Метод
Шора (HSD) заключается
в том, что на испытуемую поверхность с
высоты 19 мм свободно падает боек массой
36 г, боёк имеет алмазный закругленный
наконечник. Под действием упругой отдачи
материала боек отскакивает на высоту
h. Твердость материала пропорциональна
высоте отскока. В шкале Шора за 100 единиц
твердости принята максимальная твердость
закаленной на мартенсит эвтектоидной
стали, что соответствует высоте отскока
бойка на 13,6мм. Этим методом можно измерять
твердость деталей, имеющих массу не менее
5 кг, непосредственно на детали. Можно
измерять твердость изделий массой до
100г, но при этом изделие должно иметь толщину
не менее 10 мм и располагаться на столике
прибора. Возможно применение этого метода
для контроля твердости металла, нагретого
до высокой температуры.
Поверхность
изделия (образца), на которой определяется
твердость, должна отвечать ряду требований.
Она в месте контроля должна быть зачищена
до металлического блеска, быть ровной
и плоской, не должна иметь следов окалины,
ржавчины, краски, грубых рисок, выбоин,
царапин. Если деталь имеет криволинейную
поверхность, то на ней необходимо подготовить
плоскую площадку, размер которой зависит
от метода измерения. Поверхность, которой
образец ложится на предметный столик
прибора также должна быть чистой и ровной.
Обе поверхности должны быть параллельны
друг другу. Толщина контролируемого образца
должна быть не менее 10-кратной глубины
отпечатка.
Наиболее
распространёнными методами измерения
твёрдости металлических материалов являются
методы Бринелля и Роквелла, относящиеся
к способу вдавливания (внедрения). Совместное
применение этих методов позволяет измерять
твёрдость любых по твёрдости металлов
и сплавов на их основе.
Измерение твердости по методу
Бринелля
При измерении твердости этим
методом в поверхность изделия в течение
определенного времени с усилием Р вдавливается
стальной закаленный или твёрдосплавной
шарик диаметром 10,5 или 2,5 мм. На поверхности
образца получается отпечаток диаметром
d (рис. 1). Для получения значения твердости
необходимо измерить диаметр отпечатка
и рассчитать площадь шарового сегмента
по выражению (2):
(2)
Твердость HB (кгс/мм2) определятся
делением приложенной к шарику нагрузки
на площадь отпечатка, т.е.
или
(3)
Диаметр отпечатка измеряют
специальной измерительной лупой с точностью
0,05 мм.
Для получения более точного
результата диаметр отпечатка следует
измерять в двух взаимно перпендикулярных
направлениях.
На рис. 2 показано расположение
шкалы лупы относительно кромок отпечатка.
Диаметр отпечатка, как видно из рисунка,
равен 3,95 мм.
Для устранения влияния
наклепа металла и выпучивания краев образца
расстояние между центрами двух соседних
отпечатков должно быть не менее 4d, а до
края образца - не менее 2,5d.
Время нагружения зависит от
материала образца и составляет: 10 с –
для черных металлов, 30 или 60 с – для цветных
сплавов в зависимости от их твердости
(от марки сплава) – таблица 2.
При измерении тонких образцов
необходимо соблюдать следующее условие:
толщина образца S должна быть не менее
10- кратной глубины отпечатка h.
В противном случае образец
может быть продавлен и результат испытания
будет неверен. Глубину отпечатка можно
определить по выражениям (4):
или
(4)
Режим испытания твердости,
т.е. выбор диаметра шарика и величины
прилагаемой нагрузки производится по
данным таблицы 1.
При определении твердости
по стандартной методике (т.е. по данным
таблицы 2) значение твердости записывается
одним числом, например: НВ 163. Если же измерение
проводилось по другим режимам, то значение
твердости записывают с учетом принятых
при измерении режимов. Например, запись
НВ 5/250/30 – 186 означает, что полученное
значение твердости 186 кгс/мм2 было получено
при испытании шариком 5 мм, под нагрузкой
250 кгс с выдержкой 30 с.
Следует отметить, что методом
Бринелля можно испытывать материалы,
твердость которых не превышает 450 единиц
по Бринеллю. При большей твердости внедритель
– шарик будет деформироваться, и измерение
будет не точным.
Измерение твердости по Бринеллю
производится на специальном приборе
– прессе Бринелля, который позволяет
устанавливать необходимые нагрузки на
шарик в диапазоне 187,5 ... 3000 кгс и время
приложения нагрузки – 10, 30 или 60с.
