ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ. Твердістю називається здатність матеріалу чинити опір проникненню в нього іншого, більш твердого тіла

Твердістю називається здатність матеріалу чинити опір проникненню в нього іншого, більш твердого тіла. Твердість є однією з основних характеристик матеріалів. Завдяки простоті, швидкості, а також можливості проводити дослідження на готових виробах без їх пошкодження та руйнування, випробування на твердість широко застосовується на заводах та в науково-дослідних лабораторіях. Крім цього, у ряді випадків за допомогою твердості можна оцінити такий важливий параметр, як границя міцності.

З існуючих методів вимірювання твердості найбільш широко використовуються:

· метод Брінелля (втискання стальної кульки);

· метод Роквелла (втискання алмазного конуса);

· метод Віккерса (втискання чотиригранної алмазної піраміди).

Метод Брінелля. Визначення твердості за методом Брінелля полягає у втисканні в зразок стальної кульки певного діаметра і за величиною діаметра відтиску кульки визначають твердість (рис. 1.1).

Діаметр кульки D, навантаження Р і час витримки під навантаженням вибирають залежно від матеріалу та його товщини за таблицею 1.1.

Число твердості НВ за Брінеллем визначають відношенням навантаження Р до площі сферичної поверхні відтиску F:

(1.1)

де D – діаметр кульки, мм, d– діаметр відбитка, мм, Р – навантаження, Н або кГс.

Рис. 1.1. Схема визначення твердості металів за методом Брінелля

Діаметр відтиску вимірюють спеціальним відліковим мікроскопом типу МПБ-2, який має шкалу з ціною поділки 0,05 мм.

Для швидкого визначення твердості за методом Брінелля, на практиці користуються таблицею 1.5.

Таблиця 1.1 Залежність діаметра кульки, навантаження і часу витримки від твердості та товщини досліджуваного зразка

Визначення твердості здійснюється на пресі Брінелля марки ТШ, кінематичну схему якого наведено на рисунку 1.2.

Прес Брінелля має станину 1, предметний столик 2, на який встановлюється зразок, маховик 3 і гвинт 4 для підняття зразка до зіткнення з кулькою 5 і стискання пружини 6. Навантаження на кульку утворюється вантажами 7, через систему важелів 8, яка приводиться до руху від електродвигуна 9, за допомогою черв'ячної передачі 10 та кривошипно-шатунного механізму 11.

Рис. 1.2. Прес Брінелля моделі ТШ

Метод Роквелла. Твердість за методом Роквелла визначають шляхом вдавлювання в метал алмазного конуса з кутом біля вершини 120° або стальної кульки діаметром 1,588 мм (рис. 1.3). Навантаження на індентор прикладається послідовно: з початку попереднє 98,1 Н (10 кГс), потім повне, що становить разом з попереднім навантаженням 588, 981 і 1470 Н (60, 100 і 150 кгс) у залежності від твердості зразка (табл. 1.2).

Рис. 1.3. Схема визначення твердості металів за методом Роквелла

Таблиця 1.2. Параметри випробувань під час визначеннія твердості за методом Роквелла.

Число твердості за Роквеллом визначається за шкалою індикаторного приладу під час випробувань на твердомірі моделі ТК–2 (рис. 1.4).

Механізм 14 підйомного столика 11 складається з пари гвинт-маховик 12, 13. Випробування зразка на твердість здійснюється за допомогою механізму вдавлювання, що приводиться в дію електродвигуном 1. Від двигуна через черв'ячний редуктор 2 обертання передається кулачковому блоку 16, який через шток 5 опускає вантажний важіль 6 з вантажами 3 і передає навантаження на зразок через наконечник 10 з кулькою або алмазним конусом на кінці. Під час повороту кулачкового блоку 16 на один оберт шток 5 повертає вантажний важіль 6 в початкове положення, знімаючи з наконечника прикладене навантаження (за рахунок підвіски 6 і пружини 9 на зразок передається навантаження, що дорівнює відповідно 60 кгс і 10 кгс, навантаження в 100 кгс або 150 кгс передається на зразок за рахунок змінних вантажів 3).

Включення приводу навантаження здійснюється педаллю 15, а включення електродвигунів - вмикачем, встановленим на правій стороні корпусу приладу 4. Фіксування глибини проникнення наконечника в зразок здійснюється індикатором 7, який приводиться в рух важелем 8. Точна установка індикатора на нуль досягається маховиком 14, який управляє шкалою індикатора 7 через трос 17.

Рис. 1.4. Прес Роквела моделі ТК–2

Порівняно з методом Брінелля метод Роквелла має такі переваги:

– випробовуються деталі високої твердості;

– мало пошкоджується поверхня під час випробування;

– висока продуктивність;

– визначається твердість порівняно тонких зразків(товщиною до 0,4 мм).

На основі дослідних даних встановлено зв'язок між числами твердості за Роквеллом і Брінеллем, який дає змогу переводити одні числа твердості в інші (табл. 1.5).

Границя міцності σ_в, залежно від твердості, приблизно дорівнює: 0,34НВ – для сталі; 0,1 НВ – для сірого чавуну; 0,55 НВ – для міді, латуні, бронзи; 0,36 НВ – для алюмінію і його сплавів.

Метод Віккерса. Вимірювання твердості за методом Віккерса проводиться для чорних і кольорових металів і сплавів під час навантаженні від 9,807 Н (1 кгс) до 980,7 Н (100 кгс).

