Metodichka_k_laboratornym_po_materialovedeniyu

твердостью 140 и более единиц по Бринеллю уменьшение величины твердости составляет: 1…2 единицы – для шариков диаметром 5,0 мм; 2…3 единицы – для шариков диаметром 2,5 мм и т.д. по сравнению с твердостью, полученной при испытании металла шариком диаметром 10,0 мм.

Измерения твердости проводят при температуре 0С. При разно-

гласиях в оценке качества металлопродукции измерения проводят при температуре 0С.

Образец должен быть установлен на плоский стол или подставку пресса Бринелля устойчиво, без перекосов во избежание его смещения и прогиба во время испытания твердости. При твердости металлов до 450 единиц по Бри-

неллю для измерения применяют как стальные шарики, так и шарики из твер-

дого сплава; при твердости металлов более 450 единиц – шарики только из твердого сплава.

Усилие устанавливают в зависимости от коэффициента подобия испы-

таний и диаметра шарика . В приложении 1 помещена таблица, в которой приведены значения коэффициентов для пяти групп металлов. Коэффициент представляет собой отношение усилия к квадрату диаметра шарика и опреде-

ляется по формулам (1.7) и (1.8):

Первая группа металлов (см. приложение 1) содержит сталь, чугун, высо-

копрочные сплавы (на основе никеля, кобальта и др.). В этой группе – две под-

группы металлов по твердости: первая подгруппа металлов с твердостью по Бринеллю до 140 единиц имеет коэффициент ; вторая под-

группа металлов с твердостью по Бринеллю 140 и более единиц имеет коэффи-

циент . Следует подчеркнуть, что значение выбранного коэф-

фициента распространяется на все диаметры шариков при испытании данно-

го металла.

10

Пользуясь формулой (1.8), при выбранных значениях и легко опре-

делить по формуле (1.9):

Диаметр шарика и соответствующее усилие выбирают таким обра-

зом, чтобы диаметр отпечатка неходился в пределах от 0,24 до 0,6 .

Приведем пример. Углеродистая конструкционная сталь имеет твердость

по Бринеллю		229	единиц. Из	приложения	1 выбираем		значение
	.
Если	толщина		испытуемого	образца	позволяет применить			шарик
,	то	по	формуле (1.9) усилие		на	шарик	должно	быть
			. В этом случае после испытания получим сред-
нее значение диаметра отпечатка				(см. приложение 5).
Если	толщина		испытуемого	образца	позволяет применить			шарик
, то по формуле (1.9) усилие на шарик должно быть в 4 раза меньше,
т.е.		или	. В этом случае после испытания получим
среднее значение диаметра отпечатка					(	будет немногим более 2

мм, что приведет к снижению величины твердости по Бринеллю примерно на

1…2 единицы по сравнению с испытанием этой же стали шариком		).
Принципиальная схема пресса Бринелля показана на рис. 1.2. Прибор со-
держит следующие механизмы, смонтированные на литой чугунной станине:
1	Механизм привода, состоящий из электродвигателя и двухступенчатого
червячного редуктора.
2	Механизм подъема стола.
3	Механизм шарнирного четырехзвенника.
4	Механизм нагружения шарика.
5	Механизм переключения направления движения (реверсирования).

Последовательность операций при проведении испытаний металлов

на твердость на прессе Бринеллю заключается в следующем. На плоский стол или специальную подставку устанавливают подготовленный образец ме-

талла (см. рис. 1.2). Вращая маховик по часовой стрелке, поднимают стол с

11

		образцом до упора в огра-
		ничитель подъема.				При
		этом шарик, закрепленный
		на шпинделе, войдет в со-
		прикосновение		с	испы-
		туемым образцом и за счет
		сжатия	пружины		будет
		вдавливаться		в	металл
		предварительным усилием
		100 кгс. Нажимая на пус-
		ковую	кнопку,	включают
		механизм привода пресса.
		При этом приходит в дви-
		жение	механизм шарнир-
		ного рычажного четырех-
		звенника, который обеспе-
	1 – плоский стол; 2 – шарик; 3 – пружина;	чивает	работу	механизма
	4 – шпиндель; 5 – грузовой рычаг; 6 – механизм шар-
	нирного рычажного четырехзвенника;	нагружения. Грузовой ры-
	7 – механизм привода пресса; 8 – гири; 9 – механизм
	подъема стола	чаг с	подвешенными			ги-
	Рисунок 1.2 –Принципиальная схема
	пресса Бринелля	рями плавно		опускается,

передавая усилие на шпиндель с шариком. После плавного (статического) на-

гружения усилие достигает установленного значения. В этот момент загора-

ется сигнальная лампа прибора, и она должна гореть в течение определенного времени , соответствующего продолжительности выдержки образца под уси-

лием . По истечении времени сигнальная лампа гаснет, и происходит раз-

грузка шарика. При этом грузовой рычаг поднимается в исходное положение.

