Твердість металів. Таблиця твердості металів

Для того щоб деталі і механізми служили довго і надійно, матеріали, з яких вони виготовлені, повинні відповідати необхідним умовам роботи. Саме тому важливо контролювати допустимі значення їх основних механічних показників. До механічних властивостей відносяться твердість, міцність, ударна в`язкість, пластичність. Твердість металів - первинна конструкційна характеристика.

поняття

Твердість металів і сплавів - це властивість матеріалу створювати опір при проникненні в його поверхневі шари іншого тіла, яке не деформується і не руйнується при супутніх навантаженнях (індентора). Визначають з метою:

• отримання інформації про допустимі конструкційних особливостях і про можливості експлуатації;
• аналізу стану під дією часу;
• контролю результатів температурної обробки.

Від цього показника частково залежать міцність і стійкість поверхні до старіння. Досліджують як вихідний матеріал, так і вже готові деталі.

варіанти дослідження

Показником є величина, яка називається числом твердості. існують різні методи вимірювання твердості металів. Найбільш точні дослідження полягають у використанні різних видів обчислення, індентора і відповідних твердомірів:

1. Бринелля: суть роботи апарату - вдавлення кульки в досліджуваний метал або сплав, обчислення діаметра відбитка і подальше математичне обчислення механічного параметра.
2. Роквелла: використовуються кульку або алмазний конусний наконечник. Значення відображається на шкалі або визначається розрахунково.
3. Віккерса: найбільш точне вимірювання твердості металу із застосуванням алмазного пірамідального наконечника.

Для визначення параметричних відповідностей між показниками різних способів вимірювання для одного і того ж матеріалу існують спеціальні формули і таблиці.

Відео: 9-2 Вимірювання твердості

Фактори, що визначають варіант вимірювання

У лабораторних умовах, при наявності необхідного асортименту обладнання, вибір методу дослідження здійснюється в залежності від певних характеристик заготовки.

1. Орієнтовне значення механічного параметра. для конструкційних сталей і матеріалів з невеликою твердістю до 450-650 НВ застосовують метод Брінелля- для інструментальних, легованих сталей та інших сплавів - Роквелла- для твердосплава - Віккерса.
2. Розміри випробуваного зразка. Особливо маленькі і тонкі деталі обстежуються за допомогою твердоміра Віккерса.
3. Товщина металу в місці виміру, зокрема, цементованого або азотированного шару.

Всі вимоги і відповідності задокументовані ГОСТом.

Особливості методики Бринелля

Випробування на твердість металів і сплавів за допомогою твердоміра Бринелля проводяться з такими особливостями:

1. Индентор - кулька з легованої сталі або з карбідо-вольфрамового сплаву діаметром 1, 2, 2,5, 5 або 10 мм (гост 3722-81).
2. Тривалість статичного вдавлення: для чавуну і сталі - 10-15 с., Для кольорових сплавів - 30, також можлива тривалість в 60 с., А в деяких випадках - 120 і 180 с.
3. Граничне значення механічного параметра: 450 НВ при вимірюванні сталевим шаріком- 650 НВ при використанні твердосплава.
4. Можливі навантаження. За допомогою що входять в комплект вантажів коригується фактична сила деформації на випробуваний зразок. Їх мінімальні допустимі значення: 153,2, 187,5, 250 Н максимальні - 9807, 14710, 29420 Н (гост 23677-79).

За допомогою формул, в залежності від діаметра обраного кульки і від випробуваного матеріалу, можна обчислити відповідне допустиме зусилля вдавлення.

Приклад позначення:

400HB10 / 1500/20, де 400HB - твердість металу по Брінеллю- 10 - діаметр кульки, 10 мм-1500 - статичне навантаження 1500 кгс- 20 - період здійснення вдавлення, 20 с.

Для встановлення точних цифр раціонально досліджувати один і той же зразок в декількох місцях, а загальний результат визначати шляхом знаходження середнього значення з отриманих.

Визначення твердості за методом Брінелля

Процес дослідження протікає в такій послідовності:

1. Перевірка деталі на відповідність вимогам (ГОСТ 9012-59, гост 2789).
2. Перевірка справності апарату.
3. Вибір необхідного кульки, визначення можливого зусилля, установка вантажів для його формування, періоду вдавлення.
4. Запуск твердоміра і деформація зразка.
5. Вимірювання діаметра поглиблення.
6. Емпіричне обчислення.

НВ = F / A,

де F - навантаження, кгс або Н-A - площа відбитка, мм².

НВ = (0,102 * F) / (&pi- * D * h),

де D - діаметр кульки, мм-h - глибина відбитка, мм.

Твердість металів, виміряна цим способом, має емпіричний зв`язок з обчисленням параметрів міцності. Метод точний, особливо для м`яких сплавів. Є основоположним в системах визначення значень цього механічного властивості.

Особливості методики Роквелла

Цей спосіб вимірювання був винайдений в 20-х роках XX століття, більш автоматизований, ніж попередній. Застосовується для більш твердих матеріалів. Основні його характеристики (ГОСТ 9013-59- гост 23677-79):

1. Наявність первинної навантаження в 10 кгс.
2. Період витримки: 10-60 с.
3. Граничні значення можливих показників: HRA: 20-88- HRB: 20-100- HRC: 20-70.
4. Число візуалізується на циферблаті твердоміра, також може розраховуватися арифметично.
5. Шкали й індентора. Відомо 11 різних шкал залежно від типу індентора і гранично-допустимої статичної навантаження. Найбільш поширені у використанні: А, В і С.

