Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Сопротивление материалов машиностроительного профиля» ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ Лабораторная работа М и н с к 2 0 1 0 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Сопротивление материалов машиностроительного профиля» ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ Лабораторная работа по дисциплине «Неразрушающий контроль качества» для студентов специальности 1-54 01 02 «Методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов» М и н с к 2 0 1 0 УДК 669:620.178.1 (076.5) ББК 30.121я7 И 37 С о с т а в и т е л и : Ю.В. Василевич, Е.Ю. Неумержицкая А.М. Язневич, Н.Н. Кузменко Р е ц е н з е н т ы : И.В. Качанов, А.Ч. Якубовский Измерение твердости металлов: лабораторная работа по дисци- плине «Неразрушающий контроль качества» для студентов специ- альности 1-54 01 02 «Методы и приборы контроля качества и диа- гностики состояния объектов» / сост.: Ю.В. Василевич [и др.]. – Минск: БНТУ, 2010. – 46 с. В издании изложена методика проведения лабораторной работы по из- мерению твердости металлов. Представлены методы измерения твердости металлов при статистических и динамических нагружениях. Включены описания и принцип работы испытательных машин и установок для изме- рения твердости металлов. Представлены сравнительные значения твердо- сти, измеренные различными методами. Изложена методика измерения твердости металлов и сплавов совре- менным портативным твердомером МЕТ-УД. Для студентов технических специальностей высших учебных заведе- ний, а также для аспирантов и преподавателей. © БНТУ, 2010 3 Цель работы: • изучить методы определения твердости металлов, устрой- ство и принцип работы портативного комбинированного твер- домера МЕТ-УД; • получить практические навыки в определении твердости металлов. 1. Твёрдость как характеристика свойств материала Одной из наиболее распространенных характеристик, опре- деляющих качество металлов и сплавов, возможность их при- менения в различных конструкциях и при эксплуатационных условиях работы, является твердость. Понятие «твердость» ши- роко распространено и часто применяется в повседневной жиз- ни. Различают твердые и мягкие вещества без определения или численного выражения твердости. В технике наиболее часто это понятие определяют как сопротивление, оказываемое телом при внедрении в него другого, более твердого тела. Испытание на твердость относится к наиболее часто ис- пользуемым методам механических испытаний материалов благодаря следующим преимуществам: 1. Между твердостью пластичных металлов, определяемой способом вдавливания, и другими механическими свойствами (главным образом пределом прочности) существует количе- ственная зависимость. Пластическая деформация металлов аналогична деформации, создаваемой в поверхностных слоях металла при измерении твердости вдавливанием индентора. Между пределом прочности и числом твердости НВ раз- личных металлов существует зависимость. Сталь с твердостью НВ: 120–175 σВ ≈ 0,34 HВ, 175–450 σВ ≈ 0,35 HВ. Медь, латунь, бронза: отожженная σВ ≈ 0,55 HВ, наклепанная σВ ≈ 0,40 HВ. 4 Алюминий и алюминиевые сплавы с твердостью НВ: 20–45 σВ ≈ (0,33 – 0,36) НВ. Дуралюмин: отожженный σВ ≈ 0,36 HВ, после закалки и старения σВ ≈ 0,35 HВ. Подобная количественная зависимость не наблюдается для хрупких материалов, которые при испытаниях на растяжение (сжатие, изгиб, кручение) разрушаются без заметной пластиче- ской деформации, а при измерении твердости получают плас- тическую деформацию. Однако иногда и для этих металлов (например, серых чугунов) наблюдается качественная зависи- мость между пределом прочности и твердостью: возрастанию твердости обычно соответствует увеличение предела прочнос- ти на сжатие. По значениям твердости можно определять и не- которые пластические свойства металлов. Твердость, опреде- ленная вдавливанием, характеризует также предел выносли- вости некоторых металлов, в частности меди, дуралюмина и сталей в отожженном состоянии. 2. Измерение твердости по технике выполнения значительно проще и быстрее, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Испытания твердости не требуют изготовления специ- альных образцов и выполняются непосредственно на проверяе- мых деталях после зачистки на поверхности ровной горизон- тальной площадки, а иногда даже и без такой подготовки. 