Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение (методы анализа, лабораторные работы и задачи)

Подождите немного. Документ загружается.

циях

давление осуществляется гидравлическим способом, а в

других

грузами, передвижение которых осуществляется электродвига-

телем.

Испытуемый образец (деталь) устанавливают на столике 1 в ниж-

ней

части неподвижной станины пресса (рис. 102), зашлифованной

поверхностью

кверху.

Поворотом

вручную

маховика 2 по часовой

стрелке столик прибора поднимают так, чтобы шарик мог вдавиться

испытуемую поверхность. В прессах с электродвигателем вращают

маховик 2 до упора и нажатием кнопки включают двигатель 5.

Последний

сначала перемещает коромысло и постепенно нагружает

шток,

а следовательно, и вдавливает шарик под действием нагрузки,

сообщаемой привешенным к коро-

мыслу грузом. Эта нагрузка дейст-

вует

в течение определенного вре-

мени,

обычно

10—60

с, в зависимо-

сти от твердости измеряемого мате-

риала (см. табл. 13), после чего вал

двигателя, вращаясь в обратную

сторону, соответственно перемещает

коромысло и снимает нагрузку. По-

сле автоматического выключения

двигателя, поворачивая маховик 2

против часовой стрелки, опускают

столик

прибора и затем снимают об-

разец.

Регулировкой реле двигателя

можно изменять время приложения

нагрузки.

В образце остается отпечаток

со сферической поверхностью (лун-

ка).

Диаметр отпечатка измеряют лупой, на окуляре которой

нанесена

шкала с делениями, соответствующими десятым долям

миллиметра. Диаметр отпечатка измеряют с точностью до 0,05 мм

(при

вдавливании шарика диаметром 10 и 5 мм) в

двух

взаимно пер-

пендикулярных направлениях; для определения твердости

следует

принимать

среднюю из полученных величин.

Имеются

приборы (бривископы), в которых получаемый отпечаток

увеличенном масштабе проецируется на экране прибора и диаметр

этого отпечатка измеряется линейкой.

При

измерениях расстояние от центра получаемого отпечатка до

края

образца должно быть не меньше

двух

диаметров отпечатка во

избежание искажения результатов из-за «выпучивания» края об-

разца. Каждое последующее измерение надо проводить на расстоянии

не

меньше

двух

диаметров предыдущего отпечатка. Число твердости

по

Бринеллю НВ характеризуется отношением нагрузки, действую-

щей

на шарик, к поверхности отпечатка:

Рис. 102. Схема прибора для получе-

ния

твердости вдавливанием шарика

(измерение

по Бринеллю):

/ — столик для центровки образца;

2 — маховик; 3 — грузы; 4 — шарик;

5 — электродвигатель

НВ

— — =

по—

171

где Р — нагрузка на шарик, кгс;

F — поверхность отпечатка, мм

;

D — диаметр вдавливаемого шарика, мм;

d — диаметр отпечатка, мм.

Получаемое число твердости при прочих равных условиях опре-

деляется диаметром отпечатка d. Последний тем меньше, чем выше

твердость испытуемого металла.

Однако получение постоянной и одинаковой зависимости

между

величиной

нагрузки и диаметром отпечатка, необходимое для точного

определения твердости, сравнительно надежно достигается только

при

соблюдении определенных условий. При вдавливании шарика на

разную

глубину,

т. е. с разной нагрузкой для одного и того же мате-

риала, не соблюдается закон подобия

между

получаемыми диамет-

рами отпечатка. Наибольшие отклонения наблюдаются, если шарик

вдавливается с малой нагрузкой и оставляет отпечаток небольшого

диаметра или вдавливается с очень большой нагрузкой и оставляет

отпечаток большого диаметра, приближающегося по величине к диа-

метру шарика. Поэтому твердость измеряют при постоянном соотно-

шении

между

величиной нагрузки Р и квадратом диаметра шарика D

Это соотношение должно быть различным для металлов разной твер-

дости. Деформация металла в разных участках под шариком неодина-

кова.

