Измерение твердости металлов по методу Бринелля

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Историческая справка

Метод предложен шведским инженером Юханом Августом Бринеллем (1849-1925) в 1900 году, и стал первым широко используемым и стандартизированным методом определения твёрдости в материаловедении.

Этот метод относится к методам вдавливания. Испытание проводится следующим образом: вначале дают небольшую предварительную нагрузку для установления начального положения индентора на образце, затем прилагается основная нагрузка, образец выдерживают под её действием, измеряется глубина внедрения, после чего основная нагрузка снимается. При определении твёрдости методом Бринелля, в отличие от метода Роквелла, измерения производят до упругого восстановления материала. Индентор (полированный закалённый стальной шарик) вдавливают в поверхность испытуемого образца (толщиной не менее 4 мм) с регламентированным усилием. Через 30 с после приложения нагрузки измеряют глубину отпечатка. В другом варианте усилие прилагается до достижения регламентированной глубины внедрения. Твёрдость по Бринеллю HB рассчитывается как «приложенная нагрузка», делённая на «площадь поверхности отпечатка» (1)

(1)

где - приложенная нагрузка, Н;

- диаметр шарика, мм;

- диаметр отпечатка, мм,

Нормативными документами определены диаметры индентора, время экспозиции, глубина внедрения индентора.

1. В России регламентированные нагрузки 49 Н, 127 Н, 358 Н, 961 Н, диаметр шарика 5 мм, глубины внедрения от 0,13 до 0,35 мм.

2. В разных спецификациях эти значения различны.

3. Наиболее распространённые диаметры шарика - 10, 5, 2,5 и 1 мм и нагрузки 187,5 кгс, 250 кгс, 500 кгс, 1 000 кгс и 3 000 кгс.

4. Для выбора диаметра шарика обычно используют следующее правило: диаметр отпечатка должен лежать в пределах 0,2-0,7 диаметра шарика.

5. В методиках ISO и ASTM объединены метод с одним шариком и разными нагрузками и метод с применением разных шариков, а также дана формула вычисления твёрдости, не зависящей от нагрузки.

Твёрдость по шкале Бринелля выражают в кгс/мм?.

Для определения твёрдости по методу Бринелля используют различные твердометры, как автоматические, так и ручные.

Таблица 1. Значения твёрдости для различных материалов

Материал	Твёрдость
Мягкое дерево, например сосна	1,6 HBS 10/100
Твёрдое дерево	от 2,6 до 7,0 HBS 10/100
Алюминий	15 HB
Медь	35 HB
Дюраль	70 HB
Мягкая сталь	120 HB
Нержавеющая сталь	250 HB
Стекло	500 HB
Инструментальная сталь	650-700 HB

Недостатки

1. Метод можно применять только для материалов с твердостью до 450 HB, если применять стальной закаленный шарик. Как альтернатива, применяют шарики из твёрдого сплава на основе карбида вольфрама (WC), это позволяет повысить верхний предел измерения твёрдости до 600 HBW.

2. Твёрдость по Бринеллю зависит от нагрузки, так как изменение глубины вдавливания не пропорционально изменению площади отпечатка.

3. При вдавливании индентора по краям отпечатка из-за выдавливания материала образуются навалы и наплывы, что затрудняет измерение как диаметра, так и глубины отпечатка.

4. Из-за большого размера тела внедрения (шарика) метод неприменим для тонких образцов.

Преимущества

1. Зная твёрдость по Бринеллю, можно быстро найти предел прочности и текучести материала, что важно для прикладных инженерных задач.

2. Так как метод Бринелля - один из самых старых, накоплено много технической документации, где твёрдость материалов указана в соответствии с этим методом.

3. Данный метод является более точным по сравнению с методом Роквелла на более низких значениях твёрдости (ниже 30 HRC).

4. Также метод Бринелля менее критичен к чистоте подготовленной под замер твёрдости поверхности

Закон Гука

Закон Гука - уравнение теории упругости, связывающее напряжение и деформацию упругой среды. Открыт в 1660 году английским учёным Робертом Гуком (Хуком). Поскольку закон Гука записывается для малых напряжений и деформаций, он имеет вид простой пропорциональности.

