(2)

Pole segmentu kulistego będzie wynosić:

mm2 (3)

gdzie d – średnica kulki, (mm);

H – głębokość wcięcia, (mm).

Ponieważ trudno jest zmierzyć głębokość nadruku, łatwiej jest zmierzyć średnicę nadruku d, ekspresowe h przez średnicę kuli D i nadruk d:

, (mm) (4)

Następnie , (mm2) (5)

Twardość Brinella określa się ze wzoru:

, (kgf/mm2) (6)

Aby przeliczyć twardość Brinella na jednostki SI, należy pomnożyć liczbę twardości w kgf/mm2 przez 9,81, tj. HB =9,81* HB (MPa).

Aby uzyskać porównywalne wyniki przy określaniu twardości HB kulki o różnych średnicach, należy spełnić warunek podobieństwa.

Podobieństwo odcisków palców w różnych sytuacjach D i P będzie zapewnione, jeśli kąt J pozostaje stała (ryc. 1.1). Podstawiając do wzoru (6) otrzymujemy następujące wyrażenie:

Font-size:13.0pt"> Z tego wzoru widać, że wartość HB pozostanie stała, jeśli https://pandia.ru/text/79/338/images/image017_18.gif" szerokość="65" wysokość="19 src=">.

W praktyce przy określaniu twardości nie przeprowadza się obliczeń według wzoru (6), lecz korzysta się z tablic sporządzonych dla ustalonych średnic kulek, odcisków i obciążeń. Stosowane są kulki o średnicy 10,5 i 2,5 mm. Średnicę kulki i obciążenie dobiera się w zależności od grubości i twardości próbki (tab. 1). Jednocześnie, aby podczas badania kulkami o różnych średnicach uzyskać dla jednego materiału jednakowe wartości twardości, należy przestrzegać prawa podobieństwa uzyskanych średnic wgłębień. Dlatego twardość mierzy się przy stałym stosunku wielkości obciążenia P i kwadrat średnicy kuli D2 . Stosunek ten powinien być inny dla metali o różnej twardości.

Tabela 1

Warunki badania metali na twardość Brinella

Twardość Brinella mierzona w standardowym teście ( D = 10 mm, P = 3000 kgf), zapisane w następujący sposób: HB 350. Jeżeli badania przeprowadzono w innych warunkach, zapis będzie wyglądał następująco: HB Podczas badania kulką o średnicy 5 mm pod obciążeniem 250 kgf i czasem trwania obciążenia 30 s uzyskano 5/250/30-200, co oznacza liczbę twardości 200.

Przy pomiarze twardości metodą Brinella muszą być spełnione następujące warunki:

Ø próbki o większej twardości HB Zabrania się badania 450 kgf/mm2 (4500 MPa);

Ø powierzchnia próbki musi być płaska i wolna od kamienia i innych substancji obcych;

Ø średnice druku muszą mieścić się w granicach 0,2 D £ d £ 0,6 D ;

Ø próbki muszą mieć grubość co najmniej 10-krotności głębokości odcisku (lub mniejszą niż średnica kulki);

Ø odległość pomiędzy środkami sąsiednich odbitek oraz pomiędzy środkiem odbitki a krawędzią próbki musi wynosić co najmniej 4 D.

Oznaczanie twardości HB przeprowadza się na prasie Brinella (twardościomierz typu TSh) w następującej kolejności. Próbkę do badań (część) układa się na stole 1 (rys. 2) oszlifowaną powierzchnią do góry. Obracając koło zamachowe 2 w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, stół przyrządowy podnosi się tak, że kulkę 4 można wcisnąć w badaną powierzchnię. Koło zamachowe 2 obraca się do końca, a po naciśnięciu przycisku włącza się silnik elektryczny, który porusza wahaczem i stopniowo obciąża drążek z zamocowaną w nim kulką. Kula pod wpływem obciążenia 3, wywieranego przez ciężarek przyłożony do wahacza, jest wciskana w badany materiał. Obciążenie działa przez określony czas (10 ... 60 s), ustawiony przez przekaźnik czasowy, po czym wał silnika obracając się w przeciwnym kierunku odpowiednio przesuwa wahacz i usuwa obciążenie. Po automatycznym wyłączeniu silnika, obracając koło zamachowe 2 w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, opuść stół instrumentu i wyjmij próbkę.