После цикла нагружения шарика, его выдержки под действием усилия и разгрузки происходит автоматическое отключение электродвигателя. Враще-

нием маховика против часовой стрелки опускают стол с образцом. На его по-

верхности будет получен сферический отпечаток. Расстояние между центром

12

отпечатка и краем образца должно быть не менее 2,5 диаметра отпечатка ;

расстояние между централи двух отпечатков должно быть не менее ; для металлов с твердость по Бринеллю до 35 единиц эти расстояния должны быть со-

ответственно и .

При разногласиях в результатах измерения твердости на образцах с криволинейной поверхностью длина и ширина изготовленной плоской площадки

должна быть не менее .

На одном образце металла должно быть проведено не менее двух опытов. Для учебных целей следует рекомендовать три опыта. Диаметр каждого отпечатка измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью микроскопа МПБ-2, который имеет 24-кратное увеличение (24). Длина измерительной шкалы микроскопа – 6,5 мм, цена деления шкалы – 0,05 мм.

После измерений для каждого отпечатка получают два значения его диа-

метра – и . За диаметр отпечатка принимается среднее арифметическое значение результатов измерений. При этом разность измерений диаметров одного отпечатка не должна превышать 2 % меньшего из них.

Результаты измерения твердости образцов металлов заносят в протокол №1 (см. приложение 6), содержание которого соответствует ГОСТу 9012-59. По среднему значению диаметра отпечатка определяют величину твердости по Бринеллю для каждого отпечатка по формулам (1.1) и (1.2) или по таблицам

приложения 5.	Затем определяют среднее	арифметическое	значение
, которое характеризует твердость по Бринеллю испытанного метал-
ла. Пользуясь	приложением 3, определяют	предел прочности	металла
	.

5 ОБОЗНАЧЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ ПО БРИНЕЛЛЮ После гармонизации ГОСТ 9012-59 с международными стандартами ИСО

6506-81 и ИСО 410-82 обозначения твердости металлов по Бринеллю существенно изменились, поэтому следует иметь ввиду, что прежние обозначения отменены и являются недействительными. Действующие обозначения твердости

13

металлов учитывают условия испытаний и позволяют воспроизводить указан-

ные условия при повторных измерениях.

Твердость по Бринеллю обозначают символом		при испытаниях
металлов стальным шариком и символом	при испытаниях шариком

из твердого сплава. Символу предшествует числовое значение твердости из трех значащих цифр, а после символа указывают диаметр шарика, зна-

чение приложенного усилия (в		), продолжительность выдержки, если
она отличается от интервала 10…15 с (см. приложение 2).
	Примечание 1. Значащимися цифрами называют все верные цифры чис-
	ла, кроме нулей, стоящих впереди числа. Например, запись 20,4 означает,
	что верны все три цифры, включая десятые доли; истинное число может
	быть 20,43 или 20,39, но не 20,453 и не 20,342 с учетом правил округле-
	ния чисел до трех значащих цифр.
	Приведем примеры стандартных обозначений величин твердости ме-

таллов по Бринеллю, полученных при различных условиях испытаний образцов или изделий.

Пример 1. В соответствии с протоколом №1 (приложение 6) проведено измерение твердости по Бринеллю образца из проката углеродистой конструкционной стали. Условия испытания: толщина плоского испытуемого образца

	; диаметр стального шарика	; коэффициент подобия испы-
таний	; заданное усилие на шарик		; продолжи-
тельность выдержки шарика под действием заданного усилия			. Среднее

число твердости, полученное в результате испытаний, составляет 229 единиц по Бринеллю. Приводим стандартное обозначение полученной величины твердо-

сти по Бринеллю: .

Примечание 2. Приведенный пример 1 стандартного обозначения величины твердости стали по Бринеллю является самым кратким, и он распространяется только на металлы первой группы (приложение 1), имеющие твердость 140 и более единиц по Бринеллю, когда толщина испытуе-

мого образца или изделия позволяет применить шарик при

14

и от 10 до 15 с. Для всех остальных условий испытаний стандартные обозначения величин твердости металлов по Бринеллю должны быть даны в расширенных вариантах.