Для тонкого растяжимого стержня закон Гука имеет вид: (2)

F=-k?l (2)

Здесь F сила натяжения стержня, Дl - его удлинение (сжатие), а k называется коэффициентом упругости (или жёсткостью). Минус в уравнении указывает на то, что сила натяжения всегда направлена в сторону, противоположную деформации. Коэффициент упругости зависит как от свойств материала, так и от размеров стержня. Можно выделить зависимость от размеров стержня (площади поперечного сечения S и длины L) явно, записав коэффициент упругости как

Связь между напряжениями и деформациями впервые была сформулирована Робертом Гуком в 1678 году. Согласно закону Гука деформации пропорциональны нагрузке. При растяжении и сжатии закон Гука выражает прямую пропорциональность между напряжением и деформацией (3)

?=?·E(3)

Коэффициент , входящий в формулу, называют модулем упругости первого рода. Его определяют опытным путем. Он характеризует способность материала сопротивляться деформации. На основании закона Гука можно получит формулу для определения абсолютной деформации:

(4)

где l - длина стержня в мм.

Опытным путем определяют и другие механические характеристики материала:

Предел пропорциональности ;

Предел текучести ;

Предел прочности .

При напряжении материал перестает подчиняться закону Гука; при в материале появляются заметные деформации; при напряжении материал разрушается.

Важным свойством материала, по которому судят о его прочности, является твердость. Под твердостью материала понимают его способность сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела. Число твердости по Бринеллю представляет отношение силы , с которой вдавливается шарик, и площади поверхности лунки, образованной шариком. Обозначают твердость буквами (Hart - твердость) и (Бринелль), после которых стоит число, характеризующее ее значение (например, 300).

Напряжения, при которых появляются пластические деформации (если материал пластичен) или признаки хрупкого разрушения (если материал хрупкий), называют предельными.

Для безопасной работы детали напряжения, в ней возникающие, должны быть меньше предельных. Наибольшие напряжения, при которых обеспечивается прочность, и долговечность детали называют допускаемыми.

(6)

Где n-коэффициент запаса прочности. Обычно n=1,2…2,5.

Расчетные уравнения для растяжения и сжатия имеет вид

(7)

2. Общие сведения об испытаниях на твердость

Твёрдость - свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела - индентора.

Твёрдость определяется как отношение величины нагрузки к площади поверхности или объему отпечатка. Различают поверхностную и объемную твёрдость:

1. Поверхностная твёрдость - отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка;

2. Объёмная твёрдость - отношение нагрузки к объёму отпечатка.

Различают также восстановленную и невосстановленную твёрдость. Восстановленная твёрдость определяется как отношение нагрузки к площади или объему отпечатка, а невосстановленная твёрдость определяется как отношение силы сопротивления внедрению индентора к площади или объему внедренной в материал части индентора.

Твёрдость измеряют в трёх диапазонах: макро, микро, нано.

Макродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор от 2Н до 30кН.

Микродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор до 2 Н и глубину внедрения индентора больше 0,2 мкм.

Нанодиапазон регламентирует только глубину внедрения индентора, которая должна быть меньше 0,2 мкм. Часто твердость в нанодиапазоне называют нанотвердостью.

Измеряемая твердость, прежде всего, зависит от нагрузки, прикладываемой к индентору. Такая зависимость получила название размерного эффекта, в англоязычной литературе - indentation size effect. Характер зависимости твердости от нагрузки определяется формой индентора:

1. Для сферического индентора - с увеличением нагрузки твердость увеличивается - обратный размерный эффект;

2. Для индентора в виде пирамиды Виккерса или Берковича - с увеличением нагрузки твердость уменьшается - прямой или просто размерный эффект

3. Для сфероконического индентора (типа конуса для твердомера Роквелла) - с увеличением нагрузки твердость сначала увеличивается, когда внедряется сферическая часть индентора, а затем начинает уменьшаться (для сфероконической части индентора).

В результате вдавливания индентора достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки на поверхности испытуемого металла остается отпечаток (лунка).

Определение площади поверхности шарового отпечатка путем измерения его глубины являются вполне правомерными; расчетная формула для определения НВ примет вид (7):

HB= (8)

Величина внедрения наконечника в поверхность металла

будет тем меньше, чем тверже испытуемый материал.