Вызываемая этим неоднородность напряженного состояния воз-

растает с увеличением поверхности отпечатка, т. е. величины на-

грузки.

В процессе вдавливания наряду с пластической деформацией

измеряемого металла происходит также упругая деформация вдавли-

ваемого шарика. Величина этой деформации, искажающей результаты

определения, возрастает при измерении твердых материалов. По-

этому испытания вдавливанием шарика ограничивают измерением

металлов небольшой и средней твердости (для стали с твердостью не

более НВ 450).

Известное

влияние оказывает также длительность выдержки

металла под нагрузкой. Легкоплавкие металлы (свинец,

цинк,

баб-

биты),

имеющие низкую температуру рекристаллизации, испытывают

пластическую деформацию не только в момент вдавливания, но и

течение некоторого времени после приложения нагрузки. С увели-

чением выдержки под нагрузкой пластическая деформация этих

металлов практически стабилизируется.

Для металлов с высокими температурами плавления влияние про-

должительности выдержки под нагрузкой незначительно, что позво-

ляет применять более короткие выдержки

(10—30

с).

ГОСТом установлены нормы для испытаний по Бринеллю

(табл. 13).

Твердость полимерных материалов, как и их прочность (см.

с. 453), в большой степени зависит от длительности приложения

нагрузки.

При

измерении твердости шариком определенного диаметра и

с установленными нагрузками нет необходимости проводить расчет

по

указанной выше формуле, На практике пользуются заранее состав-

172

ленными таблицами, указывающими число НВ в зависимости от диа-

метра отпечатка и соотношения между нагрузкой Р и поверхностью

отпечатка F. При указании твердости НВ иногда отмечают принятые

нагрузку и диаметр шарика.

Таблица 13

Металлы

Черные

Цветные

Твердость

НВ

140—450

^140

5=Л30

35—130

8—35

Т0ЛЩИШ1

образца,

им

6—3

4—2

6—3

>з

6—3

4—2

9—3

6—3

2—3

г>6

6—3

<з

Соотношение

между

на-

грузкой

Р и

квадратом

диаметра

шарика

Р = 30D

Р= 10D

Р = 30D

Р=

10D

=-=

2.5D

Диаметр

шарикг

мм

2,5

Нагрузка

Р,

кго

3000

750

187,5

3000

250

62,5

3000

750

187,5

1000

250

62,5

250

62,5

15,6

Выдержка

под

на-

грузкой,

Между пределом прочности и числом твердости НВ различных ме-

таллов существует следующая зависимость

Сталь с твердостью НВ:

120—175

<т

«* 0,34 ЯВ

175—450

«* 0,35 НВ

Медь, латунь, бронза:

отожженная • а^ г=» 0,55 НВ

наклепанная

оь «=* 0,40 НВ

Алюминий и алюминиевые сплавы с твер-

достью НВ:

20ч-45

о-

«*

(0,33-4-0,36)

НВ

Дуралюмин:

отожженный оь «* 0,36 НВ

после закалки и старения aj^a 0,35 НВ

М и н к е в и ч Н. А. Журнал Русского металлургичеекого общества, 1912.

173

Измерение

площади отпечатка (лунки)

nyitK

и площади проекции

отпечатка F

позволяет, по данным М. П. Марковца, характеризо-

вать пластичность стали по формуле

лунк

пр

Твдавл

р •

лунк

Величина г|>

вдавл

связана с относительным сужением я|э (%).

В меньшей степени соблюдается точная количественная зависи-

мость

между

числами твердости НВ и пределом выносливости.

