Залежність діаметра кульки й навантаження від матеріалу й товщини досліджуваного зразка

Показником твердості є число твердості за Брінеллем, що позначається НВ (Н – Hardness, англ. – твердість, В – початкова літера назви метода Brinell).

Число твердості НВ є відношенням навантаження Р до площі поверхні S одержуваного відбитка (сферичного сегмента):

НВ = ,

Число твердості НВ вираховують за формулою:

НВ =

Однак розрахунків щоразу не роблять, використовуючи для зручності спеціально розраховану табл. 3.2.

Твердість за Брінеллем виражається в кгс/мм² (значення твердості за Брінеллем звичайно дають, не вказуючи розмірності, наприклад НВ 350)

Якщо навантаження Р виражається в ньютонах, то число твердості НВ виражається в МПа, при цьому розмірність записується так: НВ 3600 МПа.

Методом Брінелля можна випробовувати матеріали з твердістю не більше НВ 450. При більшій твердості досліджуваного матеріалу кулька, що втискується, деформується і результати випробування спотворюються.

Між межею міцності s_в, МПа, різних металів і числом твердості НВ існує така приблизна залежність:s_в = k•НВ, де k – коефіцієнт, що залежить від природи матеріалу.

Таблиця 3.2. Числа твердості при випробовуванні різними методами

Твердість за Брінеллем визначають на пресах з гідравлічним ручним приводом або важільними приладами з ручним або механічним приводом. У нашій роботі використовується важільний прилад з механічним приводом, загальний вигляд і схему якого показано на рис. 3.2.

Масивна станина 1 має внизу підйомний гвинт 2, на який встановлюються змінні опорні столики 3 для досліджуваних зразків. Підйомний гвинт 2 переміщується обертанням маховика 4 вручну. У верхній частині станини є шпиндель 5; у цей шпиндель вставляються змінні наконечники 3 з кульками різних діаметрів відповідно до умов випробування. В головці станини розміщена пружина 7, на яку опирається шпиндель 5. Пружина призначена для того, щоб прикласти до зразка попереднє навантаження 100 кг і тим самим запобігти зміщенню зразка під час випробування.

Прес працює так: досліджуваний зразок, який повинен бути зачищений, мати рівну і гладеньку поверхню, встановлюється на столик 3 (рис. 4.2, б) відшліфованою поверхнею вверх. Поворотом вручну маховика 2 за годинниковою стрілкою столик приладу піднімається до кульки 6, закріпленій в оправці, до тих пір, поки маховик, що притискує кульку до зразка, не почне провертатися, що відповідає прикладеному попередньому навантаженню в 100 кг.

а	б в
Рис. 3.2. Загальний вигляд (а) і схема преса Брінелля з механічним приводом (б, в)

Головне навантаження прикладається до зразка шляхом важільної системи. На довгому плечі основного важеля 8 є підвіска 9, на яку накладають змінний вантаж 10. Комбінацією вантажів можна здійснити такі навантаження: 187,5 кг; 250; 500; 750; 1000 і 3000 кг. Прикладання навантаження відбувається автоматично. Обертання вала електродвигуна за допомогою черв’ячної передачі передається шатуну 12, при опусканні якого навантаження діє на шпиндель приладу. В момент прикладання головного навантаження загоряється сигнальна лампочка, яка знаходиться на передній панелі блоку керування приладом. При цьому блок керування приладом забезпечує точну величину навантаження й автоматично встановлює швидкість цього навантаження, його тривалість та виключає будь-яку можливість динамічного навантаження.

При досягненні потрібного навантаження обертання електродвигуна припиняється, а шатун 12 перемикає його напрям обертання в зворотний бік, унаслідок чого після вибраного часу перебування зразка під максимальним навантаженням, навантаження знімається зі шпинделя, і після повернення шатуна в початкове положення електродвигун автоматично вимикається.

Робота на пресі.Залежно від заданих умов випробування і роду зразків вибирають один із наконечників (додаються до приладу), в оправці яких знаходяться кульки діаметром 2,5; 5 або 10 мм і закріплюють його в шпинделі установочним гвинтом. Потім ручкою, що розміщена на передній панелі блоку керування приладом, установлюють необхідну тривалість витримки під навантаженням.

Досліджуваний зразок встановлюють на столик відшліфованою поверхнею вверх, і обертаючи маховик, піднімають його до наконечника з кулькою до тих пір, поки маховик не почне провертатися. Це свідчить про те, що попереднє навантаження в 100 кг прикладене повністю. Потрібно завжди повністю прикладати це навантаження, інакше хід шпинделя може виявитися недостатнім і результати випробування будуть неточними.

