Твердомеры для металлов. методы бринелля и роквелла

Похожие:

	Методические указания по каждой лабораторной работе включают в себя…Гбоу спо «пгк» по специальностям спо технического профиля в соответствии с требованиями фгос спо третьего поколения и рабочей программой…		Методические указания по каждому практическому занятию включают в…Составитель: Панкова Анастасия Алексеевна, преподаватель гбпоу «Поволжский государственный колледж»
	Методические указания по каждому практическому занятию включают в…Составитель: Панкова Анастасия Алексеевна, преподаватель гбпоу «Поволжский государственный колледж»		Методические указания по каждому практическому занятию включают в…Составитель: Панкова Анастасия Алексеевна, преподаватель гбпоу «Поволжский государственный колледж»
	Методические указания по каждому практическому занятию включают в…Составитель: Панкова Анастасия Алексеевна, преподаватель гбпоу «Поволжский государственный колледж»		Методические указания по каждому практическому занятию включают в……
	Методические указания по выполнению практических работ адресованы…Автомеханик, входящей в состав укрупненной группы профессий 23. 00. 00 Техника и технологии наземного транспорта в соответствии с…		Методические указания по выполнению практических работ адресованы…Омской области «Омский промышленно-экономический колледж» по специальности 38. 02. 08 Банковское дело в соответствии с требованиями…
	Методические указания по выполнению практических работ адресованы…Омской области «Омский промышленно-экономический колледж» по специальности 21. 02. 03 Сооружение и эксплуатация нефтегазопроводов…		Методические указания по выполнению практических работ адресованы…Методические указания для выполнения практических работ являются частью основной профессиональной образовательной программы огбоу…
	Методические указания по выполнению практических и лабораторных работ…Омской области «Омский промышленно-экономический колледж» по специальности 18. 02. 09 Переработка нефти и газа в соответствии с требованиями…		Методические указания по выполнению практических работ адресованы…Омской области «Омский промышленно-экономический колледж» по специальности 18. 02. 01 Аналитический контроль качества химических…
	Методические указания к лабораторной работеА-64 Анализ производственного шума: методические указания к лабораторной работе \ Скобелев Ю. В., Гладких С. Н., Николаева Н. И.,…		Методические указания к лабораторной работеАлгоритм aes  Пример современного симметричного крипто­пре­об­ра­зо­вания: Методические указания к лабораторной работе / Ю. А….
	Методические указания к лабораторной работе по дисциплине ртц и С,…ЦиС выполняются на универсальной лабораторной установке фронтальным методом после изучения соответствующих разделов лекционного курса….		Методические указания к лабораторной работе Барнаул 2008…

Руководство, инструкция по применению

Инструкция, руководство по применению

Шкалы твёрдости по Роквеллу

Циферблат прибора для проверки твёрдости по Роквеллу

Стандартами нормировано 11 шкал определения твердости по методу Роквелла (A; B; C; D; E; F; G; H; K; N; T), эти шкалы различаются типом индентора, испытательной нагрузкой и константами в формуле для вычисления твёрдости по результатам измерения.

Наиболее широко используются два три инденторов: сферический в виде шарика из карбида вольфрама или инструментальной закалённой стали диаметром 1/16 дюйма (1,5875 мм) или шарик диаметром 1/8 дюйма и конический алмазный наконечник с углом при скруглённой вершине 120°. Стандарты предусматривает в зависимости от шкалы 3 фиксированные нагрузки при вдавливании индентора — 60, 100 и 150 кгс.

Численная величина твёрдости определяется по формуле, коэффициенты в которой зависят от шкалы. Для снижения ошибки измерения от состояния испытуемой поверхности принимается относительная разница в глубине проникновения индентора при приложении основной и предварительной (10 кгс) нагрузки (см. рисунок).

Для обозначения твёрдости, определённой по методу Роквелла, используется сокращение HR, с 3-й буквой, указывающая на шкалу, по которой проводились испытания (HRA, HRB, HRC и т. д. до HRT). Например, HRC 64.