Пример 2. Проведено измерение твердости по Бринеллю образца из про-

ката углеродистой конструкционной стали, которая применялась в примере 1,

однако образец имел толщину			, что позволило применить стальной
шарик	,	,	,	. Среднее число твер-

дости, полученное в результате испытаний, составило 227 единиц по Бринеллю.

Приводим стандартные обозначения полученной величины твердости по

Бринеллю: .

Следует обратить снимание на результат изменения твердости стали. Он отличается от примера 1 на две единицы за счет возрастающей погрешности

измерения твердости	по методу Бринелля с учетом применения	шарика
. Кроме того, в приведенном расширенном варианте стандартного
обозначения твердости по Бринеллю указан диаметр шарика		и задан-
ное усилие на шарик	. Однако в обозначении твердости продолжи-
тельность выдержки	не указана, так как она не отличается от интервала

10…15 с, как в примере 1.

Пример 3. Проведено измерение твердости по Бринеллю образцов прока-

та углеродистой инструментальной стали У10.	Образцы имели толщину
. Они подвергались объемной закалке	и получили твердость 648

единиц по Бринеллю. Толщина образцов позволила применить шарик

, однако высокая твердость закаленной инструментальной стали (более

450 единиц) потребовала применить шарик из твердого сплава. Кроме того, для

проведения испытаний были выбраны , , от 10

до 15 с, что полностью соответствует требованиям ГОСТа. Приводим стан-

дартные обозначения полученной величины твердости по Бринеллю закаленной

стали У10:	.
Пример 4. Проведено измерение твердости по Бринеллю отливок из
бронзы с применением стального шарика		при	,

15

и . Среднее число твердости, полученное в результате испытаний, составляет 60,1 единицы по Бринеллю. Приводим стандартное обо-

значение полученной величины твердости по Бринеллю: .

Обратите внимание, что в приведенном развернутом стандартном обозна-

чении твердости по Бринеллю указаны: , , .

Пример 5. В справочной литературе приводится твердость по Бринеллю алюминия технической чистоты – 20 единиц. Необходимо дать стандартные обозначения твердости алюминия по Бринеллю.

Прежде всего, следует иметь ввиду, что в справочниках указана твердость по Бринеллю, которая имеет минимальную погрешность измерения. А это зна-

чит, что для измерения твердости применяли стальной шарик . За-

тем, пользуясь приложением 1, принимаем для алюминия , так как алюминий относится к легким металлам и его величина твердости по Бри-

неллю менее 35 единиц. Следовательно, усилие на шарик составит по формуле (1.9).

Пользуясь приложение 2 находим, что продолжительность выдержки ша-

рика по действием составит .

Тогда стандартное обозначение твердости по Бринеллю алюминия

технической чистоты будет: .

Следует обратить внимание, что в стандартном обозначении твердости алюминия символу предшествует числовое значение твердости из трех зна-

чащих цифр – , как того требует ГОСТ, хотя в отечественной литературе,

включая справочную, величина твердости, в данном случае, указана двузнач-

ным числом .

Пример 6. В справочной литературе приводится твердость по Бринеллю свинца технической чистоты – 4 единицы. Необходимо дать стандартное обо-

значение твердости свинца по Бринеллю.

Зная о том, что указная величина твердости свинца измерена и примене-

нием стального шарика , в приложении 1 находим ,

16

по формуле (1.9) определяем , из приложения 2 устанавливаем

.

Тогда стандартное обозначение твердости по Бринеллю свинца будет:

.

Примечание 3. Приведенные примеры стандартных обозначений твердости металлов по Бринеллю охватывают различные условия испытаний. К каждому триммеру даны пояснения, что позволит студентам разобраться в индивидуальных заданиях к отчету о лабораторной работе №1.

6 ОСНОВНЫЕ УСЛОВИЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ ПО МЕТОДУ РОКВЕЛЛА (ГОСТ 9013-59, ИСО 6508-86)

Данный метод измерения твердости металлов предложен американским металлургом С.П. Роквеллом в 1920 г. И за длительный период применения в разных станах мира существенно видоизменен.

Настоящий стандарт устанавливает метод измерения твердости по Роквеллу (шкалы A, B, C, D, E, F, G, H, K) при температуре 0С. При разногласиях в результатах измерение твердости проводят при температуре 0С.