Далі вмикають електродвигун, обертання вала якого приводить у рух механізм шатуна, і навантаження плавно передається на зразок. Це навантаження діє протягом певного часу, звичайно 10…60 с, залежно від твердості досліджуваного матеріалу (див. табл. 3.1), після чого вал двигуна, обертаючись в інший бік, відповідно переміщує коромисло і знімає навантаження. Регулюванням реле двигуна можна змінювати час прикладання навантаження.

Після автоматичного вимкнення двигуна поворотом маховика проти годинникової стрілки опускають столик приладу, знімають зразок і вимірюють діаметр одержаного відбитка.

Вимірювання діаметра відбитка відбувається за допомогою спеціальної лупи або мікроскопа, які зазвичай дають збільшення від 10 до 50 разів (рис. 3.3, а).

Одержаний відбиток вимірюють лупою або мікроскопом у двох взаємно-перпендикулярних напрямах; діаметр відбитка визначається як середнє арифметичне із двох вимірювань.

Рис. 3.3. Схема вимірювання діаметру відбитка мікроскопом Брінелля

При випробуванні кулькою діаметром 10 або 5 мм розмір відбитка вимірюється спеціальною лупою з поділками з точністю до 0,05 мм; при випробуванні кулькою діаметром 2,5 мм діаметр відбитка вимірюється спеціальним мікроскопом з точністю 0,01 мм.

Лупа (рис. 3.3, б) має шкалу, малі поділки якої рівні 0,05 мм. Лупу нижньою опірною частиною потрібно щільно встановити на досліджувану поверхню зразка над відбитком (рис. 3.3, в); якщо лупа не має спеціального джерела для освітлення поверхні, виріз (вікно) в нижній частині лупи потрібно повернути до світла. Повертаючи окуляр, потрібно добитися, щоб краї відбитка були чітко окреслені.

Пересуваючи лупу, потрібно один край відбитка сумістити з початком шкали (рис. 3.3, г); прочитати поділку шкали, з якою збігається протилежний край відбитка. Цей відлік і буде відповідати розміру діаметра відбитка (на рис. 3.3, г, діаметр відбитка рівний 4,20 мм). Потім лупу або зразок повернути на 90˚ і виміряти діаметр відбитка вдруге. Середнє арифметичне цих двох вимірювань і буде діаметром відбитка.

Вимірювання твердості методом Роквелла(за іменем американського металурга С.П.Роквелла) виконують шляхом втискування у досліджувану поверхню спеціального наконечника (див. схему на рис. 3.4) під дією двох послідовно прикладених навантажень – попереднього 10 кг і загального (попереднє + головне 60, 100, або 150 кг). Різниця глибин, на які проникає наконечник під дією двох навантажень,характеризує твердість досліджуваного об’єкта.

Залежно від умов випробування можуть використовуватися такі наконечники: 1) стальна кулька діаметром 1,588 мм;

2) алмазний конус з кутом при вершині 120˚.

Найпоширенішими є такі комбінації наконечників і навантажень:

Шкала А. Алмазний наконечник у вигляді конуса з кутом біля вершини 120˚; загальне навантаження 10 + 50 = 60 кг. Ця шкала застосовується для випробування металів з твердістю більшою HRC 70 (як наприклад, надтвердих сплавів карбідів вольфраму тощо), для тонкого твердого листового матеріалу, а також для тих випро-бувань, при яких вимагається визначити твердість лише тонкого верхнього шару поверхні.

Шкала С. Алмазний наконечник у вигляді конуса з кутом біля вершини 120˚; загальне навантаження 10 + 140 = 150 кг. Ця шкала застосовується для визначення твердості термічно обробленої сталі. Діапазон застосування шкали С починається з HRC 20 і закінчується HRC 67. При випробуванні зразків з твердістю меншою за HRC 20 алмаз надто глибоко проникає в зразок, і результати одержуємо недостатньо точні. При твердості зразка HRC 70 на кінець алмаза створюється надто великий тиск, і він може викришуватися.

Шкала В.Наконечник з кулькою діаметром 1,588 мм, загальне навантаження 10 + 90 = 100 кг. Шкала В служить для випробування металів середньої твердості. У цієї шкали робоча ділянка знаходиться в межах від HRB 25 до HRB 100.

Твердість за Роквеллом число безрозмірне і виражається в умовних одиницях. Залежно від того, чим і при якому навантаженні відбувається випробування, тобто за якою шкалою А, В або С, число твердості позначається HRА, HRВ, HRC. Наприклад, HRC 50 (твердість 50 за шкалою С).

