Залежність діаметра кульки й навантаження від матеріалу й товщини досліджуваного зразка

Метали	Інтервал твердості в числах Брінелля, МПа	Мінімальна товщина досліджу-ваного зразка, мм	Діаметр кульки, мм	Навантаження, Р		Співвідно-шення між наванта-женням і діаметром кульки	Час витримки під наванта-женням, с
				кгс	Н
Чорні	1400	6…3 4…2 Менше 2	10 5 2,5	3000 750 187,5	29430 7357 1839	Р=300D2	10
	Менше 1400	Більше 6 6…3 Менше 2	10 5 2,5	1000 250 62,5	9810 2452 613	Р=100D2	10
Кольорові	Більше 1300	6…3 4…2 Менше 2	10 5 2,5	3000 750 187,5	29430 7357 1839	Р=300D2	30
	350…1300	Більше 6 6…3 Менше 3	10 5 2,5	1000 250 62,5	9810 2452 613	Р=300D2	30
	80…350	Більше 6 6…3 Менше 3	10 5 2,5	250 62,5 15,6	2452 613 153	Р=25 D2	60

Показником твердості є число твердості за Брінеллем, що позначається НВ (Н – Hardness, англ. – твердість, В – початкова літера назви метода Brinell).

Число твердості НВ є відношенням навантаження Р до площі поверхні S одержуваного відбитка (сферичного сегмента):

НВ = ,

Число твердості НВ вираховують за формулою:

НВ =

Однак розрахунків щоразу не роблять, використовуючи для зручності спеціально розраховану табл. 3.2.

Твердість за Брінеллем виражається в кгс/мм² (значення твердості за Брінеллем звичайно дають, не вказуючи розмірності, наприклад НВ 350)

Якщо навантаження Р виражається в ньютонах, то число твердості НВ виражається в МПа, при цьому розмірність записується так: НВ 3600 МПа.

Методом Брінелля можна випробовувати матеріали з твердістю не більше НВ 450. При більшій твердості досліджуваного матеріалу кулька, що втискується, деформується і результати випробування спотворюються.

Між межею міцності _в, МПа, різних металів і числом твердості НВ існує така приблизна залежність:_в = k•НВ, де k – коефіцієнт, що залежить від природи матеріалу.

Сталь з твердістю НВ: 1200 – 1750 ................ в ≈ 3,4•НВ 1750 – 4500................. в ≈ 3,5•НВ	Алюміній і алюмінієві сплави з твердістю: 200 – 450..................... в ≈ 3,3-3,6•НВ
Мідь, латунь, бронза: відпалена................ в ≈ 5,5•НВ наклепана ............. в ≈ 4,0•НВ	Дуралюмін: відпалений ........... ................ в ≈ 3,6•НВ після гартування і старіння.... в ≈ 3,5•НВ

