Методы измерения твердости (стр. 2 из 2)

Наконечник алмазный конусный имеет угол при вершине 120°. Наконечник шариковый стальной имеет диаметр 1,588 (шкалы B, F, G) и 3,175 (шкалы E, H, K).

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. Так определяют твердость мягкой (отожженной) стали и цветных сплавов.

При измерении твердости методом 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. Толщина образца должна не менее чем в 10 раз превышать глубину внедрения наконечника после снятия основной нагрузки. Твердость следует измерять не менее 3 раз на одном образце, усредняя полученные результаты.

Преимущество метода Роквелла по сравнению с методом Бринелля:

- возможность проводить испытания высокой твёрдости путём отсчёта по шкале индикатора без вычисления или пользования специальными таблицами;

- малая повреждаемость поверхности в результате его применения;

- высокая производительность измерения.

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО ВИККЕРСУ

При испытании на твердость по методу Виккерса в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине равеным 136о (рис.1, в)). После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d. Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки Р к измеренному значению диагонали отпечатка М:

, (6)

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 HV10/15 означает, что число твердости по Виккерсу 450 получено при P = 10 кгс (98,1 Н), приложенной к алмазной пирамиде в течение 15 с.

При измерении твердости по Виккерсу должны быть соблюдены следующие условия:

- плавное возрастание нагрузки до необходимого значения;

- обеспечение перпендикулятности приложения действующего усилия к испытуемой поверхности;

- поверхность испытуемого образца должна иметь шероховатость не более 0,16 мкм;

- поддержание постоянства приложенной нагрузки в течении установленного времени;

- расстояние между центром отпечатка и краем образца или соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длины диагонали отпечатка;

- минимальная толщина образца должна быть для стальных изделий больше диагонали отпечатка в 1,2 раза; для изделий из цветных металлов – в 1,5 раза.

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

ИСПЫТАНИЕ НА ТВЕРДОСТЬ МЕТОДОМ УДАРНОГО ОТПЕЧАТКА

Метод основан на внедрении в поверхности испытуемого объекта твердосплавного конического индентора (для испытания стали с твердостью < HV850) или стального шара (для испытания стали с твёрдостью < HV350). Измерение сравнительной твердости стали по Виккерсу, Бринеллю и пластической твердости осуществляется с помощью переносных твердомеров ударного действия при начальной скорости удара от 1 до 5 м/с.

При измерении сравнительной твердости стали по Виккерсу твердосплавный наконечник в форме двустороннего и одностороннего конуса с углами 136° при вершинах внедряют в поверхности испытуемого объекта под действием кратковременной динамической нагрузки, создаваемой ударным механизмом. После снятия индентора с испытуемой поверхности измеряют диаметры отпечатков конуса на поверхностях контрольного бруска dэ и испытуемого образца d0.

Число сравнительной твердости испытуемого объекта по Виккерсу (HVc) вычисляют по формуле:

, (7)

где HVэ - среднее значение твердости контрольного бруска по Виккерсу, измеренное посредством статического стационарного прибора;

nкэ и nк0 - динамические коэффициенты твёрдости материалов стального контрольного бруска и испытуемого объекта при ударном внедрении конуса.

При измерении этим методом сравнительной твердости по Бринеллю стальной шарик диаметром D одновременно внедряют в поверхности стального контролируемого бруска и испытуемого объекта под действием кратковременной нагрузки Рд, создаваемой ударным методом. После снятия индентора с испытуемой поверхности измеряют диаметры отпечатков шарика на поверхностях контрольного бруска dэ и испытуемого объекта d0 или глубины восстановленных отпечатков на поверхностях объекта h0 и стального контрольного бруска hэ.

Число сравнительной твердости испытуемого объекта по Бринеллю (HBc) вычисляют по формуле:

, (8)

где HBэ - среднее значение твердости контрольного бруска по Бринеллю стального контрольного бруска, измеренное посредством статических стационарных приборов ТШ и ТК;

D – диаметр шарика, мм;

dэ – диаметр восстановленного ударного отпечатка на поверхности контрольного бруска, мм;

d0 – диаметр восстановленного ударного отпечатка на поверхности испытуемого образца, мм;

nшэ и nш0 - динамические коэффициенты твердости материалов стального контрольного бруска и испытуемого объекта при ударном внедрении шарика со скоростью 0,72 - 2 м/с.

