Определение твердости металлов по методам Бринелля и Роквелла

Определение твердости металлов по методам Бринелля и Роквелла.

Твёрдость - свойство материала сопротивляться проникновению в него другого тела, не получающего остаточной деформации.

Исходные данные для выбора средств и условий  измерений твёрдости, а именно, метод  измерений, число твёрдости и  толщина испытуемого образца, должны быть указаны в технической документации.

В «СИ» за единицу  измерений твёрдости принят Н/м2. Единица имеет наименование Паскаль (Па).

Измерение твёрдости  металлов осуществляется методом  Бринелля, Роквелла, Супер-Роквелла и Виккерса.

Применение различных  методов измерений твёрдости  металлов обусловлено механическими  свойствами металлов и конструктивно-технологическими особенностями изделий.

Измерение твёрдости по методу Бринелля основано на вдавливании в испытуемое изделие стального закаленного шарика определенного диаметра, под действием заданной нагрузки в течение определенного времени. При определении твёрдости по методу Бринелля, расстояние от центра отпечатка до края испытуемого изделия должно быть не менее 2,5 диаметров отпечатка, расстояние между центрами двух соседних отпечатков - не менее 4 диаметров; для металлов с твёрдостью до 35НВ эти расстояния должны быть соответственно равны 3 диаметрам отпечатка и 6 диаметрам отпечатка.

Проведение испытаний, методику измерений диаметра отпечатка, а также погрешность измерений  диаметра отпечатка регламентирует ГОСТ 9012 п.4.

Измерение твёрдости по методу Роквелла основано на вдавливании алмазного конуса с углом при вершине 120° или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок. Расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее четырех диаметров отпечатка (но не менее 2 мм), расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2,5 диаметра отпечатка (но не менее 1 мм).

При измерении  твёрдости на выпуклых цилиндрических и сферических поверхностях по шкалам А, В, С, D, F, G в результаты измерений твёрдости должны быть введены поправки, величины которых приведены в приложении 3 ГОСТ 9013. Поправки прибавляются к полученным значениям твёрдости.

Поправки при  измерении твёрдости на вогнутых поверхностях устанавливаются в  нормативной документации на металлопродукцию.

Проведение измерений  и определение числа твёрдости  по методу Роквелла регламентирует ГОСТ 9013 п.4.

Для измерений  твёрдости по шкале «С» Роквелла применяют шкалу, воспроизводимую  государственным специальным эталоном и обозначаемую HRCэ.

Все образцовые и рабочие средства измерений  следует настраивать и калибровать  по образцовым мерам твёрдости, имеющим  обозначение HRCэ.

Для расширения области применения метода Роквелла при малых нагрузках следует  применять метод Супер-Роквелла.

Привести  примеры показателей твердости  сталей: углеродистых , легированных, прошедших термическую и химико – термическую обработку.

Углеродистые  стали - сплавы, содержащие железо, углерод и небольшое количество примесей кремния, марганца, фосфора и серы. По содержанию углерода такие стали подразделяются на низкоуглеродистыё ( 0,65 углерода), высокоуглеродистые (от 0,65 до 2% углерода). По назначению углеродистые стали подразделяются на конструкционные и инструментальные.  

Углеродистые  конструкционные стали обладают высокой прочностью, пластичностью  и вязкостью в сочетании с  хорошими технологическими свойствами: легко обрабатываются давлением, хорошо свариваются и термообрабатываются. Углеродистые конструкционные стали  бывают обыкновенного качества и  качественные.  

Сталь углеродистая обыкновенного качества (ГОСТ, 380-71), выплавляющаяся в мартеновских печах и кислородных конвертерах, по назначению подразделяется на группы А, Б и В.

Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами без уточнения химического состава, поэтому их не подвергают термической обработке. Сталь этой группы изготовляют марок: СтО, Ст1 и т. д. до Стб. Буквы «Ст» означают сталь, цифра- номер стали. Чем больше цифра, тем больше содержится углерода в стали.  

Для обозначения  раскисления к обозначению марки  стали после номера добавляют  индексы; кп - кипящая, пс -полуспокойная, сп - спокойная. Например СтЗкп, Ст4сп.

