Методы и аппаратура для исследования твердости металлов, микротвердости

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

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.

Твердостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твердого тела. Для определения твердости в поверхность материала с определенной силой вдавливается тело (индентор),выполненное в виде стального шарика, алмазного конуса, пирамиды или иглы. По размерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твердости материала. Таким образом, под твердостью понимают сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела - индентора. В «СИ» за единицу измерений твёрдости принят Н/м2. Единица имеет наименование Паскаль (Па). В зависимости от способа измерения твердости материала, количественно ее характеризуют числами твердости по Бринеллю (НВ), Роквеллу (HRC) или Виккерсу(HV) (имеються в виду самые распространенные).

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.

Твёрдость определяется как величина нагрузки необходимой для начала разрушения минерала. Различают относительную и абсолютную твёрдость.

Относительная - тв. одного минерала относительно другого. Является важнейшим диагностическим свойством.

Абсолютная, она же инструментальная - изучается следствием вдавливания.

Твёрдость зависит от:

1) Межатомных расстояний.

2) Координационного числа - чем выше число, тем выше твёрдость.

3) Валентности.

4) Природы химической связи.

5) От направления (например, минерал дистен - вдоль его твёрдость 4, а поперёк 7).

6) Хрупкости и ковкости.

7) Гибкости - минерал легко гнётся, изгиб не выпрямляется. Пр: "тальк".

8) Упругости - минерал сгибается, но выпрямляется. Пр: "слюды".

9) Вязкости - минерал трудно сломать. Пр: "жадент"- разновидность пироксена..

10) Спаянности.

Наиболее твёрдым из существующих на сегодняшний день материалов является лонсдейлит (одна из аллотропных модификаций углерода), на 58% превосходящий по твердости алмаз, однако маловероятно практическое использование из-за сложности его получения. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз.

1. КЛАССИЧЕСКИЕМЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ

1.1 ИЗМЕРЕНИЕТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЛЮ

Твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012-59) измеряют вдавливанием в испытываемый образец стального шарика определенного диаметра D под действием заданной нагрузки P в течение определенного времени (рис.1). В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка).

Рис. 1 - Схема испытаний на твердость по Бринеллю

Число твердости по Бринеллю, обозначаемое HB (при применении стального шарика для металлов с твердостью не более 450 единиц) или HBW (при применении шарика из твердого сплава для металлов с твердостью не более 650 единиц), представляет собой отношение нагрузки P к площади поверхности сферического отпечатка F и измеряется в кгс/мм2 или МПа:

(1)

Площадь шарового сегмента составит:

, мм2, (2)

где R -радиус шарика, (мм);

h - глубина отпечатка, (мм).

Так как глубину отпечатка измерить трудно, а проще измерить диаметр отпечатка d, выражают h через диаметр шарика D и отпечатка d:

, мм (3)

Тогда, , мм2 (4)

Число твердости по Бринеллю определяется по формуле:

, кгс/мм2 (5)

В практике при определении твердости не делаютвычислений по формуле (5), а пользуются таблицами, составленными для установленных диаметров шариков, отпечатков и нагрузок. Шарики применяют диаметром 1,2; 2,5; 5; 10 мм. Диаметр шарика и нагрузка выбираются в соответствии с толщиной и твердостью образца. При этом для получения одинаковых чисел твердости одного материала при испытании шариками разных диаметров необходимо соблюдать закон подобия между получаемыми диаметрами отпечатков. Поэтому твердость измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки P и квадратом диаметра шарика D2. Это соотношение должно быть различнымдля металлов разной твердости.

Условные обозначения.

Твердость по Бринеллю обозначают символом НВ (НВW):

НВ - при применении стального шарика (твердость менее 450 единиц);

НВW - при применении шарика из твердого сплава (твердость более 450 единиц).

Символу НВ (НВW) предшествует числовое значение твердости из трех значащих цифр, а после символа указывают диаметр шарика, значение приложенной силы (в кгс), продолжительность выдержки, если она отличается от 10 до 15 с.