Схема прибора для измерения
твердости по
методу Бринелля
Описание
установки:
1 — маховик;
2 — подъёмный
винт;
3 — шкала для
задания времени выдержки;
4 — выключатель;
5 — опорный столик;
6 — шпиндель
для индикатора;
7 — упорный чехол;
8 — втулка;
9 — пружина;
10 — шпиндель;
11 — сигнальная
лампа;
12, 15 — рычаги;
13 — серьга;
14 — микропереключатель;
16 — вилка;
17 — шатун;
18 — грузы;
19 — кривошип;
20 — редуктор;
21 — электродвигатель.
Приложение№1
Между численным значением
твердости НВ и пределом прочности на
растяжение имеется достаточно
хорошая связь, которая для некоторых
материалов имеет следующий вид:
Таблица 1. Связь численного значения
твердости НВ и предела прочности на растяжение :
Материал |
Предел на прочность
на растяжение , кгс/ |
Сталь |
0,34 НВ |
Медь, латунь, бронза |
0,40 НВ |
Алюминий |
0,26 НВ |
Дуралюмин |
0,35 НВ |
Сплавы цинка |
0,09 НВ |
Чугун серый |
|
Таблица 2. Выбор диаметра шарика и нагрузки
в зависимости от толщины и материала
образца:
Материал |
НВ кгс/ |
Толщина испытуемого
образца S, мм |
Диаметр шарика D,
мм |
Отношение диаметра
шарика к нагрузке |
Нагрузка P, Кгс |
Время под нагрузкой,
с |
|
Черные металлы |
140-250 |
>6 |
10 |
30 |
3000 |
10 |
3-6 |
5 |
30 |
750 |
<3 |
2,5 |
30 |
187,5 |
|
<140 |
>6 |
10 |
10 |
1000 |
10 |
3-6 |
5 |
10 |
250 |
<3 |
2,5 |
10 |
62,5 |
Цветные металлы на основе меди;
дуралюмины |
>130 |
>6 |
10 |
30 |
3000 |
30 |
3-6 |
5 |
30 |
750 |
<3 |
2,5 |
30 |
187,5 |
|
35-130 |
>6 |
10 |
10 |
1000 |
30 |
3-6 |
5 |
10 |
250 |
<3 |
2,5 |
10 |
62,5 |
Магниевые сплавы, алюминий,
олово, свинец, баббит |
8-35 |
>6 |
10 |
2,5 |
250 |
60 |
3-6 |
5 |
2,5 |
62,5 |
|
<3 |
2,5 |
2,5 |
16,5 |
Измерение твердости по методу
Роквелла
При измерении твердости по
Роквеллу внедрителем служит или алмазный
конус с углом при вершине 120° и радиусом
закругления 0,2 мм, или стальной закаленный
шарик диаметром 1,588 мм (1/16). Внедритель
вдавливается в испытуемый материал под
действием двух последовательно прилагаемых
нагрузок: предварительной , равной 10 кгс и основной
, таким образом, общая нагрузка Р на внедритель
в момент нагружения равна Р = + (рис.3).
Предварительная нагрузка всегда равна
10 кгс (независимо от внедрителя), а основная
нагрузка колеблется в зависимости от
внедрителя и испытуемого материала. Если
внедрителем служит алмазный конус, то
основная нагрузка может быть или 50, или
140 кгс (общая нагрузка 60 и 150 кгс); если
внедрителем является шарик, то основная
нагрузка всегда равна 90 кгс (общая 100 кгс).
При использовании в качестве
внедрителя алмазного конуса твердость
материала оценивается по двум шкалам
– А и С. На индикаторе прибора обе эти
шкалы совмещены в одну, имеющую 100 делений
(черная шкала). При нагрузке на индентор
60 кгс эта шкала называется шкалой А и
твердость в этом случае обозначается
как HRA, если нагрузка составляет 150 кгс,
то шкала называется шкалой С и твердость
в этом случае обозначается как HRC.
Если же внедрителем служит
шарик (нагрузка на него 100 кгс), то отсчет
твердости производится по шкале В (красная
шкала), имеющей 130 делений и твердость
в этом случае обозначается как HRB.
