Стационарные приборы для измерения твёрдости вдавливанием при статическом нагружении

В настоящее время промышленность выпускает множество стационарных приборов для измерения твёрдости, работающих на принципе вдавливания. Среди них в последние годы появилось новое поколение унифицированных твердомеров, оснащенных микропроцессорами для автоматического отсчёта размеров отпечатков инденторов и перевода их в единицы твёрдости и других механических свойств материалов. Они позволяют измерять твёрдость по различным шкалам [6] (Бринелля, Роквелла, Виккерса, Шора) при исполь-зовании сменных инденторов различной формы. На рис.1.21 представлен стационарный твердомер DuraJet австрийской фирмы EMCO-TEST.

Твердомер изготовлен в соответствие с требованиями ГОСТ 23677–79 (DIN EN 50150, EN ISO 18265, ASTM E 140 - 05) и позволяет провести измерение твёрдости вдавливанием самыми распространёнными способами по Бринеллю (не стандартный метод^[5]), Роквеллу и Виккерсу.

При выборе способа измерения легко можно заменить индентор, предварительно сняв конус 5, и, осуществив настройку соответствующей программы микропроцессора твердомера. При измерении твёрдости прибор автоматически выбирает нагрузку, которая может меняться в широких пределах 49…184 Н (5…187,5 кг), что позволяет измерять твёрдость в широких пределах (например металлов и пластмасс). Значение твёрдости прибор показывает на дисплее блока управления 8 автоматическим переводом в единицы по Бринелю, Роквеллу или Виккерсу, в зависимости от того, на какую шкалу была настроена программа прибора. Все измерения могут быть сохранены непосредственно на flash-карту 7 или распечатаны на принтере. При измерении твёрдости оператор настраивает расстояние между индентором и столом (изделием) нажатием кнопок по регулеровке высоты блока нагружения (см. рис. 1.21). Измерение проводится в полностью автоматическом режиме простым нажатием кнопки “Quick-Test”.

Рис. 1.21. Твердомер DuraJet 10: 1 – принтер; 2 – основание; 3 – стол; 4 – изделие; 5 – конус; 6 – блок нагружения; 7 - flash карта (флэшка); 8 – блок управления; 9 – USB интерфейс; 10 – сервисный интерфейс; 11 – разъём для блока управления; 12 – выключатель; 13 – блок предохранителей; 14 – гнездо электропитания.

Сегодня в лабораториях машиностроительных предприятий и учебных заведений всё ещё используются твердомеры Бринелля (рис. 1.22) и Роквелла (рис. 5.4) прежних лет, которые отличаются высокой надёжностью. Кроме того, они удобны в работе и просты в обслужи-вании.

Твердомер Бринелля ТШ – 2. Прибор смонтирован на массивной станине 7. Перед испытанием в зависимости от марки материала выбирается по данным табл. груз и диаметр шарового индентора. Затем закрепляют шаровой индентор 3 нужного диаметра и вешают на подвеску груз 5. Комбинация грузов на приборе ТШ – 2 позволяет изменять нагрузку на индентор в пределах 612,5….29420 Н.

Испытуемый образец устанавливают на столик 2 и, вращая маховик 1, поджимают его к индентору и поднимают вместе с индентором до конца вверх преодолевая сопротивление сжимающейся пружины, на которую опирается индентор. При этом сжатая пружина давит на наконечник и создаёт предварительную нагрузку 100 кгс. Для продолжения испытания нажимают пусковую кнопку 6 иэлектродвигатель через червячную передачу и систему рычагов совершает нагружение индентора и его внедрение в образец. После окончания нагружения загорается сигнальная лампочка 4 и она горит в течение времени выдержки. Затем лампочка выключается и происходит разгружение (груз 5 поднимается вверх). После завершения испытания вращением маховика против часовой стрелки опускают стол, снимают образец и измеряют диаметр отпечатка.