Примеры обозначений:250 НВ 5/750 -твердость по Бринеллю 250, определенная при применении стального шарика диаметром 5 мм, при силе 750 кгс (7355 Н) и продолжительности выдержки от 10 до 15 с.

575 HBW 2,5/187,5/30 - твердость по Бринеллю 575, определенная при прменении шарика из твердого сплава диаметром 2,5 мм, при силе 187,5 кгс (1839 Н) и продолжительности выдержки 30 с.

При определении твердости стальным шариком или шариком из твердого сплава диаметром 10 мм при силе 3000 кгс (29420 Н) и продолжительности выдержки от 10 о 15 с твердость по Бринеллю обозначают только чиловым значением твердости и символом НВ или НВW.

Пример обозначение: 185 HB, 600 HBW.

При измерении твердости по методу Бринелля необходимо выполнять следующие условия:

образцы с твердостью выше HB 450/650 кгс/мм2 испытывать запрещается;

поверхность образца должна быть плоской и очищенной от окалины и других посторонних веществ;

диаметры отпечатков должны находиться в пределах 0,2D<d<0,6D;

образцы должны иметь толщину не менее 10-кратной глубины отпечатка (или менее диаметра шарика);

расстояние между центрами соседних отпечатков и между центром отпечатка и краем образца должны быть не менее 4d;

продолжительность выдержки под нагрузкой должна быть от 10 до 15 с для чёрных металлов, для цветных металлов и сплавов - от 10 до 180 с, в зависимости от материала и его твёрдости.

Диаметр отпечатка измеряют при помощи отсчетного микроскопа (лупы Бринелля), на окуляре которого имеется шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. Измерение проводят с точностью до 0,05мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях; для определения твердости следует принимать среднюю из полученных величин.

1.2 ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО РОКВЕЛЛУ

Твердость по Роквеллу - твердость, определяемая разностью между условной максимальной глубиной проникновения индентора и остаточной глубиной его внедрения под действием основной нагрузки F1,после снятия этой нагрузки, но при сохранении предварительной нагрузки Fo. 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.2)).

Рис. 2 - Схема измерения твердости по Роквеллу

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 h.

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 числотвердости по Роквеллу (HR) представляет собой неуказанную глубину вдавливания h, а величину 100- h по черной шкале при измерении конусом ивеличину 130 - h 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.

Рис. 3 - Durajet - Универсальный твердомер для измерения твердости по Роквеллу

твердость отпечаток металл сплав

Универсальный твердомер для измерения твердости по всем шкалам.

Основные характеристики:

Нагрузки от 5 кг. до 187,5 кг.

Максимальная высота образца 260 мм.

Методы теста - Роквелл, Бринелль (нестандартный прямой метод измерения), измерение твердости пластика.

Сенсорное управление.

Автоматическое измерение твердости.

Автоматическое перемещение по оси Z.

Сенсорное управление.

HRA, HRC, HRD - твердость по Роквеллу измеренная при внедрении в поверхность образца алмазного конуса.

HRB, HRE, HRF, HRG, HRH, HRK - твердость по Роквеллу измеренная при внедрении в поверхность образца стального сферического наконечника.

Наконечник алмазный конусный имеетугол при вершине 120°. Наконечник шариковый стальной имеет диаметр 1,588 (шкалыB, F, G) и 3,175 (шкалы E, H, K).

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. Так определяют твердость мягкой (отожженной) стали и цветных сплавов.

При измерении твердости методом 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 между отпечатками должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и не менее 4мм при вдавливании шарика. Толщина образца должна не менее чем в 10 раз превышать глубину внедрения наконечника после снятия основной нагрузки. Твердость следует измерять не менее 3 раз на одном образце, усредняя полученные результаты.

Условные обозначения

Пример обозначения: 61,5 HRC- твердость по Роквеллу 61,5 единиц по шкале С.

С целью обеспечения единства измерений введен государственный специальный эталон для воспроизведения шкал твердости Роквелла и Супер-Роквелла и передачи их при помощи образцовых средств измерений (рабочих эталонов) рабочим средствам измерений, применяемым в стране (ГОСТ 8.064-94).

Рис. 4 - Диапазоны шкал твердости по Роквеллу и Супер-Роквеллу, воспроизводимых эталоном по ГОСТ 8.064-94

Преимущество метода Роквеллапо сравнению с методом Бринелля:

возможность проводить испытания высокой твёрдости путём отсчёта по шкале индикатора без вычисления или пользования специальными таблицами;

малая повреждаемость поверхности в результате его применения;

высокая производительность измерения.

1.3 ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО МЕТОДУ СУПЕР РОКВЕЛЛА

Измерение твёрдости по методу Супер-Роквелла основано на вдавливании наконечника стандартного типа с алмазным конусом (шкалы М) или со стальным шариком (шкалы Т) в поверхность образца в два последовательных приёма и в измерении остаточного увеличения глубины внедрения этого наконечника. Наименьшее расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно составлять не менее трёх диаметров отпечатка. Расстояние от центра отпечатка до края образца должно составлять не менее 2,5 диаметров отпечатка.

При определении твёрдости на цилиндрических выпуклых поверхностях диаметром, равным или меньшим 25 мм, к значению твёрдости прибавляют поправки, указанные в таблицах 3 и 4 обязательного приложения 1 ГОСТ 22975.

Измерение можно провести на приборе типа: ТвердомерТРС 5009-01 (Рис. 5).

Рис. 5 - ТвердомерТРС 5009-01

Прибор предназначен для измерения твердости металлов и сплавов по методу Супер-Роквелла (ГОСТ 22975).

Прибор позволяет измерять твердость деталей и образцов из металлов и конструкционных пластмасс.

Смена нагрузок производится поворотом рукоятки. Привод нагружения - электромеханический. Время выдержки изделия под нагрузкой - регулируемое от 1 до 99 сек.

Устройство отсчетно-аналоговое (индикатор часового типа) с ценой деления 0,5 HR.

Место испытания освещается.

Функциональные возможности прибора могут быть расширены за счет использования различных инденторов и приспособлений, поставляемых по специальному заказу.

Инденторы:

алмазный наконечникНК

шарикШ1,588 мм

Расстояние от оси индентора до стенки прибора, мм150

Максимальная мощность, Вт (питание)60 (220В, 50Гц)

Масса, кг85

1.4 ИЗМЕРЕНИЕТВЕРДОСТИ ПО ВИККЕРСУ

Метод измерения твердости черных и цветных металлов и сплавов при нагрузках от 9,807 Н (1 кгс) до 980,7 Н (100 кгс) по Виккерсу регламентирует ГОСТ 2999-75* (в редакции 1987 г.).

При испытании на твердость по методу Виккерса в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине равным 136о (рис.6). После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d.



Рис. 6

Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки Р к измеренному значению диагонали отпечатка М:

, (6)

Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки P и времени выдержки поднагрузкой, 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 HV10/15 означает, чточисло твердости по Виккерсу 450 получено при P = 10кгс (98,1 Н), приложенной к алмазной пирамиде в течение 15 с.

При измерении твердости по Виккерсу должны быть соблюдены следующие условия:

плавное возрастание нагрузки до необходимого значения;

обеспечение перпендикулярности приложения действующего усилия к испытуемой поверхности;

поверхность испытуемого образца должна иметь шероховатость не более 0,16 мкм;

поддержание постоянства приложенной нагрузки в течении установленного времени;

расстояние между центром отпечатка и краем образца или соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длины диагонали отпечатка;

минимальная толщина образца должна быть для стальных изделий больше диагонали отпечатка в 1,2 раза; для изделий из цветных металлов - в 1,5 раза. При измерении твердости по Виккерсу должны быть соблюдены следующие условия:

плавное возрастание нагрузки до необходимого значения;

обеспечение перпендикулярности приложения действующего усилия к испытуемой поверхности;

поверхность испытуемого образца должна иметь шероховатость не более 0,16 мкм;

поддержание постоянства приложенной нагрузки в течении установленного времени;

расстояние между центром отпечатка и краем образца или соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длины диагонали отпечатка;

минимальная толщина образца должна быть для стальных изделий больше диагонали отпечатка в 1,2 раза; для изделий из цветных металлов - в 1,5 раза.

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

Твердость по Виккерсу при силовом воздействии 294,2 Н (30 кгс) и времени выдержки под нагрузкой 10...15 с обозначают цифрами, характеризующими величину твердости, и буквами HV.



Рис. 7 - Твердомер универсальный Серия M5С. Методы теста - Роквелл, Бринель и Викерс

Основные характеристики:

Диапазон нагрузок от 20 кг до 3000 кг.

Ручная регулировка высоты столика 0 - 510 мм

Глубина 200 мм. Максимальный вес образца 100 кг

Встроенная цифровая камера для обработки отпечатка.

ЖК монитор для вывода изображения отпечатка.

Нагрузка контролируется электроникой.

В версии 300 подъем столика автоматизирован.

Напольная модель.

Условные обозначения

Пример обозначения: 500 HV - твердость по Виккерсу, полученная при силе 30 кгс и времени выдержки 10...15 с.

При других условиях испытания после букв HV указывают нагрузку и время выдержки.

Пример обозначения: 220 HV 10/40 - твердость по Виккерсу, полученная при силе 98,07 Н (10 кгс) и времени выдержки 40 с.

Общего точного перевода чисел твердости, измеренных алмазной пирамидой (по Виккерсу), на числа твердости по другим шкалам или на прочность при растяжении не существует.

Поэтому следует избегать таких переводов за исключением частных случаев, когда благодаря сравнительным испытаниям имеются основания для перевода.

2. ИСПЫТАНИЕ НА ТВЕРДОСТЬ МЕТОДОМ УДАРНОГО ОТПЕЧАТКА

Метод основан на внедрении в поверхности испытуемого объекта твердосплавного конического индентора (для испытания стали с твердостью <HV850) или стального шара (для испытания стали с твёрдостью <HV350). Измерение сравнительной твердости стали по Виккерсу, Бринеллю и пластической твердости осуществляется с помощью переносных твердомеров ударного действия при начальной скорости удара от 1 до 5 м/с.

При измерении сравнительной твердости стали по Виккерсу твердосплавный наконечник в форме двустороннего и одностороннего конуса с углами 136° при вершинах внедряют в поверхности испытуемого объекта под действием кратковременной динамической нагрузки, создаваемой ударным механизмом (Рис. 8). После снятия индентора с испытуемой поверхности измеряют диаметры отпечатков конуса на поверхностях контрольного бруска dэ и испытуемого образца d0.

Рис. 8

Число сравнительной твердости испытуемого объекта по Виккерсу (HVc) вычисляют по формуле:

, (7)

где HVэ - среднее значение твердости контрольного бруска по Виккерсу, измеренное посредством статического стационарного прибора;

nкэ и nк0 - динамические коэффициенты твёрдости материалов стального контрольного бруска и испытуемого объекта при ударном внедрении конуса.

При измерении этим методом сравнительной твердости по Бринеллю стальной шарик диаметром D одновременно внедряют в поверхности стального контролируемого бруска и испытуемого объекта поддействием кратковременной нагрузки Рд, создаваемой ударным методом (Рис.9). После снятия индентора с испытуемой поверхности измеряют диаметры отпечатков шарика на поверхностях контрольного бруска dэ и испытуемого объекта d0 или глубины восстановленных отпечатков на поверхностях объекта h0 и стального контрольного бруска hэ.

Рис. 9

Число сравнительной твердости испытуемого объекта по Бринеллю (HBc) вычисляют по формуле:

, (8)

где HBэ - среднее значение твердости контрольного бруска по Бринеллю стального контрольного бруска, измеренное посредством статических стационарных приборов ТШ и ТК;

D - диаметр шарика, мм;

dэ - диаметр восстановленного ударного отпечатка на поверхности контрольного бруска, мм;

d0 - диаметр восстановленного ударного отпечатка на поверхности испытуемого образца, мм;

nшэ и nш0 -динамические коэффициенты твердости материалов стального контрольного бруска и испытуемого объекта при ударном внедрении шарика со скоростью 0,72 - 2 м/с.

Диаметры отпечатков измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях и определяют как среднеарифметическое результатов двух измерений.

Измерение диаметров ударных отпечатков конического индентора на испытуемой поверхности и поверхности контрольного бруска должно осуществляться с помощью отсчётного оптического микроскопа, погрешность которого не должна превышать ±0,01мм на одно наименьшее деление шкалы. Измерение диаметров ударных отпечатков шарика на испытуемой поверхности и поверхности контрольного бруска должно осуществляться с помощью отсчётного оптического микроскопа, погрешность которого не должна превышать ±0,5 мм на одно наименьшее деление шкалы.

3. МЕТОДЫ ЦАРАПАНИЯ

Твердость по царапанию измеряют двумя методами:

- твердость по Моосу - определяется способностью одного тела царапаться другим, более твердым телом. Моос предложил десятибалльную шкалу твердости, представляющую собой последовательность ряда минералов различной твердости, расположенных в порядке ее возрастания. Шкала твёрдости Мооса используется для быстрой сравнительной диагностики минералов. При этом, если эталон шкалы твёрдости, имеющий твёрдость 5, царапает исследуемый образец, а последний оставляет след на поверхности эталона с твёрдостью 4, то промежуточная твёрдость минерала равна 4,5 (4Ѕ) шкалы Мооса. В то же время надо иметь в виду, что шкала твёрдости Мооса не является линейной шкалой. Номер по шкале твердости указывает только на порядок в распределении по твердости, но не имеет какого-либо количественного значения. Шкала твёрдости Мооса удобна тем, что практически можно применять такие "подручные средства", как ноготь (твёрдость по Моосу 2Ѕ), цент или любая другая монета США (твёрдость чуть меньше 3), нож (твёрдость по Моосу 5Ѕ), стекло (5Ѕ), высококачественный стальной напильник (твёрдость 6Ѕ), наждачная бумага, в которой применяется синтетический корунд (имеет твёрдость по Моосу 9), тонкая наждачная бумага для дерева "garnet paper" (твёрдость 7Ѕ).

Рис. 10 - Шкала Мооса

Школа Мооса предложена в 1811 немецким минералогом Ф. Моосом (Мос; F. Mohs).

- твердость по Мартенсу - определяется по ширине царапины, нанесенной стандартным алмазным резцом (пирамидой, конусом). Для определения твердости по царапанию (ее называют склерометрической твердостью) применяют склерометр Мартенса. В этом приборе для нанесения царапины применяется алмазный конус с углом 90о при вершине. За меру твердости принимается нагрузка, необходимая для получения царапины шириной 10 мкм.

4. КОСВЕННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ

4.1 МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ПО ШОРУ

Суть метода заключается в том, что боек определенной массы с алмазным наконечником свободно и вертикально падает с определенной высоты на испытуемую поверхность. Высота отскока бойка принимается за характеристику твердости и измеряется в условных единицах. Масса изделия при измерении твердомерами, установленными непосредственно на изделие, должна быть не менее 5 кг. Образцы, устанавливаемые на столик твердомера, должны иметь массу не менее 0,1кг и толщину не менее 10 мм.

Рис. 11 - Аналоговый дюрометр Шора, установленный на штативе с устройством пригружения

Прибор для измерения твердости по Шору должен обеспечивать:

- высоту отскока бойка для 100 единиц твёрдости по Шору 13,6 ± 0,3 мм;

- высоту падения бойка 19,0 ± 0,5 мм;

- цену деления индикатора (измерителя высоты отскока бойка) не более 1 единици шкалы HSP;

- масса бойка с алмазным наконечником должна быть 36 г.

Твердость по Шору указывают с округлением до целой единицы. Вшкале Шора за 100 единиц принята максимальная твёрдость стабилизированного после закалки на мартенсит образца из углеродистой инструментальной стали, что соответствует высоте падения бойка13,6± 0,3 мм.

4.2 АКУСТИЧЕСКИЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ ОБРАЗЦА

Во многих случаях применение классических твердомеров для измерения может стать проблематичным. Во-первых, когда контролируемое изделие является крупногабаритным и его нельзя поднести к прибору. Кроме этого, вырезка фрагмента из изделия для последующего измерения твёрдости приводит к порче изделия. Во-вторых - когда требуется достаточно высокая производительность контроля.

Чтобы избежать тех недостатков, которые присущи классическим методам твердометрии, были разработаны твердомеры, использующие акустический и динамический методы.

Акустический метод основан на измерении относительных изменений механического импеданса колебательной системы преобразователя в зависимости от механических свойств поверхности образца. Акустический преобразователь представляет собой стержень из магнитострикционного материала (например, никеля), на конце которого укреплён индентор в виде алмазной призмы. К стержню прикреплён пьезоэлемент, возбуждающий в преобразователе продольные упругие колебания частотой 30-40 кГц. Стержень с индентором прижимают к контролируемому объекту с постоянной силой. При этом индентор внедряется в поверхность изделия тем глубже, чем меньше твёрдость его материала. Площадь зоны соприкосновения индентора с изделием с уменьшением твёрдости растёт, а модуль упругого сопротивления увеличивается. Изменение импеданса определяют по изменению собственной частоты нагруженного преобразователя, которую измеряют частотомером. Шкалу индикатора градуируют в единицах твёрдости по Роквеллу.

Рис. 12 - Портативный ультразвуковой твердомер МЕТ-У1

Измерение твердости:

любых по массе изделий толщиной от 1 мм - недоступное для динамических твердомеров (малые детали, тонкостенные конструкции, трубы, резервуары, стальные листы и т.д.);

без видимого отпечатка на поверхности изделия (зеркальные поверхности, шейки коленчатых валов, ножи);

металлических покрытий;

изделий сложной формы, в труднодоступных местах.

Принцип действия:

Определение частот свободных колебаний индентора (акустический резонатор с алмазной пирамидой Виккерса), находящегося под действием постоянного усилия 1,5 кГс.

Принцип работы динамических твердомеров основан на измерении отношения скоростей индентора при падении и отскоке его от поверхности контролируемого изделия. Отношение скоростей перемещения инденторапри отскоке и падении характеризуют твёрдость контролируемого изделия.

Преобразователь включает в себя механическую систему, обеспечивающую перемещение индентора относительно поверхности контролируемого материала, и электрическую катушку. Во взведенном положении преобразователя цанга спускового механизма удерживает индентор. При нажатии спусковой кнопки цанга разжимается и индентор под действием предварительно сжатой пружины сбрасывается на контролируемую поверхность. На конце индентора расположен твердосплавный шарик, непосредственно контактирующий с испытуемым материалом. Внутри индентора находится постоянный магнит. При пересечении магнитным полем витков катушки в последней наводится э.д.с., пропорциональная скорости движения индентора.

Рис. 13 - Портативный динамический твердомер МЕТ-Д1

Основные возможности:

измерения твёрдости металлов и сплавов по стандартизованным в России шкалам твёрдости: Роквелла (HRC), Бринелля (HB), Виккерса (HV) и Шора (HSD).

наличие трех дополнительных шкал H1,H2, H3 для калибровки (по заявке) других шкал твердости (Роквелла "B", Супер-Роквелла, Лейба и др.), а также для шкал твердости металлов, отличающихся по свойствам от сталей (например, цветных металлов, сплавов, чугуна и др.);

использование шкалы предела прочности на разрыв (Rm) в соответствии с ГОСТ 22791-77 для определения предела прочности на растяжение изделий из углеродистых сталей перлитного класса путём автоматического пересчёта со шкалы твёрдости Бринелля (HB);

Отличительные особенности:

измерение твердости материалов с неоднородной, крупнозернистой структурой, кованных изделий, литья;

измеренная величина твердости не зависит от пространственного положения датчика;

малая чувствительность к кривизне и шероховатости измеряемой поверхности;

высокая производительность (30 измерений в минуту).

Ограничения:

Измерение изделий массой менее 3-х кг или толщиной менее 12 мм возможно только при выполнении следующих условий:

наличии чугунной или стальной опорной плиты массой не менее 3 кг;

наличии смазки для притирки изделия к опорной плите;

изделие должно быть ПЛОТНО притёрто к поверхности опорной плиты.

Измеряемая твердость является функцией отношения сигналов U1и U2:

, (9)

где U1- скорость сброса; U2-скорость отскока.

Микротвёрдость

Микротвёрдость [microhardness] - это твёрдость отдельных фаз и структурных составляющих, твёрдость внутри отдельных зёрен, тонкого поверхностного слоя (после химико-термической обработки) и тонких листов и фольги. Микротвёрдость измеряется вдавливанием алмазной пирамидки под нагрузкой менее 2 н (200 гс). Выбор участка для испытания микротвёрдости и определение размеров отпечатка производят под микроскопом, затем по специальным таблицам пересчитывают на так называемое число твёрдости - отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка. Прибор для определения микротвёрдости обеспечивает возможность выбора участка микроструктуры, где будет произведено вдавливание; благодаря малым размерам отпечатка можно измерять микротвёрдость отдельных фаз или даже отдельных зёрен. Данные о микротвёрдости используют для изучения неоднородности распределения растворимых примесей по зерну, исследования пластической деформации, построения диаграмм фазового равновесия и т.д.

Рис. 14 - Микротвердость отпечаток



Рис. 15 - Микротвердомер. микротвердость по Виккерсу

Измерение микротвёрдости производят в соответствии с требованиями ГОСТ 9450-76 «Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников» по методу восстановленного отпечатка (основной) или по методу невосстановленного отпечатка (дополнительный) с использованием:

четырехгранной пирамиды с квадратным основанием;

трехгранной пирамиды с основанием в виде равностороннего треугольника;

четырехгранной пирамиды с ромбическим основанием;

бицилиндрического наконечника.

Измерение микротвёрдости относится к микромеханическим испытаниям, которые были разработаны для металлографических исследований свойств отдельных структурных составляющих сплавов.

Среди обычных методов механических испытаний есть распространенный метод измерения твердости. Твердостью называется сопротивление материала внедрению в него другого материала. В испытуемый образец вдавливается индентор из другого материала и измеряется глубина вдавливания. Современная же техника позволяет изготовить приборы для проведения измерения твердости в микромасштабе - микротвёрдости. В таком приборе для измерения микротвердости металлографический шлиф, предварительно протравленный для выявления структуры, исследуется под микроскопом, выбирается место для исследования, к этому месту подводится алмазный индентор, прикладывается нагрузка, после чего нагрузка снимается, шлиф возвращается в поле зрения объектива микроскопа и проводится измерение отпечатка. В микромасштабе сложно измерять глубину вдавливания индентора, легче измерить размеры отпечатка в плоскости шлифа. Если индентор имеет форму шарика, конуса или пирамиды, то по диаметру или диагонали отпечатка можно вычислить его глубину и определить твердость так же, как это делается при макромеханических испытаниях. В наиболее распространенном приборе для измерения микротвердости увеличение составляет до 400 и на микрошлифе стали хорошо видны отдельные структурные составляющие. Измерения твердости этих структурных составляющих показывают, что микротвердость феррита составляет около 100 кгс/мм2, перлита около 400, а мартенсита в закаленной стали около 800. Для того чтобы определить микротвердость всех фаз, увеличения прибора недостаточно. Например, удается определить микротвердость перлита, но пластины фазы цементит (Fe3C) являются слишком тонкими, и поставить отпечаток на одну пластину не удается. Твердость аустенита имеет порядок 170 - 200 кгс/мм2, а микротвёрдость цементита ~1000.

Рис. 16 - Пример работы анализатора микротвердости

Метод измерения микротвердости при металлографических исследованиях во многих случаях позволяет получить результаты, недостижимые при макроскопических механических испытаниях. Например, измерения микротвердости и участков с мартенситной структурой, возникших на месте зерен перлита в стали после действия световых импульсов лазера, показали, что их твердость почти в полтора раза выше, чем твердость стали после обычной закалки в воде. Этот эффект, имеющий большое научное и практическое значение, связан с тем, что нагрев и охлаждение металла при лазерной обработке происходит со скоростями в тысячи раз большими, чем при обычной закалке.

Для измерения микротвёрдости фазовых структурных составляющих и для получения распределения микротвёрдости по толщине химико-термически обработанных слоев в наше время применяют программы анализа микротвёрдости. Примером такой программы является анализатор микротвёрдости ImageExpertTM MicroHardness 2(Рис. 14). При необходимости проведения множественных измерений микротвёрдости производительность может быть существенно повышена за счёт автоматизации аппаратно-программного комплекса. Процесс нанесения серии отпечатков в этом случае происходит полностью автоматически, а по окончании программный модуль вернёт оператора в исходную точку испытания и проведёт пользователя последовательно по каждому отпечатку для их сохранения и последующего измерения.

Заключение

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. Перспективным и высокоточным методом является метод непрерывного вдавливания, при котором записывается диаграмма перемещения, возникающего при внедрении индентора,с одновременной регистрацией усилий. В зависимости от скорости приложения нагрузки на индентор твердость различают статическую (нагрузка прикладывается плавно) и динамическую (нагрузка прикладывается ударом).

Таблица 1 - Особенности различных методов измерения твердости

Методы	Способ измерения	Форма индентора	Нагружение F, H	Допустимая шероховатость поверхности Ra
Бринелля	По диаметру отпечатка	стальной шарик	статичиское24,5 - 29430	1,25 - 2,5
Роквелла	по глубине вдавливания	алмазный конусный наконечник или стальной шариковый	статическое 490,3-1373	0,38 - 2,5
Супер-Роквелла	по глубине вдавливания	алмазный конус или стальной шарик	статическое 147,1-441,3	0,08 - 0,16
Виккерса	по глубине вдавливания или по диагонали отпечатка	алмазный наконечник в форме правильной черырехгранной пирамиды	статическое 9,807-980,7	0,02 - 0,04
Шора (Монотрон)	по заданной глубине отпечатка	алмазный или стальной наконеник	статическое 0,63 - 1,25
Мартенса	по ширине царапины	алмазный конус или пирамида	динамическое	а

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

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

высокая производительность;

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

возможность ориентировочно оценить по твердости другие характеристики металла (например предел прочности).

Список литературы

1. Физическое металловедение. Под редакцией Р. Кана, выпуск 2. - М.: Мир, 1968 - 490 с.

2. Богомолова Н.А. Практическая металлография: Учебник для техн. училищ. - 2-е изд., испр. - М.: Высш. школа, 1982. - 272 с., ил. - (Профтехобразование. Металлография, металловедение).

3. ГОСТ 9450-76 «Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников» (Measurements microhardness by diamond instruments indentation).

4. Панов А.Г. Исследование статистических характеристик случайной величины результатов измерений: Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу "Методы исследования материалов и процессов". - Наб. Челны: ИНЭКА, 2009, 28 с.

5. www.melytec.ru

6. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. - М.: Машиностроение, 1990. - 384 с.: ил. ISBN 5-217-00241-1.

7. Большая Советская Энциклопедия - М., 1969-1978.

8. ГОСТ 18661-73.

Размещено на Allbest.ru