Між значеннями HRА і HRC встановлена така залежність: HRC = 2HRА – 104.

Твердість за Роквеллом вимірюють на приладі (рис. 3.5), в нижній частині нерухомої станини якого встановлений столик 1.

У верхній частині станини закріплені індикатор 6, масляний регулятор 2 і шток 5, в якому фіксується наконечник з алмазним конусом, що має кут при вершині 120°, або зі стальною кулькою діаметром 1,588 мм. Індикатор - це циферблат, на якому нанесені дві шкали (чорна і червона) і є дві стрілки - велика (показник твердості), що обертається по шкалі, і маленька для контролю величини попереднього навантаження, що надається обертанням маховика 2.

При обертанні штурвала 2 стискується пружина 4 і кулька або алмаз починають вдавлюватися в досліджуваний зразок; а при подальшому підйомі столика починають обертатися стрілки на циферблаті. Штурвал 2 обертають до тих пір, поки мала стрілка на циферблаті не дійде до червоної крапки. Це означає, що наконечник вдавився в зразок у результаті дії попереднього навантаження, рівного 10 кг. Попереднє навантаження викликають для того, щоб виключити вплив пружної деформації і різного ступеня шорсткості поверхні зразка на результати вимірювань. Коли зразок одержує попереднє навантаження 10 кг, більша стрілка на циферблаті займає вертикальне положення або близьке до нього. Для точності вимірювань потрібно, щоб велика стрілка вказувала на цифру 0 на чорній шкалі циферблата. Якщо положення більшої стрілки не збігається точно з цифрою 0, то, не змінюючи величини попереднього навантаження і, отже, не обертаючи маховик, повертають шкалу індикатора (круг циферблата) так, щоб цифра 0 на чорній шкалі циферблата перемістилася і збіглася з великою стрілкою, відхилення якої від вертикалі допускається в межах ± 5 одиниць шкали. Суміщення великої стрілки циферблата з нулем чорної шкали зі значком С проводиться незалежно від того, що вдавлюється в досліджуваний зразок – кулька або алмазний конус. Суміщення великої стрілки з нулем червоної шкали зі значком В не проводиться ні в якому разі.

а)

Рис. 3.5. Загальний вигляд (а) і схема (б) вимірювання твердості заРоквеллом

Якщо столик зі зразком був випадково піднятий надто високо, і мала стрілка індикатора перейшла за червону крапку, потрібно вибрати на досліджуваній поверхні друге місце і розпочати випробування спочатку.

Важільна система 6 (рис. 3.5, б) є важелем другого роду зі співвідношенням плечей 1:20, тому дійсна вага важків 7 - 9, що створюють навантаження, в 20 разів менша їх умовної ваги. Постійний вантаж 7 створює навантаження 50 кг; якщо на постійний вантаж 7 накладається вантаж 8 (40 кг), що має на торці червоне коло, тоді створюється навантаження 90 кг; якщо на постійний вантаж 7 накладається вантаж 8 і 9 (50 кг), тоді створюється навантаження 140 кг. Для прикладання основного навантаження звільняють рукоятку 5 і тоді важільна система разом з вантажем плавно опускається і наконечник 3 вдавлюється в досліджуваний предмет. Плавне опускання важеля 6 досягається за допомогою масляного гальма 10. Таке переміщення рукоятки надає досліджуваному зразку через важіль основне навантаження. При цьому навантаженні більша стрілка переміщується на циферблаті вліво, проти годинникової стрілки. Час прикладання основного навантаження повинен бути мінімальним і не переважати 1 с. Потім рукоятку приладу плавно переводять у вихідне положення і тим самим знімають додаткове навантаження, але залишають попереднє. Велика стрілка переміщується на циферблаті за годинниковою стрілкою. Цифра, яку вказує на шкалі циферблата велика стрілка, є числом твердості за Роквеллом. Цю цифру записують і, обертаючи маховик приладу зі зразком, знімають тим самим попереднє навантаження.

При випробуванні кулькою відлік проводиться за червоною шкалою і твердість позначається HRВ; при випробуванні алмазним конусом під навантаженням 150 кг відлік проводиться по чорній шкалі і позначається HRС; при випробуванні алмазним конусом під навантаженням 60 кг відлік проводиться по чорній шкалі і позначається HRА.