3. Измерение твердости обычно не влечет за собой разру- шения проверяемой детали, и после этого ее можно использо- вать по своему назначению. 4. Твердость можно измерять на деталях небольшой тол- щины, а также в очень тонких слоях, не превышающих десятых долей миллиметра, или в микрообъемах металла; в последнем случае измерения проводят способом микротвердости. По- этому многие способы измерения твердости пригодны для оценки различных по структуре и свойствам слоев металла, например, поверхностного слоя цементованной, азотированной 5 или закаленной стали, имеющей разную твердость по сечению детали. Методом определения микротвердости можно также измерять твердость отдельных составляющих в сплавах. 2. Методы определения твердости Разработано большое количество методов измерения твер- дости, которые обычно основываются на том, что в испытуе- мый материал вдавливают индентор и образующуюся при этом пластическую и (или) упругую деформацию рассматривают как меру твердости материала. Чем больше сопротивление матери- ала пластической деформации, тем выше твердость. В резуль- тате вдавливания с достаточно большой нагрузкой поверхност- ные слои материала, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Особенность происходящей при этом де- формации заключается в том, что она протекает только в не- большом объеме, окруженном недеформированным материа- лом. В таких условиях возникают главным образом касатель- ные напряжения, а доля растягивающих напряжений незначительна по сравнению с получаемыми при других видах механических испытаний (на растяжение, изгиб, кручение, сжатие). Поэтому при измерении твердости вдавливанием пла- стическую деформацию испытывают не только пластичные, но также металлы (например, чугун), которые при обычных меха- нических испытаниях (на растяжение, сжатие, кручение, изгиб) разрушаются практически без пластической деформации. Экспериментально твердость определяют статическими и динамическими методами. При статических методах твер- дость определяется вдавливанием в поверхность материала кого-либо твердого предмета-индентора, выполненного в виде стального шарика, алмазного конуса, пирамиды или иглы, де- формацией которого можно пренебречь, или царапанием по- верхности образца. По размерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твёрдости материала. 6 Динамические методы основаны на нанесении отпечатка шариком при ударной нагрузке, когда твердость определяется как сопротивление материала пластическому деформированию при ударе или по отскоку от материала свободно падающего бойка или маятника с бойком. В последнем случае твердость определяется как сопротивление материала упругой и упруго- пластической деформации. Иногда используют метод опреде- ления твердости по затуханию колебаний маятника при его контакте с испытуемым материалом, по сопротивлению абра- зивному изнашиванию, резанию, шлифованию и др. 2.1. Методы измерения твердости при статическом нагружении Эти методы отличаются друг от друга формой индентора (шарик, пирамида, конус), его материалом (закаленная сталь, твердый сплав, алмаз) и величиной приложенной нагрузки (измерение макротвердости, твердости при малых нагрузках и микротвердости), а также способом выражения характеристик твердости. Определение твердости в макроскопической области, т.е. с применением больших усилий при испытании (F > 30 Н), при- водит к получению большого отпечатка, который выбирают в качестве параметра макротвердости, характерного для структу- ры в целом. К испытаниям такого рода относятся способы определения твердости по Бринеллю, Виккерсу и Роквеллу. При определении микротвердости с использованием неболь- ших и очень малых нагрузок (до 2 Н) удается получить харак- теристики твердости в специфических областях. Поскольку по- лучаемые отпечатки очень малы, можно при использовании подобных методов провести локальное измерение твердости. Например, можно измерить твердость отдельных кристалли- тов или включений, а также описать изменение твердости в ликвационных участках или в зоне диффузии. 