Наиболее широко используемые шкалы твёрдости по Роквеллу

Шкала	Индентор	Нагрузка, кгс
А	Алмазный конус с углом 120° при вершине	60
В	Шарик диаметром 1/16 дюйма из карбида вольфрама (или закалённой стали)	100
С	Алмазный конус с углом 120° при вершине	150

Формулы для определения твёрдости

Чем твёрже материал, тем меньше будет глубина проникновения наконечника в него. Чтобы при большей твёрдости материала не получалось меньшее число твёрдости по Роквеллу, твёрдость определяют по формуле:

HR=N−H−hs{\displaystyle HR=N-{\frac {H-h}{s}}}

где разность H−h{\displaystyle H-h} — относительная глубина проникновения индентора под предварительной и основной нагрузками в мм,

N,{\displaystyle N,} s{\displaystyle s} — константы, зависящие от конкретной шкалы Роквелла (см. таблицу).

Таким образом, твердость по Роквеллу является безразмерной величиной.

Наиболее часто используемые шкалы Роквелла

Шкала	Сокращённое обозначение	Испытательная нагрузка	Тип индентора	Область применения	N	s
A	HRA	60 кгс	120° алмазный сфероконический*	Карбид вольфрама	100	0,002 мм
B	HRB	100 кгс	Диаметр 1⁄16 дюйма (1,588 мм)стальной, сферический	Алюминиевые сплавы, бронза,мягкие стали	130	0,002 мм
C	HRC	150 кгс	120° алмазный, сфероконический	Твёрдые сталис HRB > 100	100	0,002 мм
D	HRD	100 кгс	120° алмазный, сфероконический		100	0,002 мм
E	HRE	100 кгс	Диаметр 1⁄8 дюйма (3,175 мм)стальной, сферический		130	0,002 мм
F	HRF	60 кгс	Диаметр 1⁄16 дюйма (1,588 мм)стальной, сферический		130	0,002 мм
G	HRG	150 кгс	Диаметр 1⁄16 дюйма (1,588 мм)стальной, сферический		130	0,002 мм
*Радиус сферического скругления вершины конуса 0,2 мм

Преимущества и недостатки

Недостатки

• Метод рекомендуется применять для материалов с твёрдостью до 450 HB.
• Твёрдость по Бринеллю зависит от нагрузки (обратный размерный эффект — англ. reverse indentation size effect).
• При вдавливании индентора по краям отпечатка из-за выдавливания материала образуются навалы и наплывы, что затрудняет измерение как диаметра, так и глубины отпечатка.
• Из-за большого размера тела внедрения (шарика) метод неприменим для тонких образцов.

Преимущества

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

Для стали

σB=HB3kgfmm2=10HB3MPa{\displaystyle \sigma _{\mathrm {B} }={\frac {HB}{3}}={\frac {10HB}{3}}},

где σB{\displaystyle \sigma _{\mathrm {B} }} — предел прочности, МПа.

σT=HB6kgfmm2=10HB6MPa{\displaystyle \sigma _{T}={\frac {HB}{6}}={\frac {10HB}{6}}},

где σT{\displaystyle \sigma _{T}} — предел текучести, МПа.

Для алюминиевых сплавов

σB=,362HBkgfmm2=3,62HBMPa{\displaystyle \sigma _{\mathrm {B} }=0,362{HB}=3,62{HB}}

Для медных сплавов

σB=,26HBkgfmm2=2,6HBMPa{\displaystyle \sigma _{\mathrm {B} }=0,26{HB}=2,6{HB}}

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

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

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

Измерение твердости по Шору

Метод определения твердости по Шору применяется для тестирования прокатных валиков на момент их изготовления. Кроме этого, проверка рассматриваемого показателя может проводиться при эксплуатации валиков на прокатных станках, так как из-за оказываемого воздействия структура металла может изменяться, ухудшая эксплуатационные качества. Регламентирован метод Шора ГОСТ 23273.