Наиболее популярные из указанных выше методов определения твердости регламентированы соответствующими ГОСТами (метод измерения по Бринеллю - ГОСТ 9012-59, приложение табл. 1)

Косвенно твердость также может зависеть от:

1. Межатомных расстояний.

2. Координационного числа - чем выше число, тем выше твёрдость.

3. Валентности.

4. Природы химической связи

5. От направления (например, минерал дистен - его твёрдость вдоль кристалла 4, а поперёк - 7)

6. Хрупкости и ковкости

7. Гибкости - минерал легко гнётся, изгиб не выпрямляется (например, тальк)

8. Упругости - минерал сгибается, но выпрямляется (например, слюды)

9. Вязкости - минерал трудно сломать (например, жадеит)

10. Спайности

11. и ряда других физико-механических свойств материала.

Также под твердостью понимают свойство материала сопротивляться проникновению в него другого не получающего остаточных деформаций тела. Испытание на твердость - наиболее массовое высокопроизводительное неразрушающее испытание материалов является надежным и универсальным методом физико-химического анализа свойств исследуемого материала. Испытания на твердость и микротвердость охватывают практически неограниченный круг материалов от самых мягких (например, графит) до ультратвердых (алмаз, карбиды и пр.).

Испытания на микротвердость дает возможность получать пластичные неразрушенные отпечатки на самых хрупких материалах (минералы, стекло и пр.) из которых невозможно приготовить образцы для других механических испытаний.

Измерение твердости производится специальными приборами - твердомерами, позволяющими измерять твердость как в ограниченном объеме (измерение в микрообъемах, нитевидных кристаллов, тонких поверхностных слоев и пр.), так и измерение твердости многотонных отливок и крупногабаритных деталей переносными твердомерами. Известно более 30 способов измерения твердости и микротвердости, которые можно классифицировать следующим образом:

1. Способы, основанные на вдавливании жесткого наконечника в виде шара конуса, пирамиды, цилиндра, лезвия и пр. в испытуемое тело, обычно с плоской поверхностью;

2. Способы, основанные на царапании испытуемого тела: набором эталонных образцов различной твердости; жестким наконечником в виде шара, конуса, пирамиды и пр.;

3. Способы, основанные на колебании маятника, опирающегося жестким наконечником.

4. Определенной формы (обычно шар) на испытуемое тело. Измеряют время 10 качаний, амплитуду одного качания, время затухания колебаний до заданной амплитуды и т.д.

Наиболее распространенными способами измерения твердости являются измерения по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу и Шору.

Величина твердости и ее размерность для одного и того же материала зависит от примененного способа измерения. При этом пересчет значений твердости, определенных различными способами производится по таблицам или эмпирическим формулам.

В методическом указании представлены способы измерения твердости изделий по методу Бринелля, Роквелла и Виккерса.

твердость бринелль деформация текучесть

Таблица 2. Определение твердости различных материалов методом Бринелля

Материал	Интервал чисел твердости по Бринеллю, НВ	Толщина испытуемого образца, мм	Диаметр шарика, мм	Нагрузка, кН	Выдержка под нагрузкой, с
Черные металлы	130…450	От 6 до 3 вкл.	10	29420	От 10 до 15
		От 4 до 2 вкл.	5	7355
		Менее 2	2,5	1839
	140 и менее	Более 6	10	9807
		От 6 до 3 вкл.	5	2452
Цветные металлы и сплавы (медь, латунь, бронза и т.д.)	130 и более	От 6 до 3 вкл.	10	29420	От 10 до 180
		От 4 до 2 вкл.	5	7355
		Менее 2	2,5	1839
	35…130	От 9 до 3 вкл.	10	9807
		От 6 до 3 вкл.	5	2452
Цветные металлы и сплавы (алюминий, подшипниковые сплавы и т.д.)	8…35	Более 6	10	2452
Олово, свинец	4…20	Более 6	10	981
Алюминий, магний и их сплавы	16…100	От 6,4 до 1 вкл.	10	4903
				1226
Титан губчатый	ГОСТ 9853.8-79		10	14710	30

Прибор ТШ-2

Определение твердости HB производится на прессе Бринелля (твердомер типа ТШ) в следующем порядке. Испытываемый образец (деталь) устанавливают на столике шлифованной поверхностью кверху. Поворотом маховика по часовой стрелке столик прибора поднимают так, чтобы шарик мог вдавиться в испытываемую поверхность. Маховик вращают до упора, и нажатием кнопки включают электродвигатель. Двигатель перемещает коромысло и постепенно нагружает шток с закрепленным в нем шариком. Шарик под действием нагрузки, 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 против часовой стрелки, опускают столик прибора и снимают образец.