Мерой твердости в методе Роквелла
является глубина проникновения внедрителя
в испытуемый материал: одной единице
твердости соответствует внедрение индентора
на 0,002 мм. Схема измерения твердости конусом
показана на рис.3; схема измерения шариком
совершенно аналогична. Из рисунка видно,
что вначале испытания индентор под действием
предварительной нагрузки = 10 кгс вдавливается
в поверхность на глубину (поз.1). Затем
прикладывается основная нагрузка и под
действием этой
суммарной нагрузки Р = + индентор внедряется
в испытуемую поверхность на максимальную
глубину, производя пластическую и упругую
деформацию материала (поз.2). После того
как нагружение закончилось (примерно
в течение 5с), снимают основную нагрузку,
оставляя предварительную.
Под действием упругих сил внедритель
частично поднимается вверх и занимает
положение, соответствуещее глубине проникновения
h (поз.3),
которая и характеризует твердость
металла.
Шкалы прибора, с которых снимаются
показания твердости, проградуированы
в соответствии с глубиной . Численное значение
твердости (безразмерная величина) указывается
стрелкой индикатора по соответствующей
шкале. Это обстоятельство объясняет удобство,
простоту и быстроту определения твердости
методом Роквелла. Достоинством этого
метода является возможность измерения
твердости в широком диапазоне как очень
твердых, так и сравнительно мягких материалов.
Но методом Роквелла не рекомендуется
измерять, например, твердость серых чугунов
и цветных сплавов, содержащих структурные
составляющие, резко отличающиеся по своим
механическим свойствам. Это объясняется
тем, что отпечаток, получаемый при вдавливании
конуса или шарика диаметром 1,588 мм, достаточно
мал и не всегда может равномерно охватить
все составляющие, что приведет к большому
разбросу данных по твердости.
При выборе режимов испытания
твердости необходимо ориентировочно
знать примерную твердость сплава (твердый,
мягкий) и толщину образца.
Измерение шариком
по шкале В применяется для отожженных
и нормализованных сталей, меди и ее сплавов,
дуралиминов и других плавов, с твердостью
HRB в диапазоне 25...100 ед. (НВ65...240). Минимальная
толщина образца 0,7 мм.
Измерение твердости
конусом по шкале С применяется для закаленных
сталей и сталей после отпуска. Пределы
измерения в этом случае составляют примерно
HRC 20...67 (НВ220...710). Минимальная толщина образца
0,7 мм.
Измерение твердости
конусом по шкале А применяется в тех случаях,
когда нельзя применить измерение по шкале
С. Это бывает в двух случаях:
- когда измеряется твердость
очень твердых материалов (твердые и минералокерамические
сплавы и другие инструментальные материалы). Применение в этом случае шкалы С, т.е. нагрузки на конус 150 кгс, может привести к поломке алмаза;
- когда необходимо измерить
твердость тонких и твердых пластин и
слоев, например, цементационного слоя
(толщиной 0,4...0,7 мм). Применение в этом
случае нагрузки 150 кгс приведет к продавливанию измеряемого слоя (образца).
Пределы измерения твёрдости по HRA составляют обычно 70…85 ед. (НВ 360…710).
Схема прибора для измерения твердости
по Роквеллу
Описание установки:
Основными его частями
являются:
поперечина 1, подвеска
2, шток амортизатора 3, рычаг 4, рукоятка
5, винт 6, крышка 7, рычажок 8,
призма 9, шпиндель
10 с закрепленным на его конце индентором,
маховик 11 для перемещения образца, шпонка
12, направляющая втулка 13, станина 14, грузы
15, стойка 16, подъемный винт 17, масляный
амортизатор 18, пружина 19, индикатор с
двумя шкалами – черной (С) и красной
(В). При этом
с большой стрелкой индикатора всегда
совмещается нуль черной шкалы, и ни в
коем случае – красной. Барабан для точной
установки шкалы индикатора на нуль, электромотор,
обеспечивающий работу прибора.
Приложение№2
В таблице 3. приведены режимы испытания
твёрдости по Роквеллу:
Материал |
Твердость, НВ |
Внедритель |
Нагрузка, кгс |
Шкала |
Обозначение твердости |
Пределы измерения
твердости |
Минимальная толщина,
мм |
Мягкие металлы |
<230 |
Стальной шарик |
100 |
В |
HRB |
25…100 |
0,7 |
Закал. и отпущенные стали |
230-700 |
Алмазн. конус |
150 |
С |
HRC |
20…67 |
0,7 |
Твердые сплавы и тонкие изд. |
>700 |
Алмазн. конус |
60 |
А |
HRA |
70…85 |
0,4 |