Диаметры отпечатков измеряют в двух взаимно прерпендикулярных направлениях и определяют как среднее арифметическое результатов двух измерений.

Измерение диаметров ударных отпечатков конического индентора на испытуемой поверхности и поверхности контрольного бруска должно осуществляться с помощью отсчётного оптического микроскопа, погрешность которого не должна превышать ±0,01мм на одно наименьшее деление шкалы. Измерение диаметров ударных отпечатков шарика на испытуемой поверхности и поверхности контрольного бруска должно осуществляться с помощью отсчётного оптического микроскопа, погрешность которого не должна превышать ±0,5 мм на одно наименьшее деление шкалы.

КОСВЕННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ

МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ПО ШОРУ

Суть метода заключается в том, что боек определенной массы с алмазным наконечником свободно и вертикально падает с определенной высоты на испытуемую поверхность. Высота отскока бойка принимается за характеристику твердости и измеряется в условных единицах. Масса изделия при измерении твердомерами, установленными непосредственно на изделие, должна быть не менее 5 кг. Образцы, устанавливаемые на столик твердомера, должны иметь массу не менее 0,1 кг и толщину не менее 10 мм.

Прибор для измерения твердости по Шору должен обеспечивать:

- высоту отскока бойка для 100 единиц твёрдости по Шору 13,6 ± 0,3 мм;

- высоту падения бойка 19,0 ± 0,5 мм;

- цену деления индикатора (измерителя высоты отскока бойка) не более 1 единици шкалы HSP;

- масса бойка с алмазным наконечником должна быть 36 г.

Твердость по Шору указывают с округлением до целой единицы. В шкале Шора за 100 единиц принята максимальная твёрдость стабилизированного после закалки на мартенсит образца из углеродистой инструментальной стали, что соответствует высоте падения бойка 13,6± 0,3 мм.

АКУСТИЧЕСКИЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ ОБРАЗЦА

Во многих случаях применение классических твердомеров для измерения может стать проблематичным. Во-первых, когда контролируемое изделие является крупногабаритным и его нельзя поднести к прибору. Кроме этого, вырезка фрагмента из изделия для последующего измерения твёрдости приводит к порче изделия. Во-вторых – когда требуется достаточно высокая производительность контроля.

Чтобы избежать тех недостатков, которые присущи классическим методам твердометрии, были разработаны твердомеры, использующие акустический и динамический методы.

Акустический метод основан на измерении относительных изменений механического импеданса колебательной системы преобразователя в зависимости от механических свойств поверхности образца. Акустический преобразователь представляет собой стержень из магнитострикционного материала (например, никеля), на конце которого укреплён индентор в виде алмазной призмы. К стержню прикреплён пьезоэлемент, возбуждающий в преобразователе продольные упругие колебания частотой 30-40 кГц. Стержень с индентором прижимают к контролируемому объекту с постоянной силой. При этом индентор внедряется в поверхность изделия тем глубже, чем меньше твёрдость его материала. Площадь зоны соприкосновения индентора с изделием с уменьшением твёрдости растёт, а модуль упругого сопротивления увеличивается.

Изменение импеданса определяют по изменению собственной частоты нагруженного преобразователя, которую измеряют частотомером . Шкалу индикатора градуируют в единицах твёрдости по Роквеллу.

Принцип работы динамических твердомеров основан на измерении отношения скоростей индентора при падении и отскоке его от поверхности контролируемого изделия. Отношение скоростей перемещения индентора при отскоке и падении характеризуют твёрдость контролируемого изделия.

Преобразователь включает в себя механическую систему, обеспечивающую перемещение индентора относительно поверхности контролируемого материала, и электрическую катушку. Во взведенном положении преобразователя цанга спускового механизма удерживает индентор. При нажатии спусковой кнопки цанга разжимается и индентор под действием предварительно сжатой пружины сбрасывается на контролируемую поверхность. На конце индентора расположен твердосплавный шарик, непосредственно контактирующий с испытуемым материалом. Внутри индентора находится постоянный магнит. При пересечении магнитным полем витков катушки в последней наводится э.д.с., пропорциональная скорости движения индентора.

Измеряемая твердость является функцией отношения сигналов U1 и U2:

, (9)

где U1- скорость сброса; U2- скорость отскока.