Приспособление состоит из специальной втулки, закрепленной на корпусе прибора ТШ-2 специальными винтами (для крепления используются резьбовые отверстия, имеющиеся на передней стенке твердомера ТШ-2), шарнирного кронштейна, в котором неподвижно закреплен индикатор часового типа с ножкой, заканчивающейся шаровым индентором, закрепленным в обойме. Обойма с индентором крепится на ножке индикатора с помощью резьбы. Кольцо закреплено в штоке нагружающего устройства прибора ТШ-2 и опирается снизу на обойму индентора 4, служащую окончанием ножки индикатора. 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.

Твердомер ТШ-2 предназначен для измерения твердости по Бринеллю металлов и сплавов в пределах НВ 100-300.

Индикаторный прибор служит для отсчета числа твердости. На его циферблате нанесены две шкалы: красная В и черная С, имеющие по 100 делений каждая.

Шкала В смещена относительно шкалы С на 30 делений в направлении, противоположном движению стрелки индикатора при внедрении наконечника.

Пределы измерения твердости 8-300НВ. Испытательные нагрузки - 187.5; 250; 750; 1000; 3000 кгс. Предел допускаемой погрешности нагрузок не должен быть более ±1%.

Предел допускаемого значения вариации нагрузок не должен быть более 1%.

Отклонение среднего значения числа твердости, полученного на поверяемом приборе, от средней твердости образцовой меры 2 разряда МТБ, ТУ25.06.1333-76 не должно быть:

при НВ 100±25 и нагрузке 1000 кгс +5%

при НВ 200±50 и нагрузке 3000 кгс ±4%

Вариация показаний прибора при поверке его образцовыми мерами твердости 2 разряда МТБ, ТУ25.06.1333-76 не должна быть:

при НВ 100±25 и нагрузке 1000 кгс 5%

при НВ 200±50 и нагрузке 3000 кгс 4%

Продолжительность выдержки испытуемого образца под нагрузкой 10±2; 30±4; 60+6 сек.

Диаметры стальных шариков 2, 5; 5, 0; 10, 0 мм. Допускаемые отклонения по ГОСТу 3722-60 степени точности 1 группы В.

Размеры рабочего пространства:

расстояние от наконечника до стола прибора должно изменяться от 0 до 250, 0 мм и более;

расстояние от центра отпечатка до станины не должно быть менее 125, 0 мм

Подготовка и работа на приборе

Перед проведением экспериментальных исследований по определению твердости по методу Бринелля проводят проверку пресса образцовыми мерами твердости типа МТБ (ГОСТ 9031-75). Стандарт регламентирует образцовые меры твердости в зависимости от способа измерения прямоугольные и круглые меры для измерений твердости по методам Бринелля, Роквелла, Супер-Роквелла и Виккерса. Необходимо провести три замера твердости меры дляпроверки точности показаний прибора.

Далее выполняются замеры 10 значений твердости образцов выданных преподавателем для дальнейшей статистической обработки по программе.

Измерения проводятся по следующей схеме:

1. Опустить столик на высоту заготовки перед проведением нагружения.

2. Установить заготовку на столик пресса.

3. Вращая гайку стола прижать поверхность заготовки к индентору (шарику). При этом стрелка индикатора выводится в показание «0».

4. Вращая рукоятку пресса, нагрузить заготовку расчетным значением нагрузки. Выбор нагрузки производится в соответствии с материалом заготовки и диаметром шарика

5. Выдержать нагрузку в соответствии.

6. Вращением рукоятки пресса в обратном направлении снять приложенную нагрузку.

7. Установить заготовку на предметный столик микроскопа УИМ-21.

8. Настроить поверхность с отпечатком в фокальной плоскости микроскопа.

9. Выставить систему координат (вертикальную визирную линию) касательно левой (правой) стороны отпечатка.

10. Измерить показания прибора.

11. Переместить вертикальную визирную линию на правую (левую) сторону отпечатка.

12. Измерить показания прибора.

