется поформуле:

<img src="/cache/referats/7068/image021.gif" v:shapes="_x0000_i1034"> (кгс/мм2) (6)

Для перевода твердости по Бринеллюв единицы СИ необходимо умножить число твердости в кгс/мм2на 9,81, т.е. HB=9,81*HB(МПа).

Для получения сопоставимых результатов при определении твердости HBшариками различного диаметра необходимо соблюдать условие подобия.

Подобие отпечатков при разных Dи Pбудет обеспечено, если уголj

остается постоянным (Рис. 1.1). Подставив вформулу (6) <img src="/cache/referats/7068/image023.gif" v:shapes="_x0000_i1036">

Рис. 1.1 Схемы испытаний на твердость:

а – по Бринеллю, б – по Виккерсу, в – по Роквеллу

<img src="/cache/referats/7068/image027.gif" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1030"> Из этой формулы видно,что значение HBбудет оставаться постоянным, если <img src="/cache/referats/7068/image029.gif" v:shapes="_x0000_i1038"> и <img src="/cache/referats/7068/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1039">

В практике приопределении твердости не делают вычислений по формуле (6), а пользуютсятаблицами, составленными для установленных диаметров шариков, отпечатков инагрузок. Шарики применяют диаметром 10,5 и 2,5 мм. Диаметр шарика и нагрузкавыбираются в соответствии с толщиной и твердостью образца (табл. 1). При этомдля получения одинаковых чисел твердости одного материала при испытаниишариками разных диаметров необходимо соблюдать закон подобия между получаемымидиаметрами отпечатков. Поэтому твердость измеряют при постоянном соотношениимежду величиной нагрузки Pи квадратом диаметра шарикаD2.Это соотношение должно быть различным для металлов разной твердости.

Метод Бринелля нерекомендуется применять для материалов с твердостью более 450 HB, так,как стальной шарик может заметно деформироваться, что внесет погрешность врезультаты испытаний.

Таблица 1

Условия испытания металловна твердость по Бринеллю

Число твердости по Бринеллю,измеренное при стандартном испытании (D= 10 мм, P= 3000кгс), записывается так: HB350. Если испытанияпроведены при других условиях, то запись будет иметь следующий вид: HB5/250/30-200, что означает – число твердости 200 получено при испытании шарикомдиаметром 5 мм под нагрузкой 250 кгс и длительностинагрузки 30 с.

При измерениитвердости по методу бринелля необходимо выполнятьследующие условия:

Ø

образцы с твердостью выше HB450 кгс/мм2 (4500 МПа)испытывать запрещается;

Ø

поверхность образца должнабыть плоской и очищенной от окалины и других посторонних веществ;

Ø

диаметры отпечатков должнынаходиться в пределах 0,2D£d£0,6D;

Ø

образцы должны иметь толщинуне менее 10 – кратной глубины отпечатка (или менее диаметра шарика);

Ø

расстояние между центрамисоседних отпечатков и между центром отпечатка и краем образца должны быть неменее 4d.

Рис. 2 Схема прибора для измерения твердости по методу Бринелля

<img src="/cache/referats/7068/image035.gif" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1027">Определение твердости HBпроизводится на прессе Бринелля (твердомер типа ТШ) в следующем порядке.Испытываемый образец (деталь) устанавливают на столике 1 (Рис. 2) шлифованнойповерхностью кверху. Поворотом маховика 2 по часовой стрелке столик прибораподнимают так, чтобы шарик 4 мог вдавиться в испытываемую поверхность. Маховик2 вращают до упора, и нажатием кнопки включают электродвигатель 6. Двигательперемещает коромысло и постепенно нагружает шток с закрепленным в нем шариком.Шарик под действием нагрузки 3, сообщаемой приведенным к коромыслу грузом,вдавливается в испытываемый материал. Нагрузка действует в течениеопределенного времени (10 … 60 с), задаваемого реле времени, после чего валдвигателя, вращаясь в обратную сторону, соответственно перемещает коромысло иснимает нагрузку. После автоматического выключения двигателя, поворачиваямаховик 2 против часовой стрелки, опускают столик прибора и снимают образец.

Диаметр отпечатка измеряют при помощи отсчетного микроскопа (лупы Бринелля),на окуляре которого имеется шкала с делениями,соответствующими десятым долям миллиметра. Измерение проводят с точностью до0,05 мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях; для определения твердостиследует принимать среднюю из полученных величин.

Измерениетвердости по ВиккерсУ

При испытании натвердость по методу Виккерса в поверхность материалавдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине a

=1360(Рис. 1.1).После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d1. Число твердости по Виккерсу HVподсчитывается какотношение нагрузки З к площади поверхности пирамидального отпечатка М:

Число твердости по Виккерсу обозначается символом HVс указанием нагрузки Pивремени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм2) не ставится. Продолжительность выдержкииндентора под нагрузкой принимают для сталей 10 – 15с, а для цветных металлов – 30 с.

Например,450 HV10/15означает, что число твердости по Виккерсу 450получено при P= 10 кгс (98,1 Н), приложенной к алмазнойпирамиде в течение 15 с.

