Что представляет наконечник для замера твердости на прессе бринелля

Твердость по Бринеллю. Особенности и суть метода

Метод первопроходец. Звание заслуживает система определения твердости материалов, разработанная Августом Бринеллем. Это инженер из Швеции. Его метод стал первым стандартизированным и широко используемым. Шкалу Бринелля мир «взял на вооружение» в 1900-ом году. Разберемся, в чем суть системы, твердость каких материалов можно узнать с ее помощью, и есть ли у метода минусы.

Твердость по Бринеллю – суть метода

Для определения твердости используют прибор, составленный из измерительного блока и пресса. Наконечник пресса – стальной шарик. Его именуют индентором. Диаметр шарика соответствует ГОСТу 9012 – 59 (ИСО 6506-81, ИСО 410-82), установленному в 1990-лм году. Разрешены 3 показателя: 2,5, 5 и 10 миллиметров.

Нужный индентор выбирают так, чтобы отпечаток от него лежал в пределах 0,2-0,7 диаметра шарика. Измерение твердости по Бринеллю производится либо стальным шариком, либо шариком из карбида вольфрама. Последний, позволяет узнать твердость материалов, превышающих показатель обычной стали.

Карбидный индентор, как правило, нужен для инструментальных сплавов. Шарик из обычной стали используют, измеряя твердость древесины, меди, алюминия, дюраля, нержавейки, стекла. То есть, твердомер применяют не только к металлам.

Метод измерения твердости по Бринеллю состоит из 2-х нагрузок. Сначала, пресс опускают для пробной. Небольшим надавливанием устанавливают начальное положение индентора. После, сообщают уже солидный вес, держат определенное время, потом, измеряют диаметр следа. Звучит «стройно», но есть сложность.

По краям отпечатка образуются навалы и наплывы материала. Из-за них диаметр, глубина могут быть неточными. Твердость по методу Бринелля измеряют до упругого восстановления, то есть до возвращения материала в первоначальную форму. Это возвращение может быть неполным. Тогда, фиксируется его степень.

В схожем методе Роквелла упругого восстановления не дожидаются, да и в качестве индентора используют не только металлические шары, но и алмазные конусы. Это стоит учитывать, замеряя твердость по Бринеллю и Роквеллу. Для чистоты эксперимента можно добавить еще один метод, главное, соблюсти нюансы исследований и уметь соотнести их результаты. Об этом и поговорим.

Определение твердости по Бринеллю – о цифрах и буквах

Результаты исследований выражаются в буквенно-цифровой записи. Из букв в ней присутствуют либо HB, либо HBW. Первое обозначение актуально для стального шарика. Вторая запись указывает на то, что вдавливали сферу из карбида вольфрама. К буквам добавляют 2 или 3 числа. Первое – показатель твердости. Максимально возможный по Бринеллю – 650. Такой показатель измеряется карбидным индентором. Стальной вдавливается в материалы твердостью до 450-ти единиц.

Второе число в записи – диаметр шарика-наконечника. Он не указывается лишь в том случае, если максимальный, то есть равен 10-ти миллиметрам. Третье число в обозначении – сила, с которой давили на испытуемый образец. Рассмотрим такой перевод твердости по Бринеллю: 500 HBW 5/800. Запись HBW свидетельствует о применение карбидного шарика. Его диаметр составил 5 миллиметров.

Сила давления была равна 800-от килограммов силы (кгс). 500- итоговая твердость материала. Вычисляется она по формуле отношения приложенного усилия к площади отпечатка. Интересно, что со значениями шкалы Бринелля совпадает еще одна – Виккерса. Обе начинаются со 100 единиц. Правда наивысшая твердость по Виккерсу и Бринеллю разнится.

У Виккерса значения доходят до 1 200-от. Записи результатов отличаются лишь буквами. Шкала Виккерса обозначается HV. Стоит учитывать это, выбирая товары с указанием твердости. То, что по Бринеллю тверже стали, по Виккерсу – материал весьма податливый.

Кстати, согласно большинству словарей, твердость – это свойства пластичности, упругости и сопротивления деформациям, или иным разрушениям, при вдавливании в верхний слой испытуемого образца другого, более твердого вещества. Ну, вот, уточнили о чем речь. Пора разобраться, какая твердость и для каких материалов считается приемлемой.