Шкала твердости по Шору

Рассматривая измерение твердости по Шору, следует отметить следующие моменты:

1. В отличие от предыдущих способов, рассматриваемый основан на свободном падении алмазного индикатора на тестируемую поверхность с определенной высоты. Для тестирования применяется специальное оборудование, которое позволяет фиксировать точно высоту отскока.
2. Масса применяемого бойка с алмазным наконечником составляет 36 грамм. Этот показатель важен, так как учитывается при проводимых расчетах.
3. Твердость определяется по высоте отскока, измерение проводится в условных единицах. Падение образца на поверхность происходит с образованием небольшого углубления, а упругость приводит к обратному отскоку. Этот метод хорош тем, что позволяет проводить тестирование образцов, которые прошли предварительную термическую обработку. При постепенном вдавливании возникающая нагрузка может стать причиной деформирования используемого наконечника или шарика. В этом случае вероятность их деформации весьма мала.
4. За 100 единиц твердости в этом случае принято считать высоту отскока 13,6 мм с возможностью небольшого отклонения в большую или меньшую сторону. Этот показатель можно получить при тестировании углеродистой стали, прошедшей процесс закалки. В качестве обозначения применяется аббревиатура HSD.

Сегодня этот способ измерения твердости применяется довольно редко из-за высокой погрешности и сложности замера высоты отскока байка от тестируемой поверхности.

Как ранее было отмечено, существует довольно большое количество методов измерения рассматриваемого показателя. Однако из-за сложности проведения тестов и большой погрешности многие уже не применяются.

В некоторых случаях проводится тестирование на микротвердость. Для измерения этого показателя прилагается статическая нагрузка к телу с формой пирамиды, и оно входит в испытуемые образец. Время выдержки может варьироваться в большом диапазоне. Показатель вычисляется примерно так же, как при методе Виккерса.

Преимущества твердомера МЕТОЛАБ 202

• Полностью автоматизированный процесс измерений.
• Возможность задания нижней/верхней границ измерений, звуковая сигнализация при выходе значений за установленные границы.
• Статистическая обработка результатов – вывод минимального/среднего/максимального значений.
• Перевод результатов измерений по шкалам Виккерса, Бринелля.
• Поправка на кривизну цилиндрических и шарообразных деталей.
• Интуитивное управление, русскоязычное меню.
• Большие удобные кнопки для ввода параметров измерения; яркий ЖК экран для считывания показаний
• Широкий диапазон измеряемых значений.
• Передача данных на ПК в виде электронных таблиц формата Excel для удобства обработки результатов.
• Встроенный мини-принтер для распечатки результатов измерений.

Методика проведения испытаний

Проведение исследования требует тщательной подготовки. При определении твердости металлов методом Роквелла поверхность образца должна быть чистой, без трещин и окалин

Важно постоянно контролировать перпендикулярно ли прилагается нагрузка на поверхность материала, а также устойчиво ли он располагается на столике

Отпечаток при вдавливании конуса должен быть не меньше 1,5 мм, а при вдавливании шарика – более 4 мм. Для эффективных расчётов образец должен быть в 10 раз толще, чем глубина внедрения индентора после снятия основной нагрузки. Также следует проводить не меньше 3 испытаний одного образца, после чего усреднить результаты.

Метод — бринель

Твердость металлов по Бринелю НБ в зависимости от диаметра отпечатка шарика.

Метод Бринеля применим для определения твердости незакаленной стали и цветных металлов. Твердость закаленных сталей определять вдавливанием стального шарика нельзя, так как при этом сам шарик может деформироваться.
 

Определение твердости по Роквеллу. а — вдавливание.

Однако метод Бринеля имеет ряд недостатков. По этому методу нельзя испытывать образцы, если их твердость близка к твердости шарика, так как последний сам получает значительные деформации, что искажает результаты испытания. Вследствие большой глубины отпечатка нельзя определить твердость специально обработанного поверхностного слоя, так как шарик проникает через этот слой в более мягкую внутреннюю часть. Измерение диаметра отпечатка занимает сравнительно много времени и бывает неточным вследствие вспучивания выдавливаемого шариком металла около краев отпечатка.
 

Однако метод Бринеля имеет существенные недостатки. Вследствие этого испытания иногда приходится производить не на изделии, а на специальном образце. Испытание очень твердых закаленных сталей ( НВ 450) является малонадежным, потому что твердость их приближается к твердости самого шарика, и шарик деформируется при испытании.
 

