Министерство по образованию и науке РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Красноярский государственный педагогический университет

им. В.П.Астафьева»

Филиал в г.Железногорске

Кафедра Информатики и Технологии
РЕФЕРАТ

«Методы определения твёрдости металлов»
Выполнил:

Пирожков В.П.
Проверил:

асс. Елисеев Д.В.
г.Железногоск, 2010 г.
СОДЕРЖАНИЕ
1.     Введение и основные сведения                                               3

2.     Измерение твёрдости по Бринеллю                                         7

3.     Измерение твёрдости по Виккерсу                                          10

4.     Измерение твёрдости по Роквеллу                                          11

5.     Твёрдость абразивных материалов                                         12

6.     Контроль твёрдости абразивного инструмента                      14

7.     Список используемых источников                                         15




ВВЕДЕНИЕ и основные сведения

Одной из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность их применения в различных конструкциях и при различных условиях работы, является твердость. Испытания на твердость производятся чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.

Твёрдостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твёрдого тела. Твёрдость определяется как величина нагрузки необходимой для начала разрушения материала. Различают относительную и абсолютную твёрдость. Относительная — твёрдость одного материала относительно другого. Является важнейшим диагностическим свойством. Абсолютная, она же инструментальная — измеряется методами вдавливания.

Твёрдость зависит от:

·          Межатомных расстояний.

·          Координационного числа — чем выше число, тем выше твёрдость.

·          Валентности.

·          Природы химической связи

·          От направления (например минерал дистен — его твёрдость вдоль кристалла 4, а поперёк — 7)

·          Хрупкости и ковкости

·          Гибкости — минерал легко гнётся, изгиб не выпрямляется (например, тальк)

·          Упругости — минерал сгибается, но выпрямляется (например, слюды)

·          Вязкости — минерал трудно сломать (например, жадеит)

·          Спайности
Наиболее твёрдыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода — лонсдейлит, на 58 % превосходящий по твёрдости алмаз и фуллерит (примерно в 2 раза твёрже алмаза). Однако практическое применение этих веществ пока малораспостранено. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз.

Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения):

Метод Бринелля — твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части сферы, а не как площадь круга); размерность единиц твердости по Бринеллю кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твёрдость, англ.), B — Бринелль;

Метод Роквелла — твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA; твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 − kd, где d — глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k — коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу соответствует HR 100.

Метод Виккерса — твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к пирамидке, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части поверхности пирамиды, а не как площадь ромба); размерность единиц твёрдости по Виккерсу кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV;



Рис.1 Методы определения твёрдости материала.

а) по Бринеллю; б) по Роквеллу; в) по Виккерсу

Методы Шора:

Твёрдость по Шору (Метод вдавливания) — твёрдость определяется по глубине проникновения в материал специальной закаленной стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины. В данном методе измерения прибор именуется дюрометром. Обычно метод Шора используется для определения твердости низкомодульных материалов (полимеров). Метод Шора, описанный стандартом ASTM D2240, оговаривает 12 шкал измерения. Чаще всего используются варианты A (для мягких материалов) или D (для более твердых). Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается буквой используемой шкалы, записываемой после числа с явным указанием метода. В качестве примера, резина в покрышке колеса легкового автомобиля имеет твердость примерно 70A, школьный ластик — примерно 50A;

Твёрдость по Шору (Метод отскока) — метод определения твёрдости очень твёрдых материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боёк (основная часть склероскопа — измерительного прибора для данного метода), падающий с определённой высоты. Твердость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка. Обозначается HSx, где H — Hardness, S — Shore и x — латинская буква, обозначающая тип использованной при измерении шкалы.

Метод Аскер («Аскер» — это название японской компании, производящей измерители твердости — дурометры) — твёрдость определяется по глубине введения стальной полусферы под действием пружины. Используется для мягких резин. По принципу измерения соответствует методу Шора, но отличается формой поверхности щупа. Аскер С использует полусферу диаметром 2.54 мм.

Метод Кузнецова — Герберта — Ребиндера — твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл;

Метод Польди (двойного отпечатка шарика) — твердость оценивается в сравнении с твердостью эталона, испытание производится путем ударного вдавливания стального шарика одновременно в образец и эталон;

Шкала Мооса — определяется по тому, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый материал, и какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом.

