(2)

Площта на сферичния сегмент ще бъде:

mm2 (3)

къде – диаметър на топката, (mm);

ч – дълбочина на вдлъбнатината, (mm).

Тъй като е трудно да се измери дълбочината на отпечатъка, по-лесно е да се измери диаметърът на отпечатъка d, изразявам h през диаметъра на топката D и отпечатък d:

, (mm) (4)

Тогава , (mm2) (5)

Твърдостта по Бринел се определя по формулата:

, (kgf/mm2) (6)

За да преобразувате твърдостта по Бринел в единици SI, е необходимо числото на твърдостта в kgf/mm2 да се умножи по 9,81, т.е. HB =9,81* HB (MPa).

За получаване на сравними резултати при определяне на твърдостта HB топки с различни диаметри, е необходимо да се спазва условието за подобие.

Сходство на пръстови отпечатъци при различниД и П ще бъде осигурено, ако ъгълътй остава постоянна (фиг. 1.1). Замествайки във формула (6), получаваме следния израз:

font-size:13.0pt"> От тази формула може да се види, че стойността на HB ще остане постоянен, ако https://pandia.ru/text/79/338/images/image017_18.gif" width="65" height="19 src=">.

На практика при определяне на твърдостта не се правят изчисления по формула (6), а се използват таблици, съставени за установените диаметри на топките, отпечатъци и натоварвания. Използват се топки с диаметър 10,5 и 2,5 мм. Диаметърът на топката и натоварването се избират в съответствие с дебелината и твърдостта на пробата (Таблица 1). В същото време, за да се получат едни и същи числа на твърдост за един материал при тестване с топки с различни диаметри, е необходимо да се спазва законът за сходство между получените диаметри на вдлъбнатините. Следователно твърдостта се измерва при постоянно съотношение между големината на натоварванетоП и квадрата на диаметъра на топката D 2 . Това съотношение трябва да е различно за метали с различна твърдост.

маса 1

Условия за изпитване на метали за твърдост по Бринел

Числото на твърдостта по Бринел, измерено при стандартен тест ( D = 10 mm, P = 3000 kgf), написана както следва: HB 350. Ако тестовете са извършени при други условия, записът ще изглежда така: HB 5/250/30-200, което означава, че е получено число на твърдост 200 при изпитване с топка с диаметър 5 mm при натоварване 250 kgf и продължителност на натоварване 30 s.

При измерване на твърдостта по метода на Бринел трябва да бъдат изпълнени следните условия:

Ø проби с по-висока твърдост HB 450 kgf/mm2 (4500 MPa) е забранено за изпитване;

Ø повърхността на пробата трябва да е плоска и без котлен камък и други чужди вещества;

Ø диаметрите на печат трябва да са в рамките на 0,2 D £ d £ 0,6 D ;

Ø пробите трябва да имат дебелина най-малко 10 пъти дълбочината на отпечатъка (или по-малка от диаметъра на топката);

Ø разстоянието между центровете на съседни отпечатъци и между центъра на отпечатъка и ръба на пробата трябва да бъде най-малко 4д.

Определяне на твърдостта HB се извършва на преса по Бринел (тестер за твърдост тип TSh) в следния ред. Тестовият образец (част) се поставя върху маса 1 (фиг. 2) със шлифованата повърхност нагоре. Чрез завъртане на маховик 2 по посока на часовниковата стрелка, инструменталната маса се повдига, така че топката 4 да може да бъде притисната в изпитваната повърхност. Маховик 2 се завърта докрай и с натискане на бутона се включва електродвигателят, който задвижва кобилицата и постепенно натоварва пръта с фиксираната в него топка. Топката, под въздействието на натоварване 3, приложено от тежест, донесена до кобилицата, се притиска в изпитвания материал. Товарът работи за определено време (10 ... 60 s), зададено от реле за време, след което валът на двигателя, въртящ се в обратна посока, премества кобилицата съответно и премахва товара. След като двигателят автоматично се изключи, завъртете маховик 2 обратно на часовниковата стрелка, спуснете инструменталната маса и извадете пробата.

Диаметърът на отпечатъка се измерва с помощта на четящ микроскоп (лупа по Бринел), чийто окуляр има скала с деления, съответстващи на десети от милиметъра. Измерването се извършва с точност до 0,05 mm в две взаимно перпендикулярни посоки; за да се определи твърдостта, трябва да се вземе средната стойност на получените стойности.