Твердость по Бринеллю – таблица значений

Твердость стали по Бринеллю может быть от 103-ти до 200-от единиц. Показатель зависит от марки. Не стоит забывать, что существует мягкая, нержавеющая и закаленная сталь. Сплав Ст0, к примеру, занимает нижнюю планку твердости. СТ2пс – марка со 116-ю HB. У СТ3пс показатель равен 131. 170 HB отличают сталь СТ5Гпс и СТ5пс. 200 единиц у марок ВСт6сп, СТ6пс и СТ6сп.

Твердость металлов по Бринеллю, в том числе и их сплавов, к коим причисляется сталь, важна при эксплуатации многих предметов. Пример – подшипники. Они подвергаются трению. Будь сплав для подшипников мягким, машина не отходит и гарантийного срока. Сопротивляемость деталей износу, зависящая от твердости, важна и при конструировании космических аппаратов, летной техники, строительных конструкций.

Твердость стали по Брюнеллю для арматуры высотных зданий, к примеру, должна быть не ниже 150-ти единиц. Если брать усредненные цифры для металлов, то черные, как правило, маркируются числом 140 HB, а твердость цветных не превышает 130-ти. Драгоценные металлы одни из самых податливых.

Так, твердость платины по Бринеллю – всего 50. Выше говорилось, что шкала начинается со 100. Однако, современные технологи нередко дополняют ее, доводя до единицы. Твердость некоторых цветных металлов щелочноземельной группы составляет всего 30 HB.

Если вопрос не о строительстве и конструировании машин, а о ремонте, людей больше интересуют показатели древесины. Ее твердость тоже иногда измеряют по Бринеллю. Для сплавов металлов есть ГОСТы. Массы изначально «замешивают» в соответствии с техническими требованиями. Для древесины условия иные. Твердость зависит не только от породы, но и от условий произрастания.

Липа из разных местностей может отличаться на 10-20 баллов, как и сосна, дуб, ольха. Поэтому, лучше смотреть не из чего сделаны стол, или паркет, а какая твердость указана в документах к ним.

Для паркета берется древесина, как минимум, средней твердости. Если отбросить, погрешность на условия произрастания, точно подойдут блоки из белой акации, самшита, железной березы, граба и кизила.

Твердость этих пород приближенна к 100 HB. Это на торцах. Радиальный и тангенциальный показатели неизбежно ниже процентов на 30. Древесину по Бринеллю мерят в странах Европы. Россия к ним примыкает. Продукция из США соответствует шкале Янка. Этот тест узконаправлен, применим только к дереву.

В Америке прилагаемую к материалу силу записывают не в килограммах, а в фунтах. Диаметр металлического шарика выражен в дюймах, составляет 0,444. В миллиметрах это около 11-ти.

Итоговый результат измерений не бывает ниже 660 единиц. Высший показатель – 4 500. Таким «хвастается» гваяковое дерево. Оно одно из самых дорогих, поскольку из-за твердости сложно обрабатывается, к тому же, редко встречается.

В общем, число 4 500, даже на товарах из Штатов, встретишь редко. А вот значения Бринелля проставлены на большинстве продукции, изготавливаемой в России, и завозимой из-за рубежа. Это шкала, в премудростях которой стоит разобраться.

Источник

Метод измерения твёрдости по Бринеллю

Сущность метода заключается во вдавливании шарика (стального или из твёрдого сплава) в образец или изделие под воздействием нагрузки Р, приложенной перпендикулярно поверхности образца, в течение определённого времени и измерении диаметра отпечатка d после снятия нагрузки (рис. 5.1.).Диаметр образующегося сферического отпечатка d измеряется лупой-компаратором (с помощью микроскопа).

Твёрдость по Бринеллю (НВ) численно равна напряжению, выраженному отношением приложенной нагрузке Р к площади поверхности А сферического отпечатка диаметром d (размерность при обозначении твёрдости опускается).

Для случая измерения нагрузки в килограммах

Для случая измерения нагрузки в ньютонах

Рисунок 5.1. Схема вдавливания шарика в образец или изделие

Согласно формулам (5.1 и 5.2)для получения одинаковой твёрдости при использовании шариков различных диаметров (ГОСТ допускает применение диаметров 1,0; 2,0; 2,5; 5,0и 10 мм) необходимо, чтобы угол вдавливания φ ( (рис. 5.1)оставался неизменным при постоянном отношении нагрузки к квадрату диаметру шарика, которое обозначается через

Для выбора значений К при испытании различных материалов рекомендуется пользоваться данными табл. 5.1. Определившись со значением К и диаметром шарика D, используемого при испытаниях, выбирают нагрузку Р согласно данным табл. 5.2.