Średnicę nadruku mierzy się za pomocą mikroskopu odczytowego (szkło powiększające Brinella), którego okular posiada skalę z podziałkami odpowiadającymi dziesiątym części milimetra. Pomiar wykonywany jest z dokładnością do 0,05 mm w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach; do określenia twardości należy przyjąć średnią z uzyskanych wartości.

Pomiar twardości Vickersa

Podczas badania twardości metodą Vickersa w powierzchnię materiału wciska się diamentową piramidę czworościenną o kącie wierzchołkowym A =1360 (ryc. 1.1). Po usunięciu obciążenia odcisku mierzy się przekątną odcisku d 1 . Liczba twardości Vickersa H.V. oblicza się jako stosunek obciążenia Z do pola powierzchni piramidalnego odcisku M:

Liczba twardości Vickersa jest oznaczona symbolem H.V. wskazując obciążenie P i czasu utrzymywania pod obciążeniem, a wymiar liczby twardości (kgf/mm2) nie jest określony. Czas utrzymywania wgłębnika pod obciążeniem wynosi 10–15 s dla stali i 30 s dla metali nieżelaznych.

Na przykład 450 HV 10/15 oznacza, że ​​uzyskuje się twardość Vickersa wynoszącą 450 P = 10 kgf (98,1 N) przyłożone do piramidy diamentowej przez 15 s.

Przewaga metody Vickersa nad metodą Brinella polega na tym, że metodą Vickersa można badać materiały o wyższej twardości dzięki zastosowaniu piramidy diamentowej.

Próba twardości Rockwella

Font-size:13.0pt"> W tej metodzie wgłębnikiem jest stożek diamentowy lub kulka ze stali hartowanej. W przeciwieństwie do pomiarów metodą Brinella, twardość określana jest na podstawie głębokości wcięcia, a nie jego powierzchni. Głębokość wcięcia mierzy się podczas samego procesu wciskania, co znacznie upraszcza badanie. Obciążenie przykłada się sekwencyjnie w dwóch etapach (GOST 9013-59): pierwszy wstępny, zwykle równy 10 kgf (w celu wyeliminowania wpływu odkształcenia sprężystego i zróżnicowanego stopnia chropowatości), a następnie główny (ryc. 3).

Font-size:13.0pt"> Po przyłożeniu obciążenia wstępnego wskaźnik mierzący głębokość wcięcia ustawia się na zero. Po uzyskaniu wcięcia poprzez przyłożenie obciążenia końcowego, obciążenie główne zostaje usunięte, a głębokość penetracji resztkowej mierzona jest końcówka t.

Pomiar twardości odbywa się na urządzeniu Rockwella (rys. 4), w dolnej części stanowiska znajduje się stół 5. W górnej części stanowiska znajduje się wskaźnik 3, regulator oleju 2 oraz pręt 4, w którym montowana jest końcówka ze stożkiem diamentowym (o kącie wierzchołkowym 1200 i promieniu krzywizny 0,2 mm) lub kulka stalowa o średnicy 1,588 mm. Wskaźnik 3 to tarcza, na której znajdują się dwie skale (czarna i czerwona) oraz dwie strzałki – duża (wskaźnik twardości) i mała – służące do kontrolowania wielkości napięcia wstępnego wywieranego przez obrót koła zamachowego 6. Tabela z zainstalowaną na nim próbkę pomiarową podnosi się poprzez obrót koła zamachowego, aż mała igła znajdzie się naprzeciwko czerwonej kropki na skali. Oznacza to, że końcówka jest wciskana w próbkę pod napięciem wstępnym 10 kgf.