Сравнительно простая зависимость

существует

лишь для сплавов

равновесном (отожженном) состоянии. Для этих сплавов предел

выносливости, определяемый в условиях повторно-переменного из-

гиба вращающегося образца (при отсутствии резких переходов) по

сечению, надрезов, царапин на поверхности и обезуглероживания),

характеризуется следующими данными:

Медь 0,15 НВ

Дуралюмин 0,12 НВ

Сталь с 0,2% С 0,15 НВ

Сталь с 0,45% С 0,15 НВ

Сталь с 0,77% С 0,12 НВ

Эти данные соответствуют соотношению, по которому предел

выносливости составляет примерно 0,5 а

Для стали в закаленном и отпущенном или нормализованном со-

стоянии,

для дуралюмина после старения и для металлов в холодно-

деформированном состоянии предел усталости не может быть доста-

точно точно определен по результатам измерения твердости.

Измерение

твердости вдавливанием стального шарика не является

универсальным способом. Этот способ не позволяет: а) испытывать

материалы с твердостью более НВ 450; б) измерять твердость тонкого

поверхностного слоя (толщиной менее 1—2 мм), так как стальной

шарик

продавливает этот слой и проникает на большую

глубину.

Толщина

измеряемого слоя (или образца) должна быть не менее

10-кратной глубины отпечатка.

МЕТОД

ИЗМЕРЕНИЯ

ТВЕРДОСТИ

ВДАВЛИВАНИЕМ

КОНУСА

ИЛИ

ШАРИКА

(твердость по Роквеллу) *

Принципиальное

отличие данного способа от рассмотренного выше

измерения

по Бринеллю состоит в том, что твердость определяют

по

глубине

отпечатка, получаемого при вдавливании алмазного

конуса или стального шарика, а не по площади отпечатка.

Этот метод имеет то преимущество по сравнению с измерением

по

Бринеллю, что позволяет изменять нагрузку в широких пределах,

без изменения значений твердости, так как при вдавливании конуса

сохраняется закон подобия, а условия деформации под вершиной

конуса с увеличением давления не изменяются.

Методика измерения установлена ГОСТ

9013—59

«Измерение твердости по

Роквеллу».

174

Твердость измеряют на приборе (рис. 103), в нижней части не-

подвижной станины которого установлен столик /. В верхней части

станины

укреплены индикатор 4, масляный регулятор 5 и шток 6,

котором устанавливается наконечник с алмазным конусом, име-

ющим

угол

в вершине 120, или со стальным шариком диаметром

1,59 мм. Индикатор 4 представляет собой циферблат, на котором

нанесены

две шкалы (черная и красная) и имеются две стрелки —

большая (указатель твердости), вращающаяся по шкале, и малень-

кая

для контроля величины предварительного нагружения, сооб-

щаемого вращением маховика 2.

Образец для измерений должен

иметь тщательно зашлифованную

плоскую поверхность, в которую

вдавливается конус или шарик,

а противоположная параллельная

поверхность также должна быть ров-

ной,

зачищенной. Поворотом махо-

вика

по часовой стрелке столик под-

нимают таким образом, чтобы

нако-

нечник

мог вдавливаться в поверх-

ность установленного образца; при

дальнейшем подъеме столика начи-

нают вращаться стрелки на цифер-

блате. Подъем столика продолжают

до тех пор, пока малая стрелка не

примет вертикального положения,

указываемого на циферблате красной

точкой.

Это означает, что наконеч-

ник

вдавился в образец под действием определенной (предваритель-

ной)

нагрузки, равной 10 кгс. Предварительное нагружение прово-

дят для того, чтобы исключить влияние упругой деформации и раз-

личной

степени шероховатости поверхности образца на результаты

измерений.

Когда образец получает предварительную нагрузку 10 кгс,

большая стрелка на циферблате принимает вертикальное положение

или

близкое к нему. Для точности измерения необходимо, чтобы

большая стрелка указывала на цифру 0 на черной шкале цифер-

блата. Если положение большой стрелки не совпадает точно с циф-

рой

0, то, не меняя величины предварительного нагружения и,

следовательно, не вращая маховик, поворачивают шкалу индикатора

(круг циферблата) таким образом, чтобы цифра 0 на черной шкале

циферблата переместилась и совпала с большой стрелкой, отклонение

которой

от вертикали допускается в пределах ±5 единиц шкалы.