Рис. 1.22. Твердомер Бринелля: 1 – штурвал; 2 –съёмный предметный столик; 3 – индентор с наконечником; 4 – сигнальная лампочка; 5 – груз; 6 – пусковая кнопка; 7 - станина	Рис. 1.23. Твердомер Роквелла: 1- станина; 2 – педаль; 3 – штурвал; 4 – стол; 5 – индентор; 6 – указатель; 7 – груз; 8 - ободок

Твердомер Роквелла ТК – 2 (рис. 1.23). Прибор включают в электросеть выключателем 6, при этом загорается лампочка 4. Механизм нагружения располагается внутри полой станины 1. Перед испытанием в зависимости от марки материала выбирают шкалу измерений согласно табл. 5.3 и соответственно устанавливают на прибор нужный индентор и груз. Испытуемый образец укладывают на столик 2 и вращением штурвала 1 поднимают стол с образцом до тех пор, пока индентор 3 не окажется вдавленным предварительной нагрузкой 10 кгс. Этот момент достигается при совпадении маленькой стрелки с красной точкой на шкале указателя. После этого поворотом ободка 9 совмещают ноль шкалы указателя с большой стрелкой. Для продолжения нагружения нажимают педаль 8 и рычаг с грузом 5 плавно начинает опускаться вниз подавая основную нагрузку на индентор. После остановки вращения стрелки указателя считывают значение твёрдости. При использовании в качестве индентора конического алмазного индентора пользуются черной шкалой указателя, а при использовании шарика ‒ красной шкалой.

Технологические свойства определяют способность материалов подвергаться различным видом обработки.

Литейные свойства сплавов. Литые конструкционные материалы должны обладать также высокими литейными свойствами. Наиболее важные литейные свойства — жидкотекучесть, усадка (объёмная и линейная), склонность к ликвации, образованию трещин и к газопоглощению.

Жидкотекучестью называется способность расплава свободно течь в литейной форме, заполняя ее и точно воспроизводя все контуры полости формы. В это понятие входят свойства, определяющие подвижность расплава в жидком состоянии. К ним относятся вязкость, поверхностное натяжение расплава и прочность нерастворимых окислов на поверхности. Жидкотекучесть зависит от химического состава, теплопроводности материалов отливки и формы, температуры заливки формы, свойств литейной формы и т. д.

Жидкотекучесть определяют путем заливки специальных техноло-гических проб (например, спирали). За ее меру принимают длину заполненной расплавом части полости пробы, измеряемую в миллиметрах. В зависимости от жидкотекучести расплава при оптимальной температуре его заливки выбирается толщина стенок отливки, обеспечивающая требуемую прочность и экономию материалов. Хорошая жидкотекучесть важна для получения плотных доброкачественных отливок. Она улучшает условия вывода за пределы отливки усадочных раковин, уменьшает опасность образования всех видов пористости, трещин. Недостаточная жидкотекучесть расплава вызывает незаполнение отдельных тонких частей литейной формы — недоливы, а следовательно, и искажение конфигурации и размеров отливки. Другим важным свойством, определяющим качество отливок является усадка.

Усадкой называется свойство расплава уменьшать свой объем при затвердевании и охлаждении. В результате происходит и соответствующее уменьшение линейных размеров отливки. Относительное изменение объемов отливки V _от по сравнению с объемом формы V _ф, выраженное в процентах, определяет объемную усадку e_об, которая имеет место в жидком, жидкотвердом и твердожидком состояниях:

где V _ф и V _от —объёмы полости формы и отливки соответственно при комнатной температуре.

Относительное изменение линейных размеров отливки l _от по сравнению с размерами формы, выраженное в процентах, определяет линейную усадку e_лин,

которая имеет место а твердожидком и твердом состояниях:

где l _ф и l _от—размеры полости формы и отливки соответственно при комнатной температуре.

Объемная усадка примерно в три раза больше линейной. Усадка в отливках создает условия для образования усадоч­ных раковин, пористости, трещин и короблении.

Склонностью к образованию трещин называется совокупность свойств, определяющих прочность отливки в процессе кристаллизации и охлаждения расплава. Различают горячие трещины, образующиеся в отливках при высоких температурах, и холодные, образующиеся при низких температурах.

