Таблицы твердости металлов по бринеллю и роквеллу

Лабораторные работы по курсу

Тульскийгосударственный педагогическийуниверситет

им.Л.Н. Толстого

Кафедра технологии

«Материаловедение»

для студентовфизического факультета и

факультета«Технология, предпринимательство,экономика»

Тула,2002

Лабораторныеработы по курсу «Материаловедение» длястудентов физического факультета ифакультета «Технология предпринимательство,экономика» разработаны проф., к.т.н.Ростовцевым Н.М., проф., д.т.н. СергеевымН.Н., доц., к.т.н. Абрамовой В.И.

ЛАБОРАТОРНАЯРАБОТА №1

Измерение твердости металлов по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу

Цель работы:ознакомиться с методикой определениятвердости металлов по Бринеллю, Роквеллуи Виккерсу

Твердость– это свойство металлов оказыватьсопротивление пластической деформацииили хрупкому разрушению в поверхностномслое при местных контактных воздействияхв определенных условиях испытания. Этаформулировка пригодна для методоввнедрения и для методов царапания.

Разнообразиеметодов измерения твердости и разныйфизический смысл чисел твердостизатрудняет выработку общего определениятвердости как механического свойства.В разных методах и при различных условияхпроведения испытаний числа твердостимогут характеризовать упругие свойства,сопротивление малым или большимпластическим деформациям, сопротивлениематериала разрушению.

Измерениетвердости отличается простотой и высокойпроизводительностью, отсутствиемразрушения образца, возможностью оценкисвойств отдельных структурных составляющихи тонких слоев на малой площади.

Во всех методахиспытания на твердость очень важноправильно подготовить поверхностныйслой образца. Он должен наиболее полнохарактеризовать материал, твердостькоторого необходимо определить. Всеповерхностные дефекты (окалина, выбоины,вмятины, грубые риски) должны бытьудалены.

Требования к качеству испытуемойповерхности зависят от применяемогоиндентора и величины прилагаемойнагрузки.

Чем меньше глубина вдавливаемостииндентора, тем меньше должна бытьшероховатость поверхности и тем болеестрого нужно следить за тем, чтобысвойства поверхностного слоя неизменялись вследствие наклепа илиразогрева при шлифовании и полировке.

Нагрузка должнаприлагаться по оси вдавливаемогоиндентора перпендикулярно к испытуемойповерхности. Для соблюдения этогоусловия плоскость испытуемой поверхностиобразца должна быть строго параллельнаопорной поверхности.

Приопределении твердости всеми методами(кроме микротвердости) измеряютсопротивление металла внедрению в негоиндентора, усредняющее твердость всехимеющихся структурных составляющих.

Твердость по Бринеллю

Пристандартном (ГОСТ 9012-59) измерениитвердости по Бринеллю стальной шарикдиаметром Dвдавливается в испытуемый образец поднагрузкой Р, приложенной в течениеопределенного времени.

Послеснятия нагрузки измеряют диаметр dоставшегося на поверхности образцаотпечатка (рис.1). В поверхностном слоепод инден-тором идет интенсивнаяпластическая деформация, а диаметротпечатка получается тем меньше, чемвыше сопротивление металла образцадеформации, производимой индентором.Число твердости по Бринеллю (НВ) естьотношение нагрузки Р, действующей нашаровой индентор диаметром Dи площади Fшаровой поверхности отпечатка:

(1)

РазмерностьH/мм2;1H/мм2=1МПа0,1кгс/мм2

Площадьотпечатка определяется по глубиневдавливаемого индентора:

F= Dh (2)

Числотвердости имеет размерность напряжения(кгс/мм2,Н/ мм2),но в соответствии со стандартом оно непишется. При определении твердости НВшариком с D=10ммпод нагрузкой Р=3 000 кгс и времени выдержки=10сек число твердости записывают так: НВ400, НВ 250, НВ 230 и так далее.

Например, НВ 5(750)30=350 – означает: числотвердости по Бринеллю 350, полученноепри выдавливании шарика D=5мм,нагрузкой Р=750кгс в течение =30сек.

Приопределении твердости по Бринеллюиспользуют инденторы с завальцованнымив них шариками следующих диаметров –2,5; 5 или 10 мм. Шарики имеют твердость неменее 850 кгс/мм2.