В России стандартизированы четыре первые шкалы твёрдости. Первые три перечисленных метода относятся к методам вдавливания, методы Шора и Кузнецова — Герберта — Ребиндера — к динамическим методам определения твёрдости. Значения твёрдости, определённые по методам вдавливания, можно пересчитать из одной шкалы в другую. Конкретный способ определения твёрдости выбирается исходя из свойств материала, имеющейся аппаратуры и др.

Для инструментального определения твёрдости методом вдавливания используются твердомеры. Методы определения твердости, в зависимости от степени воздействия на объект, могут относиться как к неразрушающим, так и к разрущающим методам.

Механические характеристики связаны между собой, поэтому их конкретные значения могут быть найдены расчётным путём на основе данных о твёрдости с помощью  формул, полученных для конкретного материала с определённой термообработкой. Так, например, предел выносливости на изгиб сталей с твёрдостью 180-350 НВ равен примерно 1,8 НВ, с твёрдостью 45-55 HRC - 18 HRC+150, связь предела выносливости  с пределом прочности  стали описывается соотношениями:



Конкретным образцам конструкционных материалов, а также выполненным из них изделиям, присуща индивидуальность прочностных и упругих характеристик. Разброс их значений для различных образцов, выполненных из одного и того же материала, обусловлен статистической природой прочности твёрдых тел, различием структур внешне одинаковых образцов. Из-за неопределённости реальных механических характеристик материала, неопределённости некоторых внешних нагрузок, действующих на технический объект, погрешности расчётов для обеспечения безопасной работы проектируемых конструкций должны быть приняты соответствующие проектному этапу обеспечения надёжности меры предосторожности. В качестве такой меры используется понижение в n раз относительно опасного напряжения материала (предела прочности, предела текучести, предела выносливости или предела пропорциональности) величины максимально допускаемых напряжений, используемых в условии прочности. Величина n получила название нормативного коэффициента запаса прочности, который выбирается по таблице или рассчитывается как произведение

n
=
n
₁
*
n
₂
*
n
₃,

где n₁-учитывает среднюю точность определения напряжений, n₂-учитывает неопределённость механических характеристик материала, n₃-учитывает среднюю степень ответственности проектируемой детали.

Как мы выяснили выше, существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерять вдавливанием индентора (способ вдавливания), ударом или же по отскоку наконечника – шарика. Твердость, определенная царапаньем, характеризует сопротивление разрушению, по отскоку – упругие свойства, вдавливанием сопротивление пластической деформации. В зависимости от скорости приложения нагрузки на индентор твердость различают статическую (нагрузка прикладывается плавно) и динамическую (нагрузка прикладывается ударом).

Широкое распространение испытаний на твердость объясняется рядом их преимуществ перед другими видами испытаний:

Ø                простота измерений, которые не требуют специального образца и могут быть выполнены непосредственно на проверяемых деталях;

Ø                высокая производительность;

Ø                измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению;

Ø                возможность ориентировочно оценить по твердости другие характеристики металла, в первую очередь предел прочности.

Так, например, зная твердость по Бринеллю (HB), можно определить предел прочности на растяжение  (временное сопротивление).

,

где k – коэффициент, зависящий от материала;

            k = 0,34 – сталь HB 120 … 175;

            k = 0,35 – сталь HB 175 … 450;

            k = 0,55 – медь, латунь и бронза отоженные;

            k = 0,33 … 0,36 – алюминий и его сплавы.

            Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием в испытываемый металл индентора в виде шарика, конуса и пирамиды (соответственно методы Бринелля, Роквелла и Виккерса). В результате вдавливания достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Величина внедрения наконечника в поверхность металла будет тем меньше, чем тверже испытываемый материал.

            Таким образом под твердостью понимают сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела – индентора.

Измерение твердости по ВиккерсУ

            При испытании на твердость по методу Виккерса в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине  a=136⁰ (Рис. 2.1). После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d₁. Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки З к площади поверхности пирамидального отпечатка М:

 

            Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки P и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм²) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой принимают для сталей 10 – 15 с, а для цветных металлов – 30 с.

Например, 450 HV_10/15 означает, что число твердости по Виккерсу 450 получено при P = 10 кгс (98,1 Н), приложенной к алмазной пирамиде в течение 15 с.

            Преимущества метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материаллы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.

Измерение твердости по Роквеллу

            При этом методе индентором является алмазный конус или стальной закаленный шарик. В отличие от измерений по методу Бринелля твердость определяют по глубине отпечатка, а не по его площади. Глубина отпечатка измеряется в самом процессе вдавливания, что значительно упрощает испытания. Нагрузка прилагается последовательно в две стадии (ГОСТ 9013-59): сначала предварительная, обычно равная 10 кгс (для устранения влияния упругой деформации и различной степени шероховатости), а затем основная (Рис. 4).

            После приложения предварительной нагрузки индикатор, измеряющий глубину отпечатка, устанавливается на нуль. Когда отпечаток получен приложением окончательной нагрузки, основную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения наконечника t.

            Твердость измеряют на приборе Роквелла (Рис. 5), в нижней части станции которого установлен столик 5. В верхней части станции индикатор 3, масляный регулятор 2 и шток 4, в котором устанавливается наконечник с алмазным конусом (имеющим угол при вершине 120⁰ и радиус закругления     0,2 мм) или стальным шариком диаметром 1,588 мм. Индикатор 3 представляет собой циферблат, на котором нанесены две шкалы (черная и красная) и имеются две стрелки – большая (указатель твердости) и маленькая – для контроля величины предварительного нагружения, сообщаемого вращением маховика 6. Столик с установленным на нем образцом для измерений поднимают вращением маховика до тех пор, пока малая стрелка не окажется против красной точки на шкале. Это означает, что наконечник вдавливается в образец под предварительной нагрузкой, равной 10 кгс.

            После этого поворачивают шкалу индикатора (круг циферблата) до совпадения цифры 0 на черной шкале с большой стрелкой. Затем включают основную нагрузку, определяемую грузом 1, и после остановки стрелки считывают значение твердости по Роквеллу, представляющее собой цифру. Столик с образцом опускают, вращая маховик против часовой стрелки.

            Твердомер Роквелла измеряет разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной и предварительной нагрузок. Каждое давление (единица шкалы) индикатора соответствует глубине вдавливания 2 мкм. Однако условное число твердости по Роквеллу (HR) представляет собой не указанную глубину вдавливания t, а величину 100 – t по черной шкале при измерении конусом и величину 130 – t по красной шкале при измерении шариком.

            Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и того физического смысла, который имеют числа твердости по Бринеллю, однако можно найти соотношение между ними с помощью специальных таблиц.

            Твердость по методу Роквелла можно измерять:

-         алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кгс. Твердость измеряется по шкале С и обозначается HRC (например, 65 HRC). Таким образом определяют твердость закаленной и отпущенной сталей, материалов средней твердости, поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм;

-         алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кгс. Твердость измеряется по шкале А, совпадающей со шкалой С, и обозначается HRA. Применяется для оценки твердости очень твердых материалов, тонких поверхностных слоев (0,3 … 0,5 мм) и тонколистового материала;

-         стальным шариком с общей нагрузкой 100 кгс. Твердость обозначается HRB и измеряется по красной шкале B. Так определяют твердость мягкой (отожженной) стали и цветных сплавов.

При измерении твердости на приборе Роквелла необходимо, чтобы на поверхности образца не было окалины, трещин, выбоин и др. Необходимо контролировать перпендикулярность приложения нагрузки и поверхности образца и устойчивость его положения на столике прибора. Расстояние отпечатка должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и не менее 4 мм при вдавливании шарика.

Твердость следует измерять не менее 3 раз на одном образце, усредняя полученные результаты.

Преимущество метода Роквелла по сравнению с методами Бринелля и Виккерса заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.

ТВЁРДОСТЬ АБРАЗИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

Твердость, для абразивных материалов  – прочность удержания абразивного зерна связкой. Чем выше твердость, тем прочнее удерживается зерно.

Шкала твердости инструмента в России состоит из 16 основных степеней:

ВМ1 и ВМ2

– весьма мягкий

М1, М2, М3 – мягкий;

СМ1-СМ2 – средне мягкий;

С1, С2 – средний;

СТ1, СТ2, СТ3 – средне твердый;

Т1, Т2 – твердый;

ВТ – весьма твердый;

ЧТ – чрезвычайно твердый

Соответствие обозначений степеней твердости в России и за рубежом приведены в таблице
Соответствие обозначений степеней твердости в России и за рубежом

Обозначение степени твердости шлифкругов по ГОСТу

ВМ1

ВМ2

М1

М2

М3

СМ1

СМ2

С1

С2

СТ1

СТ2

СТ3

Т1

Т2

ВТ

ТЧ

Обозначение степени твердости шлифкругов зарубежными фирмами

F

G

H

I

J

K

L

M

N

O

P

Q

R

S

T,U

V,W.Y.Z

В этой шкале цифры 1, 2 и 3 характеризуют возрастание твердости абразивного инструмента внутри данной степени. В большинстве случаев достаточно при выборе твердости определить ее группу (например, С или СТ).

Методы определения твердости абразивного инструмента на керамической связке регламентированы ГОСТами 18118-79, 19202-80 и 25961-83.

Однако, ни один из них не может быть в полной мере применен для инструмента малых диаметров, особенно для шлифголовок.

По этой причине ГОСТ 2447-82 регламентирует рецептурную маркировку твердости шлифголовок, контроль которых не предусмотрен ГОСТ19202-80.

Вместе с тем, твердость абразивного инструмента зависит от целого ряда параметров технологического процесса его изготовления. Так, например, только особенности процесса обжига изделий на керамической связке могут обусловить отклонение твердости ± 1÷2 ступени от заказанного номинала при одной рецептуре формовочной смеси. Характер абразивной обработке у потребителей в ряде случаев требует использования инструмента одной степени твердости. В связи с этим, для контроля твердости малогабаритных изделий нами используется методика, сочетающая рецептурный, пескоструйный и ультразвуковой методы контроля.

        При выборе твердости абразивного инструмента обычно руководствуются общеизвестными положениями: для обработки твердых материалов следует применять мягкий инструмент, наоборот, для обработки мягких материалов – более твердый (исключение – жаропрочные и нержавеющие стали, цветные металлы). Существенное значение имеет окружная скорость круга, чем больше ее величина, тем более мягким должен быть инструмент.

Необходимо учитывать, что окружная скорость определяется числом оборотов приводного устройства и диаметром абразивного инструмента. При невозможности обеспечить окружные скорости более 20м/сек необходимо использовать более твердый инструмент. При обработке твердых материалов для повышения шлифовальной способности абразивного инструмента следует использовать низкие окружные скорости.

        Окружную скорость можно оценить по формуле:

V=2πRn/60=0,105Rn, где

V – окружная скорость, м/сек

R – радиус инструмента, м

N – число оборотов привода в 1 мин

 

Рекомендуемые окружные скорости в зависимости от твердости инструмента

Рекомендуемая твердость в зависимости от вида обработки

Твердость инструмента	Вид обработки
СМ1-С2	Чистовое и комбинированное круглое, наружное, бесцентровое и внутреннее шлифование стали.
С2-СТ2	Профильное шлифование, обработка прерывистых поверхностей.
СТ2-Т2	Круглое наружное шлифование методом врезания при необходимости сохранить профиль круга.
ВТ1-ЧТ2	Правка абразивных инструментов, шлифовка шариков шарикоподшипников и деталей часовых механизмов.

КОНТРОЛЬ ТВЁРДОСТИ АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА
На предприятиях твердость малогабаритного абразивного инструмента измеряется акустическим методом (ГОСТ 25961-83), т.к. измерение твердости пескоструйным методом (ГОСТ18118-79) и методом вдавливания шарика (ГОСТ19202-80) для малогабаритного абразивного инструмента практически не применимы. Для измерения твердости акустическим методом наиболее удобным является прибор «Звук»110-М. Однако и этот метод дает хорошие и стабильные результаты лишь при определенном соотношении высоты и диаметра круга. Особенно это относится к шлифовальным головкам. Так например, для головок с размерами 8х25х3; 10х25х3 и им подобных пик твердости (частота колебаний) проявляется достаточно четко. В то же время, твердость головки 3х6х1,5, оценить этим методом достаточно проблематично. ГОСТ 2447-82 на головки требует маркировать инструмент, контроль которого не предусмотрен ГОСТ 19202-80, в соответствии с рецептурой. Таким образом, контроль твердости головок (в принципе и кругов) диаметром до 6мм ГОСТ 2447-82 не регламентирует.

      Таким образом, инструмент с диаметрами до 6мм., контролируют по массе. Если масса головки сырца соответствует заданной по рецептуре, то требуемая степень твердости обеспечивается. Естественно, инструмент геометрические размеры которого позволяют оценить твердость акустическим методом, подвергается дополнительному контролю на приборе «Звук-110м».
Список используемых источников

1.     Википедия свободная энциклопедия

http://ru.wikipedia.org/wiki/Заглавная_страница