(2)

Площа кульового сегмента становитиме:

Мм2 (3)

де D -Діаметр кульки, (мм);

h - Глибина відбитка, (мм).

Так як глибину відбитка виміряти важко, а простіше виміряти діаметр відбитка d , виражають h через діаметр кульки D і відбиток d:

, (мм) (4)

Тоді , (мм2) (5)

Число твердості за Брінеллем визначається за формулою:

, (кгс/мм2) (6)

Для перекладу твердості Брінеллю в одиниці СІ необхідно помножити число твердості в кгс/мм2 на 9,81, тобто. HB = 9,81 * HB (МПа).

Для отримання порівняних результатів щодо твердості HB кульками різного діаметра необхідно дотримуватись умови подібності.

Подібність відбитків при різних D та P буде забезпечено, якщо кут j залишається постійним (Рис. 1.1). Підставивши у формулу (6) отримаємо наступне вираз:

З цієї формули видно, що значення HB буде залишатися незмінним, якщо width="65".

У практиці щодо твердості не роблять обчислень за формулою (6), а користуються таблицями, складеними для встановлених діаметрів кульок, відбитків і навантажень. Кульки застосовують діаметром 10,5 та 2,5 мм. Діаметр кульки та навантаження вибираються відповідно до товщини та твердості зразка (табл. 1). При цьому для отримання однакових чисел твердості одного матеріалу при випробуванні кульками різних діаметрів необхідно дотримуватися закону подібності між одержуваними діаметрами відбитків. Тому твердість вимірюють при постійному співвідношенні між величиною навантаження P та квадратом діаметра кульки D 2 . Це співвідношення має бути різним для металів різної твердості.

Таблиця 1

Умови випробування металів на твердість за Брінеллем

Число твердості за Брінеллем, виміряне при стандартному випробуванні ( D = 10 мм, Р = 3000 кгс), записується так: HB 350. Якщо випробування проведено за інших умов, то запис матиме такий вигляд: HB 5/250/30-200, що означає число твердості 200 отримано при випробуванні кулькою діаметром 5 мм під навантаженням 250 кгс і тривалості навантаження 30 с.

При вимірі твердості за методом бринель необхідно виконувати такі умови:

Ø зразки з твердістю вище HB 450 кгс/мм2 (4500 МПа) випробовувати забороняється;

Ø поверхня зразка повинна бути плоскою та очищеною від окалини та інших сторонніх речовин;

Ø діаметри відбитків повинні бути в межах 0,2 D £ d £ 0,6 D;

Ø зразки повинні мати товщину не менше 10-кратної глибини відбитка (або менше діаметра кульки);

Ø відстань між центрами сусідніх відбитків та між центром відбитка та краєм зразка повинні бути не менше 4 d.

Визначення твердості HB проводиться на пресі Брінелля (твердомір типу ТШ) у такому порядку. Випробуваний зразок (деталь) встановлюють на столику 1 (Мал. 2) шліфованою поверхнею догори. Поворотом маховика 2 за годинниковою стрілкою столик приладу піднімають так, щоб кулька 4 могла вдавитися в поверхню, що випробовується. Маховик 2 обертають до упору, і натисканням кнопки включають електродвигуна. Двигун переміщає коромисло і поступово навантажує шток із закріпленою в ньому кулькою. Куля під дією навантаження 3, повідомляється наведеним до коромисла вантажем, вдавлюється в матеріал, що випробовується. Навантаження діє протягом певного часу (10 ... 60 с), що задається реле часу, після чого вал двигуна, обертаючись у зворотний бік, відповідно переміщає коромисло і знімає навантаження. Після автоматичного вимикання двигуна, повертаючи маховик проти годинникової стрілки, опускають столик приладу і знімають зразок.

Діаметр відбитка вимірюють за допомогою відлікового мікроскопа (лупи Брінелля), на окулярі якого є шкала з діленнями, що відповідають десятим часткам міліметра. Вимірювання проводять з точністю до 0,05 мм у двох взаємно перпендикулярних напрямках; для визначення твердості слід приймати середню отриманих величин.