Таблиця 3.2. Числа твердості при випробовуванні різними методами

За Роквеллом			За Брінеллем 10/30 000		За Віккер-сом НV, МПа	За Роквеллом			За Брінеллем 10/30 000		За Віккер-сом НV, МПа
HRB	HRCe	HRA	Діаметр відбитка,мм	НВ, МПа		HRB	HRCe	HRA	Діаметр відбитка,мм	НВ, МПа
—	—	—	2,00	9460	—	98	22	62	4,00	2290	2260
—	—	—	2,05	8980	—	97	21	61	4,05	2230	2210
—	—	—	2,10	8570	—	97	20	61	4,10	2170	2170
—	—	—	2,15	8170	—	96	19	60	4,15	2120	2130
—	72	89	2,20	7820	12200	95	18	60	4,20	2070	2090
—	69	87	2,25	7440	11140	94	—	59	4,25	2010	2010
—	67	85	2,30	7130	10210	93	—	58	4,30	1970	1970
—	65	84	2,35	6830	9400	92	—	58	4,35	1920	1900
—	63	83	2,40	6520	8670	91	—	57	4,40	1870	1860
—	61	82	2,45	6270	8030	89	—	56	4,45	1830	1800
—	59	81	2,50	6000	7460	88	—	56	4,50	1790	1770
—	58	80	2,55	5780	6940	87	—	55	4,55	1740	1740
—	56	79	2,60	5550	6490	86	—	55	4,60	1700	1710
—	54	78	2,65	5320	6060	85	—	54	4,65	1670	1650
—	52	77	2,70	5120	5870	84	—	53	4,70	1630	1620
—	51	76	2,75	4950	5510	83	—	53	4,75	1590	1590
—	49	76	2,80	4770	5340	82	—	52	4,80	1560	1540
—	48	75	2,85	4600	5020	81	—	52	4,85	1520	1520
—	47	74	2,90	4440	4740	80	—	51	4,90	1490	1490
—	45	73	2,95	4290	4600	78	—	50	4,95	1460	1470
—	44	73	3,00	4150	4350	76	—	50	5,00	1430	1440
—	43	72	3,05	4010	4230	76	—	—	5,05	1400	—
—	41	71	3,10	3880	4010	75	—	—	5,10	1370	—
—	40	71	3,15	3750	3900	74	—	—	5,15	1340	—
—	39	70	3,20	3630	3800	72	—	—	5,20	1310	—
—	38	69	3,25	3520	3610	71	—	—	5,25	1280	—
—	37	69	3,30	3410	3440	69	—	—	5,30	1260	—
—	36	68	3,35	3310	3350	68	—	—	5,35	1230	—
—	35	68	3,40	3210	3200	67	—	—	5,40	1210	—
—	34	67	3,45	3110	3120	66	—	—	5,45	1180	—
—	33	67	3,50	3020	3050	65	—	—	5,50	1160	—
—	31	66	3,55	2930	2910	64	—	—	5,55	1140	—
—	30	66	3,60	2850	2850	62	—	—	5,60	1110	—
—	29	65	3,65	2770	2780	61	—	—	5,65	1090	—
—	28	65	3,70	2690	2720	59	—	—	5,70	1070	—
—	27	64	3,75	2620	2610	58	—	—	5,75	1050	—
—	26	64	3,80	2550	2550	57	—	—	5,80	1030	—
—	25	63	3,85	2480	2500	56	—	—	5,85	1010	—
100	24	63	3,90	2410	2400	54	—	—	5,90	990	—
99	23	62	3,95	2350	2350	53			5,95	970

Твердість за Брінеллем визначають на пресах з гідравлічним ручним приводом або важільними приладами з ручним або механічним приводом. У нашій роботі використовується важільний прилад з механічним приводом, загальний вигляд і схему якого показано на рис. 3.2.

Масивна станина 1 має внизу підйомний гвинт 2, на який встановлюються змінні опорні столики 3 для досліджуваних зразків. Підйомний гвинт 2 переміщується обертанням маховика 4 вручну. У верхній частині станини є шпиндель 5; у цей шпиндель вставляються змінні наконечники 3 з кульками різних діаметрів відповідно до умов випробування. В головці станини розміщена пружина 7, на яку опирається шпиндель 5. Пружина призначена для того, щоб прикласти до зразка попереднє навантаження 100 кг і тим самим запобігти зміщенню зразка під час випробування.

Прес працює так: досліджуваний зразок, який повинен бути зачищений, мати рівну і гладеньку поверхню, встановлюється на столик 3 (рис. 4.2, б) відшліфованою поверхнею вверх. Поворотом вручну маховика 2 за годинниковою стрілкою столик приладу піднімається до кульки 6, закріпленій в оправці, до тих пір, поки маховик, що притискує кульку до зразка, не почне провертатися, що відповідає прикладеному попередньому навантаженню в 100 кг.

а	б в
Рис. 3.2. Загальний вигляд (а) і схема преса Брінелля з механічним приводом (б, в)

Головне навантаження прикладається до зразка шляхом важільної системи. На довгому плечі основного важеля 8 є підвіска 9, на яку накладають змінний вантаж 10. Комбінацією вантажів можна здійснити такі навантаження: 187,5 кг; 250; 500; 750; 1000 і 3000 кг. Прикладання навантаження відбувається автоматично. Обертання вала електродвигуна за допомогою черв’ячної передачі передається шатуну 12, при опусканні якого навантаження діє на шпиндель приладу. В момент прикладання головного навантаження загоряється сигнальна лампочка, яка знаходиться на передній панелі блоку керування приладом. При цьому блок керування приладом забезпечує точну величину навантаження й автоматично встановлює швидкість цього навантаження, його тривалість та виключає будь-яку можливість динамічного навантаження.

