Измерение твердости по Бринеллю

       Твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012-59) измеряют вдавливанием в испытываемый образец стального  шарика определенного диаметра D под действием заданной нагрузки P в течение определенного времени (Рис. 2). В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка). Число твердости по Бринеллю, обозначаемое HB, представляет собой отношение нагрузки P к площади поверхности сферического отпечатка F и измеряется в кгс/мм² или МПа:

                       (1)

     Площадь шарового сегмента составит:

            , мм²         (2)

     где D –диаметр шарика, (мм);

            h – глубина отпечатка, (мм).

     Так как глубину отпечатка измерить трудно, а проще измерить диаметр  отпечатка d, выражают h через диаметр шарика D и отпечатка d:

            ,   (мм)                (3)

     Тогда  ,  (мм²)                 (4)

     Число твердости по Бринеллю определяется по формуле:

            ,  (кгс/мм²)              (5)

     Для перевода твердости по Бринеллю в  единицы СИ необходимо умножить число  твердости в кгс/мм² на 9,81, т.е. HB=9,81*HB (МПа).

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

     Подобие отпечатков при разных D и P будет обеспечено, если угол j остается постоянным (Рис. 2.1). Подставив в формулу (5) , получим следующее выражение:

     

       Из этой формулы  видно, что значение HB будет оставаться постоянным, если и .

           В практике при определении  твердости не делают вычислений по формуле (5), а пользуются таблицами, составленными для установленных диаметров шариков, отпечатков и нагрузок. Шарики применяют диаметром 10,5 и 2,5 мм. Диаметр шарика и нагрузка выбираются в соответствии с толщиной и твердостью образца (табл. 1). При этом для получения одинаковых чисел твердости одного материала при испытании шариками разных диаметров необходимо соблюдать закон подобия между получаемыми диаметрами отпечатков. Поэтому твердость измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки P и квадратом диаметра шарика D². Это соотношение должно быть различным для металлов разной твердости.

     Метод Бринелля не рекомендуется применять  для материалов с твердостью более 450 HB, так, как стальной шарик может заметно деформироваться, что внесет погрешность в результаты испытаний.

 

     

           Таблица 1

     Условия испытания металлов на твердость по Бринеллю

     

     Число твердости по Бринеллю, измеренное при стандартном испытании (D = 10 мм, P = 3000 кгс), записывается так: HB 350. Если испытания проведены при других условиях, то запись будет иметь следующий вид: HB 5/250/30-200, что означает – число твердости 200 получено при испытании шариком диаметром 5 мм под нагрузкой 250 кгс и длительности нагрузки 30 с.

           При измерении твердости  по методу бринелля необходимо выполнять  следующие условия:

• образцы с твердостью выше HB 450 кгс/мм² (4500 МПа) испытывать запрещается;
• поверхность образца должна быть плоской и очищенной от окалины и других посторонних веществ;
• диаметры отпечатков должны находиться в пределах 0,2D£d£0,6D;
• образцы должны иметь толщину не менее 10 – кратной глубины отпечатка (или менее диаметра шарика);
• расстояние между центрами соседних отпечатков и между центром отпечатка и краем образца должны быть не менее 4d.

      Определение твердости HB производится на прессе Бринелля (твердомер типа ТШ) в следующем порядке. Испытываемый образец (деталь) устанавливают на столике 1 (Рис. 3) шлифованной поверхностью кверху. Поворотом маховика 2 по часовой стрелке столик прибора поднимают так, чтобы шарик 4 мог вдавиться в испытываемую поверхность. Маховик 2 вращают до упора, и нажатием кнопки включают электродвигатель 6. Двигатель перемещает 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 течение определенного времени (10 … 60 с), задаваемого реле времени, после чего вал двигателя, вращаясь в обратную сторону, соответственно перемещает коромысло и снимает нагрузку. После автоматического выключения двигателя, поворачивая маховик 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 до 0,05 мм в двух взаимно  перпендикулярных направлениях; для  определения твердости следует  принимать среднюю из полученных величин.

     Измерение твердости по ВиккерсУ

           При испытании на твердость по методу Виккерса в поверхность  материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине  a=136⁰ (Рис. 2.1). После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d₁. Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки З к площади поверхности пирамидального отпечатка М:

       

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

     Например, 450 HV_10/15 означает, что число твердости по Виккерсу 450 получено при P = 10 кгс (98,1 Н), приложенной к алмазной пирамиде в течение 15 с.

           Преимущества метода Виккерса по сравнению с методом  Бринелля заключается в том, что  методом Виккерса можно испытывать материаллы более высокой твердости  из-за применения алмазной пирамиды.

     Измерение твердости по Роквеллу

       При этом методе индентором является алмазный конус  или стальной закаленный шарик. В  отличие от измерений по методу Бринелля твердость определяют по глубине  отпечатка, а не по его площади. Глубина  отпечатка измеряется в самом  процессе вдавливания, что значительно  упрощает испытания. Нагрузка прилагается  последовательно в две стадии (ГОСТ 9013-59): сначала предварительная, обычно равная 10 кгс (для устранения влияния упругой деформации и  различной степени шероховатости), а затем основная (Рис. 4).

       После приложения предварительной нагрузки индикатор, измеряющий глубину отпечатка, устанавливается  на нуль. Когда отпечаток получен  приложением окончательной нагрузки, основную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения  наконечника t.

           Твердость измеряют на приборе Роквелла (Рис. 5), в нижней части станции которого установлен столик 5. В верхней части станции индикатор 3, масляный регулятор 2 и шток 4, в котором устанавливается наконечник с алмазным конусом (имеющим угол при вершине 120⁰ и радиус закругления     0,2 мм) или стальным шариком диаметром 1,588 мм. Индикатор 3 представляет собой циферблат, на котором нанесены две шкалы (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 для измерений поднимают вращением маховика до тех пор, пока малая стрелка не окажется против красной точки на шкале. Это означает, что наконечник вдавливается в образец под предварительной нагрузкой, равной 10 кгс.

           После этого поворачивают шкалу индикатора (круг циферблата) до совпадения цифры 0 на черной шкале  с большой стрелкой. Затем включают основную нагрузку, определяемую грузом 1, и после остановки стрелки  считывают значение твердости по Роквеллу, представляющее собой цифру. Столик с образцом опускают, вращая маховик против часовой стрелки.

           Твердомер Роквелла измеряет разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника  под действием основной и предварительной  нагрузок. Каждое давление (единица  шкалы) индикатора соответствует глубине  вдавливания 2 мкм. Однако условное число  твердости по Роквеллу (HR) представляет собой не указанную глубину вдавливания t, а величину 100 – t по черной шкале при измерении конусом и величину 130 – t по красной шкале при измерении шариком.

           Числа твердости  по Роквеллу не имеют размерности  и того физического смысла, который  имеют числа твердости по Бринеллю, однако можно 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, материалов средней 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 поверхностных слоев (0,3 … 0,5 мм) и тонколистового материала;
• стальным шариком с общей нагрузкой 100 кгс. Твердость обозначается HRB и измеряется по красной шкале B. Так определяют твердость мягкой (отожженной) стали и цветных сплавов.

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

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

     Преимущество  метода Роквелла по сравнению с методами Бринелля и Виккерса заключается  в том, что значение твердости  по методу Роквелла фиксируется непосредственно  стрелкой индикатора, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении  размеров отпечатка.

     ТВЁРДОСТЬ АБРАЗИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

     Твердость, для абразивных материалов – прочность удержания абразивного зерна связкой. Чем выше твердость, тем прочнее удерживается зерно.

     Шкала твердости инструмента в России состоит из 16 основных степеней:

ВМ1 и ВМ2 – весьма мягкий

М1, М2, М3 – мягкий;

СМ1-СМ2 – средне мягкий;

С1, С2 – средний;

СТ1, СТ2, СТ3 – средне твердый;

Т1, Т2 – твердый;

ВТ – весьма твердый;

ЧТ  – чрезвычайно твердый

Соответствие  обозначений степеней твердости  в России и за рубежом приведены в таблице  

Соответствие  обозначений степеней твердости  в России и за рубежом