Значения коэффициента К

Согласно ГОСТу твёрдость по Бринеллю при использовании шарика D = 10 мм под нагрузкой Р=29420Н (3000 кГ) с продолжительностью выдержки под нагрузкой от 10 до 15 секунд обозначается цифрами, характеризующими величину твёрдости, и буквами HВ, например: 185 HВ. При других условиях испытания после букв HВ указывается условие испытания в следующем порядке: диаметр шарика, нагрузка и продолжительность выдержки под нагрузкой, например: 185 НВ 5/750/20— твёрдость по Бринеллю, определённая с применением шарика D = 5мм, при нагрузке 750кГ и продолжительности выдержки под нагрузкой 20 с. Размерность числа твёрдости во всех случаях опускается.

Диаметр шарика и нагрузку следует выбирать так, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах 0,25D 450). В мягких материалах шарик погрузится очень глубоко, диаметр отпечатка будет близок к диаметру шарика D и перестанет служить критерием твёрдости. Наоборот, если твёрдость материала будет очень большой, величина отпечатка получится маленькой и края его будут столь нечёткими, что не удастся точно измерить диаметр отпечатка, к тому же шарик может получить остаточную деформацию, искажающую результаты испытания.

Таблица 5.2
Значение нагрузки Р

Условия испытаний и требования к образцам.Минимальная толщина образца должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка и определяться по формуле .

На практике минимальная толщина образца или изделия определяется по таблице, приведённой в приложении 2 ГОСТ 90 12-59.

При испытании на твёрдость особое значение имеет качество поверхности. Чем меньше глубина вдавливания индентора (или нагрузка), тем выше должна быть чистота поверхности. Немаловажно также, чтобы в процессе подготовке поверхности не изменялись свойства поверхностного слоя (вследствие наклёпа или разогрева при шлифовании или полировке).

Требования к качеству вдавливаемого шарика, условиям приложения силы и качеству испытуемой поверхности регламентируются ГОСТом. Продолжительность выдержки под нагрузкой должна быть от 10 до 15 с для черных металлов, для цветных металлов и сплавов — от 10 до 180 с, в зависимости от материала и его твёрдости, и должна быть указана в нормативно-технической документации. Расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее 4d, а расстояние от центра отпечатка до края образца (изделия) — не менее 2,5d; для металлов с твёрдостью менее 35НВ расстояния должны быть соответственно 6d и 3d.

Число твёрдости может быть определено по формуле (5.1) или (5.2). для быстрого определения числа твёрдости, в зависимости от диаметра шарика D, испытательной нагрузки Р, величины К, пользуются специальными таблицами (см. табл. 5.3), заменяющими вычисления по указанным формулам, приведёнными в приложении 2 ГОСТ 9012-59.

Прибор для измерения твердости металлов ТШ — 2М (тип ТБ).

Прибор ТШ — 2М предназначен для измерения твёрдости металлов по методу Бринелля. Принципиальная схема прибора изображена на рис. 5.2.

Рисунок 5.2. Прибор для измерения твердости материалов ТШ-2М

Механизм подъемного столика 8, на который помещается образец, состоит из пары винт-маховик 9, 10. Испытания осуществляются с помощью механизма, приводимого в работу электродвигателем 1, включение которого производится нажатием пусковой кнопки, расположенной на левой стороне станины 4. От двигателя через червячный редуктор 2 вращение передаётся на кривошипно-шатунный механизм нагружения 5. Шатун опускается, и освобождённая рычажная система нагружения 6 с грузами 3 передаёт через оправку 7с шариком на конце заданную нагрузку образцу. Механизм нагружения возвращается в исходное положение механизмом переключения вращения ротора электродвигателя. Электродвигатель при этом автоматически отключается.
Время выдержки образца под полной нагрузкой контролируют с помощью сигнальной лампы. Величина нагрузки, диаметр шарика и время испытания могут меняться путём регулирования пресса в зависимости от твёрдости материала образца.

Проведение испытания.Выбирают соответственный шариковый наконечник, закрепляют его в шариковой оправке 7, накладывают на подвеску требуемое количество грузов и устанавливают необходимую продолжительность выдержки образца под нагрузкой. Поскольку твёрдость материалов, испытываемого студентами в лаборатории лежит в пределах от 140 230) — алмазный наконечник, представляющий собой конус с углом α = 120 0 и радиусом закругления при вершине R=0,2 мм.