Особенность метода Бринеля — возможность определения твердости при пластическом деформировании достаточно больших, по сравнению с другими методами, объемах металла и получения благодаря этому усредненной характеристики твердости металла.
 

К недостаткам метода Бринеля следует отнести: а) невозможность испытания металлов, имеющих твердость более НВ 450, так как шарик будет деформироваться и показания будут неточными; б) невозможность испытания твердости тонкого поверхностного слоя ( менее 1 — 2 мм), так как шарик будет продавливать тонкий слой металла; в) после испытания остаются заметные следы на поверхности изделия.
 

При испытании методом Бринеля поверхность должна быть совершенно гладкой. Ее необходимо тщательно зачистить напильником или наждачным кругом и наждачной бумагой. Расстояние центра отпечатка от края образца или от другого отпечатка должно быть не слишком малым во избежание искажения размеров лунки. Нагрузка должна постепенно и плавно без толчков увеличиваться в течение 15 сек. Бринелю достаточна выдержка в 10 сек.
 

Для испытания на твердость методом Бринеля существует много разных типов приборов с гидравлическим и с механическим приводом, а измерение нагрузки при этом производится либо манометром, либо рычажными весами, либо маятниковым динамометром.
 

Диаметры шариков и нагрузки для пробы твердости шариком.

Для того чтобы определить методом Бринеля твердость материала с высокой закалкой, употребляют шарики еще более высокой твердости, например шарики холодного наклепа или, еще лучше, из особо твердого металла ( видна) ( стр.
 

Существуют многие способы испытания материалов на твердость, имеющие свои особенности — метод Бринеля, метод Рок-велла, метод Виккерса и другие. Особенности этих методов рассматриваются ниже. Стандартные методы определения твердости характеризуют, как правило, свойство материалов сопротивляться локальной пластической деформации, осуществляемой принудительным вдавливанием в поверхность образца или изделия тела сферической, пирамидальной или конической формы.
 

При испытании чугуна применяются преимущественно методы первой группы, а из их числа наибольшим распространением пользуется метод Бринеля. Перевод и сопоставление чисел твердости, определяемых разными методами, имеют условный характер, так как сами методы основаны на разных принципах.
 

Заслуживают также внимания методы царапания и снятия микростружки, так как Н. Н. Давиденкову удалось доказать, что они, в отличие от методов Бринеля, Роквелла и определения микротвердости, характеризуют сопротивление металла разрушению от среза.
 

Схемы испытания твердости. а — по Бринелю. б — по Роквеллу. е — по Виккерсу.

Метод Габриэля Янка

Метод измерения твердости Янка отличается от Бринелля тем, что для испытания берется стальной шарик немного большего диаметра (11.28 мм вместо 10 мм по Бринеллю) + замеряют не образовавшуюся в результате падения шарика лунку, а силу, с которой необходимо вдавить шарик в древесину, чтобы он углубился в нее на 50% своего диаметра.

В таблице не приведены диапазоны, в которых находится значение твердости различных видов древесины. Значения по шкале Янка заимствованы из англоязычных источников и соответствуют древесине после атмосферной сушки, ее влажность при этом составляет 12%.

Порода дерева и особенности климатических условий местности, в которой оно растет, в конечном итоге являются определяющими факторами для твердости древесины, поэтому даже внутри одного и того же образца породы бывает колоссальный разброс значений. В Европейских странах и в России твердость обычно указывается в единицах по шкале Бринелля, а в США широко используются данные по шкале Janka.

Свойства и строение
Породы и сорта
Сушка и заготовка
Обработка
Инструменты

Материалы и методы измерения

Самые твёрдые на сегодняшний день из существующих материалов — две модификации углерода: лонсдейлит, вполовину превосходящий алмаз по твёрдости, а также фуллерит, который превосходит алмаз в два раза. Практическое применение этих материалов только начинается, а пока из распространённых самым твёрдым является алмаз. Именно с его помощью устанавливается твёрдость всех металлов.

Методы определения (самые популярные) были перечислены выше, но, чтобы уяснить их особенности и понять суть, нужно рассмотреть и другие, которые можно условно поделить на динамические, то есть ударные, и статические, которые были уже рассмотрены. Метод измерения иначе называется шкалой. Необходимо напомнить, что самой популярной является всё-таки шкала Бринелля, где твёрдость измеряется по диаметру отпечатка, который оставляет стальной шарик, вдавливаемый в поверхность материала.

Методика измерения твердости по Бринеллю

В соответствии с рассматриваемой технологией значение твёрдости материала определяется как отношение усилия, применимого на шарик, к площади следа от него после удара о изучаемый образец

Важно, что указанная площадь рассчитывается как площадь сферической поверхности отпечатка, а не как площадь круга.. В соответствии с ГОСТ 9012-59 значение показателя пишется в числах без указания единиц измерения, хотя фактически единицей является кг-с/кв.мм

Твёрдость по Бринеллю обозначается как HB и применяется в основном для достаточно мягких металлических сплавов, цветных металлов, чугуна и незакалённой «сырой» стали.

В соответствии с ГОСТ 9012-59 значение показателя пишется в числах без указания единиц измерения, хотя фактически единицей является кг-с/кв.мм. Твёрдость по Бринеллю обозначается как HB и применяется в основном для достаточно мягких металлических сплавов, цветных металлов, чугуна и незакалённой «сырой» стали.

Для измерения твердости по методу Бринелля, как правило, используют шарик или из стали или из карбида вольфрама. Карбидный индентор предназначен для исследования особо твердых материалов, например инструментальных сталей и сплавов. Стальной индентор подходит к металлам с твердостью до стали общего назначения, а также нержавеющей стали, дерева, цветных металлов, стекла и т.д.

В приборах по определению твердости по Бринеллю, использующихся в настоящее время, существует возможность плавно вводить шарик в деталь, что дает очень низкую погрешность измерения, не превышающую 1 процента. Это позволяет получать ее с высокой степени не только точности, но и повторяемостью.

Шарики-инденторы, которые примеряются в составе устройств, имеют диаметр 1, 2,5, 5 и 10 миллиметров. Усилие внедрения шарика и его размер выбирается исходя из типа изучаемого материала.

Испытания по методу Бринелля имеют следующие ограничения и особенности, которые нужно учитывать при его выборе и применении:

1. Неприменимы образцы, имеющие значение по Бринеллю более HB450/650 кгс/кв.мм.

2. Поверхность исследуемой детали должна быть плоская и чистая со всех сторон. Любая деформация может привести к искажению результата.

3. Диаметр каждого следа должен быть в интервале от 0,2 до 0,6 диаметра индентора.

4. Критический размер для образца материала, взятого для оценки твердости по Бринеллю – толщина не менее 10 глубин отпечатка индентора.

5. Расстояние от центра отпечатка до центра ближайшего следа должно быть 4 диаметра отпечатка или более.

6. Время выдержки под нагрузкой – 10-15 секунд для стали и 10-180 с для цветных металлов и сплавов исходя из их твёрдости.

Важно отметить, что не допускается измерять одинаковые детали и сравнивать результаты, полученные на твердомерах разного типа. Также нельзя получить точную твердость по методу Бринелля в месте, находящемся вблизи кромки образца.. При использовании данных после измерения твердости по методу Бринелля нужно обозначать условия получения данных.

При использовании данных после измерения твердости по методу Бринелля нужно обозначать условия получения данных.

В случае, если твёрдость образца выше HB450, то метод Бринелля не подходит, ввиду возможной деформации поверхности шарика при таких свойствах исследуемого вещества.

В ходе испытаний размер следа от индентора измеряют, используя специальную лупу с шагом шкалы 0,05 мм, которая названа также именем Бринелля, по двум перпендикулярным осям. Также возможно использование микроскопа для получения более точных данных. За значение диаметра принимают среднее арифметическое из этих измерений.

Что такое механические свойства?

Механические свойства алюминия, как и других материалов – это свойства, которые связаны с упругой и неупругой реакцией материала на приложение к нему нагрузки, в том числе, зависимость между напряжениями и деформациями. Примерами механических свойств являются:

• модуль упругости (при растяжении, при сжатии, при сдвиге)
• предел прочности (при растяжении, при сжатии, при сдвиге)
• предел текучести
• предел усталости
• удлинение (относительное) при разрыве
• твердость.