Затем освобождают рукоятку 7 и она плавно перемещается до

упора. Такое перемещение рукоятки сообщает испытуемому образцу

через рычаг основную нагрузку, определяемую грузом, привешен-

ным

к рычагу. Один

груз

на рычаге сообщает образцу дополнитель-

ную нагрузку 50 кгс, следовательно, общая нагрузка составит

60 кгс. Два

груза

сообщают дополнительную нагрузку 90 кгс, что

175

Рис. 103. Схема прибора для измерение

твердости вдавливанием алмазного ко-

нуса или стального шарика (измерение

по

Роквеллу): /—столик для установки

образца; 2 — маховик; 3 — груз; 4 —

шкала-индикатор;

5—масляный регуля-

тор;б

— шток с алмазным конусом (ша-

риком);

7 — рукоятка

отвечает общей нагрузке 100 кгс или 10 + 90 кгс и, наконец, три

груза

сообщают нагрузку 140 кгс, что соответствует общей нагрузке

150 кгс. На приборе указана общая нагрузка. При этом нагружении

большая стрелка перемещается по циферблату влево, против часовой

стрелки. Время приложения основной нагрузки 5—7 с. Затем ру-

коятку прибора плавно переводят в исходное состояние и тем самым

снимают дополнительную нагрузку, но оставляют предварительную.

Большая

стрелка перемещается по циферблату по часовой стрелке.

Цифра,

которую указывает на шкале циферблата большая стрелка,

Образец

дплотнун)

при

та/л л

шарику

)га

Рис 104. Схема приложения и снятия нагрузки при измерении твердости по Роквеллу

представляет число твердости по Роквеллу. Эту цифру записывают

и,

поворачивая маховик против часовой стрелки, опускают столик

прибора с образцом, снимая тем самым предварительную нагрузку.

Схема приложения и снятия нагрузок приведена на рис. 104.

Прибор

измеряет глубину отпечатка алмазного конуса (сталь-

ного шарика) или, точнее, разность

между

глубиной отпечатков,

полученных от вдавливания наконечника под действием основной

нагрузки и от вдавливания под предварительной нагрузкой. Каждое

деление (единица шкалы) индикатора соответствует глубине вдавли-

вания

в 2 мкм. Однако стрелка индикатора отмечает не указанную

величину глубины вдавливания h, а величину 100 — h по черной

шкале при измерении алмазом и величину 130 — h по красной шкале

при

измерении шариком. Поэтому чем тверже измеряемый материал

и,

следовательно, меньше h, тем больше должно быть число твер-

дости. Наоборот, чем мягче измеряемый материал и больше вели-

чина

h, тем меньше число твердости, т. е. числа твердости по Рок-

веллу

возрастают с увеличением твердости материала, что позволяет

сравнить числа Роквелла с числами Бринелля. Вместе с тем числа

твердости по Роквеллу не имеют той размерности и того физического

смысла, который имеют числа твердости по Бринеллю. Однако числа

176

твердости по Роквеллу можно пересчитать на числа твердости по

Бринеллю

с помощью диаграмм (рис. 105) и таблицы, построенных

на

основании многочисленных экспериментальных работ. Зависи-

мость

между

этими числами, как показывает диаграмма, не имеет

линейного

характера.

Твердость на приборе Роквелла можно измерять:

1) алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кгс; в этом

случае

значения

твердости характеризуются цифрой, указываемой стрелкой

на

черной шкале С циферблата, и обозначаются HRC. Например,

/00

%60

(

Твердость

HRB

tOO 300 500 700 0 WO

Твердости

НВ

гоо

300 400

Рис. 105. Соотношение

твердости

по Бринеллю и по Роквеллу:

а ~- при вдавливании

стального

шарика (Роквелл, шкала В); б— при вдавли-

вании алмазного конуса (Роквелл, шкала С)

HRC 65 означает, что твердость материала составляет 65 единиц

по

Роквеллу по шкале С с нагрузкой 150 кгс;

2) алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кгс. В этом

случае

значения

твердости также характеризуются цифрой, указываемой

стрелкой на черной шкале С циферблата, но обозначаются HRA.