Вимірювання твердості за ВіккерсУ

При випробуванні на твердість методом Віккерса в поверхню матеріалу вдавлюється алмазна чотиригранна піраміда з кутом при вершині. a = 1360 (Рис. 1.1). Після зняття навантаження вдавлювання вимірюється діагональ відбитка d 1 . Число твердості за Віккерсом HV підраховується як відношення навантаження З до площі поверхні пірамідального відбитка М:

Число твердості за Віккерсом позначається символом HV із зазначенням навантаження P часу витримки під навантаженням, причому розмірність числа твердості (кгс/мм2) не ставиться. Тривалість витримки індентора під навантаженням приймають для сталей 10 – 15 з, а кольорових металів – 30 з.

Наприклад, 450 HV 10/15 означає, що число твердості за Віккерсом 450 отримано при P = 10 кгс (98,1 Н), прикладеної до алмазної піраміди протягом 15 с.

Переваги методу Віккерса в порівнянні з методом Брінелля полягає в тому, що методом Віккерса можна відчувати матеріали вищої твердості через застосування алмазної піраміди.

Вимірювання твердості за Роквеллом

При цьому методі індентором є алмазний конус або сталевий загартований кулька. На відміну від вимірювань за методом Брінелля твердість визначають за глибиною відбитка, а не за його площею. випробування Навантаження додається послідовно у дві стадії (ГОСТ 9013-59): спочатку попередня, зазвичай дорівнює 10 кгс (для усунення впливу пружної деформації та різного ступеня шорсткості), а потім основна (Рис. 3).

Після застосування попереднього навантаження індикатор, що вимірює глибину відбитка, встановлюється на нуль. Коли відбиток отриманий додатком остаточного навантаження, основне навантаження знімають і вимірюють залишкову глибину проникнення наконечника t.

Твердість вимірюють на приладі Роквелла (Рис. 4), у нижній частині станції якого встановлений столик 5. У верхній частині станції індикатор 3, масляний регулятор 2 і шток 4, в якому встановлюється наконечник з алмазним конусом (що має кут при вершині 1200 і радіус закруглення) 0,2 мм) або сталевою кулькою діаметром 1,588 мм. Індикатор 3 являє собою циферблат, на якому нанесені дві шкали (чорна та червона) і є дві стрілки – велика (покажчик твердості) і маленька – для контролю величини попереднього навантаження, що повідомляється обертанням маховика 6. Столик із встановленим на ньому зразком для вимірювань піднімають обертання маховика доти, доки мала стрілка не виявиться проти червоної точки на шкалі. Це означає, що наконечник вдавлюється в зразок під попереднім навантаженням, що дорівнює 10 кгс.

Після цього повертають шкалу індикатора (коло циферблата) до збігу цифри 0 на чорній шкалі з великою стрілкою. Потім включають основне навантаження, що визначається вантажем 1, і після зупинки стрілки зчитують значення твердості за Роквеллом, що являє собою цифру. Столик із зразком опускають, обертаючи маховик проти годинникової стрілки.

Твердомір Роквелла вимірює різницю між глибиною відбитків, отриманих від вдавлювання наконечника під дією основного та попереднього навантажень. Кожен тиск (одиниця шкали) індикатора відповідає глибині 2 мкм вдавлювання. Однак умовна кількість твердості за Роквеллом ( HR ) являє собою не вказану глибину вдавлювання t, а величину 100 - t за чорною шкалою при вимірі конусом та величину 130 – t за червоною шкалою при вимірі кулькою.

Числа твердості за Роквеллом не мають розмірності і того фізичного сенсу, який мають числа твердості за Брінеллем, проте можна знайти співвідношення між ними за допомогою спеціальних таблиць.

Твердість за методом Роквелла можна вимірювати:

- алмазним конусом із загальним навантаженням 150 кгс. Твердість вимірюється за шкалою З і позначається HRC (наприклад, 65 HRC ). Таким чином визначають твердість загартованої та відпущеної сталей, матеріалів середньої твердості, поверхневих шарів завтовшки більше 0,5 мм;

- алмазним конусом із загальним навантаженням 60 кгс. Твердість вимірюється за шкалою А, що збігається зі шкалою С, і позначається HRA . Застосовується для оцінки твердості дуже твердих матеріалів, тонких поверхневих шарів (0,3...0,5 мм) та тонколистового матеріалу;

- сталевою кулькою із загальним навантаженням 100 кгс. Твердість позначається HRB і вимірюється за червоною шкалою B . Так визначають твердість м'якої (відпаленої) сталі та кольорових сплавів.

При вимірі твердості на приладі Роквелла необхідно, щоб на поверхні зразка не було окалини, тріщин, вибоїн та ін. Відстань відбитка повинна бути не менше 1,5 мм при вдавлюванні конуса і не менше 4 мм при вдавлюванні кульки.

Твердість слід вимірювати не менше 3 разів на одному зразку, середня отримані результати.

Перевага методу Роквелла в порівнянні з методами Брінелля та Віккерса полягає в тому, що значення твердості за методом Роквелла фіксується безпосередньо стрілкою індикатора, при цьому відпадає необхідність оптичного вимірювання розмірів відбитка.

Список використаної літератури

1. Геллер. Методи аналізу, лабораторні роботи та завдання. М.: Металургія, 1984р.

2. Металознавство та термічна обробка сталі: Справ. М. Л. Бернштейн, М.: Металургія, 1983р.

Твердість – опір твердого тіла зміні форми (деформування) чи руйнації поверхневому шарі при місцевих силових контактних впливах. Проецируя це визначення методи неруйнівного контролю, можемо отримати таке визначення твердості: це властивість матеріалу чинити опір пластичної деформації.

Найбільшого поширення для визначення твердості металів набули методи, засновані на вдавлюванні індентора у вигляді сталевої кульки (методи Брінелля та Роквелла), алмазу у формі піраміди (метод Віккерса) або алмазу з округлою вершиною (також метод Роквелла) у випробуваний зразок.

Давайте розглянемо окремо кожен із зазначених методів.

Метод Роквелла- Спосіб визначення твердості матеріалів, переважно металів, заснований на вдавлюванні під заданим навантаженням у поверхню випробуваного зразка спеціального індентора - алмазу у формі конуса або сталевої загартованої кульки. Метод названий на ім'я американського металурга Стенлі Роквелла, який розробив його в 1919 році. Відмінністю даного методу є застосування невеликих випробувальних навантажень (60, 100 і 150 кгс), що дозволяє застосовувати його для випробування тонких зразків і оброблених виробів, а також застосування спеціальних шкал твердості, пов'язаних тільки з глибиною відбитка.

Шкали твердості за Роквеллом.

Існує 11 основних шкал визначення твердості за методом Роквелла. Це шкали A; B; C; D; E; F; G; H; K; N; T, при цьому, як згадувалося раніше, найчастіше використовувані серед них - це шкали А, В і С з випробувальним навантаженням 60, 100 і 150 кг відповідно.

Таблиця 1. Найбільш широко використовувані шкали твердості за Роквеллом.

Важливо, що чим твердіший матеріал, тим менше буде глибина проникнення наконечника в нього. Щоб при більшої твердості матеріалу не виходило менше твердості за Роквеллом, вводять умовну шкалу глибин, приймаючи за її розподіл глибину, рівну 0,002 мм. При випробуванні алмазним конусом гранична глибина застосування становить 0,2 мм, або 0,2/0,002 = 100 поділів, при випробуванні кулькою - 0,26 мм, або 0,26/0,002 = 130 поділів.

Нормативні документи для методу Роквелла.

• ГОСТ 9013-59. Метали. Метод виміру твердості за Роквеллом;
• ISO 6508-1: Металеві матеріали - Rockwell Hardness Test. Part 1: Test Method (Scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T);
• ASTM E-18 Standard Methods for Rockwell Hardness and Rockwell Superficial Hardness of Metallic Materials;
• ASTM E-140 Standard Hardness Conversion Tables for Metals. Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, і Scleroscope Hardness.

Метод Віккерса -метод вимірювання твердості металів і сплавів, заснований на вдавлюванні в випробуваний матеріал правильної алмазної чотиригранної піраміди з кутом 136° між протилежними гранями. При цьому саме значення твердості обчислюється шляхом поділу навантаження на площу поверхні отриманого пірамідального відбитка.