Поверхность образца должна быть отшлифована так, чтобы края отпечатка были достаточно отчетливы для измерения его диаметра с требуемой точностью (0,01-0,05 мм). Эти измерения проводят либо на инструментальных микроскопах, либо с помощью измерительной лупы. Диаметр отпечатка измеряется в двух взаимно перпендикулярных направлениях и Толщина образца должна не менее, чем в 8 раз превышать глубину отпечатка.

Последовательность измерения твердости по Бринеллю

Измерение твердости проводят при температуре 20°С. При измерении твердости прибор должен быть защищен от ударов и вибрации. Опорные поверхности столика и подставки, а также опорные и рабочие поверхности образца должны быть очищены от посторонних веществ (окалины, смазки и др.) Образец должен быть установлен на столике или подставке устойчиво во избежание его смещения и прогиба во время измерения твердости.

Подготовка образца, выбор условий испытания, получение отпечатка, измерение отпечатка и определение числа твердости производится в строгом соответствии ГОСТ 9012-59 (в редакции 1990 г.). Необходимые для замера твердости значения выбираются из таблиц этого ГОСТа.

Выбирают диаметр шарика D из трех стандартных значений (10; 5; 2,5 мм).

Выбрав по таблице нагрузку и соответствующий диаметр шарика, включают электродвигатель, и после остановки кладем образец на испытательный столик и вращением маховика поджать к шарику до тех пор, пока он не упрется в ограничитель. Поджимаем образец маховиком к шарику.

По окончанию испытания отпечаток с помощью микроскопа замиряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Затем определяется среднее арифметическое из двух измерений, разница измерений не должна превышать 2%.

Для определения величины разброса показаний прибора необходимо на одном и том же образце произвести по три испытания при каждой нагрузке.

После трех испытаний при одной нагрузке определяют среднюю твердость образца.

Полученное значение твердости записывают в виде 125 HB или более подробно - 125 HB 10/3000/10. Здесь указаны условия измерения D = 10 мм, P = 3000 кГ, время нагружения 10 с.

После измерения твердости на обратной стороне образца не должно наблюдаться пластической деформации от отпечатка.

После проведения лабораторной работы, заполнить протокол.

Проверка выдержки образца под нагрузкой

Время выдержки образца под нагрузкой при испытании твердых металлов 30-60 сек.

Выдержка под нагрузкой проверяется секундомером. Допуск на время выдержки устанавливается для 10 сек: ± 2 сек; 30 сек: ± 4 сек; 60 сек: ± 6 сек.

Заключение

Применение методов механических испытаний на твердость в настоящее время получило чрезвычайно широкое распространение. Они позволяют:

1. Легко и быстро испытывать ограниченно малые объемы металла;

2. Проводить механические испытания тогда, когда практически никакие другие способы по тем или иным причинам использовать нельзя;

3. Испытывать материалы практически без повреждаемости (другие методы механических испытаний сопровождаются безвозвратным повреждением испытуемого образца материала);

4. Использовать образцы с предварительной обработкой только малого участка поверхности материала;

5. Определять твердость в микросечениях и микрообъемах, например в структурных составляющих, отдельных фазах или слоях материала;

6. Использовать компактные портативные приборы, позволяющие выполнять измерения на действующих трубопроводах;

Список литературы

1. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М.: Металлургия, 1983.-384 с.

2. Паисов И.В. Пособие к лабораторным работам по материаловедению и термической обработки металлов, М., Металлургия, 1968, 95 с.

3. Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин. «Материаловедение», М, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001 год, 632 стр.

4. Материаловедение и технология металлов: Учеб. Для студентов машиностроительных спец. вузов. Под ред. Г.П. Фетисова. - М.: Высш. шк., 2002. - 638 с.

5. Петренко Ю.А. Материаловедение. Методические указания по выполнению контрольных и курсовых работ для студентов специальностей 190603.65 (230100), 150408.65 (230300), 100101.65 (2307.12). - СПб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2006. - 115 с.

6. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Структура и механические свойства металлов.-М., 1980.

7. Механические свойства металлов: учебное пособие/ М.Л. Берштейн, В.А. Займовский. - М., 1979. - 495 с.

8. Геллер Ю.А. Рахштадт А.Г. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи. М.: Металлургия, 1984 г.

Размещено на Allbest.ru