Числа HRA можно перевести на числа HRC по следующей фор-

муле

HRC = 2HRA — 104;

3) стальным шариком с общей нагрузкой 100 кгс, в этом

случае

значения

твердости характеризуются цифрой, указываемой стрелкой

на

красной шкале В циферблата, и обозначаются HRB.

Измерения

алмазным конусом с нагрузкой 150 кгс (HRC) прово-

дят: а) для закаленной или низкоотпущенной стали (с твердостью

более НВ 450), т. е. в условиях, когда вдавливание стального ша-

рика

(по Бринеллю или Роквеллу по шкале В) в твердый материал

может вызвать деформацию шарика и искажение результатов;

б) для материалов средней твердости (более НВ 230) как более бы-

стрым способом определения, оставляющим, кроме того, меньший

след на измеряемой поверхности, чем при испытании по Бринеллю;

177

в)

для

определения твердости тонких поверхностных слоев,

но тол-

щиной

более

0,5 мм

(например, цементованного слоя).

Измерения

алмазным конусом

нагрузкой

60 кгс (HRA)

приме-

няют

для

очень твердых металлов (более

HRC 70),

например твердых

сплавов, когда вдавливание алмазного конуса

большой нагрузкой

может вызвать выкрашивание алмаза,

также

для

измерения твер-

дых поверхностных слоев

(0,3—0,5

мм) или

тонких образцов

(пла-

стинок).

Стальным шариком

нагрузкой

100 кгс

(HRB) твердость опреде-

ляют

для

мягкой (отожженной) стали

или

отожженных цветных спла-

вов

деталях

или

образцах толщиной

0,8—2

мм, т. е. в

условиях,

когда измерение

по

Бринеллю, выполняемое шариком большого

диаметра, может вызвать смятие образца.

Условия

для

испытания

по

Роквеллу установлены ГОСТом

(табл.

14).

Таблица

УСЛОВИЯ

ДЛЯ

ИСПЫТАНИЯ

ПО

РОКВЕЛЛУ

Примерная

твердость

по

Виккерсу

60—240

240—900

390—900

Обозначение

шкалы

Роквелла

Тип

наконечника

Шарик

стальной

Алмазный

конус

» »

Нагрузка,

кгс

100

150

Допускаемые

пределы

измерения

твердости

по

шкале

Роквелла

25-100

20-67

70—85

Расстояние

от

центра отпечатка

до

края образца

или до

центра

другого

отпечатка должно быть

не

менее

1,5 мм при

вдавливании

конуса

и не

менее

4 мм при

вдавливании шарика. Толщина образца

должна быть

не

менее 10-кратной глубины отпечатка.

Твердость

следует

измерять

не

менее чем

трех

точках (особенно

алмазным конусом),

т. е. не

менее

чем три

раза

на

одном образце.

Для расчета лучше принимать среднее значение результатов второго

третьего измерений

и не

учитывать результата первого измерения.

Измерение

твердости

по

Роквеллу

требует

меньше времени

(30—60

с), чем по

Бринеллю, причем

результат

измерения виден

на

шкале

(он

указан стрелкой). Кроме того, измерение твердости

по

Роквеллу оставляет меньший отпечаток

на

поверхности детали.

