1.2. Измерение твердости по методу Роквелла

При испытании на твердость по методу Роквелла в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120 или стальной шарик диаметром 1,588 мм [4]. За условную меру твердости применяется глубина отпечатка. Схема испытания дана на рис. 2.

Рис. 2. Схема испытаний твердости по Роквеллу:

P_ПР – предварительная нагрузка; P_ОСН – основная нагрузка

Вначале прикладывается предварительная нагрузка P_ПР, под действием которой индентор (алмаз, шарик) вдавливается на глубину h₀. Затем прикладывается основная нагрузка P_ОСН, под действием которой индентор вдавливается на глубину h₁. После этого снимают основную нагрузку. Под действием упругой деформации индентор поднимается вверх, но не достигает уровня h₀. Разность (h – h₀) зависит от твердости материала. Чем тверже материал, тем меньше эта разность. Глубина отпечатка измеряется индикатором часового типа с ценой деления 0,002 мм. Число твердости обозначается символом HR. Существуют три способа замера твердости по методу Роквелла:

а) Способ А (HRA 80, HRA 90). Нагрузка вдавливания P= P_ПР+P_ОСН= 10+50=60 кг. В качестве индентора используется алмазный конус. Способом А замеряют твердость твердых сплавов.

б) Способ B (HRB 25, HRB 50). Нагрузка вдавливания P= P_ПР+P_ОСН= 10+90=100 кг. В качестве индентора используется стальной шарик. Способом B замеряют твердость мягких материалов.

с) Способ С (HRС 30, HRС 60). Нагрузка вдавливания P= P_ПР+P_ОСН= 10+140=150 кг. В качестве индентора используется алмазный конус. Способом С замеряют твердость закаленных сталей.

Числа твердости по Роквеллу подсчитываются по формулам

HRA(HRC)=100–[(h–h₀)/0,002];

HRB=130–[(h–h₀)/0,002],

где 100 и 130 – предельно заданное число делений индикатора часового типа с ценой деления 0,002 мм. Значение твердости по методу Роквелла фиксируется стрелкой индикатора.

1.3. Испытание твердости по методу Виккерса

В поверхность материала вдавливается алмазная правильная четырехгранная пирамида с углом при вершине =136. После снятия нагрузки измеряется диагональ отпечатка d квадрата [5]. Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки P к площади поверхности пирамидального отпечатка M:

.

Нагрузка P меняется от 1 до 120 кг.

Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки P и времени выдержки под нагрузкой. Размерность твердости не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой принимают для сталей 10-15 с. Например, 450 HV_10/15 означает, что число твердости по Виккерсу 450 получено при P=10 кг, приложенной к алмазной пирамиде в течение 15 с.

Данным методом замеряют твердость тонких поверхностных слоев.

2. Структурный анализ металлов и сплавов

2.1. Макроструктурный анализ металлов

Макроанализ – изучение структуры металлов и сплавов при увеличении до 30 раз.

Цели макроанализа:

а) Определить макродефекты (поры, трещины, раковины и т. д.). Макродефекты недопустимы, так как они ослабляют рабочее сечение детали и являются концентраторами напряжений при знакопеременных нагрузках. Они должны быть удалены.

б) Определить величину зерна или кристалла в литом металле (рис. 3). Кристалл имеет неправильную форму в виде столба и называется еще дендритом (что значит древовидный). Зерно – округленный кристалл. Чем мельче зерно, тем выше вязкость металла и его работоспособность.

Рис. 3. Зерна и кристаллы в литом металле: 1,3 – зерна; 2 – кристаллы; 4 – раковина

в) Определить направление волокон в деформированном металле. Деформированный металл – металл, полученный в результате пластической деформации. При пластической деформации наблюдается смещение слоев металла (зерен) друг относительно друга. При этом согласно законам гидравлики неметаллические включения (оксиды, карбиды, нитриды и т. д.) оттесняются к границам течения слоев металла и располагаются вдоль границ зерен, волокон. Волокно – сильно деформированное зерно. С учетом вышесказанного в опасных сечениях детали волокна должны располагаться параллельно действующим напряжениям (рис. 4, а).

Рис. 4. Расположение волокон в деформированном металле (P – действующая нагрузка в образце): а – продольное расположение волокон; б – поперечное расположение волокон

г) Изучить излом образца. По характеру излома образца судят о характере разрушения металла. Кристаллический блестящий излом наблюдается при хрупком разрушении стали пониженной вязкости. При вязком разрушении характерен волокнистый (матовый) излом.

Объектом изучения макроструктуры служит макрошлиф, представляющий собой продольное или поперечное сечение детали и подвергнутый следующим операциям: 1) механическая вырезка образца; 2) шлифование образца шлифовальными бумагами различной зернистости или наждачным кругом; 3) травление в 4-процентном растворе HNO₃ (если материал образца – углеродистая сталь или чугун); 4) промывка спиртом, сушка.

В результате указанных операций в литом металле наблюдаются зерна или кристаллы, а в деформированном – направление волокон (рис. 5).

Макроанализ дает грубую оценку качества заготовки, детали. Для более качественной оценки полученной заготовки служит микроструктурный анализ сплавов.

Рис. 5. Макроструктуры поковок коленчатого вала: а – правильное расположение

волокон; б – неправильное расположение волокон