Даний метод вимірювання підходить для визначення значень твердості деталей малої товщини із чорних та кольорових металів та сплавів; деталей, загартованих на малу глибину, і навіть деталей, мають тонкі шари гальванічних покриттів. Основним недоліком методу Віккерса є залежність твердості, що вимірюється від прикладеного навантаження або глибини впровадження індентора (явище розмірного ефекту).

Нормативні документи методу Віккерса.

• ГОСТ 2999-75 (СТ РЕВ 470-77) - Метали та сплави. Метод виміру твердості за Віккерсом;
• ISO 6507-1:2005 Металеві матеріали. Vickers hardness test. Part 1: Test method.

Метод Брінелля -один з основних методів визначення твердості матеріалів, заснований на вдавлюванні поверхню випробуваного матеріалу металевої кульки з твердого сплаву з певним діаметром і подальшому вимірюванні діаметра отриманого відбитка. Як індентори використовуються кульки з твердого сплаву діаметром 1; 2; 2.5; 5 та 10 мм. Величину навантаження та діаметр кульки вибирають залежно від досліджуваного матеріалу. При цьому самі досліджувані матеріали поділяють на 5 основних груп:

• сталь, нікелеві та титанові сплави;
• чавун;
• мідь та сплави міді;
• легкі метали та їх сплави;
• свинець, олово.

Крім цього, наведені вище групи можуть розділятися на підгрупи в залежності від твердості зразків.

Нормативні документи для Брінелля методу.

• ISO 6506-1:2014 «Metallic materials - Brinell hardness test - Part 1: Test method»;
• ДСТУ ISO 6506-1:2007 Визначення твердості за Брінеллем. Частина 1. Метод випробування»;
• ASTM E-10 "Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials";
• ASTM E140-07 "Standard Hardness Conversion Tables for Metals Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, і Scleroscope Hardness".

Важливо також відзначити, що за ISO 6506-1:2005 (ГОСТ 9012-59) регламентовані такі основні навантаження для методу Брінелля: 9.807 Н; 24.52 Н; 49.03 Н; 61.29 Н; 98.07 Н; 153.2 Н; 245.2 Н; 294.2 Н; 306.5 Н; 612.9 Н; 980.7 Н; 1226 Н; 2452 Н; 4903 Н; 7355 Н; 9807 Н; 14710 Н; 29420 Н.

Серед недоліків методу можна відзначити такі: застосовується для матеріалів з твердістю не більше 450 HB; вимірювані значення твердості залежать від прикладеного навантаження (зворотний розмірний ефект); по краях відбитка від індентора утворюються навали та напливи, що ускладнює вимір як діаметра, так і глибини відбитка; через відносно великий діаметр використовуваних кульок даний метод не застосовується для тонких зразків.

Для вимірювання твердості матеріалів за вказаними методами використовуються спеціальні прилади: портативні та стаціонарні твердомери. Докладніше про кожен із видів ми розповімо в наступних статтях.

Поверхня зразка має бути плоскою та очищеною від окалини та інших сторонніх речовин;

Діаметри відбитків повинні бути в межах 0,2D£d£0,6D;

Зразки повинні мати товщину не менше 10-кратної глибини відбитка (або менше діаметра кульки);

Відстань між центрами сусідніх відбитків та між центром відбитка та краєм зразка має бути не менше 4d.

Діаметр відбитка вимірюють за допомогою відлікового мікроскопа (лупи Брінелля), на окулярі якого є шкала з діленнями, що відповідають десятим часткам міліметра. Вимірювання проводять з точністю до 0,05 мм у двох взаємно перпендикулярних напрямках; для визначення твердості слід приймати середню отриманих величин.

Вимірювання твердості за ВіккерсУ

При випробуванні на твердість методом Віккерса в поверхню матеріалу вдавлюється алмазна чотиригранна піраміда з кутом при вершині a=136 0 (Рис. 1.1). Після зняття навантаження вдавлювання вимірюється діагональ відбитка d1. Число твердості за Віккерсом HV підраховується як відношення навантаження З до площі поверхні пірамідального відбитка М:

Число твердості по Віккерсу позначається символом HV із зазначенням навантаження P і часу витримки під навантаженням, причому розмірність твердості (кгс/мм 2) не ставиться. Тривалість витримки індентора під навантаженням приймають для сталей 10 – 15 з, а кольорових металів – 30 з.