Спомощью метода Бринелля можно испытыватьметаллы с твердостью от НВ 8 до НВ 450, прибольшой твердости образца шарик инденторапретерпевает остаточную деформацию навеличину, превышающую стандартныйдопуск.

Минимальнаятолщина испытуемого образца должнабыть не меньше 10-кратной глубиныотпечатка. При известной величине НВглубина отпечатка:

,мм

Поверхностьобразца должна быть тщательно отшлифована,чтобы края отпечатка были достаточноотчетливы для измерения его диаметрас требуемой точностью (0,01-0,05 мм). Этиизмерения проводят на инструментальныхмикроскопах или с помощью измерительнойлупы. Величина отпечатка dвесьма велика по сравнению с размерамиотпечатка при других методах определениятвердости, что позволяет получатьдостоверные средние значения НВ по 3-5отпечаткам.

Расстоянияот центра отпечатки до края образцадолжно быть не менее 2,5d,а расстояние между центрами двух соседнихотпечатков – не менее 4d(для металлов НВ 35 соответственно 3dи 6d).

На практике такого постоянствадобиться невозможно. Отношение d/Dподдерживается в пределах 0,2-0,6. Дляполучения отпечатков оптимальныхразмеров необходимо правильно подобратьсоотношение между нагрузкой и диаметромшарика.

В зависимости от твердостиматериала величина P/D2должна быть равной 30 (при НВ>130), 10(HB35-130) и 2,5 (НВ

Источник: http://StudFiles.net/preview/2378422/

Сравнение шкал измерения твёрдости

Твёрдость – свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твёрдого тела – индентора.

Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения), наиболее распространёнными среди которых являются [1]:

• метод Бринелля (HB) – твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка. Размерность единиц твёрдости по Бринеллю – МПа. Метод не применяется для тонких материалов и материалов с большой твёрдостью;
• метод Роквелла (HRA, HRB, HRC) – твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость вычисляется по формуле [2]: HR = HRmax – (H – h) / 0,002, где HRmax – максимальная твёрдость по Роквеллу (по шкалам A и C составляет 100 единиц, а по шкале B – 130 единиц), (H – h) – разность глубин погружения индентора (в миллиметрах) после снятия основной нагрузки и до её приложения (при предварительном нагружении). Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной величиной. Метода Роквелла проще в реализации, но обладает меньшей точностью по сравнению с методами Бринелля и Виккерса. Не допускается проверка образцов с толщиной менее десятикратной глубины проникновения наконечника;
• метод Виккерса (HV) – твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение нагрузки, приложенной к пирамидке, к площади отпечатка. Размерность единиц твёрдости по Виккерсу – МПа. Позволяет определять твёрдость азотированных и цементированных поверхностей, а также тонких листовых материалов [3]:, но обладает пониженной точностью в нижнем диапазоне (для мягких материалов).

Результаты измерения твёрдости по методам Роквелла и Виккерса могут быть переведены с помощью таблиц в единицы твёрдости по методу Бринелля (таблица 1) [4]. Зная твёрдость по Бринеллю, можно рассчитать предел прочности и текучести материала, что важно для прикладных инженерных задач [5]:

• для стали:σв = 3,33 × HB;σт = 1,67 × HB;
• для алюминиевых сплавов:σв = 3,62 × HB;
• для медных сплавов:σв = 2,60 × HB;

где σв – предел прочности, МПа; σт – предел текучести, МПа.

Таблица 1 – Перевод результатов измерения твёрдости

Перевод значений твёрдости следует использовать лишь в тех случаях, когда невозможно испытать материал при заданных условиях. Полученные переводные числа твёрдости являются лишь приближёнными и могут быть неточными для конкретных случаев. Строго говоря, такое сравнение чисел твёрдости, полученных разными методами и имеющих разную размерность, лишено всякого физического смысла, но, тем не менее, имеет вполне определённую практическую ценность.

Перечень ссылок

Источник: http://eam.su/sravnenie-shkal-izmereniya-tvyordosti.html

Соотношения между числами твердости

Твердостью металла называют его свойство оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии стандартного тела-наконечника на поверхностные слои материала.

Испытание на твердость — основной метод оценки качества термообработки изделия.

Определение твердости по методу Бринелля. Метод основан на том, что в плоскую поверхность под нагрузкой внедряют стальной шарик. Число твердости НВ определяется отношением нагрузки к сферической поверхности отпечатка.

Метод Роквелла (HR) основан на статическом вдавливании в испытываемую поверхность наконечника под определенной нагрузкой. В качестве наконечников для материалов с твердостью до 450 HR используют стальной шарик. В этом случае твердость обозначают как HRB. При использовании алмазного конуса твердость обозначают как HRA или HRC (в зависимости от нагрузки).

Твердость по методу Виккерса (HV) определяют путем статического вдавливания в испытуемую поверхность алмазной четырехгранной пирамиды. При испытании измеряют отпечаток с точностью до 0,001 мм при помощи микроскопа, который является составной частью прибора Виккерса.

Метод Шора. Сущность данного метода состоит в определении твердости материала образца по высоте отскакивания бойка, падающего на поверхность испытуемого тела с определенной высоты. Твердость оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка.

Числа твердости HRC для некоторых деталей и инструментов

Таблица соотношений между числами твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, Шору

Источник: http://tekhnar.ru/materialy/tverdost.html

Таблица перевода единиц твердости HRC, HRA, HB, HV

Вдавливание алмазного конуса с углом 120° при вершине и замер относительной глубины погружения в исследуемый материал. 

Шкала А — нагрузка 60 кгс,  для карбида вольфрама (ВК)

Шкала С — нагрузка 150 кгс, для твердых сталей HRB>100

Преимущество — простота. Недостаток — низкая точность.

Твердость по Бринеллю

Диаметр отпечатка  металлического шарика в материале.

Недостаток — твердость до 450HB.

Твердость по Виккерсу

Площадь отпечатка от алмазной пирамидки.

Твердость по Шору

Отскок шарика от поверхности в склероскопе (метод отскока). Очень простой и удобный метод.

Определение твердости материала является важной частью технологического процесса изготовления деталей любой сложности.

Различные методы поиска твердости металла связанны в первую очередь с отличием их структуры и формы. Поработать с обычной заготовкой в форме болванки не составит труда, вот для листового материала нужен особый подход, учитывая его небольшую толщину.

Расчет ресурса работы металлорежущего инструмента, его долговечность, всегда производится в первую очередь с учетом табличных показателей.

Именно благодаря повышенной твердости (около 71 HRC) твердосплавные сверла и фрезы из сплава ВК8 позволяют обрабатывать сверхтвердые материалы.

Источник: http://sverla.info/articles/perevod-edinits-tverdosti/

Твердость металлов. Таблица твердости металлов

Для того чтобы детали и механизмы служили длительно и надежно, материалы, из которых они изготовлены, должны соответствовать необходимым условиям работы. Именно поэтому важно контролировать допустимые значения их основных механических показателей. К механическим свойствам относятся твердость, прочность, ударная вязкость, пластичность. Твердость металлов — первичная конструкционная характеристика.

Понятие

Твердость металлов и сплавов — это свойство материала создавать сопротивление при проникновении в его поверхностные слои иного тела, которое не деформируется и не разрушается при сопутствующих нагрузках (индентора). Определяют с целью:

• получения информации о допустимых конструкционных особенностях и о возможностях эксплуатации;
• анализа состояния под действием времени;
• контроля результатов температурной обработки.

От этого показателя частично зависят прочность и устойчивость поверхности к старению. Исследуют как исходный материал, так и уже готовые детали.

Варианты исследования

Показателем является величина, которая называется числом твердости. Существуют различные методы измерения твердости металлов. Наиболее точные исследования заключаются в использовании различных видов вычисления, инденторов и соответствующих твердомеров:

1. Бринелля: суть работы аппарата – вдавливание шарика в исследуемый металл или сплав, вычисление диаметра отпечатка и последующее математическое вычисление механического параметра.
2. Роквелла: используются шарик или алмазный конусный наконечник. Значение отображается на шкале или определяется расчётно.
3. Виккерса: наиболее точное измерение твердости металла с применением алмазного пирамидального наконечника.

Для определения параметрических соответствий между показателями разных способов измерения для одного и того же материала существуют специальные формулы и таблицы.

В лабораторных условиях, при наличии необходимого ассортимента оборудования, выбор способа исследования осуществляется в зависимости от определенных характеристик заготовки.

1. Ориентировочное значение механического параметра. Для конструкционных сталей и материалов с небольшой твердостью до 450-650 НВ применяют метод Бринелля; для инструментальных, легированных сталей и других сплавов – Роквелла; для твердосплавов – Виккерса.
2. Размеры испытуемого образца. Особо маленькие и тонкие детали обследуются с помощью твердомера Виккерса.
3. Толщина металла в месте замера, в частности, цементированного или азотированного слоя.

Все требования и соответствия задокументированы ГОСТом.

Особенности методики Бринелля

Испытания на твердость металлов и сплавов с помощью твердомера Бринелля проводятся со следующими особенностями:

1. Индентор – шарик из легированной стали или из карбидо-вольфрамового сплава диаметром 1, 2, 2,5, 5 или 10 мм (гост 3722-81).
2. Продолжительность статического вдавливания: для чугуна и стали – 10-15 с., для цветных сплавов – 30, также возможна длительность в 60 с., а в некоторых случаях – 120 и 180 с.
3. Граничное значение механического параметра: 450 НВ при измерении стальным шариком; 650 НВ при использовании твердосплава.
4. Возможные нагрузки. С помощью входящих в комплект грузов корректируется фактическая сила деформации на испытуемый образец. Их минимальные допустимые значения: 153,2, 187,5, 250 Н; максимальные – 9807, 14710, 29420 Н (гост 23677-79).

С помощью формул, в зависимости от диаметра выбранного шарика и от испытуемого материала, можно вычислить соответствующее допустимое усилие вдавливания.

Пример обозначения:

400HB10/1500/20, где 400HB – твердость металла по Бринеллю; 10 – диаметр шарика, 10 мм; 1500 – статическая нагрузка, 1500 кгс; 20 – период осуществления вдавливания, 20 с.

Для установления точных цифр рационально исследовать один и тот же образец в нескольких местах, а общий результат определять путем нахождения среднего значения из полученных.

Определение твердости по методу Бринелля

Процесс исследования протекает в следующей последовательности:

1. Проверка детали на соответствие требованиям (ГОСТ 9012-59, гост 2789).
2. Проверка исправности аппарата.
3. Выбор необходимого шарика, определение возможного усилия, установка грузов для его формирования, периода вдавливания.
4. Запуск твердомера и деформация образца.
5. Измерение диаметра углубления.
6. Эмпирическое вычисление.

НВ=F/A,

где F – нагрузка, кгс или Н; A – площадь отпечатка, мм2.

НВ=(0,102*F)/(π*D*h),

где D – диаметр шарика, мм; h – глубина отпечатка, мм.

Твердость металлов, измеренная этим способом, имеет эмпирическую связь с вычислением параметров прочности. Метод точен, особенно для мягких сплавов. Является основополагающим в системах определения значений этого механического свойства.

Особенности методики Роквелла

Этот способ измерения был изобретен в 20-х годах XX века, более автоматизирован, чем предыдущий. Применяется для более твердых материалов. Основные его характеристики (ГОСТ 9013-59; гост 23677-79):

1. Наличие первичной нагрузки в 10 кгс.
2. Период выдержки: 10-60 с.
3. Граничные значения возможных показателей: HRA: 20-88; HRB: 20-100; HRC: 20-70.
4. Число визуализируется на циферблате твердомера, также может рассчитываться арифметически.
5. Шкалы и инденторы. Известно 11 различных шкал в зависимости от типа индентора и предельно-допустимой статической нагрузки. Наиболее распространённые в использовании: А, В и С.

А: алмазный конусный наконечник, угол при вершине 120˚, общая допустимая сила статического влияния – 60 кгс, HRA; исследуются тонкие изделия, в основном прокат.

С: также алмазный конус, рассчитанный на максимальное усилие 150 кгс, HRC, применим для твердых и закаленных материалов.

В: шарик размером 1,588 мм, изготовленный из закаленной стали или из твердого карбидо-вольфрамового сплава, нагрузка – 100 кгс, HRB, используется для оценки твердости отожжённых изделий.

Шарикообразный наконечник (1,588 мм) применим для шкал Роквелла B, F, G. Также существуют шкалы E, H, K, для которых используется шарик диаметром 3,175 мм (ГОСТ 9013-59).

Количество проб, проделанных с помощью твердомера Роквелла на одной площади, ограничивается размером детали. Допускается повторная проба на расстоянии 3-4 диаметра от предыдущего места деформации. Толщина испытуемого изделия также регламентируется. Она должна быть не меньше увеличенной в 10 раз глубины внедрения наконечника.

Пример обозначения:

50HRC – твердость металла по Роквеллу, измерена с помощью алмазного наконечника, ее число равно 50.

План исследования по методу Роквелла

Измерение твердости металла более упрощено, нежели для способа Бринелля.

1. Оценка размеров и характеристик поверхности детали.
2. Проверка исправности аппарата.
3. Определение типа наконечника и допустимой нагрузки.
4. Установка образца.
5. Осуществление первичного усилия на материал, величиной в 10 кгс.
6. Осуществление полного соответствующего усилия.
7. Чтение полученного числа на шкале циферблата.

Также возможен математический расчет с целью точного определения механического параметра.

При условии использования алмазного конуса с нагрузкой 60 или 150 кгс:

HR=100-((H-h)/0,002;

при совершении испытания с помощью шарика под усилием 100 кгс:

HR=130-((H-h)/0,002,

где h – глубина внедрения индентора при первичном усилии 10 кгс; H – глубина внедрения индентора при полной нагрузке; 0,002 – коэффициент, регламентирующий величину перемещения наконечника при изменении числа твердости на 1 единицу.

Метод Роквелла является простым, но недостаточно точным. В то же время он позволяет измерять показатели механического свойства для твердых металлов и сплавов.

Характеристики методики Виккерса

Определение твердости металлов по данному способу наиболее просто и точно. Работа твердомера основана на вдавливании в образец алмазного пирамидального наконечника.

Основные особенности:

1. Индентор: алмазная пирамида с углом при вершине 136°.
2. Предельно допустимая нагрузка: для легированного чугуна и стали — 5-100 кгс; для медных сплавов — 2,5-50 кгс; для алюминия и сплавов на его основе — 1-100 кгс.
3. Период выдержки статической нагрузки: от 10 до 15 с.
4. Испытуемые материалы: сталь и цветные металлы с твердостью более 450-500 НВ, в том числе изделия после химико-термической обработки.

Пример обозначения:

700HV20/15,

где 700HV – число твердости по Виккерсу; 20 – нагрузка, 20 кгс; 15 – период статического усилия, 15 с.

Последовательность исследования Виккерса

Порядок действий предельно упрощен.

1. Проверка образца и аппаратуры. Особое внимание уделяется поверхности детали.
2. Выбор допустимого усилия.
3. Установка испытуемого материала.
4. Запуск твердомера в работу.
5. Чтение результата на циферблате.

Математический расчет по этому способу выглядит следующим образом:

HV=1,8544*(F/d2),

где F – нагрузка, кгс; d – среднее значение длин диагоналей отпечатка, мм.

Он позволяет измерять высокую твердость металлов, тонких и небольших деталей, при этом предоставляя высокую точность результата.

Способы перехода между шкалами

Определив диаметр отпечатка с помощью специального оборудования, можно с помощью таблиц определить твердость. Таблица твердости металлов – проверенный помощник в вычислении данного механического параметра. Так, если известно значение по Бринеллю, можно легко определить соответствующее число Виккерса или Роквелла.

Пример некоторых значений соответствия:

Таблица твердости металлов составлена на основе экспериментальных данных и имеет высокую точность. Также существуют графические зависимости твердости по Бринеллю от содержания углерода в железоуглеродистом сплаве. Так, в соответствии с такими зависимостями, для стали с количеством карбона в составе равному 0,2% она составляет 130 НВ.

Требования к образцу

В соответствии с требованиями ГОСТов, испытуемые детали должны соответствовать следующим характеристикам:

1. Заготовка должна быть ровная, твердо лежать на столе твердомера, ее края должны быть гладкими или тщательно обработаны.
2. Поверхность должна иметь минимальную шероховатость. Должна быть отшлифована и очищена, в том числе с помощью химических составов. Одновременно, во время процессов механической обработки, важно предупредить образование наклепа и повышения температуры обрабатываемого слоя.
3. Деталь должна соответствовать выбранному методу определения твердости по параметрическим свойствам.

Выполнение первичных требований – обязательное условие точности измерений.

Твердость металлов — важное основополагающее механическое свойство, определяющее их некоторые остальные механические и технологические особенности, результаты предыдущих процессов обработки, влияние временных факторов, возможные условия эксплуатации. Выбор методики исследования зависит от ориентировочных характеристик образца, его параметров и химического состава.

Источник: http://fb.ru/article/269317/tverdost-metallov-tablitsa-tverdosti-metallov