Następnie obróć skalę wskaźnika (okrągłą tarczę), aż cyfra 0 na czarnej skali zbiegnie się z dużą strzałką. Następnie włączane jest obciążenie główne, określone przez obciążenie 1, a po zatrzymaniu strzałki odczytują wartość twardości Rockwella, która jest liczbą. Stół z próbką opuszcza się poprzez obrót pokrętła w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

Twardościomierz Rockwella mierzy różnicę pomiędzy głębokością wgłębień uzyskaną z wcięcia końcówki pod działaniem obciążenia głównego i napięcia wstępnego. Każde ciśnienie (jednostka skali) wskaźnika odpowiada głębokości wcięcia wynoszącej 2 µm. Jednakże konwencjonalna liczba twardości Rockwella ( HR ) reprezentuje nieokreśloną głębokość wcięcia t , a wartość 100 to t na czarnej skali przy pomiarze stożkiem i wartością 130 – T na czerwonej skali podczas pomiaru piłką.

Liczby twardości Rockwella nie mają takiego wymiaru i znaczenia fizycznego jak liczby twardości Brinella, ale można znaleźć zależność między nimi za pomocą specjalnych tabel.

Twardość Rockwella można zmierzyć:

- stożek diamentowy o całkowitym obciążeniu 150 kgf. Twardość mierzy się w skali C i oznacza HRC (np. 65 HRC ). W ten sposób określa się twardość stali ulepszanych cieplnie, materiałów o średniej twardości oraz warstw wierzchnich o grubości większej niż 0,5 mm;

- stożek diamentowy o całkowitym obciążeniu 60 kgf. Twardość mierzona jest w skali A, która pokrywa się ze skalą C i jest oznaczona HRA . Służy do oceny twardości bardzo twardych materiałów, cienkich warstw powierzchniowych (0,3 ... 0,5 mm) i cienkich arkuszy materiału;

- stalowa kula o całkowitym obciążeniu 100 kgf. Wskazana jest twardość HRB i jest mierzona na czerwonej skali B . W ten sposób określa się twardość stali miękkiej (wyżarzonej) i stopów metali nieżelaznych.

Przy pomiarze twardości przyrządem Rockwella konieczne jest, aby powierzchnia próbki była wolna od zgorzeliny, pęknięć, wżerów itp. Należy kontrolować prostopadłość przyłożonego obciążenia do powierzchni próbki oraz stabilność jej miejsce na stole instrumentowym. Odległość wcięcia musi wynosić co najmniej 1,5 mm przy naciśnięciu stożka i co najmniej 4 mm przy naciśnięciu kuli.

Twardość należy mierzyć co najmniej 3 razy na jednej próbce, uśredniając wyniki.

Przewaga metody Rockwella nad metodami Brinella i Vickersa polega na tym, że wartość twardości według metody Rockwella rejestrowana jest bezpośrednio przez igłę wskaźnikową, co eliminuje konieczność optycznego pomiaru wymiarów wgłębień.

Bibliografia

1. Gellera. Metody analizy, prace laboratoryjne i zadania. M.: Metalurgia, 1984.

2. Metalurgia i obróbka cieplna stali: Odniesienie. M. L Bernstein, M.: Metalurgia, 1983.

Twardość to odporność ciała stałego na zmianę kształtu (odkształcenie) lub zniszczenie w warstwie powierzchniowej pod wpływem lokalnych sił kontaktowych. Przenosząc tę ​​definicję na nieniszczące metody badań, możemy otrzymać następującą definicję twardości: jest to właściwość materiału polegająca na odporności na odkształcenia plastyczne.

Do najczęściej stosowanych metod określania twardości metali zalicza się metody polegające na wciśnięciu wgłębnika w postaci stalowej kulki (metoda Brinella i Rockwella), diamentu w kształcie piramidy (metoda Vickersa) lub diamentu z zaokrąglonym wierzchołkiem (również metoda Rockwella) do próbki testowej.

Przyjrzyjmy się każdej z tych metod osobno.