Измерване на твърдостта по Викерс

При тестване за твърдост по метода на Викерс диамантена тетраедрична пирамида с върхов ъгъл се притиска в повърхността на материалаа =1360 (фиг. 1.1). След отстраняване на натоварването на вдлъбнатината се измерва диагоналът на вдлъбнатината d 1 . Номер на твърдост по ВикерсН.В. се изчислява като съотношението на натоварването Z към повърхността на пирамидалния отпечатък M:

Числото на твърдостта по Викерс се обозначава със символаН.В. показващ натоварванетоП и време на задържане под товар, а размерът на числото на твърдостта (kgf/mm2) не е посочен. Продължителността на задържане на индентора под натоварване е 10–15 s за стомани и 30 s за цветни метали.

Например 450 HV 10/15 означава, че с твърдост по Викерс се получава 450П = 10 kgf (98,1 N), приложен към диамантената пирамида за 15 s.

Предимството на метода на Викерс пред метода на Бринел е, че методът на Викерс може да тества материали с по-висока твърдост поради използването на диамантена пирамида.

Тест за твърдост по Рокуел

font-size:13.0pt"> При този метод инденторът е диамантен конус или топка от закалена стомана. За разлика от измерванията по метода на Бринел, твърдостта се определя от дълбочината на вдлъбнатината, а не от нейната площ. Дълбочината на вдлъбнатината се измерва по време на самия процес на вдлъбнатина, което значително опростява тестването. Натоварването се прилага последователно на два етапа (GOST 9013-59): първият предварителен, обикновено равен на 10 kgf (за елиминиране на влиянието на еластична деформация и различна степен на грапавост), и след това основната (фиг. 3).

font-size:13.0pt"> След прилагане на предварителното натоварване, индикаторът, измерващ дълбочината на вдлъбнатината, се настройва на нула. Когато вдлъбнатината се получи чрез прилагане на окончателното натоварване, основното натоварване се отстранява и остатъчната дълбочина на проникване на върха t се измерва.

Твърдостта се измерва на уред Rockwell (фиг. 4), в долната част на станцията има таблица 5. В горната част на станцията има индикатор 3, регулатор на маслото 2 и прът 4, в който монтиран е връх с диамантен конус (с върхов ъгъл 1200 и радиус на закръгление 0,2 mm) или стоманена топка с диаметър 1,588 mm. Индикатор 3 е циферблат, на който има две скали (черна и червена) и две стрелки - голяма (показател за твърдост) и малка - за контрол на количеството на предварително натоварване, придадено от въртенето на маховика 6. Таблицата с монтираният върху него образец за измерване се повдига чрез завъртане на маховика, докато малката стрелка застане срещу червената точка на скалата. Това означава, че върхът се притиска в пробата при предварително натоварване от 10 kgf.

След това завъртете скалата на индикатора (циферблата), докато числото 0 на черната скала съвпадне с голямата стрелка. След това се включва основният товар, определен от товар 1, и след спиране стрелките отчитат стойността на твърдостта по Рокуел, която е число. Масата с пробата се спуска чрез завъртане на ръчното колело обратно на часовниковата стрелка.

Твърдомерът по Рокуел измерва разликата между дълбочината на вдлъбнатините, получени от вдлъбнатината на върха под действието на основното натоварване и предварителното натоварване. Всяко налягане (скална единица) на индикатора съответства на дълбочина на вдлъбнатината от 2 µm. Обаче конвенционалното число на твърдостта по Рокуел ( HR ) представлява неопределена дълбочина на отстъпа t и стойността 100 е t на черна скала при измерване с конус и стойност 130 – T на червената скала при измерване с топка.

Числата за твърдост по Рокуел нямат измерението и физическото значение, които имат числата за твърдост по Бринел, но можете да намерите връзката между тях с помощта на специални таблици.

Твърдостта по Рокуел може да се измери:

- диамантен конус с общо натоварване от 150 kgf. Твърдостта се измерва по скалата C и се обозначава HRC (напр. 65 HRC ). По този начин се определя твърдостта на закалени и закалени стомани, материали със средна твърдост и повърхностни слоеве с дебелина над 0,5 mm;

- диамантен конус с общо натоварване от 60 kgf. Твърдостта се измерва по скала А, която съвпада със скала С и се обозначава HRA . Използва се за оценка на твърдостта на много твърди материали, тънки повърхностни слоеве (0,3 ... 0,5 mm) и тънък листов материал;

- стоманена топка с общо натоварване от 100 kgf. Твърдостта е посочена HRB и се измерва на червена скалаб . Така се определя твърдостта на меката (отгрята) стомана и цветните сплави.