Стали группы Б поставляются с гарантированным химическим составом, поэтому их можно подвергать термической обработке. Сталь этой группы изготовляют марок: БСтО, БСт1, БСт1кп и т. д. до БСтб, БСтбсп. В марке сталей указывается в обозначении группа Б,  

Стали группы В поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Подвергаются термической обработке. Сталь этой группы изготовляют марок (группа стали указывается в марке) ВСт2сп, ВСтЗпс и т. д.  

Из сталей обыкновенного качества изготовляют  горячекатаный сортовой, фасонный и  листовой прокат, балки, прутки, швеллеры, уголки, листы, трубы, некоторые поковки, болты, заклепки, арматуру, которые  широко используют для сварных строительных конструкций и неответственных  деталей машин.

Углеродистые  качественные конструкционные стали (ГОСТ 1050-74), выплавляющиеся в мартеновских и электрических печах и кислородных  конвертерах, постав-  

Являются  с гарантированными механическими  свойствами и химическим составом. Такие стали подвергаются термической  обработке.

По сравнению  с углеродистыми сталями обыкновенного  качества качественные стали содержат меньше вредных примесей серы и фосфора. В зависимости от содержания марганца стали выпускаются с нормальным (0,25-0,7% марганца) и повышенным (0,7-1,0% марганца) содержанием.  

Качественные  конструкционные стали маркируются: 0,5кп; 0,8кп; 0,8пс; 0,8; 10кп; Юпс; 10; 15кп; 15; 20кп; 20; 25; 30; 35 и т. д. до 85, 15Г, 20Г, 25Г, ЗОГ  и т. д. до 70Г. В марках двузначные числа показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буква Г обозначает повышенное содержание марганца.  

Низкоуглеродистые качественные конструкционные стали  широко применяют для штампованных изделий. Штампуемость стали тем  хуже, чем больше в ней углерода. Для глубокой вытяжки применяют  кипящие стали 0,8кп, Юкп, 15кп. Малоуглеродистые стали применяют для изделий, подвергающихся цементации. Эти стали  хорошо свариваются, обрабатываются резанием на металлорежущих станках.  

Из качественных конструкционных сталей изготовляют  зубчатые колеса, шатуны, валы, оси, кулачки, муфты, толкатели клапанов, пальцы рессор, вилки и валики переключения передач  и т. д. Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435-74), выплавляемые в мартеновских и электрических печах, содержат от 0,7 до 1,35% углерода. Такие стали  подразделяются на качественные и высококачественные.   

Инструментальные  качественные стали изготовляют  марок: У7, У8, У9, У13. Число в обозначении марки указывает на среднее содержание углерода в десятых долях процента.

К марке  инструментальных высококачественных сталей добавляют букву А: У7А, У8А, У13А. Такие стали содержат меньше серы и фосфора, чем качественные.  

Из углеродистых инструментальных сталей изготовляют  разнообразные слесарные инструменты, подвергаемые термической обработке. Из сталей марок У7А, У8, У8А делают зубила, молотки, штампы, измерительный  инструмент; из стали марок У8, У8А.- ножи и ножницы по металлу, кернеры, ролики труборезов, Стали марок У10А, У11, У11А, У12, У12А применяют для  изготовления инструменто», обладающих высокой твердостью: напильников, шаберов, ножовочных полотен для механических ножовок. 

Легированные  стали в отличие от углеродистых кроме углерода, железа и обычных примесей содержат определенное количество добавок, придающих сталям особые свойства и называемых легирующими элементами, К легирующим элементам относятся: хром - X, вольфрам - В, молибден - М, медь - Д, кремний - С, алю-миний - Ю, бор - Р, цирконий - Ц, никель - Н, ванадий -Ф, марганец-Г, кобальт--К, титан - Т, фосфор - П, ниобий - Б.  

Каждый  легирующий элемент имеет свое назначение.Влияние легирующих добавок на свойства сталей. Свойства легированных сталей зависят от содержания в них легирующих элементов.

Никель  и хром улучшают механические свойства, повышают жаростойкость и коррозионную стойкость сталей.