При испытании по Роквеллу сначала прикладывается малая (предварительная нагрузка) Р₀=98Н (10 кГ) для надёжного прижатия наконечника к образцу. Затем дополнительно прикладывается дополнительная нагрузка Р₁, которая в сумме с предварительной нагрузкой составляют общую нагрузку Р, прикладываемую к испытуемому образцу (Р₀+Р₁=Р). При отсчёте числа твёрдости нагрузка Р уменьшается до Р₀.

Таким образом, твёрдость по Роквеллу характеризуется разницей между максимальной глубиной проникновения в материал наконечника (выраженной в делениях шкалы прибора) и остаточной глубиной его проникновения после снятия основной нагрузки (рис. 5.4).

При испытании по Бринеллю более твёрдому материалу соответствует и большее число твёрдости. Чтобы это условие выполнялось и при определении твёрдости по Роквеллу, вводят условную шкалу глубин, принимая за одно её деление глубину, равную 0,002 мм. При испытании алмазным конусом предельная глубина внедрения составляет 0,2 мм, или 0,2/0,002= 100 делений, при испытании шариком — 0,26 мм, или 0,26/0,002=130 делений.

Замеры глубины проникновения осуществляют по шкале циферблата индикатора прибора. На циферблате нанесены числа твердости в условных единицах. Единица твёрдости по Роквеллу соответствует осевому перемещению наконечника на 0,002 мм (размерность при обозначении числа твёрдости опускается).

Прибор для измерения твёрдости по Роквеллу имеет шкалы А, В и С. Отсчёт по шкалам А и С (на циферблате индикатора прибора эти шкалы имеют черный цвет) производится при вдавливании в испытуемый образец алмазного наконечника. Отсчёт по шкале В (на циферблате индикатора эта шкала красного цвета) производится при вдавливании в образец стального шарика под действием соответствующих нагрузок, указанных в табл. 5.4.

Рисунок 5.4. Схемы внедрения алмазного (а) и шарикового (б) наконечников

Значения нагрузок вдавливаемого шарика

Чем твёрже материал, тем меньше будет глубина проникновения наконечника в него. Чтобы при большей твёрдости материала получалось большее число твёрдости по Роквеллу, принято выражать его формулами:

а) при измерении по шкале А и С

б) при измерении по шкале В

Символ НR сопровождается буквой, указывающий на шкалу, по которой проводились испытания, например: НКА, НКВ или НКС.

Шкалу А применяют для испытания твёрдых сплавов, тонкого листового материала и для определения твердости тонкого верхнего слоя поверхности.

Шкалу В применяют для испытаний металлов средней твёрдости.

Шкала С служит для определения твёрдости термически обработанной стали.

Предельные числа твёрдости для соответствующих шкал приведены в табл. 5.5. При твёрдости менее НRС 20 алмаз слишком глубоко проникает в образец, а при твердости более НRС 67 — в алмазном конусе создаётся слишком большое давление. Аналогично объясняются и пределы применимости шкал А и В.

Таблица 5.5
Предельные числа твёрдости

Число твёрдости по Роквеллу можно перевести в число твёрдости по Бринеллю, пользуясь табличными данными (табл. 5.6)или эмпирическими формулами Петренко:

а) для чёрной шкалы

б) для красной шкалы

Но следует иметь в виду, что перевод чисел Роквелла в числа Бринелля не совсем точен.

Результат испытаний по Бринеллю точнее испытаний по Роквеллу вследствие больших размеров получаемых отпечатков и, следовательно, меньшего влияния неоднородности материала и дефектов на поверхности. Однако метод Роквелла имеет следующие преимущества: незначительность повреждений поверхности испытуемого образца, возможность определения твёрдости тонкостенных деталей, а также твёрдости термически обработанных стальных поверхностей.

Перевод чисел твёрдости по Роrвеллу в числа твёрдости по Бринеллю

Условия испытания и требования к образцам. Толщина образца или глубина поверхностного слоя должна быть не менее чем в 8 раз больше величины е. После испытания на противоположной стороне образца не должно быть заметно следов деформации от отпечатка. Расстояние между центрами двух соседних отпечатков или от центра отпечатков до края образца должно составлять не менее 3 мм, если в нормативно-технической документации на металлопродукцию не установлены иные требования. Подготовка поверхности испытуемого образца, требования к наконечникам и условия проведения испытаний регламентируются ГОСТ 90 13-59.

Прибор для измерения твердости металлов ТК-2М.Прибор предназначен для измерения твёрдости металлов и сплавов по методу вдавливания алмазного конуса или стального закалённого шарика под действием заданной нагрузки в течение определённого времени (метод Роквелла). Испытания проводятся в соответствии с ГОСТ 9013-59. Принципиальная схема прибора показана на рис. 5.5.

