Измерение твердости материалов

• образцы с твердостью выше HB 450 кгс/мм² (4500 МПа) испытывать запрещается;
• поверхность образца должна быть плоской и очищенной от окалины и других посторонних веществ;
• диаметры отпечатков должны находиться в пределах 0,2D£d£0,6D;
• образцы должны иметь толщину не менее 10 – кратной глубины отпечатка (или менее диаметра шарика);
• расстояние между центрами соседних отпечатков и между центром отпечатка и краем образца должны быть не менее 4d.

Определение твердости HB производится на прессе Бринелля (твердомер типа ТШ) в следующем порядке. Испытываемый образец (деталь) устанавливают на столике 1 (Рис. 3) шлифованной поверхностью кверху. Поворотом маховика 2 по часовой стрелке столик прибора поднимают так, чтобы шарик 4 мог вдавиться в испытываемую поверхность. Маховик 2 вращают до упора, и нажатием кнопки включают электродвигатель 6. Двигатель перемещает коромысло и постепенно нагружает шток с закрепленным в нем шариком. Шарик под действием нагрузки 3, сообщаемой приведенным к коромыслу грузом, вдавливается в испытываемый материал. Нагрузка действует в течение определенного времени (10 … 60 с), задаваемого реле времени, после чего вал двигателя, вращаясь в обратную сторону, соответственно перемещает коромысло и снимает нагрузку. После автоматического выключения двигателя, поворачивая маховик 2 против часовой стрелки, опускают столик прибора и снимают образец.

Диаметр отпечатка измеряют при помощи отсчетного микроскопа (лупы Бринелля), на окуляре которого имеется  шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. Измерение  проводят с точностью до 0,05 мм в  двух взаимно перпендикулярных направлениях; для определения твердости следует  принимать среднюю из полученных величин.

Измерение твердости по ВиккерсУ

При испытании на твердость  по методу Виккерса в поверхность  материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине  a=136⁰ (Рис. 2.1). После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d₁. Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки З к площади поверхности пирамидального отпечатка М:

 

Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки P и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм²) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой принимают для сталей 10 – 15 с, а для цветных металлов – 30 с.

Например, 450 HV_10/15 означает, что число твердости по Виккерсу 450 получено при P = 10 кгс (98,1 Н), приложенной к алмазной пирамиде в течение 15 с.

Преимущества метода Виккерса по сравнению  с методом Бринелля заключается  в том, что методом Виккерса можно  испытывать материаллы более высокой  твердости из-за применения алмазной пирамиды.

Измерение твердости по Роквеллу

 При этом методе индентором является алмазный конус или стальной закаленный шарик. В отличие от измерений по методу Бринелля твердость определяют по глубине  отпечатка, а не по его площади. Глубина  отпечатка измеряется в самом  процессе вдавливания, что значительно  упрощает испытания. Нагрузка прилагается  последовательно в две стадии (ГОСТ 9013-59): сначала предварительная, обычно равная 10 кгс (для устранения влияния упругой деформации и  различной степени шероховатости), а затем основная (Рис. 4).

 После приложения предварительной  нагрузки индикатор, измеряющий глубину  отпечатка, устанавливается на нуль. Когда отпечаток получен приложением  окончательной нагрузки, основную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину  проникновения наконечника t.

Твердость измеряют на приборе  Роквелла (Рис. 5), в нижней части станции которого установлен столик 5. В верхней части станции индикатор 3, масляный регулятор 2 и шток 4, в котором устанавливается наконечник с алмазным конусом (имеющим угол при вершине 120⁰ и радиус закругления     0,2 мм) или стальным шариком диаметром 1,588 мм. Индикатор 3 представляет собой циферблат, на котором нанесены две шкалы (черная и красная) и имеются две стрелки – большая (указатель твердости) и маленькая – для контроля величины предварительного нагружения, сообщаемого вращением маховика 6. Столик с установленным на нем образцом для измерений поднимают вращением маховика до тех пор, пока малая стрелка не окажется против красной точки на шкале. Это означает, что наконечник вдавливается в образец под предварительной нагрузкой, равной 10 кгс.

После этого поворачивают шкалу индикатора (круг циферблата) до совпадения цифры 0 на черной шкале  с большой стрелкой. Затем включают основную нагрузку, определяемую грузом 1, и после остановки стрелки  считывают значение твердости по Роквеллу, представляющее собой цифру. Столик с образцом опускают, вращая маховик против часовой стрелки.

Твердомер Роквелла измеряет разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника  под действием основной и предварительной  нагрузок. Каждое давление (единица  шкалы) индикатора соответствует глубине  вдавливания 2 мкм. Однако условное число  твердости по Роквеллу (HR) представляет собой не указанную глубину вдавливания t, а величину 100 – t по черной шкале при измерении конусом и величину 130 – t по красной шкале при измерении шариком.

Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и того физического  смысла, который имеют числа твердости  по Бринеллю, однако можно найти  соотношение между ними с помощью  специальных таблиц.

