При вимірюванні твердості цим методом, сталева кулька діаметром D вдавлюють в випробовуваний зразок під прикладеної певний час навантаженням P; після зняття навантаження вимірюють діаметр d залишився на поверхні зразка відбитка (рис. 1).
Мал. 1. Визначення твердості конструкційний матеріал
Твердість по Брінеллю (HB) визначається з виразу:
де Р - навантаження, Н;
F - площа поверхні кульового відбитку, мм 2;
Твердість по Бринеллю визначають за допомогою кульового індентора діаметром 2,5; 5 або 10 мм. Індентором виготовляють зі сталі з твердістю не менше 8500 МПа. Методом Бринелля можна випробовувати матеріали з твердістю від НВ 8 до НВ 450. При більшій твердості зразка кулька-индентор деформується на величину, що перевищує стандартизований допуск.
При визначенні твердості по Бринеллю кулькою з D = 10 мм під навантаженням Р = 30 кН і часу витримки t = 10 з число твердості записують так: НВ 400, НВ 250 або НВ = 30000 МПа. При використанні інших умов випробування індекс НВ доповнюють цифрами, що вказують діаметр використаного кульки, мм, навантаження, кгс, і тривалість витримки, с. Наприклад НВ 5/750/30 - 350 - це число твердості по Бринеллю (350), отримане при вдавливании кульки з D = 5 мм навантаженням Р = 750 кгс (7500Н) протягом t = 30 с.
Діаметр відбитка змиритися з точністю до 0,05 мм ручним відліковим мікроскопом, що додається до приладу.
Вибір діаметра кульки і навантаження в залежності від твердості та товщини випробуваного зразка проводиться за таблицею 1.
Таблиця 1. Параметри випробувань конструкційних матеріалів на твердість
Інтервал твердості, НВ
Для визначення твердості по Бринеллю застосовують спеціальні прилади. На малюнку 2 показана схема одного з них, типу ТШ-2, широко використовуваного в лабораторній практиці.
Прилад змонтований в масивній станині. На підйомному гвинті 2. переміщається при обертанні маховика 1. встановлюються змінні опорні столики 5 для випробовуваних зразків. У верхній частині станини розташований шпиндель 6. в який вставляються змінні наконечники з кульками різних діаметрів. Шпиндель спирається на пружину 9. призначену для додатка до зразком попереднього навантаження 1000 Н для усунення зсувів зразка під час випробування. Основне навантаження прикладається через систему важелів. На довгому плечі основного важеля 15 розміщена підвіска, на яку накладаються змінні вантажі 18. Комбінацією вантажів можна задати навантаження від 625 до 30000 Н. Обертання вала електродвигуна 21 за допомогою черв'ячної передачі повідомляється шатуну 19. він опускається, і навантаження передається на шпиндель приладу. Тривалість випробування задається пересувним упором. Коли шатун доходить до нього, спрацьовує кінцевий перемикач і електродвигун починає обертатися у зворотний бік, шатун піднімається, і навантаження знімається зі шпинделя. Після повернення шатуна в початкове положення електродвигун автоматично вимикається.
Мал. 2. Схема важільного преса ТШ-2
Після завершення випробування, обертанням маховика 1 опускають стіл і знімають зразок. За допомогою мікроскопа МПБ-2 проводиться вимір лунки (відбитка). По таблиці, що додається до приладу, або за формулою, наведеною вище, знаходять значення твердості. Випробування повторюється два-три рази.
При випробуванні твердості по Роквеллу (твердомер ТК-2) в якості індентора використовують алмазний конус з кутом при вершині 120 ° або сталева кулька діаметром 1/16 дюйма (1,58 мм). При випробуванні твердості порівняно м'яких металів виробляють вдавлення сталевої кульки (шкала В), а твердих металів (загартована сталь) - алмазного конуса (шкала С) і твердих сплавів - алмазного конуса (шкала А). Вибір шкал і навантажень при випробуванні проводять відповідно до таблиці 2.
Таблиця 2. Параметри випробувань твердості по Роквеллу
Орієнтовна твердість по Брінеллю НВ
Мал. 3. Визначення твердості по Роквеллу
На початку дається попередня навантаження Р0 = 100 Н (для щільного зіткнення алмаза або кульки з випробовуваним металом і вибору зазорів в шарнірах). Потім прикладається основне навантаження (згідно з таблицею 2). Числа твердості по Роквеллу вимірюються в умовних одиницях і визначаються за формулами:
де h - глибина впровадження алмазу або кульки під дією загального навантаження Р;
0,002 - глибина впровадження алмазу або кульки, що відповідає одному поділу шкали індикатора приладу.
Числа твердості по Роквеллу виражаються поділами шкали індикатора приладу. Вони є умовними величинами, обернено пропорційними глибині вдавлення індентора.
На малюнку 4 наведена схема важільного приладу Роквелла (типу ТК).
Мал. 4. Схема важільного приладу для визначення твердості по Роквеллу
Зразок встановлюється на предметний столик (змінний) 21-23 і 10. Потім обертанням маховика 11 за годинниковою стрілкою піднімають зразок до зіткнення з алмазом або кулькою наконечника. При подальшому обертанні маховика починає переміщатися маленька і велика стрілки індикатора 9. Поєднують маленьку стрілку з червоною крапкою, нанесеної на циферблаті індикатора, і припиняють обертати маховик. Таке поєднання створює попередню навантаження Р0 = 100 Н. Після цього циферблат індикатора 9 повертають так, щоб нульовий розподіл чорної шкали "С" або "А" стало проти великої стрілки і відповідно проти 30 ділення червоною шкали "В". Рукояткою за допомогою вантажів 15 створюють основне навантаження Р на индентор. Завдяки демпфера вантажі опускаються плавно, индентор (кульку, алмаз) вдавлюється в метал, а велика стрілка індикатора повертається вліво. Після зупинки стрілки рукояткою знімається основне навантаження. Велика стрілка повертається в зворотному напрямку і зупиняється проти поділу на індикаторі, що показує значення твердості випробуваного матеріалу.
За число твердості приймають середнє арифметичне значення, отримане при трьох випробуваннях. Число твердості по Роквеллу можна перевести в число твердості по Бринеллю, використовуючи таблиці.
Випробування на твердість по Віккерсу проводять вдавленням у випробуваний зразок алмазної чотиригранної піраміди з кутом при вершині a = 136 ° (рис. 10). Величина твердості по Віккерсу позначається HV і визначається за формулою:
де d - довжина діагоналі відбитка після зняття навантаження, d = (d1 + d2) / 2;
При випробуваннях застосовують навантаження рівні 50, 100, 250, 300, 500, 1000 Н. Можливість застосування малих значень навантажень - 50 і 100 Н, дозволяє визначити твердість деталей малої товщини і тонких поверхневих шарів (наприклад, цементованих, азотованих і ін.), а також гальванічних покриттів.
Числа твердості по Віккерсу і Бринелю мають однакову розмірність (МПа) і для матеріалів твердістю до НВ 450 практично збігаються. Для вимірювання твердості великогабаритних виробів невисокою твердості застосовують прилад Польді. Принцип роботи приладу - метод вдавлювання і порівняння твердості з еталоном, яким є брусок зі сталі 45.
Прилад складається з оправлення, бойка, індентора і еталона. Вдавлювання индентора (кульку діаметром 10 мм) здійснюється ударом молотка з силою 200 - 250 Н (середній удар молотком).
Після удару від індентора залишаються дві лунки: одна на ідеалі, а друга на випробувальному предмет. Заміривши діаметри відбитків на ідеалі і випробовується предмет, по таблиці порівняння визначається твердість випробовуваного матеріалу Н / м 2 (МПа). Твердість по Польді порівнянна з твердістю по Брінеллю.
4. Питання для самоперевірки
4.1. Що таке твердість?
4.2. Визначення твердості за методом Брінелля.
4.3. Визначення твердості за методом Роквелла.
4.4. Визначення твердості за методом Віккерса.