Вольфрам  повышает твердость, прочность, улучшает режущие свойства стали при высоких  температурах (красностойкость).

Марганец  повышает твердость, износостойкость, сопротивление ударным нагрузкам  сталей.

Кремний повышает упругие свойства стали, увеличивает  кислотостойкость сталей.

Титан увеличивает жаропрочность и  кислотостойкость стали.

Молибден  улучшает механические свойства при  нормальной и повышенной температурах, несколько повышает свариваемость  сталей. .

Ванадий улучшает пластические свойства стали, измельчает ее микроструктуру.

Кобальт увеличивает ударную вязкость и  жаропрочность сталей.  

Легированные  стали по назначению подразделяются на конструкционные, инструментальные и стали со специальными свойствами.

Конструкционные стали (низколегированные), Большинство  низколегированных сталей содержат углерод нe более 0,6%. Основные легирующие элементы низколегированных сталей - хром, никель, кремний, марганец. Другие легирующие элементы вводят в сталь в небольших количествах, чтобы дополнительно улучшить ее свойства. Общее количество легирующих элементов у большинства сталей не превышает 5%.  

Конструкционные низколегированные стали (ГОСТ 19281--73, 19282-73) обладают наилучшими механическими  свойствами после термической обработки. При маркировке легированных сталей первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента, следующая за ними буква - условно  обозначение легирующего элемента, входящего в сталь.  

Если  количество легирующего элемента составляет 2% и более, то после буквы ставится еще цифра, указывающая это количество. Например, 15Х - сталь содержит 0,15% углерода и до 1% хрома, 20Х2Н4А - сталь содержит 0,20% углерода, около 2% хрома, 4% никеля, высококачественная (А), т. е. содержит меньше вредных примесей серы и фосфора.  

Конструкционные легированные стали 19Г, 14Г, 17ГС, 14ХГС  наиболее широко применяют при строительстве  нефтегазопроводов высокого давления диаметром до 820 мм. Сталь 14Г2 используют для крупных листо-сварных конструкций  доменных печей, пылеуловителей, воздухонагревателей. Сталь 17ГС предназначается для корпусов аппаратов, днищ, фланцев и других деталей паровых котлов, работающих при температурах до 475° С.  

Хромокремненикелевые  стали 10ХСНД, 15ХСНД используют для сварных  ферм, конструкций мостов, вагонов, рам, аппаратов и сосудов химической промышленности. Стали 35ХС и 25Г2С применяются  для изготовления арматуры гладкого и периодического профилей, для армирования  обычных и предварительно напряженных  железобетонных конструкций.

Конструкционные легированные стали хорошо свариваются, не образуют при сварке горячих и  холодных трещин. Механические свойства сварных соединений аналогичны свойствам  основного металла.  

В машиностроении применяют большое количество марок  конструкционных легированных сталей, главным образом для изготовления ответственных деталей машин  и металлических конструкций: валов  двигателей, тяжелонагруженных зубчатых колес экскаваторов, автокранов и  других строительных машин, деталей  и арматуры, работающих при повышенных температурах. Из кремнистых сталей изготовляют  рессоры и пружины.  

Инструментальные  стали. Инструментальные легированные стали подразделяются на низколегированные с содержанием легирующих элементов до 5%, и высоколегированные с содержанием легирующих элементов более 10%.  

Низколегированные инструментальные стали (ГОСТ 5950-73) 1IX, 13Х, ХСВГ, 9ХС, ХВГ после термической  обработки обладают более высокими показателями механических свойств  по сравнению с углеродистыми  инструментальными сталями: имеют  более высокую твердость после  термообработки (62-65 HRC), повышенные износостойкость  и теплостойкость (до 200-250°С), меньшую  чувствительность и склонность к  перегреву и короблению при термообработке.   

Низколегированные инструментальные стали применяют  для изготовления режущих инструментов большого сечения, работающих при небольших  скоростях резания: ручных сверл, протяжек, разверток, гребенок. Высоколегированные инструментальные стали (ГОСТ 19265-76) содержат большое количество легирующих элементов, образующих в структуре стали  химические соединения с углеродом (преимущественно карбиды).