При досягненні потрібного навантаження обертання електродвигуна припиняється, а шатун 12 перемикає його напрям обертання в зворотний бік, унаслідок чого після вибраного часу перебування зразка під максимальним навантаженням, навантаження знімається зі шпинделя, і після повернення шатуна в початкове положення електродвигун автоматично вимикається.

Робота на пресі. Залежно від заданих умов випробування і роду зразків вибирають один із наконечників (додаються до приладу), в оправці яких знаходяться кульки діаметром 2,5; 5 або 10 мм і закріплюють його в шпинделі установочним гвинтом. Потім ручкою, що розміщена на передній панелі блоку керування приладом, установлюють необхідну тривалість витримки під навантаженням.

Досліджуваний зразок встановлюють на столик відшліфованою поверхнею вверх, і обертаючи маховик, піднімають його до наконечника з кулькою до тих пір, поки маховик не почне провертатися. Це свідчить про те, що попереднє навантаження в 100 кг прикладене повністю. Потрібно завжди повністю прикладати це навантаження, інакше хід шпинделя може виявитися недостатнім і результати випробування будуть неточними.

Далі вмикають електродвигун, обертання вала якого приводить у рух механізм шатуна, і навантаження плавно передається на зразок. Це навантаження діє протягом певного часу, звичайно 10…60 с, залежно від твердості досліджуваного матеріалу (див. табл. 3.1), після чого вал двигуна, обертаючись в інший бік, відповідно переміщує коромисло і знімає навантаження. Регулюванням реле двигуна можна змінювати час прикладання навантаження.

Після автоматичного вимкнення двигуна поворотом маховика проти годинникової стрілки опускають столик приладу, знімають зразок і вимірюють діаметр одержаного відбитка.

Вимірювання діаметра відбитка відбувається за допомогою спеціальної лупи або мікроскопа, які зазвичай дають збільшення від 10 до 50 разів (рис. 3.3, а).

Одержаний відбиток вимірюють лупою або мікроскопом у двох взаємно-перпендикулярних напрямах; діаметр відбитка визначається як середнє арифметичне із двох вимірювань.

Рис. 3.3. Схема вимірювання діаметру відбитка мікроскопом Брінелля

При випробуванні кулькою діаметром 10 або 5 мм розмір відбитка вимірюється спеціальною лупою з поділками з точністю до 0,05 мм; при випробуванні кулькою діаметром 2,5 мм діаметр відбитка вимірюється спеціальним мікроскопом з точністю 0,01 мм.

Лупа (рис. 3.3, б) має шкалу, малі поділки якої рівні 0,05 мм. Лупу нижньою опірною частиною потрібно щільно встановити на досліджувану поверхню зразка над відбитком (рис. 3.3, в); якщо лупа не має спеціального джерела для освітлення поверхні, виріз (вікно) в нижній частині лупи потрібно повернути до світла. Повертаючи окуляр, потрібно добитися, щоб краї відбитка були чітко окреслені.

Пересуваючи лупу, потрібно один край відбитка сумістити з початком шкали (рис. 3.3, г); прочитати поділку шкали, з якою збігається протилежний край відбитка. Цей відлік і буде відповідати розміру діаметра відбитка (на рис. 3.3, г, діаметр відбитка рівний 4,20 мм). Потім лупу або зразок повернути на 90˚ і виміряти діаметр відбитка вдруге. Середнє арифметичне цих двох вимірювань і буде діаметром відбитка.

Вимірювання твердості методом Роквелла (за іменем американського металурга С.П.Роквелла) виконують шляхом втискування у досліджувану поверхню спеціального наконечника (див. схему на рис. 3.4) під дією двох послідовно прикладених навантажень – попереднього 10 кг і загального (попереднє + головне 60, 100, або 150 кг). Різниця глибин, на які проникає наконечник під дією двох навантажень, характеризує твердість досліджуваного об’єкта.

З алежно від умов випробування можуть використовуватися такі наконечники: 1) стальна кулька діаметром 1,588 мм;

2) алмазний конус з кутом при вершині 120˚.

Найпоширенішими є такі комбінації наконечників і навантажень: