Метод измерения твёрдости вдавливанием шарика

(твёрдость по Бринеллю)

Этот способ универсальный и используется для определения твёрдости практически всех материалов.

В материал вдавливается стальной шарик, и значения твёрдости определяют по величине поверхности отпечатка, оставляемого шариком. Шарик вдавливают с помощью пресса.

В образце остается отпечаток со сферической поверхностью (лунка). Диаметр отпечатка измеряют лупой, на окуляре которой нанесена шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. Диаметр отпечатка измеряют с точностью до 0,05 мм (при вдавливании шарика диаметром 10 и 5 (мм) в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Для определения твёрдости следует принимать среднюю из полученных величин.

Число твёрдости по Бринеллю НВ (кгс/мм²) определяется отношением приложенной нагрузки P, действующей на шарик диаметром D, к площади сферической поверхности полученного отпечатка, и его вычисляют по уравнению:

(2.1)

где Р– нагрузка на шарик, кг·с (1 кгс – 0,1 МПа); D– диаметр вдавливаемого шарика, мм; d– диаметр отпечатка, мм; H – Hardness (англ.) – твёрдость; B – Brinell (англ.) – Бринелль (автор метода).

Получаемое число твёрдости при прочих равных условиях тем выше, чем меньше диаметр отпечатка.

Однако получение постоянной и одинаковой зависимости между Р и d, необходимое для точного определения твердости, достигается только при соблюдении определённых условий. При вдавливании шарика на разную глубину, т. е. с разной нагрузкой для одного и того же материала, не соблюдается закон подобия между получаемыми диаметрами отпечатка. Наибольшие отклонения наблюдаются, если шарик вдавливается с малой нагрузкой и оставляет отпечаток небольшого диаметра или вдавливается с очень большой нагрузкой и оставляет отпечаток с диаметром близким к диаметру шарика. Поэтому твёрдость материалов измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки Р и квадратом диаметра шарика D². Это соотношение должно быть различным для материалов разной твёрдости.

При измерении твёрдости шариком определённого диаметра и с установленными нагрузками на практике пользуются заранее составленными таблицами, указывающими число НВ в зависимости от диаметра отпечатка и соотношения между нагрузкой Р и поверхностью отпечатка F. При указании твердости НВ иногда отмечают принятые нагрузку и диаметр шарика.

Измерение твёрдости вдавливанием стального шарика не является универсальным способом. Этот способ не позволяет:

а) испытывать материалы с твёрдостью более НВ 450;

б) измерять твёрдость тонкого поверхностного слоя (толщиной менее 1 – 2 мм), так как стальной шарик продавливает этот слой и проникает на большую глубину. Толщина измеряемого слоя (или образца) должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка.

Существенным достоинством метода является тот факт, что знание твёрдости по Бринеллю, позволяет быстро определить его механические характеристики, что важно для прикладных инженерных задач. Так, например, как показывают результаты многочисленных экспериментов, между числом твёрдости по Бринеллю и временным сопротивлением σ_В для металлов существуют приближённые зависимости, простейшая из которых имеет вид:

, (2.2)

где k- коэффициент, определяемый опытным путем.

Ниже приведены значения k для некоторых материалов:

Сталь (при НВ< 175) 3,4

Сталь (при НВ> 175) 3,6

Алюминий 4,0

Дюралюминий 3,7

Медь холоднокатаная 3,5

Медь отожженная 4,6

Для серого чугуна зависимостьσ_В= f(HB) менее надежна и более сложна.

(2.3)

Для цветных металлов обычно отношение предела прочности от твердости находится в широких пределах и существенно зависит от степени предварительного наклепа:

(2.4)

В формулах (2.2), (2.3), (2.4) предел прочности σ_В имеет размерность МПа, НВ - единицы твёрдости Бринелля (кгс/мм²).

Метод измерения твёрдости вдавливанием конуса или шарика (твёрдость по Роквеллу)

Принципиальное отличие данного способа от рассмотренного выше измерения по Бринеллю состоит в том, что твёрдость определяют по глубинеотпечатка, получаемого при вдавливании алмазного конуса или стального шарика, а не по площади отпечатка.

Этот метод имеет то преимущество перед измерениями по Бринеллю, что позволяет изменять нагрузку в широких пределах, без изменения значений твёрдости, так как при вдавливании конуса сохраняется закон подобия, а условия деформации под вершиной конуса с увеличением давления не изменяются.

Рис. 2.2.Наконечники для измерения твёрдости по методу Роквелла

а – алмазный конус; б – стальной шарик (d = 1,59 мм)

При измерении твёрдости по методу Роквелла в образец (изделие) вдавливается алмазный конус (рис 2.2) с углом при вершине α = 120° (шкалы А и С) или стальной шарик с диаметром D = 1,5875 мм (1/16'') (шкала В).

Прибор измеряет глубину отпечатка алмазного конуса (стального шарика) или, точнее, разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной нагрузки и от вдавливания под предварительной нагрузкой. Числа твердости по Роквеллу возрастают с увеличением твёрдости материала, что позволяет сравнить числа Роквелла с числами Бринелля. Числа твёрдости по Роквеллу можно пересчитать на числа твёрдости по Бринеллю с помощью специальных диаграмм и таблицы, построенных на основании многочисленных экспериментальных работ. Зависимость между этими числами не имеет линейного характера.

Измерение твёрдости по Роквеллу требует меньше времени (30–60 с.), чем по Бринеллю, причем результат измерения виден на шкале (он указан стрелкой). Кроме того, измерение твёрдости по Роквеллу оставляет меньший отпечаток на поверхности детали.

Твёрдость очень тонких слоев металла (толщиной менее 0,3 мм) с указанными нагрузками 60 и 150 кгс измерять нельзя, так как алмазный конус проникает на глубину, превышающую толщину этих слоев, и указывает, следовательно, твёрдость нижележащих областей. Вместе с тем с увеличением твёрдости измеряемого материала глубина отпечатка уменьшается, вследствие чего понижается точность измерения (особенно для металлов с твёрдостью более HRC 60).

Измерение твёрдости по шкале С. Если индентор внедрится на глубину h₀=0,2 мм, то твердость такого материала условно считается равной нулю. Если же под действием той же нагрузки P индентор не внедряется в материал (пластическая деформация равна нулю), то твердость такого материала принято считать равной 100 единицам Роквелла. Таким образом, за единицу твердости принята величина, соответствующая перемещению наконечника на 0,002 мм. Применение такой «перевернутой» шкалы (рис. 2.3) обосновано тем, что глубина внедрения индентора обратно пропорциональна твердости материала. Поэтому твердость материала будет характеризоваться величиной (h₀ - h) в мм или числом делений по шкале:

, (2.5)

Измерение твёрдости по шкале А. Шкалу А (идентична шкале С) применяют для измерения твердости преимущественно листовых материалов. Из-за снижения нагрузки на индентор в 2,5 раза и уменьшения вследствие этого глубины проникновения наконечника минимальную толщину испытуемого образца или изделия удалось снизить до 0,4 - 0,7 мм.

Измерение твёрдости по шкале В. Для многих мягких металлов и сплавов внедрение алмазного конуса может оказаться большим, чем 0,2 мм. В этом случае число твердости, вычисляемое по формуле (2), станет отрицательным, что лишено физического смысла и не может характеризовать твердость материала. В этих случаях применяют следующие меры.

• Заменяют конический индентор на сферический;

• Снижают нагрузку на индентор в 1,5 раза (со 150 кгс до 100 кгс );

• Смещают шкалу на 30 единиц (шкала В красного цвета).

Число твердости определяется по формуле:

(2.6)

Твёрдость указывается в единицах HR (Hardness Rockwell) с добавлением обозначения шкалы ( HRA, HRB, HRС ), которому предшествует числовое значение твердости из трех значащих цифр. Твёрдость по Роквеллу - величина безразмерная.

Пример обозначения: 61 HRC - твёрдость 61 единиц Роквелла по шкале С.

Желательно располагать методом пересчета значений твёрдости из одной шкалы в другую. Однако, поскольку твёрдость не является строго определяемым параметром материала, а также вследствие того, что имеет место несовпадение методик различных измерений, не существует достаточно полных пересчётных схем. Таблицы для пересчёта значений твёрдости из одной шкалы в другую основаны на эмпирических оценках, причем было найдено, что соответствие между различными шкалами зависит от типа и характеристик конкретного материала.

Наиболее надёжные пересчётные таблицы существуют для сталей. Некоторые используемые для этого номограммы показаны в приложении 3 для шкал Кнупа, Бринелля и Роквелла. Также представлена шкала Мооса. Детальные пересчетные таблицы для ряда металлов и сплавов содержатся в стандарте А5ТМ Е 140 «Таблицы пересчёта стандартных показателей твердости для металлов». Тем не менее, как обсуждалось выше, к использованию таких пересчетных таблиц следует подходить с осторожностью.

В государственных стандартах указано, что общего точного перевода чисел твёрдости, измеренных соответствующими методами на числа твёрдости, определёнными другими методами или на прочность при растяжении не существует. Однако результаты проведённых многочисленных экспериментов указывают на то, что имеются, хотя и приближённые, но достаточно устойчивые зависимости.

В приложении 4 приведены сравнения твёрдости металлов и сплавов по различным шкалам, что позволяет производить пересчёт твёрдостей.

Пересчёт также можно производить, используя графики (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Зависимость HRC и HRB от НВ сталей (штриховкой показано поле разброса опытных точек для различных марок сталей)