7 Рис. 1. Определение твердости по Бринеллю 2.1.1. Определение твердости по Бринеллю При определении твердости по Бринеллю (рис. 1) шарик в тече- ние установленного времени вдав- ливается с определенной силой F в испытываемый образец. В ре- зультате на поверхности образца образуется отпечаток в виде полу- сферы диаметром d и глубиной h. Твердость по Бринеллю НВ рас- считывают как отношение прило- женной нагрузки F к поверхности А образовавшегося отпечатка (без указания размерности): HB = 0,102F/A, (1) где F – приложенная нагрузка, Н; А – поверхность сферической лунки, мм2. Поверхность от- печатка А (мм2) определяют по уравнению A = πDh, (2) где D – диаметр шарика, мм; h – глубина отпечатка, мм. С учетом введения множителя 0,102 нагрузка измеряется в H. Коэффициент 0,102 введен для того, чтобы величина твер- дости не изменилась при переводе в международную систему единиц СИ. Однако в процессе определения твердости фиксируется не глубина внедрения шарика h, а диаметр отпечатка d. По равенству ( ) 2 2/122 dDDh −−= (3) можно рассчитать глубину внедрения h и получить формулу твердости по Бринеллю НВ: 8 ( ) .2102,0 2/122       −−π ⋅⋅ = dDDD F НВ (4) Используемые в качестве индентора шарики из закаленной стали или твердого сплава имеют диаметр D = 10; 5; 2,5; 1,25 и 1 мм. Диаметр отпечатка d должен укладываться в интервал 0,2D–0,7D. Чтобы не выходить за эти пределы, необходимо изменять нагрузку, величину которой можно определить по табл. 1. Наряду с пределами твердости, получаемыми при раз- личной нагрузке, в табл. 1 приведены также группы материалов, для которых наиболее предпочтительны указанные нагрузки. Испытание материалов с использованием шариков различной величины следует проводить при постоянном отношении F/D2. Таблица 1 Нагрузки при определении твердости по Бринеллю Диаметр шарика D, мм Нагрузка F (Н) для отношения 0,102 F/D2 30 10 5 2,5 1,25 10 5 2,5 1,25 1 Диапазон измерения твердости НВ 29 420 7 335 1840 459 294 67–450 Материалы на основе железа, высокопрочные сплавы Сталь, ковкий чугун, чугун, тита- новые сплавы, жа- ропрочные сплавы на никелевой и ко- бальтовой основе 9800 2450 613 153 98 22–315 Легкие металлы, медь, латунь, бронза, никель 4900 1225 306,5 76,3 49 11–158 Чистый алюминий, магний, цинк 2450 613 153,2 38,2 24,5 6–78 Материалы для подшип- ников 1225 306,6 76,6 18,6 12,25 3–39 Свинец, олово, антифрик- ционные сплавы (баббиты) 9 Поверхность образцов следует подготовить так, чтобы диаметр образующегося отпечатка можно было точно изме- рить. Образец должен иметь такую толщину, чтобы отпечаток не вызывал на обратной его стороне, контактирующей с под- ставкой, сколько-нибудь заметной деформации. Минимальная толщина образца smin (мм) зависит от твердости материала и условий проведения испытаний. В диапазоне измерения твер- дости до НВ 450 справедливо равенство .HBπ/102,017min DFs ⋅= (5) Расстояние между центром отпечатка и краем образца долж- но составлять не меньше 2,5d (для железа и его сплавов, меди и медных сплавов) и 3d для легких металлов. В противном случае возможно искажение величины твердости из-за сме- щения материала на краю образца. Расстояние между центра- ми двух соседних отпечатков для железа и его сплавов, меди и медных сплавов должно не менее чем в 4 раза, а для легких сплавов в 6 раз превышать средний диаметр отпечатка. Диа- метр образующегося отпечатка следует измерять в двух вза- имно перпендикулярных направлениях и определять среднее двух измерений. В анизотропных материалах размеры взаим- но перпендикулярных диаметров отпечатка могут отличаться друг от друга. Используемый для определения величины твер- дости диаметр отпечатка должен быть рассчитан как среднее минимум двух отпечатков. Твердость испытываемого материала не должна превышать НВ 450, поскольку в противном случае деформация шарика не позволяет провести точные измерения. Если в качестве инден- тора используют не закаленную сталь, а твердый сплав, то начиная с твердости, равной НВ 350, получают завышенные значения. При твердости НВ 450 максимальное отклонение сос-тавляет ~2%, поэтому НВ 350–450 не рекомендуется ис- пользо-вать шарики из твердого сплава. 