Сущность метода заключается во внедрении в поверхность испытуе-

мого образца (или изделия) алмазного конусного (шкалы A, C, D) или стального сферического индентора (шкалы B, E, F, G, H, K) под действием последовательно прилагаемых предварительного и основного уси-

лий и в определении глубины внедрения индентора после снятия основно-

го усилия ().

Толщина образца (или изделия) должна не менее чем в 10 раз превышать глубину внедрения индентора после снятия основного усилия (). Минимальная толщина образца или изделия определяется в соответствии с приложениями

7 и 8.

Образец должен быть подготовлен таким образом, чтобы не изменились его свойства в результате механической обработки на металлорежущих станках: от нагрева или от наклепа. Рабочие поверхности образца или испытуемого

17

изделия должны быть плоскими, гладкими, не иметь окалины, ржавчины, тре-

щин, выбоин, раковин, загрязнения (включая пыль), смазки или каких-либо по-

крытий. Обработку рабочих поверхностей можно проводить чистовым точени-

ем или чистовым фрезерованием, шлифованием мелкозернистой шлифовальной шкуркой. Опорные поверхности образца или изделия должны быть очищены от посторонних веществ (окалины, ржавчины, загрязнений, смазки и др.).

Испытания металлов на твердость проводят на приборе Роквелла

(рис. 1.3), который должен соответствовать требованиям ГОСТ 23677-79 и

обеспечивать применение условий, приведенных в табл. 1.1. Прибор имеет при сенных индикатора: алмазный конус с углом при вершине 1200 и радиусом сфе-

рической части 0,2 мм (шкалы твердости A, C, D); стальные закаленные шари-

ки двух диаметров –	(шкалы твердости B, F, G) и
(шкалы твердости E, H, K).

1 – литой чугунный корпус; 2 – механизм подъема рабочего столика; 3 – клавиша включения механизма нагружения; 4 – маховик; 5 – стол прибора;

6 – ограничитель индентора; 7 – наконечник; 8 – направляющая втулка; 9 – пружина предварительного нагружения; 10 – шпиндель; 11 – плавающая подвеска

шпинделя; 12 – рычаг; 13 – индикатор; 14 – рычаг; 15 –подвеска; 16 – грузы; 17 – шток; 18 – рабочий кулачок; 19 – одноступенчатый червячный редуктор;

20 – электродвигатель Рисунок 1.3 – Принципиальная схема прибора Роквелла

18

Алмазный конус применяют при измерениях твердости металлов в широ-

ком диапазоне – от 219 до 810 единиц по Бринеллю. Стальные шарики приме-

нят при твердости металлов до 240 единиц по Бринеллю.

Прибор Роквелла содержит следующие механизмы, смонтированные на литой чугунной станине:

1 Механизм привода, состоящий из электродвигателя и редуктора. 2 Механизм подъема рабочего столика.

3 Механизм нагружения индентора.

4 Индикатор часового типа для измерения глубины вдавливания инденто-

ра в металл и отсчета числа твердости по Роквеллу.

Таблица		1.1 – Условия и	измерения		твердости	металлов по		методу	Роквелла
(ГОСТ 9013-59, ИСО 6508-86)
				Обо-						Диапа-
Шка-				значе-	Предва-	Основное		Общее		зон
		Тип сменного ин-		ние	ритель-					изме-
ла						усилие		усилие
		дентора прибора		едини-	ное уси-					рений
твер-
		Роквелла		цы	лие					единиц
дости
				твер-						твер-
				дости						дости
A		Алмазный конус		HRA	98 (10)	490 (50)		588 (60)		20…88
B		Стальной шарик		HRB	98 (10)	883 (90)		981		20…10
		1,588 мм						(100)		0
C		Алмазный конус		HRC	98 (10)	1373		1471		20…70
						(140)		(150)
D		Алмазный конус		HBD	98 (10)	883 (90)		981		40…77
								(100)
E		Стальной шарик		HRE	98 (10)	883 (90)		981		70…10
		3,175 мм						(100)		0
F		Стальной шарик		HRF	98 (10)	490 (50)		588 (60)		60…10
		1,588 мм								0
G		Стальной шарик		HRG	98 (10)	1373		1471		30…94
		1,588 мм				(140)		(150)
H		Стальной шарик		HRH	98 (10)	588 (60)		588 (60)		80…10
		3,175 мм
K		Стальной шарик		HRK	98 (10)	1373		1471		40…10
		3,175 мм				(140)		(150)		0

19