Вимірювання твердості основане на вдавлюванні алмазного наконечника у формі правильної чотиригранної піраміди з кутом між гранями 136 ° в зразок (виріб) під дією сили F, прикладеної протягом певного часу, і вимірюванні діагоналей відбитку d₁, d₂, які залишилися на поверхні зразка після зняття навантаження (рис. 1.5).

Твердість за Віккерсом, так само як і за Брінеллем, визначається як питомий тиск, що припадає на одиницю поверхні відтиску.

Рис. 1.5. Схема визначення твердості за методом Віккерса.

Твердість за методом Віккерса визначають за формулою:

(1.2)

де F – навантаження, Н, α – кут між протилежними гранями піраміди при вершині, який рівний 136°, d – середнє арифметичне значення довжин обох діагоналей відтиску після зняття навантаження, мм.

Твердість за Віккерсом за умовами випробування F =294,2 H (30 кгс) і часу витримки під навантаженням 10…15 с – позначається цифрами, що характеризують величину твердості і буквами HV. За інших умов випробування після букв HV вказується навантаження і час витримки. Наприклад, 500 HV – твердість за Віккерсом, отримана під час навантаження F =294,2 H (30 кгс) і часі витримки 10…15 с; 220 HV 10/40 – твердість за Віккерсом, отримана при навантаженні F = 98,07 H (10 кгс) і часі витримки 40 с.

Для вимірювання твердості алмазною пірамідою застосовуються такі навантаження: 9,807 (1); 19,61 (2); 24,52 (2,5); 29,42 (3); 49,03 (5); 98,07 (10); 196,1 (20); 294,2 (30); 490,3 (50); 980,7 (100) Н (кгс). Для визначення твердості чорних металів і сплавів застосовують навантаження від 49,03 Н (5 кгс) до 980,7 Н (100 кгс); для міді і її сплавів – від 24,52 Н (2,5 кгс) до 490,3 Н (50 кгс); для алюмінієвих сплавів – від 9,807 Н (1 кгс) до 980,7 Н (100 кгс).

Під час вимірювання мінімальна товщина зразка повинна бути для сталевих виробів більше діагоналі відбитка в 1,2 рази, а для виробів з кольорових металів – в 1,5 рази. Відстань між центром відбитка і краєм зразка чи краєм сусіднього відбитка повинно бути не менше 2,5 довжини діагоналі відбитка. Поверхня повинна мати шорсткість не більше 0,16 мкм і бути вільною від окисної плівки і сторонніх речовин.

Для вимірювання твердості за методом Віккерса використовуються як стаціонарні (наприклад, прилад Віккерса типу ТВ або ТП-7Р-1), так і переносні твердоміри (наприклад, ТПП-2). На рис.1.6 представлений прилад ТП-7Р-1 з можливістю навантаження силою від 49 до 981 Н (або 5,10,20,30,50 і 100 кгс).

Рис. 1.6. Прилад для вимірювання твердості ТП-7Р-1

Прилад має привід демпферного типу, що дозволяє регулювати швидкість підведення індентора до випробувального виробу і обладнаний проекційною оптичною системою, що забезпечує вимірювання діагоналі відбитка на екрані відліково-мікрометричного пристрою. Конструкція приладу забезпечує автоматичну зміну положення об'єктиву і наконечника перед і після нанесення відтиску. У конструкцію приладу входять такі основні механізми, що змонтовані всередині литого корпусу: шпиндель 16, мікрометрична головка 20, вантажний важіль 21, вантажна підвіска 29, демпфер 33, механізм підйому 5 столу і панель 27 з електроапаратурою.

Шпиндель і важільна система призначені для створення і передачі навантаження на випробуваний зразок. Шпиндель виконаний у вигляді труби, вміщеній в шарикопідшипникових направляючих 17, на нижній частині його закріплена поворотна каретка 7, що несе на собі випробувальний наконечник 11 і об'єктив 9.

Положення каретки регулюється упорами 6 і 12. У вихідному положенні каретка встановлюється в положення «об'єктив».

В шпиндельній трубі встановлена проекційна частина оптичної системи, призначеної для передачі зображення відбитка на екран мікрометричної головки. Оптична система складається з ахроматичної лінзи 15, окуляра 23, дзеркала 22 і об'єктиву 9. Шпиндель з'єднується з важелем 26 підшипниками 24. Для відтворення на шпинделі заданого навантаження на систему важіля навішують вантажі з допомогою вантажної підвіски 29 з набором вантажів 30.

Деталь встановлюють на предметний стіл 8 і обертанням маховика 4 підтискають її до чохла 10. На вантажну підвіску встановлюють необхідні вантажі. Поворотом рукоятки 2 звільняється шток 32 демпфера 33, напруга подається на магніт 25, за допомогою якого каретка 7 перекладається з положення «об'єктив» в положення «наконечник».

Шток демпфера і вантажна підвіска з вантажем опускаються вниз. Починається навантаження – проникнення наконечника в випробовуваний виріб. Під час повного навантаження замикаються контакти 31 і сигнал надходить на реле часу для відліку часу витримки. Після закінчення часу витримки, про що свідчить сигнальна лампочка 14, навантаження знімається. Потім вимикається освітлювач 28, мікроперемикач 3 розмикається, відключає магніт 25 і каретка під дією пружини 13 повертається в положення «об'єктив».

Відтиск проектується через оптичну проекційну систему на екран мікрометричної головки. Діагоналі відтиску вимірюють за шкалами 18 і 19 в двох взаємно перпендикулярних напрямках і за таблицями визначають твердість в одиницях HV. Межі виміру твердості 8 HV – 2000 HV.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: