загрузка...
 
11.2 Твердість при вдавлюванні
Повернутись до змісту

11.2 Твердість при вдавлюванні

Найбільше поширення і практичне значення має твердість при пластичному вдавлюванні:

а) кульки – твердість за Брінеллем і за Роквеллем, шкала В;

б) конуса – твердість за Роквеллем, шкала С;

в) піраміди – твердість за Віккерсом.

При цих випробуваннях визначаються властивості матеріалів у пластичній області, без руйнування.

Вдавлювання кульки. За міру твердості за Брінеллем (НВ) беруть середнє стискне напруження, обчислюване умовно на одиницю поверхні сферичного відбитка діаметром d. Вимірювання твердості за Брінеллем за наявності відповідного індентора може бути проведене на будь-якій випробувальній машині, придатній для створення і точного вимірювання стискних навантажень. Проте в більшості випадків застосовують спеціальні прилади.

Для усунення небезпеки продавлювання зразка наскрізь або випинання країв випробовувані зразки для вимірювання твердості за Брінеллем повинні мати товщину не менше десятиразової глибини відбитку. Відстань від центра відбитка до краю зразка повинна бути не менше 2,5 d. Відстань між центрами двох сусідніх відбитків повинна бути не менше 4 d.

Діаметри застосовуваних кульок – 2,5; 5,0 і 10 мм. При випробуванні за Брінеллем навантаження зберігається постійним: для кульки діаметром 10 мм – 3000 кгс (30000Н), час витримки під навантаженням – 10 с, число твердості позначається НВ. Вплив тривалості витримки під навантаженням при 20 °С у металів на залізній основі невеликий. У м'якших, а особливо у легкоплавких металів (свинець, цинк, антифрикційні сплави), явище повзучості під постійним навантаженням виявляється значно сильніше. У таких матеріалів при кімнатній температурі деформація йде за типом «гарячої» і тому час витримки під навантаженням доводиться збільшувати до 1 хв.

За інших умов вимірювання твердості для характеристики умов випробування необхідно наводити: діаметр кульки, навантаження і тривалість навантаження, що вказується, як правило, у вигляді дробу.

Наприклад: НВ 10/3000/30 означає випробування кулькою   діаметром   10 мм  під навантаженням 3000 кгс (30000 Н) протягом 30 с.

Із закону подібності виходить, що для отримання на одному і тому самому матеріалі порівнянних результатів при вимірюванні НВ необхідно, щоб зберігалося сталим відношення P/D2=const (де D – діаметр кульки). Цим визначається вибір навантажень при переході до іншого діаметра кульки.

Діаметр відбитка вимірюється за допомогою відлікових мікроскопів у двох взаємно перпендикулярних напрямах. Щоб прискорити і спростити вимірювання для різних значень діаметра відбитка d і навантаження Р, у спеціальних таблицях наперед підраховані величини твердості за Брінеллем.

Незважаючи на надзвичайну простоту вимірювання, твердість при вдавлюванні кульки є досить складною механічною характеристикою. Перш за все, як це виходить уже з розрахунків за теорією пружності, напружений стан у матеріалі при вдавлюванні кульки неоднорідний і тому за величиною НВ оцінюють деякий середній опір пластичній деформації. Із збільшенням навантаження Р збільшується діаметр лунки, а отже, і поверхня відбитка F. Тому твердість H=P/F одночасно зростає від збільшення Р і спадає від збільшення поверхні відбитка F. Як показують експерименти, збільшення Р і збільшення F для багатьох металів спільномірні за величиною і тому для м'яких металів твердість HВ у широкому інтервалі навантажень порівняно мало залежить від величини Р і дає криву з дуже пологим максимумом (рис. 11.2). Проте ця залежність у твердіших матеріалів виявляється значно різкіше (рис. 11.3). Правильніше відносити навантаження до площі проекції відбитка.

 

Рисунок 11.2 – Залежність  твердості НВ від навантаження для сталей: 1 – сталь Х12М після гартування з 1060 °С; 2 – (те саме) після  відпуску при 580 °С; 3 – те саме після  відпуску при 600 °С;  4 – сталь У10 відпалена; 5 – сталь 10

 

Рисунок 11.3 – Залежність твердості НВ від навантаження: 1 – армко-залізо і дюралюміній; 2 – високохромистий сплав і сталь 35

 

 

Основний недолік методу Брінелля – відсутність геометричної ідентичності відбитків. Це призводить до невідповідності кількісного зівставлення чисел твердості різних матеріалів, отриманих при різних значеннях відношення d/D. Для усунення цього недоліку Маєр запропонував визначати число твердості як співвідношення навантаження до площі проекції відбитку з урахуванням залежності величини навантаження від діаметра відбитку P=adn , де «а» та «n» - константи матеріалу. Відповідно, число твердості за Маєром: НМ=P/(?d2/4).

Константа «а» дорівнює силі вдавлювання кульки, коли діаметр відбитка дорівнює 1мм. Константа «n» не залежить від діаметра кульки і визначається ступенем  деформаційного зміцнення. Визначення «а» і «n» трудомісткий процес, тому число твердості за Маєром не набуло великого поширення.

При практичному визначенні твердості відношення d/D, як правило, коливається в межах 0,2–0,5.

Для багатьох матеріалів, що дають при розтягуванні шийку, існує залежність kНВ = ?в; для конструкційних сталей k = 0,33–0,36. Коефіцієнт k не однаковий для різних матеріалів. За різницею між площею поверхні лунки Fл і площею проекції відбитка Fпр, можна одержати характеристику пластичності при вдавлюванні, певною мірою схожу зі звуженням .

Величина  ?вд  пов'язана з відношенням діаметрів відбитка d і кульки D; при ?вд = 50% відношення d/D близьке до одиниці. Виходячи із значень d/D, для різних металів були визначені ступені деформації при вдавлюванні й зіставлені з рівномірною деформацією при визначенні ?в.

Дані табл. 11.1 показують, що відмінності в коефіцієнті k, що зв'язує ?в і НВ, пояснюються значною мірою тим, що ?в і НВ у більшості випадків визначають при різному ступені деформації (незбігання величин ?вд і ?рів): для чавуну і ливарних алюмінієвих сплавів – меншому при розтягуванні, а для маловуглецевої та аустенітної сталей, латуні та алюмінієвих сплавів, що деформуються, – більшому при розтягуванні, ніж при вдавлюванні. Мала величина k для чавуну пояснюється тим, що ?в для нього є вже характеристикою руйнування, а не опору пластичної деформації.

Таблиця 11.1  –   Коефіцієнт    для   різних   матеріалів

(за М. П. Марковцем)

Матеріали

k

d/D

?вд, %

?рів, %

?рів/?вд

Чавуни

0,15

0,4

8

1

0,125

Ливарні алюмінієві сплави

0,25

0,45

10

2

0,2

Високоміцні сталі

0,33

0.33

5

5

1,0

Маловуглецеві сталі

0,36

0,45

10

15

1,5

Алюмінієві, що деформуються

сплави

0,38

0,4

8

15

1,88

Аустенітна сталь і латунь

0,45

0,4

7

30

3,75

Твердість за Брінеллем нерідко вимірюють також при підвищених температурах для характеристик температурного коефіцієнта зміни опору пластичної деформації, а також для визначення тривалої твердості. Іноді при високих температурах застосовують кульки з твердого сплаву та інших високотвердих матеріалів.

Останнім часом випускають удосконалені прилади, в яких діаметр відбитка і відповідне йому число твердості зразу ж зазначають на спеціальній шкалі.

Щоб уникнути істотних помилок унаслідок деформації кульки способом Брінелля, як правило, випробовують метали   з   твердістю,   що   не   перевищує  450  кгс/мм2 (4500 МПа). Для випробування твердіших матеріалів потрібно застосовувати інші методи з використанням алмазних наконечників.

Вдавлювання конуса та піраміди. Розвиток серійного виробництва і масового контролю примусив прагнути до подальшого спрощення і прискорення випробувань на твердість. Для цього необхідно було усунути істотний недолік, властивий методу Брінелля, а саме величина НВ хоча і мало, але залежить від величини навантаження, що додає умовного характеру одержуваним результатам. При заміні кульки конусом або пірамідою усувається зазначений недолік. Твердість при вдавлюванні конуса може бути визначена як відношення навантаження до площі відбитка:

HK=P/( ?d2/4) , де d – діаметр відбитка.

Форма відбитка від удавлювання конуса не залежить від збільшення навантаження, а змінюється тільки величина відбитка, і тому згідно із законом подібності твердість Нк не залежить від величини навантаження, що підтверджується досвідом. Таким чином, твердість при вдавлюванні конуса при будь-яких навантаженнях відповідає одному, визначеному для кожного даного кута біля вершини конуса напруженню.

Співвідношення  між  Нк і ?в більш  стійкі,  ніж між  НВ  і  ?в.

Для одного і того самого матеріалу значення Нк завжди приблизно на 10% більше, ніж величина НВ.

При цьому способі випробування навантаження додається послідовно, у дві стадії: попереднє навантаження, що дорівнює 10 кгс (100Н), та основне, яке дорівнює переважно 90 і 140 кгс (900 – 1400Н), залежно від вибору відповідних шкал приладу. Основне навантаження витримується до закінчення пластичної деформації, що триває декілька секунд. Після отримання відбитка основне навантаження плавно знімають (але попереднє навантаження залишається) і вимірюють залишкову глибину проникнення наконечника під дією основного навантаження. Таким чином, твердість характеризується різницею глибин, на які проникає наконечник під час прикладення і подальшого зняття основного навантаження.

Твердість за Роквеллем виражають в умовних одиницях, що характеризують глибину залишкового занурення наконечника  (ГОСТ 9013-59).  За  одиницю  твердості прийнята  величина, відповідна осьовому переміщенню наконечника на 0,002 мм. Залежно від твердості випробовуваного матеріалу застосовують два типи наконечників: сталеву кульку діаметром 1,588 мм ± 0,001 мм для вимірювання  твердості  при   сумарному  навантаженні 100 кгс (1000 Н) – шкала В, або алмазний конус із кутом  біля  вершини 120° ± 30' і  радіусом  закруглення біля вершини конуса 0,200 ± 0,005 мм для вимірювання твердості металів при  сумарному  навантаженні 150 кгс (1500 Н) – шкала С і 60 кгс (600 Н) – шкала А.

Товщина зразка повинна бути не менше десятиразової глибини відбитка.

При вдавлюванні конуса вимірюють так само, як і при вдавлюванні кульки та піраміди, опір значним пластичним деформаціям, і тому числа твердості НВ і НRB, НRС і НV можна перелічувати, хоча залежність між НВ і НRВ і HRС нелінійна (рис. 11.4 а і б).

 

                               а                                                   б

Рисунок 11.4 – Залежність між твердістю, виміряною на приладі Роквелла з пірамідальним  136° алмазним  наконечником, в одиницях шкали Роквелла і твердістю за Віккерсом для сталі  ШХ15, відпущеної  при різних температурах (В. К. Григорович): а – в координатах НV – НR; б – та сама залежність у логарифмічних координатах

Вимірювання твердості за Віккерсом НV проводиться шляхом удавлювання правильної чотиригранної алмазної піраміди з кутом між протилежними гранями, що дорівнює 136°. Для цього випробування служить прилад (ГОСТ 2999-59), змонтований на одній станині зі спеціальним окуляр-мікрометром для вимірювання довжини діагоналі відбитка.

Поверхня для випробування повинна бути відполірованою, а для великих навантажень (30 –100 кгс) і не дуже твердих матеріалів – добре відшліфованою. Твердість визначається розподілом навантаження Р на площу бокової поверхні пірамідального відбитка з діагоналлю d:

Досліди Ш. З. Маневича показали, що для сталей різної твердості та кольорових металів НV не змінюється при зміні навантаження від 5 до 100 кгс (50 – 1000 Н). Хоча НV практично не залежить від Р, як правило, указують прикладене навантаження для того, щоб характеризувати глибину відбитка. Відстань між центрами відбитків повинна бути не менше ніж три довжини діагоналі і 2,5 до краю зразка. При вимірюванні твердості за Віккерсом застосовують навантаження 5, 10, 20, 30, 50 і 100 кгс (50, 100, 200, 300, 500 і 1000 Н). Внаслідок великого кута біля вершини піраміди малій глибині відбитка відповідає велика величина діагоналі відбитка h/d = 1:7. Це збільшує чутливість методу й робить його придатним для вивчення властивостей тонких поверхневих шарів металу при зневуглецюванні, поверхневому наклепі, хіміко-термічній обробці поверхні й т. п. При вимірюванні твердості азотованого або цементованого шару найчастіше застосовують навантаження 10 кгс (100 Н). У цьому разі за видом відбитка  (наявність  або  відсутність крихких відколів) можна робити висновок про крихкість шару. Вдавлюванням піраміди при малих навантаженнях можна вимірювати твердість тонких листів завтовшки до 0,3 мм.



загрузка...