Механизм 14 подъёмного столика 11 состоит из пары винт-маховик 12, 13. Испытания образца на твёрдость осуществляется с помощью механизма погружения, приводимого в действие электродвигателем 1. От двигателя через червячный редуктор 2 вращение передаётся кулачковому блоку 16, который через шток 5 опускает грузовой рычаг 6 с грузами 3 и передает нагрузку на образец через наконечник 10 с шариком или алмазным конусом на конце. При повороте кулачкового блока 16 на один оборот шток 5 возвращает грузовой рычаг 6 в первоначальное положение, снимая с наконечника приложенную нагрузку (за счёт подвески 6 и пружины 9 на образец передаётся нагрузка, равная соответственно 60 и 10 кГ; нагрузка в 100 или 150 кГ передаётся на образец за счёт сменных грузов 3).

Рис. 5.5. Прибор для измерения твердости материалов ТК-2М

Включение привода нагружения осуществляется педалью 15, а включение электродвигателя — включателем, установленным на правой стороне корпуса прибора 4.

Фиксирование глубины проникновения наконечника в образец осуществляется индикатором 7, который приводится в движение рычагом 8. Точная установка индикатора на нуль достигается маховичком 14, который управляет шкалой индикатора 7через трос 17.

Проведение испытания. Испытуемый образец помещают на подъёмный столик 11. Согласно ожидаемой твёрдости выбирают тип наконечника и устанавливают соответствующие грузы 3. Вращением маховичка 13 поднимается столик с образцом до соприкосновения с наконечником. Затем продолжают медленно вращать маховик подъёмного столика до тех пор, пока малая стрелка индикатора не станет против красной точки, а большая примерно вертикально. При таком положении стрелок пружина 9 сжимается и создаёт дополнительную нагрузку на образец Р₀=10 кГ.

После этого при помощи маховичка 14 управления шкалой индикатора совмещают тридцатое деление красной шкалы (соответствующее отметки 130 условной шкалы глубин) с концом большой стрелки индикатора (положение «а» на рис. 5.6). Нажатием педали 15 включают механизм нагружения прибора: вначале прикладывается полная нагрузка (она соответствует положению стрелки «б»), происходит выдержка под нагрузкой, а затем полная нагрузка снижается до предварительной нагрузки Р₀. Положение стрелки при этой нагрузке (положение «в» на рис. 5.6)соответствует числу твёрдости по Роквеллу. (На рис. 5.6 — НRC=94.) Указанные положения стрелки связаны с положением шарика на шкале глубин, обозначенными буквами «а», «б» и «в». После определения числа твёрдости вращением маховика 13 в обратном направлении освобождают образец. На каждом образце должно быть проведено не менее трех испытаний. Все испытания желательно проводить на одном участке образца. Расстояние от центра отпечатка до края образца или до центра другого отпечатка должно быть не менее 4 мм. Не следует также проводить вдавливание наконечника близко к отпечаткам, полученным по способу Бринелля.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется твёрдостью материала?

2. Сущность метода измерения твёрдости по Бринеллю.

3. Чему численно равно твёрдость по Бринеллю?

4. Что такое угол вдавливания?

5. Какие диаметры шариков для измерения твёрдости по Бринеллю допускает ГОСТ?

6. Какое соотношение в расчётных формулах обозначается через К?

7. Какое значение может принимать величина К, и от чего она зависит?

8. Как выбирается нагрузка Р?

9. Как обозначается твёрдость по Бринеллю?

10. В каких пределах может находиться диаметр отпечатка?

11. Какой может быть минимальной толщина образца?

12. Требования, предъявляемые к качеству поверхности образца.

13. Условия испытания (продолжительность выдержки; расстояние между центрами соседних отпечатков; точность замеров отпечатков; необходимое число отпечатков в методе Бринелля).

14. Сущность метода измерения твёрдости по Роквеллу.

15. Какие типы наконечников применяют при измерении твёрдости по Роквеллу?

16. Последовательность приложения нагрузок и измерения твёрдости по Роквеллу.

17. По каким шкалам производится отсчёт при вдавливании алмазного наконечника и стального шарика соответственно?

18. Почему меньшая глубина проникновения наконечника соответствует большей твёрдости материала?

19. Величины предварительной и основной нагрузок для шкал А, В и С.

20. Как обозначается твёрдость по Роквеллу, замеренная по шкале А, В и С?

21. Условия испытания (минимальная толщина образца; минимальное расстояние между центрами соседних отпечатков и от края образца) в методе Роквелла.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Источник