Твердость очень тонких слоев металла (толщиной менее

0,3 мм)

с указанными нагрузками

60 и 150 кгс

измерять нельзя,

так как

алмазный

конус проникает

на

глубину,

превышающую толщину

этих слоев,

указывает, следовательно, твердость нижележащих

об-

ластей. Вместе

с тем с

увеличением твердости измеряемого мате-

риала глубина отпечатка уменьшается, вследствие чего понижается

точность измерения (особенно

для

металлов

твердостью более

HRC

60). Для

этих

же

целей иногда применяют приборы типа супер-

роквелл,

которых твердость измеряют

меньшей нагрузкой

с меньшей глубиной вдавливания. Предварительная нагрузка

со-

178

ставляет 3 кгс, а каждое деление (единица шкалы) индикатора соот-

ветствует

глубине вдавливания, равной 1 мкм. Поэтому чувствитель-

ность этих приборов заметно выше.

МЕТОД

ИЗМЕРЕНИЯ

ТВЕРДОСТИ

ВДАВЛИВАНИЕМ

АЛМАЗНОЙ

ПИРАМИДЫ

(твердость по Виккерсу)

По

этому способу в металл вдавливается четырехгранная алмаз-

ная

пирамида с

углом

в вершине 136° и твердость характеризует

площадь получаемого отпечатка.

При

вдавливании пирамиды соотношение

между

диагоналями

получающегося отпечатка при изменении нагрузки остается по-

стоянным,

что позволяет в широких пределах в зависимости от целей

исследования увеличивать или уменьшать нагрузку.

Испытания

проводят на приборе (рис. 106), имеющем неподвиж-

ную станину, в нижней части которой установлен столик /, переме-

щающийся

по вертикали вращением маховика 2. Образец устанавли-

вают на столике испытуемой поверхностью (перпендикулярной дей-

ствующей силе) кверху и затем поднимают столик почти до соприкос-

новения

образца с алмазной пирамидой, закрепленной в шпинделе 3.

Нажатием педали пускового рычага 4 приводят в действие нагру-

жающий механизм, который через рычаг передает давление грузов 5,

предварительно поднятых на алмазную пирамиду. После этого опу-

скают столик прибора и подводят микроскоп, установленный на

штанге, прикрепленной к станине. С помощью микроскопа опреде-

ляют длину диагонали полученного отпечатка. На окуляре микро-

скопа

имеются две шторки: подвижная и неподвижная. Микрометри-

ческим винтом перемещают подвижную шторку до соприкосновения

с правым

углом

отпечатка (рис. 107). Микрометрический винт соеди-

нен

с вращающимся указателем (барабаном) с цифрами. Передвиже-

ние

подвижной шторки вызывает вращение цифровой ленты указа-

теля. Цифру, которая

будет

соответствовать положению подвижной

шторки,

когда она соприкасается с

углом

отпечатка, переводят по

таблице на числа твердости по Виккерсу. Измерять необходимо обе

диагонали и принимать среднюю величину измерений.

В этом приборе применяют нагрузки в 1, 3, 5, 10, 20, 30, 50,

100 и 120 кгс. Чем больше выбираемая нагрузка, тем

глубже

прони-

кает алмазная пирамида в испытуемый материал. Поэтому для изме-

рения

твердости тонких слоев применяют меньшие нагрузки: 5 или

10 кгс.

На

этом приборе можно измерять твердость образцов толщиной

до

0,3—0,5

мм или поверхностных слоев толщиной до

0,03—0,05

мм.

Необходимо, однако, учитывать, что при небольшой нагрузке,

например

в 1 кгс, отпечаток пирамиды может быть недостаточно

отчетливым, что вызовет ошибку в определении длины диагонали.

Поэтому для измерения твердости очень тонких поверхностных

Методика измерения установлена ГОСТ

2999—59

«Методика измерения твер-

дости алмазной пирамидой» (по Виккерсу).

179

Рис. 106. Схема прибора для измерения твердости вдавливанием алмазной

пирамиды (измерение по Виккерсу):

/ — столик для установки образца; 2 — маховик; 3 — шток с алмазной пирамидой;

—>

педаль пускового рычага; 5 — подвеска с призмой; 6 — микроскоп

Рис.

107. Схема измерения отпечатка, получен-

ного вдавливанием алмазной пирамиды (измере-

ние

по Виккерсу)

180