Metoda Rockwella– metoda określania twardości materiałów, głównie metali, polegająca na wciskaniu pod zadanym obciążeniem w powierzchnię badanej próbki specjalnego wgłębnika – diamentu w kształcie stożka lub kulki ze stali hartowanej. Nazwa metody pochodzi od nazwiska amerykańskiego metalurga Stanleya Rockwella, który opracował ją w 1919 roku. Różnica pomiędzy tą metodą polega na zastosowaniu małych obciążeń badawczych (60, 100 i 150 kgf), co pozwala na jej zastosowanie do badania cienkich próbek i wyrobów gotowych, a także zastosowaniu specjalnych skal twardości związanych jedynie z głębokością wcięcie.

Skale twardości Rockwella.

Istnieje 11 głównych skal określania twardości metodą Rockwella. Są to skale A; B; C; D; MI; F; G; H; K; N; T, przy czym, jak wspomniano wcześniej, wśród nich najczęściej stosowane są skale A, B i C z obciążeniami testowymi odpowiednio 60, 100 i 150 kgf.

Tabela 1. Najpopularniejsze skale twardości Rockwella.

Należy pamiętać, że im twardszy materiał, tym na mniejszą głębokość wniknie w niego końcówka. Aby mieć pewność, że wyższa twardość materiału nie będzie skutkować niższą liczbą twardości Rockwella, wprowadzono konwencjonalną skalę głębokości, przyjmując głębokość równą 0,002 mm jako jedną działkę. Przy badaniu stożkiem diamentowym maksymalna głębokość penetracji wynosi 0,2 mm, czyli 0,2/0,002 = 100 działek, natomiast przy badaniu kulką 0,26 mm, czyli 0,26/0,002 = 130 działek.

Dokumenty regulacyjne dotyczące metody Rockwella.

• GOST 9013-59. Metale. Metoda pomiaru twardości Rockwella;
• ISO 6508-1: Materiały metaliczne – Test twardości Rockwella. Część 1: Metoda badania (skale A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T);
• Standardowe metody ASTM E-18 dotyczące twardości Rockwella i twardości powierzchniowej Rockwella materiałów metalicznych;
• Standardowe tabele przeliczeniowe twardości ASTM E-140 dla metali. Zależność między twardością Brinella, twardością Vickersa, twardością Rockwella, twardością powierzchniową, twardością Knoopa i twardością skleroskopową.

Metoda Vickersa – metoda pomiaru twardości metali i stopów polegająca na wtłaczaniu w badany materiał regularnej czworościennej piramidy diamentowej o kącie 136° pomiędzy przeciwległymi ścianami. W tym przypadku samą wartość twardości oblicza się, dzieląc przyłożone obciążenie przez powierzchnię powstałego odcisku piramidy.

Ta metoda pomiaru jest odpowiednia do określania wartości twardości cienkich części wykonanych z metali żelaznych i nieżelaznych oraz stopów; części hartowane do małej głębokości, a także części z cienkimi warstwami powłok galwanicznych. Główną wadą metody Vickersa jest zależność mierzonej twardości od przyłożonego obciążenia lub głębokości penetracji wgłębnika (zjawisko efektu wielkości).

Dokumenty regulacyjne dotyczące metody Vickersa.

• GOST 2999-75 (ST SEV 470-77) – Metale i stopy. metoda pomiaru twardości Vickersa;
• ISO 6507-1:2005 Materiały metaliczne. Próba twardości Vickersa. Część 1: Metoda badania.

Metoda Brinella – jedna z głównych metod określania twardości materiałów, polegająca na wciśnięciu metalowej kulki wykonanej z twardego stopu o określonej średnicy w powierzchnię badanego materiału i dalszym pomiarze średnicy powstałego odcisku. Kulki węglikowe o średnicy 1; 2; 2,5; 5 i 10 mm. Wielkość obciążenia i średnicę kuli dobiera się w zależności od badanego materiału. W tym przypadku same materiały są podzielone na 5 głównych grup:

• stopy stali, niklu i tytanu;
• żeliwo;
• miedź i stopy miedzi;
• metale lekkie i ich stopy;
• ołów, cyna.