10 Рис. 2. Определение твердости по Виккерсу 2.1.2. Определение твердости по Виккерсу Определение твердости по Виккерсу осуществляют таким же образом, как и по Бринеллю. Различие заключается в том, что в качестве индентора используют алмаз, в связи с чем появляется возможность испытывать даже самые твердые материалы, ис- пользуемые в технике. Кроме того, целесообразно применять в качестве индентора не шарик, а четы- рехгранную пирамиду с углом при вер- шине 136° (рис. 2). Такой же угол об- разуют касательные, проведенные к шарику (или шаровому отпечатку), при испытаниях по Бринеллю, если d = 0,375D. Это соотношение находится в интервале, придерживаться которого целесообразно и при испытании твер- дости по Бринеллю; величины твердос- ти до HB 300, определенные по Вик- керсу, совпадают с величинами твердо- сти, определенными по Бринеллю. Твердость по Виккерсу HV, как и твердость по Бринеллю, определяется отношением приложенной нагрузки F к поверх- ности А образующегося отпечатка и является безразмерной величиной: HV = 0,102F/A, (6) где F – приложенная нагрузка, Н; А – поверхность отпечатка, мм2; 854,12/136sin222cos2 222 dddA ===  , (7) где d – длина диагоналей, мм. 11 Рис. 3. Прибор для определения твердости по Бринеллю и Виккерсу В результате получается выражение 22 189,0854,1102,0HV d F d F = ⋅ = . (8) Поскольку, строго говоря, поверхность отпечатка по Виккер- су часто не имеет формы квадрата, для расчета твердости ис- пользуют среднее значение двух диагоналей. При определении твердости по Виккерсу приложенная нагрузка заметно меньше, чем при определении твердости по Бринеллю. Наиболее пред- почтительны нагрузки 49, 98, 196, 294, 490 и 980 Н. В стандар- тном случае применяют нагрузку 294 Н. Краткое обозначение складывается из следующих симво- лов: индекса HV; величины приложенной нагрузки F в ньюто- нах, умноженной на коэффициент 0,102; указываемой через черточку длительностью нагружения в секундах (например, 50–20 HV). Са- ма величина твердости ставится перед индексом. Если нагрузка составляет 294 Н, а продолжительность ее воз- действия 10–15 с, то приводят только индекс HV. При использовании меньших нагрузок получается менее глубокий отпечаток, что позволяет применять образцы меньшей толщины и исполь- зовать этот метод для определения твердости относительно тонких по- верхностных слоев. На рис. 3 показан прибор для определения твердости по Бринеллю и Виккерсу. 12 2.1.3. Определение твердости по Роквеллу При определении твердости по Бринеллю и Виккерсу тре- буется измерить величину получающегося в каждом случае от- печатка и по ней рассчитать величину твердости, использовав значения приложенной нагрузки. Операцию вычисления можно ускорить с помощью таблиц и других подсобных средств, одна- ко испытания в целом остаются все еще довольно трудоемким процессом, который едва ли можно автоматизировать. Имен- но этим объясняется то, что метод определения твердости по Роквеллу в кратчайший срок стал наиболее часто используе- мым на практике. При определении твердости по Роквеллу индентор вдавли- вается в испытываемый материал и глубина вдавливания t служит мерой твердости. Определение параметра твердости сводится к определению глубины вдавливания, поэтому само испытание проводится значительно быстрее и весь процесс измерения твердости может быть автоматизирован без боль- ших затрат. Но если рассматривать глубину вдавливания как непосред- ственную характеристику твердости, то получается, что мяг- кие материалы благодаря большой глубине вдавливания име- ют высокую твердость, а твердые материалы – соответственно низкую твердость. Но поскольку по Бринеллю и Виккерсу для твердых материалов установлены высокие, а для мягких низ- кие значения твердости, то при определении твердости по Ро- квеллу выбирают какую-либо реперную точку и полученную величину глубины вдавливания tb вычитают из произвольно выбранной максимальной глубины вдавливания tmax: HR = tmax – tb. (9) Для того чтобы исключить влияние шероховатости поверх- ности и ошибок, получающихся из-за локальных повреждений или сложной конфигурации образца (в большинстве случаев 13 для определения глубины вдавливания используют стрелоч- ные индикаторы), общую нагрузку прикладывают в два прие- ма, в виде предварительной и основной нагрузок. Принцип определения твердости по Роквеллу показан на рис. 4. В соответствии с этим принципом