Твердость по методу Роквелла можно измерять:

• алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кгс. Твердость измеряется по шкале С и обозначается HRC (например, 65 HRC). Таким образом определяют твердость закаленной и отпущенной сталей, материалов средней твердости, поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм;
• алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кгс. Твердость измеряется по шкале А, совпадающей со шкалой С, и обозначается HRA. Применяется для оценки твердости очень твердых материалов, тонких поверхностных слоев (0,3 … 0,5 мм) и тонколистового материала;
• стальным шариком с общей нагрузкой 100 кгс. Твердость обозначается HRB и измеряется по красной шкале B. Так определяют твердость мягкой (отожженной) стали и цветных сплавов.

При измерении твердости на приборе  Роквелла необходимо, чтобы на поверхности  образца не было окалины, трещин, выбоин и др. Необходимо контролировать перпендикулярность приложения нагрузки и поверхности  образца и устойчивость его положения  на столике прибора. Расстояние отпечатка  должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании  конуса и не менее 4 мм при вдавливании  шарика.

Твердость следует измерять не менее 3 раз на одном образце, усредняя полученные результаты.

Преимущество метода Роквелла по сравнению  с методами Бринелля и Виккерса заключается  в том, что значение твердости  по методу Роквелла фиксируется непосредственно  стрелкой индикатора, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении  размеров отпечатка.

ТВЁРДОСТЬ АБРАЗИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

Твердость, для абразивных материалов  – прочность удержания абразивного зерна связкой. Чем выше твердость, тем прочнее удерживается зерно.

Шкала твердости инструмента в России состоит из 16 основных степеней:

ВМ1 и ВМ2 – весьма мягкий

М1, М2, М3 – мягкий;

СМ1-СМ2 – средне мягкий;

С1, С2 – средний;

СТ1, СТ2, СТ3 – средне твердый;

Т1, Т2 – твердый;

ВТ – весьма твердый;

ЧТ – чрезвычайно твердый

Соответствие  обозначений степеней твердости  в России и за рубежом приведены  в таблице 

 

Соответствие обозначений степеней твердости в России и за рубежом

Обозначение степени твердости шлифкругов по ГОСТу

ВМ1

ВМ2

М1

М2

М3

СМ1

СМ2

С1

С2

СТ1

СТ2

СТ3

Т1

Т2

ВТ

ТЧ

Обозначение степени твердости  шлифкругов зарубежными фирмами

F

G

H

I

J

K

L

M

N

O

P

Q

R

S

T,U

V,W.Y.Z

 

В этой шкале цифры 1, 2 и 3 характеризуют  возрастание твердости абразивного  инструмента внутри данной степени. В большинстве случаев достаточно при выборе твердости определить ее группу (например, С или СТ).

Методы определения твердости  абразивного инструмента на керамической связке регламентированы ГОСТами 18118-79, 19202-80 и 25961-83.

Однако, ни один из них не может  быть в полной мере применен для  инструмента малых диаметров, особенно для шлифголовок.

По этой причине ГОСТ 2447-82 регламентирует рецептурную маркировку твердости  шлифголовок, контроль которых не предусмотрен ГОСТ19202-80.

Вместе с тем, твердость абразивного  инструмента зависит от целого ряда параметров технологического процесса его изготовления. Так, например, только особенности процесса обжига изделий  на керамической связке могут обусловить отклонение твердости ± 1÷2 ступени  от заказанного номинала при одной  рецептуре формовочной смеси. Характер абразивной обработке у потребителей в ряде случаев требует использования  инструмента одной степени твердости. В связи с этим, для контроля твердости малогабаритных изделий  нами используется методика, сочетающая рецептурный, пескоструйный и ультразвуковой методы контроля.

        При выборе твердости абразивного инструмента обычно руководствуются общеизвестными положениями: для обработки твердых материалов следует применять мягкий инструмент, наоборот, для обработки мягких материалов – более твердый (исключение – жаропрочные и нержавеющие стали, цветные металлы). Существенное значение имеет окружная скорость круга, чем больше ее величина, тем более мягким должен быть инструмент.

Необходимо  учитывать, что окружная скорость определяется числом оборотов приводного устройства и диаметром абразивного инструмента. При невозможности обеспечить окружные скорости более 20м/сек необходимо использовать более твердый инструмент. При обработке твердых материалов для повышения шлифовальной способности абразивного инструмента следует использовать низкие окружные скорости.

        Окружную скорость можно оценить  по формуле:

V=2πRn/60=0,105Rn, где

V – окружная скорость, м/сек

R – радиус инструмента, м

N – число оборотов привода  в 1 мин

 

Рекомендуемые окружные скорости в зависимости  от твердости инструмента

 

Твердость инструмента	Окружная скорость V м/сек
М-СМ	25-50
С	20-40
СТ	15-40
Т	5-20

Рекомендуемая твердость в зависимости  от вида обработки

 

Твердость инструмента	Вид обработки
СМ1-С2	Чистовое и комбинированное круглое, наружное, бесцентровое и внутреннее шлифование стали.
С2-СТ2	Профильное шлифование, обработка  прерывистых поверхностей.
СТ2-Т2	Круглое наружное шлифование методом  врезания при необходимости сохранить  профиль круга.
ВТ1-ЧТ2	Правка абразивных инструментов, шлифовка шариков шарикоподшипников и  деталей часовых механизмов.