Dodatkowo powyższe grupy można podzielić na podgrupy w zależności od twardości próbek.

Dokumenty regulacyjne dotyczące metody Brinella.

• ISO 6506-1:2014 „Materiały metaliczne – Próba twardości Brinella – Część 1: Metoda badania”;
• DSTU ISO 6506-1:2007 „Ocena twardości Brinella. Część 1. Metoda badania”;
• ASTM E-10 „Standardowa metoda badania twardości Brinella materiałów metalowych”;
• ASTM E140-07 „Standardowe tabele konwersji twardości dla zależności metali między twardością Brinella, twardością Vickersa, twardością Rockwella, twardością powierzchniową, twardością Knoopa i twardością skleroskopową”.

Należy również zauważyć, że zgodnie z normą ISO 6506-1:2005 (GOST 9012-59) regulowane są następujące obciążenia podstawowe dla metody Brinella: 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 N.

Wśród wad tej metody można wymienić: ma ona zastosowanie do materiałów o twardości nie większej niż 450 HB; zmierzone wartości twardości zależą bezpośrednio od przyłożonego obciążenia (efekt odwrotnego rozmiaru); na krawędziach odcisku wgłębnika tworzą się hałdy i zapadnięcia, co utrudnia pomiar zarówno średnicy, jak i głębokości wcięcia; Ze względu na stosunkowo dużą średnicę stosowanych kulek metoda ta nie ma zastosowania do próbek cienkich.

Do pomiaru twardości materiałów tymi metodami stosuje się specjalne przyrządy: twardościomierze przenośne i stacjonarne. Więcej o każdym typie powiemy Ci w kolejnych artykułach.

Powierzchnia próbki musi być płaska i wolna od kamienia i innych substancji obcych;

Średnice wydruków muszą mieścić się w granicach 0,2D£d£0,6D;

Próbki muszą mieć grubość co najmniej 10-krotności głębokości wcięcia (lub mniejszą niż średnica kulki);

Odległość pomiędzy środkami sąsiednich wydruków oraz pomiędzy środkiem wydruku a krawędzią próbki musi wynosić co najmniej 4d.

Średnicę nadruku mierzy się za pomocą mikroskopu odczytowego (szkło powiększające Brinella), którego okular posiada skalę z podziałkami odpowiadającymi dziesiątym części milimetra. Pomiar wykonywany jest z dokładnością do 0,05 mm w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach; do określenia twardości należy przyjąć średnią z uzyskanych wartości.

Pomiar twardości Vickersa

Podczas badania twardości metodą Vickersa w powierzchnię materiału wciska się diamentową piramidę czworościenną o kącie wierzchołkowym a=136 0 (rys. 1.1). Po usunięciu obciążenia odcisku mierzy się przekątną odcisku d 1. Wskaźnik twardości Vickersa HV oblicza się jako stosunek obciążenia Z do pola powierzchni piramidalnego odcisku M:

Liczba twardości Vickersa jest oznaczona symbolem HV wskazującym obciążenie P i czas wytrzymywania pod obciążeniem, a wymiar liczby twardości (kgf/mm 2) nie jest określony. Czas utrzymywania wgłębnika pod obciążeniem wynosi 10–15 s dla stali i 30 s dla metali nieżelaznych.

Na przykład 450 HV 10/15 oznacza, że ​​liczbę twardości Vickersa wynoszącą 450 uzyskuje się przy P = 10 kgf (98,1 N) przyłożonym do piramidy diamentowej przez 15 sekund.

Przewaga metody Vickersa nad metodą Brinella polega na tym, że metodą Vickersa można badać materiały o wyższej twardości dzięki zastosowaniu piramidy diamentowej.