Склонностью к газопоглощению называется способность расплавов поглощать газы и выделять их в период охлаждения. Газы в расплав попадают при протекании химических реакций (например, FеО+С—Fе + СО) с поверхности раздела расплав—форма, при заполнении формы расплавом, из шихтовых материалов. С этим свойством связан весьма распространенный дефект отливок—газовая пористость. Растворимость газов в расплавах уменьшается с понижением температуры. В связи с этим понижение температуры заливаемого расплава является одной из мер предупреждения образования газовой пористости. Для этой цели также используют дегазацию (прокалка или технологическая обработка в вакууме или инертной среде с целью удаления газов) шихтовых материалов, расплава перед его заливкой в форму и др.

О литейных свойствах металлических сплавов можно судить по их диаграмме состояния. Лучшими литейными свойствами обладают эвтекти-ческие сплавы и сплавы с эвтектикой. Это связано прежде всего с тем, что температура плавления эвтектики («механической» смеси кристаллов А и В в двойном сплаве) всегда ниже температуры плавления составляющих ее компонентов, сплавы-эвтектики имеют повышенную жидкотекучесть.

Ковкость материала. Ковкость — это способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки давлением без разрушения. Ковкость проверяют по численному значению критерия ковкости и пятибалльной шкале (табл.1.1).

Таблица 1.1

Пятибальная шкала ковкости

Балл	Значение Кψ = ψ/ σв, % / МПа	Ковкость
	Не менее 0,01	не куется
	0,001…0,03	низкая
	0,031…0,08	удовлетворительная
	0,081…0,2	хорошая
	0,21 и выше	отличная
Примечание. Область применения ОМД распространяется на сплавы, которые имеют ковкость не ниже удовлетворительной.

Значение критерия ковкости определяется из соотношений: К_ψ = ψ/ σ_в или К_δ = δ/ σ_в,

где ψ – относительное сужение в зоне разрыва образца в %;

δ – относительное удлинение после разрыва образца, %;

σ_в – временное сопротивление на разрыв, МПа.

Учитывая, что значение δ зависит от первоначальной длины образца, предпочтение отдают критерию Кψ.

Свариваемость определяется способностью материалов образовывать прочные сварные соединения. Обрабатываемость резанием определяется способностью материалов поддаваться обработке режущим инструментом.

2.3. Физические свойства материалов. К физическим свойствам материалов относится плотность, тем­пература плавления, электропроводность, теплопроводность, магнит­ные свойства, коэффициент температурного расширения и др.

Плотностью называется отношение массы однородного матери­ала к единице его объема.

Это свойство важно при использовании материалов в авиационной и ракетной технике, где создаваемые конструкции должны быть легкими и прочными.

Температура плавления — это такая температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. Чем ниже температура плавления металла, тем легче протекают процессы его плавления, сварки и тем они дешевле.

Электропроводностью называется способность материала хоро­шо и без потерь на выделение тепла проводить электрический ток. Хорошей электропроводностью обладают металлы и их сплавы, особенно медь и алюминий. Большинство неметаллических материалов не способны проводить электрический ток, что также является важным свойством, используемом в электроизоляционных материалах.

Теплопроводность — это способность материала переносить теплоту от более нагретых частей тел к менее нагретым. Хорошей теплопроводностью характеризуются металлические материалы.

Магнитными свойствами т. е. способностью хорошо намагничиваться обладают только железо, никель, кобальт и их сплавы.

Коэффициенты линейного и объемного расширения характеризуют способность материала расширяться при нагревании. Это свойство важно учитывать при строительстве мостов, прокладке железнодорожных и трамвайных путей и т.д.

Химические свойства характеризуют склонность материалов к взаимодействию с различными веществами и связаны со способнос­тью материалов противостоять вредному действию этих веществ. Способность металлов и сплавов сопротивляться действию различ­ных агрессивных сред называется коррозионной стойкостью (см. раз­дел 5.2), а аналогичная способность неметаллических материалов — химической стойкостью.

2.4. Эксплуатационные свойства металлов. К эксплуатационным (служебным) свойствам относятся жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, радиационная стойкость, коррозионная и химическая стойкость и др.

Жаростойкость характеризует способность металлического ма­териала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

Жаропрочность характеризует способность материала сохранять механические свойства при высокой температуре.

Износостойкость — это способность материала сопротивлять­ся разрушению его поверхностных слоев при трении.

Радиационная стойкость характеризует способность материала сопротивляться действию ядерного облучения