При измерване на твърдостта с инструмент Rockwell е необходимо повърхността на образеца да е без котлен камък, пукнатини, вдлъбнатини и др. Необходимо е да се контролира перпендикулярността на приложеното натоварване и повърхността на образеца и стабилността на позиция на инструменталната маса. Разстоянието на вдлъбнатината трябва да бъде най-малко 1,5 mm при натискане на конуса и най-малко 4 mm при натискане на топката.

Твърдостта трябва да се измерва най-малко 3 пъти на една проба, като резултатите се усреднят.

Предимството на метода на Рокуел пред методите на Бринел и Викерс е, че стойността на твърдостта по метода на Рокуел се записва директно от индикаторната игла, което елиминира необходимостта от оптично измерване на размерите на вдлъбнатината.

Библиография

1. Гелър. Методи за анализ, лабораторни упражнения и задачи. М.: Металургия, 1984.

2. Металургия и термична обработка на стоманата: Справ. M. L Bernstein, M.: Металургия, 1983.

Твърдостта е устойчивостта на твърдо тяло към промяна на формата (деформация) или разрушаване в повърхностния слой при локални силови контактни въздействия. Проектирайки това определение върху методите за безразрушителен тест, можем да получим следното определение за твърдост: това е свойството на материала да издържа на пластична деформация.

Най-широко използваните методи за определяне на твърдостта на металите са тези, базирани на пресоване на индентор под формата на стоманена топка (методи на Бринел и Рокуел), диамант с форма на пирамида (метод на Викерс) или диамант със заоблен връх (също метод на Рокуел) в тестовата проба.

Нека разгледаме всеки от тези методи поотделно.

Метод на Рокуел– метод за определяне на твърдостта на материали, главно метали, базиран на натискане на специален индентор – конусообразен диамант или закалена стоманена топка – в повърхността на изпитвания образец при дадено натоварване. Методът е кръстен на американския металург Стенли Рокуел, който го разработва през 1919 г. Разликата между този метод е използването на малки тестови натоварвания (60, 100 и 150 kgf), което позволява да се използва за тестване на тънки проби и готови продукти, както и използването на специални скали за твърдост, свързани само с дълбочината на вдлъбнатината.

Скали за твърдост по Рокуел.

Има 11 основни скали за определяне на твърдостта по метода на Рокуел. Това са скали А; B; ° С; Д; E; F; G; H; К; Н; T, докато, както беше споменато по-рано, най-често използваните сред тях са скалите A, B и C с тестови натоварвания съответно 60, 100 и 150 kgf.

Таблица 1. Най-широко използваните скали за твърдост по Рокуел.

Важно е да се отбележи, че колкото по-твърд е материалът, толкова по-малка дълбочина ще проникне върхът в него. За да се гарантира, че по-високата твърдост на материала няма да доведе до по-ниско число на твърдост по Рокуел, се въвежда конвенционална скала за дълбочина, като се взема дълбочина, равна на 0,002 mm като едно деление. При тестване с диамантен конус максималната дълбочина на проникване е 0,2 mm, или 0,2/0,002 = 100 деления, при тестване с топка е 0,26 mm, или 0,26/0,002 = 130 деления.

Нормативни документи за метода на Рокуел.

• ГОСТ 9013-59. Метали. Метод за измерване на твърдостта по Рокуел;
• ISO 6508-1: Метални материали - Тест за твърдост по Рокуел. Част 1: Метод на изпитване (скали A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T);
• ASTM E-18 Стандартни методи за твърдост по Рокуел и повърхностна твърдост по Рокуел на метални материали;
• ASTM E-140 Стандартни таблици за преобразуване на твърдост за метали. Връзка между твърдостта по Бринел, твърдостта по Викерс, твърдостта по Рокуел, повърхностната твърдост, твърдостта по Кнуп и твърдостта на склероскопа.

Метод на Викерс –метод за измерване на твърдостта на метали и сплави, основан на пресоване на правилна тетраедрична диамантена пирамида с ъгъл 136 ° между противоположните страни в изпитвания материал. В този случай самата стойност на твърдостта се изчислява чрез разделяне на приложеното натоварване на повърхността на получения пирамидален отпечатък.

Този метод на измерване е подходящ за определяне на стойностите на твърдостта на тънки детайли от черни и цветни метали и сплави; детайли, закалени на малка дълбочина, както и детайли с тънки слоеве галванични покрития. Основният недостатък на метода на Викерс е зависимостта на измерената твърдост от приложеното натоварване или дълбочината на проникване на индентора (феномен на ефекта на размера).

Нормативни документи за метода на Викерс.

• GOST 2999-75 (ST SEV 470-77) – Метали и сплави. Метод за измерване на твърдостта по Викерс;
• ISO 6507-1:2005 Метални материали. Тест за твърдост по Викерс. Част 1: Метод за изпитване.

Метод на Бринел –един от основните методи за определяне на твърдостта на материалите, базиран на пресоване на метална топка от твърда сплав с определен диаметър в повърхността на изпитвания материал и допълнително измерване на диаметъра на получения отпечатък. Карбидни топчета с диаметър 1; 2; 2,5; 5 и 10 мм. Големината на натоварването и диаметърът на топката се избират в зависимост от материала, който се изследва. В този случай самите материали са разделени на 5 основни групи:

• стоманени, никелови и титанови сплави;
• излято желязо;
• мед и медни сплави;
• леки метали и техните сплави;
• олово, калай.

В допълнение, горните групи могат да бъдат разделени на подгрупи в зависимост от твърдостта на пробите.

Нормативни документи за метода на Бринел.

• ISO 6506-1:2014 „Метални материали – Изпитване за твърдост по Бринел – Част 1: Метод за изпитване“;
• ДСТУ ISO 6506-1:2007 „Оценяване на твърдостта по Бринел. Част 1. Метод за изпитване”;
• ASTM E-10 „Стандартен метод за изпитване за твърдост по Бринел на метални материали“;
• ASTM E140-07 „Таблици за преобразуване на стандартна твърдост за връзката на металите между твърдост по Бринел, твърдост по Викерс, твърдост по Рокуел, повърхностна твърдост, твърдост по Кнуп и твърдост по склероскоп.“

Също така е важно да се отбележи, че съгласно ISO 6506-1:2005 (GOST 9012-59) са регламентирани следните основни натоварвания за метода на Бринел: 9,807 N; 24,52 N; 49,03 N; 61,29 N; 98,07 N; 153,2 N; 245,2 N; 294,2 N; 306,5 N; 612,9 N; 980,7 N; 1226 N; 2452 N; 4903 N; 7355 N; 9807 N; 14 710 N; 29 420 Н.

Сред недостатъците на метода може да се отбележи следното: приложим е за материали с твърдост не повече от 450 HB; измерените стойности на твърдост директно зависят от приложеното натоварване (ефект на обратния размер); по ръбовете на отпечатъка на индентора се образуват купчини и провисвания, което затруднява измерването както на диаметъра, така и на дълбочината на вдлъбнатината; Поради сравнително големия диаметър на използваните топки, този метод не е приложим за тънки проби.

За измерване на твърдостта на материалите с помощта на тези методи се използват специални инструменти: преносими и стационарни тестери за твърдост. Ще ви разкажем повече за всеки тип в следващите статии.

Повърхността на пробата трябва да е плоска и без котлен камък и други чужди вещества;

Диаметрите на отпечатъците трябва да са в рамките на 0,2D£d£0,6D;

Образците трябва да имат дебелина най-малко 10 пъти дълбочината на вдлъбнатината (или по-малка от диаметъра на топката);

Разстоянието между центровете на съседни отпечатъци и между центъра на отпечатъка и ръба на пробата трябва да бъде най-малко 4d.

Диаметърът на отпечатъка се измерва с помощта на четящ микроскоп (лупа по Бринел), чийто окуляр има скала с деления, съответстващи на десети от милиметъра. Измерването се извършва с точност до 0,05 mm в две взаимно перпендикулярни посоки; за да се определи твърдостта, трябва да се вземе средната стойност на получените стойности.

Измерване на твърдостта по Викерс

При тестване на твърдост по метода на Викерс в повърхността на материала се притиска диамантена тетраедрична пирамида с ъгъл на върха a=136 0 (фиг. 1.1). След отстраняване на натоварването на вдлъбнатината се измерва диагоналът на вдлъбнатината d 1. Числото на твърдост на Викерс HV се изчислява като съотношението на натоварването Z към повърхността на пирамидалния отпечатък M:

Числото на твърдост по Викерс се обозначава със символа HV, показващ натоварването P и времето на задържане под товар, а размерът на числото на твърдост (kgf/mm2) не е посочен. Продължителността на задържане на индентора под натоварване е 10–15 s за стомани и 30 s за цветни метали.

Например 450 HV 10/15 означава, че числото на твърдост по Викерс от 450 се получава с P = 10 kgf (98,1 N), приложено към диамантената пирамида за 15 s.

Предимството на метода на Викерс пред метода на Бринел е, че методът на Викерс може да тества материали с по-висока твърдост поради използването на диамантена пирамида.

Тест за твърдост по Рокуел

Твърдостта се измерва на устройство Rockwell (фиг. 4), в долната част на станцията е монтирана маса 5. В горната част на станцията има индикатор 3, регулатор на маслото 2 и прът 4, в който монтиран е връх с диамантен конус (с върхов ъгъл 120 0 и радиус на заобляне 0,2 mm) или стоманена топка с диаметър 1,588 mm. Индикатор 3 е циферблат, на който има две скали (черна и червена) и две стрелки - голяма (показател за твърдост) и малка - за контрол на количеството на предварително натоварване, придадено от въртенето на маховика 6. Таблицата с монтираният върху него образец за измерване се повдига чрез завъртане на маховика, докато малката стрелка застане срещу червената точка на скалата. Това означава, че върхът се притиска в пробата при предварително натоварване от 10 kgf.

След това завъртете скалата на индикатора (циферблата), докато числото 0 на черната скала съвпадне с голямата стрелка. След това се включва основният товар, определен от товар 1, и след спиране стрелките отчитат стойността на твърдостта по Рокуел, която е число. Масата с пробата се спуска чрез завъртане на ръчното колело обратно на часовниковата стрелка.

Твърдомерът по Рокуел измерва разликата между дълбочината на вдлъбнатините, получени от вдлъбнатината на върха под действието на основното натоварване и предварителното натоварване. Всяко налягане (скална единица) на индикатора съответства на дълбочина на вдлъбнатината от 2 µm. Въпреки това числото на твърдостта по Рокуел (HR) не представлява определената дълбочина на вдлъбнатина t, а по-скоро стойност от 100 - t по черната скала, когато се измерва с конус, и стойност от 130 - t по червената скала, когато се измерва с топка.

Числата за твърдост по Рокуел нямат измерението и физическото значение, които имат числата за твърдост по Бринел, но можете да намерите връзката между тях с помощта на специални таблици.

Твърдостта по Рокуел може да се измери:

Диамантен конус с общо натоварване от 150 kgf. Твърдостта се измерва по скалата C и се обозначава като HRC (например 65 HRC). По този начин се определя твърдостта на закалени и закалени стомани, материали със средна твърдост и повърхностни слоеве с дебелина над 0,5 mm;

Диамантен конус с общо натоварване от 60 kgf. Твърдостта се измерва по скала А, която е същата като скала С и се обозначава с HRA. Използва се за оценка на твърдостта на много твърди материали, тънки повърхностни слоеве (0,3 ... 0,5 mm) и тънък листов материал;

Стоманена топка с общо натоварване 100 kgf. Твърдостта се обозначава като HRB и се измерва по червена скала B. Така се определя твърдостта на меката (отгрята) стомана и цветните сплави.

При измерване на твърдостта с инструмент Rockwell е необходимо повърхността на образеца да е без котлен камък, пукнатини, вдлъбнатини и др. Необходимо е да се контролира перпендикулярността на приложеното натоварване и повърхността на образеца и стабилността на позиция на инструменталната маса. Разстоянието на вдлъбнатината трябва да бъде най-малко 1,5 mm при натискане на конуса и най-малко 4 mm при натискане на топката.

Твърдостта трябва да се измерва най-малко 3 пъти на една проба, като резултатите се усреднят.

Предимството на метода на Рокуел пред методите на Бринел и Викерс е, че стойността на твърдостта по метода на Рокуел се записва директно от индикаторната игла, което елиминира необходимостта от оптично измерване на размерите на вдлъбнатината.

Библиография

1. Гелер Ю.А. Rakhstadt A.G. Материалознание. Методи за анализ, лабораторни упражнения и задачи. М.: Металургия, 1984.

2. Металургия и термична обработка на стоманата: Справ. M.L. Bernstein, A.G. Рахщат М.: Металургия, 1983.