Прилад вимірює глибину відбитка алмазного конуса (стальної кульки) або, точніше, різницю між глибиною відбитків, одержаних від вдавлювання наконечника під дією основного навантаження і від вдавлювання при попередньому навантаженні. Кожна поділка (одиниця шкали) індикатора відповідає глибині вдавлювання в 2 мкм. Однак стрілка індикатора відмічає не вказану величину глибини вдавлювання h , а величину 150-h на чорній шкалі при вимірюванні алмазним конусом і величину 100-h на червоній шкалі при вимірюванні кулькою. Чим твердіший досліджуваний матеріал і, отже, менше h, тим більшим повинно бути число твердості. Навпаки, чим м’якший досліджуваний матеріал і більша величина h, тим менше число твердості, тобто числа твердості за Роквеллом зростають зі збільшенням твердості матеріалу, що дозволяє порівняти числа Роквелла з числами Брінелля. Водночас числа твердості за Роквеллом не мають тієї ж розмірності, того самого фізичного змісту, який мають числа твердості за Брінеллем. Однак числа твердості за Роквеллом можна перерахувати на числа твердості за Брінеллем за допомогою табл. 3.2.

Для роботи на приладі спочатку потрібно дібрати наконечник, вставити його в отвір шпинделя і закріпити установочним гвинтом, після чого вибрати опірний столик відповідно до конфігурації досліджуваного зразка або виробу і встановити його в отвір підйомного гвинта. Далі підвішують вантаж відповідно до вибраного наконечника і шкали, за якою передбачене проведення дослідження (табл. 3.3).

Твердість дуже тонких шарів металу (товщиною менше 0,3 мм) із зазначеними навантаженнями 60…150 кг виміряти неможливо, оскільки алмазний конус проникає на глибину, яке переважає товщину цих шарів. Водночас, зі збільшенням твердості досліджуваного матеріалу глибина відбитка зменшується, внаслідок чого знижується точність вимірювання (особливо для металів із твердістю більше HRC 60). З цією ж метою іноді застосовують прилади типу суперроквелл, у яких твердість вимірюють з меншим навантаженням і з меншою глибиною вдавлювання. Попереднє навантаження складає 3 кг, а кожна поділка (одиниця шкали) індикатора відповідає глибині вдавлювання, рівній 1 мкм. Тому чутливість цих приладів помітно вища.

Таблиця 3.3. Умови для випробування за Роквеллом

Відстань від центра відбитка до краю зразка або до центра другого відбитка повинна бути не менша 1,5 мм при вдавлюванні конуса і не менше 4 мм при вдавлюванні кульки. Товщина зразка повинна бути не менше 10-кратної глибини відбитка. Твердість вартовимірювати не менше ніж у трьох точках (особливо алмазним конусом), тобто не менше ніж три рази на одному зразку. Для розрахунку краще приймати середнє значення результатів другого і третього вимірювань і невраховувати результат першого вимірювання.

Перевагою способу Роквелла є швидкість вимірювання. Застосування алмазного конуса дозволяє вимірювати твердість загартованої сталі й інших дуже твердих матеріалів, тонких виробів або поверхневого шару товщиною до 0,4 мм (шкала А) і до 0,7 мм (шкали В і С).

Недоліком при вимірюванні твердості методом Роквелла є те, що необхідна ретельна підготовка поверхні – шліфування. На приладі Роквелла, де глибина відбитка мала і її вимірюють з точністю до 0,002 мм (ціна поділки – умовна одиниця твердості), можуть чинити вплив забруднення, вібрація й інші умови виробництва.

Вимірювання твердості методом Віккерса (за назвою англійського військово-промислового концерну «Віккерс») виконують шляхом статичного втискування в досліджувану поверхню алмазної чотиригранної піраміди з кутом α = 136° між протилежними гранями (рис. 3.6, б). Твердість за Віккерсом HV, так само як і за Брінеллем, визначається як зусилля, що діє на одиницю поверхні відбитка, тобто відношенням навантаження Р,що дієна піраміду,до площі бокової поверхні відбитка S:

де d – середнє арифметичне довжини обох діагоналей відбитка, після знімання навантаження, мм; Рнавантаження на піраміду.

а б

Рис. 3.6. Загальний вигляд (а) і схема (б) вимірювання твердості за Віккерсом

Числа твердості за Віккерсом і за Брінеллем мають однакову розмірність, і для матеріалів твердістю до НВ 450 практично збігаються. Водночас вимірювання пірамідою дають більш точні значення для металів з великою твердістю, ніж вимірювання кулькою або конусом. Алмазна піраміда має великий кут у вершині (136°), а діагональ її відбитка наближено в 7 разів більша за глибину відбитка, що підвищує точність вимірювання відбитка навіть при проникненні піраміди на невелику глибину. Усе це робить такий спосіб особливо придатним для визначення твердості тонких або дуже твердих сплавів, а також твердості поверхневих шарів, наприклад, при зневуглецюванні, поверхневому наклепі, цементації тощо.