Преимущества метода Виккерса по сравнению с методом Бринеллязаключается в том, что методом Виккерса можноиспытывать материаллы более высокой твердости из-заприменения алмазной пирамиды.

Измерение твердости по Роквеллу

Рис. 3 Положение наконечника при определении твердости по Роквеллу: I-IV последовательность нагружения.

<img src="/cache/referats/7068/image039.gif" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1028"> При этом методе индентором является алмазный конус или стальной закаленныйшарик. В отличие от измерений по методу Бринеллятвердость определяют по глубине отпечатка, а не по его площади. Глубинаотпечатка измеряется в самом процессе вдавливания, что значительно упрощаетиспытания. Нагрузка прилагается последовательно в две стадии (ГОСТ 9013-59):сначала предварительная, обычно равная 10 кгс (дляустранения влияния упругой деформации и различной степени шероховатости), азатем основная (Рис. 3).

Рис. 4 Схема прибора для измерения твердости по Роквеллу

<img src="/cache/referats/7068/image041.gif" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1029"> После приложенияпредварительной нагрузки индикатор, измеряющий глубину отпечатка,устанавливается на нуль. Когда отпечаток получен приложением окончательнойнагрузки, основную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновениянаконечника t.

Твердость измеряют наприборе Роквелла (Рис. 4), в нижней части станциикоторого установлен столик 5. В верхней части станции индикатор 3, масляныйрегулятор 2 и шток 4, в котором устанавливается наконечник с алмазным конусом(имеющим угол при вершине 1200и радиус закругления 0,2 мм) или стальным шариком диаметром1,588 мм. Индикатор 3 представляет собой циферблат, на котором нанесены двешкалы (черная и красная) и имеются две стрелки – большая (указатель твердости)и маленькая – для контроля величины предварительного нагружения,сообщаемого вращением маховика 6. Столик с установленным на нем образцом дляизмерений поднимают вращением маховика до тех пор, пока малая стрелка неокажется против красной точки на шкале. Это означает, что наконечниквдавливается в образец под предварительной нагрузкой, равной 10 кгс.

После этогоповорачивают шкалу индикатора (круг циферблата) до совпадения цифры 0 на чернойшкале с большой стрелкой. Затем включают основную нагрузку, определяемую грузом1, и после остановки стрелки считывают значение твердости по Роквеллу, представляющее собой цифру. Столик с образцомопускают, вращая маховик против часовой стрелки.

Твердомер Роквелла измеряет разность между глубиной отпечатков,полученных от вдавливания наконечника под действием основной и предварительнойнагрузок. Каждое давление (единица шкалы) индикатора соответствует глубиневдавливания 2 мкм. Однако условное число твердости по Роквеллу(HR) представляет собой не указанную глубину вдавливания t, авеличину 100 – tпо черной шкале при измерении конусом и величину130 – tпо красной шкале при измерении шариком.

Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и того физического смысла,который имеют числа твердости по Бринеллю, однакоможно найти соотношение между ними с помощью специальных таблиц.

Твердость по методу Роквелла можно измерять:

-

алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кгс.Твердость измеряется по шкале С и обозначается HRC(например, 65 HRC).Таким образом определяют твердость закаленной и отпущенной сталей, материаловсредней твердости, поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм;

-

алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кгс.Твердость измеряется по шкале А, совпадающей со шкалой С, и обозначается HRA.Применяется для оценки твердости очень твердых материалов, тонких поверхностныхслоев (0,3 … 0,5 мм) и тонколистового материала;

-

стальным шариком с общей нагрузкой 100 кгс.Твердость обозначается HRBи измеряется по краснойшкале B. Так определяют твердость мягкой (отожженной) стали и цветных сплавов.

При измерении твердости на приборе Роквелланеобходимо, чтобы на поверхности образца не было окалины, трещин, выбоин и др.Необходимо контролировать перпендикулярность приложения нагрузки и поверхностиобразца и устойчивость его положения на столике прибора. Расстояние отпечаткадолжно быть не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и не менее 4 мм привдавливании шарика.

Твердость следует измерять не менее 3 раз на одномобразце, усредняя полученные результаты.

Преимущество метода Роквеллапо сравнению с методами Бринелля и Виккерса заключается в том, что значение твердости пометоду Роквелла фиксируется непосредственно стрелкойиндикатора, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеровотпечатка.

Список используемой литературы

1. Геллер Ю.А. Рахштадт А.Г.Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи. М.:Металлургия, 1984г.

2. Металловедение и термическая обработка стали: Справ.М.Л Бернштейн, А.Г. Рахштадт М.: Металлургия, 1983г.

еще рефераты

Еще работы по материаловедению

Реферат по материаловедению

Обработка деталей резанием

29 Августа 2013

Реферат по материаловедению

Материалы печатных плат (фольгированные стеклотекстолит и гетинакс)

29 Августа 2013

Реферат по материаловедению

Целлофан

29 Августа 2013

Реферат по материаловедению

Стекло. Стекловолокно. Стеклоэмали

29 Августа 2013