А: алмазний конусний наконечник, кут при вершині 120 , загальна допустима сила статичного впливу - 60 кгс, HRA- досліджуються тонкі вироби, в основному прокат.

З: також алмазний конус, розрахований на максимальне зусилля 150 кгс, HRC, застосуємо для твердих і загартованих матеріалів.

В: кулька розміром 1,588 мм, виготовлений із загартованої сталі або з твердого карбідо-вольфрамового сплаву, навантаження - 100 кгс, HRB, використовується для оцінки твердості відпаленого виробів.

Шарікообразний наконечник (1,588 мм) застосовується для шкал Роквелла B, F, G. Також існують шкали E, H, K, для яких використовується кулька діаметром 3,175 мм (ГОСТ 9013-59).

Кількість проб, виконаних за допомогою твердоміра Роквелла на одній площі, обмежується розміром деталі. Допускається повторна проба на відстані 3-4 діаметра від попереднього місця деформації. Товщина випробуваного вироби також регламентується. Вона повинна бути не менше збільшеною в 10 разів глибини впровадження наконечника.

Приклад позначення:

50HRC - твердість металу по Роквеллу, виміряна за допомогою алмазного наконечника, її число дорівнює 50.

План дослідження за методом Роквелла

Вимірювання твердості металу більш спрощено, ніж для способу Бринелля.

1. Оцінка розмірів і характеристик поверхні деталі.
2. Перевірка справності апарату.
3. Визначення типу наконечника і допустимого навантаження.
4. Установка зразка.
5. Здійснення первинного зусилля на матеріал, величиною в 10 кгс.
6. Здійснення повного відповідного зусилля.
7. Читання отриманого числа на шкалі циферблата.

Також можливий математичний розрахунок з метою точного визначення механічного параметра.

За умови використання алмазного конуса з навантаженням 60 або 150 кгс:

HR = 100 - ((H-h) / 0,002;

при здійсненні випробування за допомогою кульки під зусиллям 100 кгс:

HR = 130 - ((H-h) / 0,002,

де h - глибина впровадження індентора при первинному зусиллі 10 кгс- H - глибина заглиблення індентора при повній нагрузке- 0,002 - коефіцієнт, який регламентує величину переміщення наконечника при зміні числа твердості на 1 одиницю.

Метод Роквелла є простим, але недостатньо точним. У той же час він дозволяє вимірювати показники механічного властивості для твердих металів і сплавів.

Характеристики методики Віккерса

Визначення твердості металів з даного способу найбільш просто і точно. Робота твердоміра заснована на вдавливании в зразок алмазного пірамідального наконечника.

Основні особливості:

1. Индентор: алмазна піраміда з кутом при вершині 136 °.
2. Гранично допустиме навантаження: для легованого чавуну і сталі - 5-100 кгс- для мідних сплавів - 2,5-50 кгс- для алюмінію і сплавів на його основі - 1-100 кгс.
3. Період витримки статичного навантаження: від 10 до 15 с.
4. Випробовувані матеріали: сталь і кольорові метали з твердістю більш 450-500 НВ, в тому числі вироби після хіміко-термічної обробки.

Приклад позначення:

700HV20 / 15,

де 700HV - число твердості по Віккерсу- 20 - навантаження, 20 кгс- 15 - період статичного зусилля, 15 с.

Послідовність дослідження Віккерса

Порядок дій гранично спрощений.

1. Перевірка зразка і апаратури. Особлива увага приділяється поверхні деталі.
2. Вибір допустимого зусилля.
3. Установка випробуваного матеріалу.
4. Запуск твердоміра в роботу.
5. Читання результату на циферблаті.

Математичний розрахунок за цим способом виглядає наступним чином:

HV = 1,8544 * (F / d²),

де F - навантаження, кгс- d - середнє значення довжин діагоналей відбитка, мм.

Він дозволяє вимірювати високу твердість металів, тонких і невеликих деталей, при цьому надаючи високу точність результату.

Способи переходу між шкалами

Визначивши діаметр відбитка за допомогою спеціального обладнання, можна за допомогою таблиць визначити твердість. Таблиця твердості металів - перевірений помічник в обчисленні даного механічного параметра. Так, якщо відомо значення по Бринеллю, можна легко визначити відповідне число Віккерса або Роквелла.

Приклад деяких значень відповідності:

Таблиця твердості металів складена на основі експериментальних даних і має високу точність. Також існують графічні залежності твердості по Брінеллю від вмісту вуглецю в залізовуглецевих сплавів. Так, відповідно до такими залежностями, для сталі з кількістю карбону в складі рівному 0,2% вона становить 130 НВ.

Вимоги до зразка

Відповідно до вимог ГОСТів, випробовувані деталі повинні відповідати наступним характеристикам:

1. Заготівля повинна бути рівна, твердо лежати на столі твердоміра, її краї повинні бути гладкими або ретельно оброблені.
2. Поверхня повинна мати мінімальну шорсткість. Повинна бути відшліфована і очищена, в тому числі за допомогою хімічних складів. Одночасно, під час процесів механічної обробки, важливо попередити утворення наклепу і підвищення температури оброблюваного шару.
3. Деталь повинна відповідати обраному методу визначення твердості по параметричних властивостями.

Виконання первинних вимог - обов`язкова умова точності вимірювань.

Твердість металів - важливе основне механічне властивість, що визначає їх деякі інші механічні та технологічні особливості, результати попередніх процесів обробки, вплив тимчасових факторів, можливі умови експлуатації. Вибір методики дослідження залежить від орієнтовних характеристик зразка, його параметрів і хімічного складу.