Próba twardości Rockwella

Pomiar twardości odbywa się na urządzeniu Rockwella (rys. 4), w dolnej części stanowiska zamontowany jest stół 5. W górnej części stanowiska znajduje się wskaźnik 3, regulator oleju 2 oraz pręt 4, w którym montowana jest końcówka ze stożkiem diamentowym (o kącie wierzchołkowym 120° i promieniu zaokrąglenia 0,2 mm) lub kulka stalowa o średnicy 1,588 mm. Wskaźnik 3 to tarcza, na której znajdują się dwie skale (czarna i czerwona) oraz dwie strzałki – duża (wskaźnik twardości) i mała – służące do kontrolowania wielkości napięcia wstępnego wywieranego przez obrót koła zamachowego 6. Tabela z zainstalowaną na nim próbkę pomiarową podnosi się poprzez obrót koła zamachowego, aż mała igła znajdzie się naprzeciwko czerwonej kropki na skali. Oznacza to, że końcówka jest wciskana w próbkę pod napięciem wstępnym 10 kgf.

Następnie obróć skalę wskaźnika (okrągłą tarczę), aż cyfra 0 na czarnej skali zbiegnie się z dużą strzałką. Następnie włączane jest obciążenie główne, określone przez obciążenie 1, a po zatrzymaniu strzałki odczytują wartość twardości Rockwella, która jest liczbą. Stół z próbką opuszcza się poprzez obrót pokrętła w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

Twardościomierz Rockwella mierzy różnicę pomiędzy głębokością wgłębień uzyskaną z wcięcia końcówki pod działaniem obciążenia głównego i napięcia wstępnego. Każde ciśnienie (jednostka skali) wskaźnika odpowiada głębokości wcięcia wynoszącej 2 µm. Jednakże liczba twardości Rockwella (HR) nie reprezentuje określonej głębokości wcięcia t, ale raczej wartość 100 - t na czarnej skali, mierzona stożkiem i wartość 130 - t na czerwonej skali, mierzona za pomocą piłka.

Liczby twardości Rockwella nie mają takiego wymiaru i znaczenia fizycznego jak liczby twardości Brinella, ale można znaleźć zależność między nimi za pomocą specjalnych tabel.

Twardość Rockwella można zmierzyć:

Stożek diamentowy o całkowitym obciążeniu 150 kgf. Twardość mierzy się w skali C i oznacza HRC (na przykład 65 HRC). W ten sposób określa się twardość stali ulepszanych cieplnie, materiałów o średniej twardości oraz warstw wierzchnich o grubości większej niż 0,5 mm;

Stożek diamentowy o całkowitym obciążeniu 60 kgf. Twardość mierzona jest w skali A, która jest taka sama jak skala C i jest oznaczona jako HRA. Służy do oceny twardości bardzo twardych materiałów, cienkich warstw powierzchniowych (0,3 ... 0,5 mm) i cienkich arkuszy materiału;

Kula stalowa o całkowitym obciążeniu 100 kgf. Twardość oznaczona jest jako HRB i mierzona jest w czerwonej skali B. W ten sposób określa się twardość miękkiej (wyżarzonej) stali i stopów metali nieżelaznych.

Przy pomiarze twardości przyrządem Rockwella konieczne jest, aby powierzchnia próbki była wolna od zgorzeliny, pęknięć, wżerów itp. Należy kontrolować prostopadłość przyłożonego obciążenia do powierzchni próbki oraz stabilność jej miejsce na stole instrumentowym. Odległość wcięcia musi wynosić co najmniej 1,5 mm przy naciśnięciu stożka i co najmniej 4 mm przy naciśnięciu kuli.

Twardość należy mierzyć co najmniej 3 razy na jednej próbce, uśredniając wyniki.

Przewaga metody Rockwella nad metodami Brinella i Vickersa polega na tym, że wartość twardości według metody Rockwella rejestrowana jest bezpośrednio przez igłę wskaźnikową, co eliminuje konieczność optycznego pomiaru wymiarów wgłębień.

Bibliografia

1. Geller Yu.A. Rakhstadt A.G. Inżynieria materiałowa. Metody analizy, prace laboratoryjne i zadania. M.: Metalurgia, 1984.

2. Metalurgia i obróbka cieplna stali: Odniesienie. ML Bernstein, A.G. Rakhstadt M.: Metalurgia, 1983.