Наприклад, 450 HV 10/15 означає, що кількість твердості за Віккерсом 450 отримано при P = 10 кгс (98,1 Н), прикладеної до алмазної піраміди протягом 15 с.

Переваги методу Віккерса в порівнянні з методом Брінелля полягає в тому, що методом Віккерса можна відчувати матеріали вищої твердості через застосування алмазної піраміди.

Вимірювання твердості за Роквеллом

Твердість вимірюють на приладі Роквелла (Рис. 4), в нижній частині станції якого встановлений столик 5. У верхній частині станції індикатор 3, регулятор масляний 2 і шток 4, в якому встановлюється наконечник з алмазним конусом (має кут при вершині 120 0 і радіус заокруглення 0,2 мм) або сталевою кулькою діаметром 1,588 мм. Індикатор 3 являє собою циферблат, на якому нанесені дві шкали (чорна та червона) і є дві стрілки – велика (покажчик твердості) і маленька – для контролю величини попереднього навантаження, що повідомляється обертанням маховика 6. Столик із встановленим на ньому зразком для вимірювань піднімають обертання маховика доти, доки мала стрілка не виявиться проти червоної точки на шкалі. Це означає, що наконечник вдавлюється в зразок під попереднім навантаженням, що дорівнює 10 кгс.

Після цього повертають шкалу індикатора (коло циферблата) до збігу цифри 0 на чорній шкалі з великою стрілкою. Потім включають основне навантаження, що визначається вантажем 1, і після зупинки стрілки зчитують значення твердості за Роквеллом, що являє собою цифру. Столик із зразком опускають, обертаючи маховик проти годинникової стрілки.

Твердомір Роквелла вимірює різницю між глибиною відбитків, отриманих від вдавлювання наконечника під дією основного та попереднього навантажень. Кожен тиск (одиниця шкали) індикатора відповідає глибині 2 мкм вдавлювання. Однак умовна кількість твердості за Роквеллом (HR) є не зазначеною глибиною вдавлювання t, а величиною 100 – t за чорною шкалою при вимірюванні конусом і величиною 130 – t за червоною шкалою при вимірюванні кулькою.

Числа твердості за Роквеллом не мають розмірності і того фізичного сенсу, який мають числа твердості за Брінеллем, проте можна знайти співвідношення між ними за допомогою спеціальних таблиць.

Твердість за методом Роквелла можна вимірювати:

Алмазним конусом із загальним навантаженням 150 кгс. Твердість вимірюється за шкалою і позначається HRC (наприклад, 65 HRC). Таким чином визначають твердість загартованої та відпущеної сталей, матеріалів середньої твердості, поверхневих шарів завтовшки більше 0,5 мм;

Алмазним конусом із загальним навантаженням 60 кгс. Твердість вимірюється за шкалою А, що збігається зі шкалою, і позначається HRA. Застосовується для оцінки твердості дуже твердих матеріалів, тонких поверхневих шарів (0,3...0,5 мм) та тонколистового матеріалу;

Сталевою кулькою із загальним навантаженням 100 кгс. Твердість позначається HRB та вимірюється за червоною шкалою B. Так визначають твердість м'якої (відпаленої) сталі та кольорових сплавів.

При вимірі твердості на приладі Роквелла необхідно, щоб на поверхні зразка не було окалини, тріщин, вибоїн та ін. Відстань відбитка повинна бути не менше 1,5 мм при вдавлюванні конуса і не менше 4 мм при вдавлюванні кульки.

Твердість слід вимірювати не менше 3 разів на одному зразку, середня отримані результати.

Перевага методу Роквелла в порівнянні з методами Брінелля та Віккерса полягає в тому, що значення твердості за методом Роквелла фіксується безпосередньо стрілкою індикатора, при цьому відпадає необхідність оптичного вимірювання розмірів відбитка.

Список використаної літератури

1. Геллер Ю.А. Рахштадт А.Г. Матеріалознавство. Методи аналізу, лабораторні роботи та завдання. М.: Металургія, 1984р.

2. Металознавство та термічна обробка сталі: Справ. М.Л. Бернштейн, А.Г. Рахштадт М.: Металургія, 1983р.