Механические свойства часто ошибочно относят к физическими свойствам.

Механические свойства материалов, в том числе, алюминия и его сплавов, которые получают путем испытания материала на растяжение, например, модуль упругости при растяжении, прочность при растяжении, предел текучести при растяжении и относительное удлинение называют механическими свойствами при растяжении.

Метод Роквелла в сравнении

Он хорош для твёрдых и сверхтвёрдых металлов, и полученное значение твёрдости тоже усреднено. Индектором служит такой же стальной шарик или конус, но кроме них используется и алмазная пирамида. Отпечаток на материале при измерении по методу Роквелла тоже получается большим, а число твёрдости по разным фазам усреднено.

Методы Бринелля и Роквелла различаются в принципе: у первого результат представлен в виде частного после деления силы вдавливания на поверхность площади отпечатка, а вот Роквелл вычисляет соотношение глубины проникновения к единице шкалы прибора, измеряющего глубину. Именно поэтому твёрдость по Роквеллу практически безразмерна, а по Бриннелю она чётко измеряется в килограммах на квадратный миллиметр.

Как определить твердость металла по методике Бринелля: особенности

В качестве индентора, то есть самого элемента, который вдавливается в заготовку, используется идеальный шарик диаметром от 1 до 10 миллиметров. Он изготавливается из легированных соединений или из сплава карбида и вольфрама. Регламентируется производство таких шаров ГОСТом 3722 81.

Время, в которое происходит статическое, то есть неподвижное вдавливание, – от 10 до 180 секунд. Этот параметр зависит от материала. Самые минимальные временные промежутки – для чугуна и стали, а более продолжительные – для цветных металлов.

Максимальная нагрузка, которая может быть измерена таким способом, – 450 или 650 НВ, в зависимости от того, из чего сделан шарик.

На образец для правильной деформации подбирается воздействие, посмотрим по формулам в таблице, как можно их вычислить, учитывая, что D – это диаметр шара:

Проверяемый объект	Математически вычисленное изменение
Свинец или олово	1d^2
Стальные соединения, титан, никель	30d^2
Легкие сплавы	от 2,5d^2 до 15d^2
Чугун	10d^2 или 30d^2
Медь и составы с ее добавлением	5d^2, 10d^2, 30d^2

Алгоритм применения метода Бринелля

• Проверяется сам аппарат и тело для внедрения – шар.
• Определяется максимальное усилие.
• Твердомер запускается.
• Измеряется глубина вдавливания.
• Производятся математические вычисления.

Применяемая формула НВ=P/F, где:

• P – нагрузка;
• F – площадь отпечатка.

Следует отметить, что это самый распространенный способ.

Преимущества и недостатки

Недостатки

• Метод рекомендуется применять для материалов с твёрдостью до 450 HB.
• Твёрдость по Бринеллю зависит от нагрузки (обратный размерный эффект — англ. reverse indentation size effect).
• При вдавливании индентора по краям отпечатка из-за выдавливания материала образуются навалы и наплывы, что затрудняет измерение как диаметра, так и глубины отпечатка.
• Из-за большого размера тела внедрения (шарика) метод неприменим для тонких образцов.

Преимущества

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

Для стали

σB=HB3kgfmm2=10HB3MPa{\displaystyle \sigma _{\mathrm {B} }={\frac {HB}{3}}={\frac {10HB}{3}}},

где σB{\displaystyle \sigma _{\mathrm {B} }} — предел прочности, МПа.

σT=HB6kgfmm2=10HB6MPa{\displaystyle \sigma _{T}={\frac {HB}{6}}={\frac {10HB}{6}}},

где σT{\displaystyle \sigma _{T}} — предел текучести, МПа.

Для алюминиевых сплавов

σB=,362HBkgfmm2=3,62HBMPa{\displaystyle \sigma _{\mathrm {B} }=0,362{HB}=3,62{HB}}

Для медных сплавов

σB=,26HBkgfmm2=2,6HBMPa{\displaystyle \sigma _{\mathrm {B} }=0,26{HB}=2,6{HB}}

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

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

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