индентор сначала при предварительной нагрузке F0 вдавливается в испытуемый материал на глубину t0. От этой реперной точки t0 определяет- ся уровень отсчета для измерения получающейся при опреде- лении твердости глубины вдавливания tb. При наложении ос- новной нагрузки F1 в течение 2–8 с индентор вдавливается в материал на общую глубину t1. Продолжительность процесса вдавливания при суммарной нагрузке F0+F1 зависит от ползу- чести испытываемого материала. Рис. 4. Определение твердости по Роквеллу В общем случае она составляет: от 2 до 3 с – для материалов с не зависящей от времени пластической деформацией; от 6 до 8 с – для материалов с зависящей от времени пла- стической деформацией; 14 от 20 до 30 с – для материалов с существенно зависящей от времени пластической деформацией. По истечении времени вдавливания основную нагрузку F1 снимают, измеряют полученную глубину вдавливания tb и по ней в соответствии с формулой (9) рассчитывают твердость по Роквеллу. Большинство цифровых шкал стрелочных индика- торов, используемых для определения остаточной глубины вдавливания, рассчитано на непосредственное считывание ве- личин твердости, так что отпадает необходимость проведения арифметических расчетов. При нанесении поля допусков на цифровую шкалу можно произвести быструю сортировку ис- следуемых материалов, а при соединении с электронными при- борами, осуществляющими такую сортировку, процесс испы- таний может быть легко автоматизирован. Существует несколько шкал для проверки твердости, осно- ванных на комбинации «индентор – нагрузка» (табл. 2). При измерении твердости по Роквеллу наиболее часто используют метод С. Получаемая величина твердости указывается перед индексом использованного метода, например, 47 HRC. При из- мерении необходимо помнить, что величина твердости должна представлять собой среднее арифметическое не менее трех от- дельных измерений. При определении твердости по Роквеллу методом С расстояние между центрами двух соседних отпечат- ков должно быть не менее 4 мм, расстояние центра отпечатка от края образца – не менее 3 мм. Таблица 2 Основные шкалы твердости по Роквеллу Шкала Индентор Нагрузка, H А Алмазный конус с углом 120° в вершине 60 В Шарик диаметром 1/16 дюйма из карбида вольфрама (или из твердой стали) 100 С Алмазный конус с углом 120° в вершине 150 15 Испытываемый материал должен иметь достаточную тол- щину, чтобы отпечаток не вызывал на обратной стороне об- разца никакой видимой деформации. Для этого толщина ис- пытываемого образца должна быть не менее чем в 8 раз боль- ше глубины вдавливания tb. В общем случае поверхность образца, подвергаемая испытанию на твердость, должна быть плоской. При контроле цилиндрических образцов индентор вдавливается глубже, чем при испытании плоских образцов той же твердости, поэтому величина твердости получается за- ниженной. Точный пересчет величины твердости по Роквеллу на зна- чения твердости, полученные другими методами испытаний, невозможен. Для отдельных групп материалов получают ори- ентировочные результаты при тщательном проведении срав- нительных исследований. 2.1.4. Определение микротвердости Определение твердости при малой нагрузке отличается от методов определения макротвердости только величиной при- кладываемой нагрузки, которая в большинстве случаев нахо- дится в пределах от 2 до 20 Н. Основная область использова- ния этого метода – измерение твердости мелких деталей и тонких слоев (например, после цементации или азотирования стали). Кроме этого, данный способ применяют для испыта- ния материалов с низкой твердостью (например, свинца, алю- миния, олова). Измерения твердости при малой нагрузке можно проводить на стандартных приборах для испытания твердости по Бри- неллю и Виккерсу. При испытании по Бринеллю используют шарик диаметром 1 мм; необходимое при этом усилие опре- деляют по табл. 1, а величину твердости рассчитывают по формуле (4). При испытаниях с использованием малой нагрузки в качестве индентора обычно применяют пирамиду Виккерса. Величину твердости при этом рассчитывают по 16 формуле (8), измеряя длину диагоналей и приложенную нагрузку. В интервале макротвердости значения HV в первом приближении не зависят от приложенной нагрузки; при уси- лиях же менее 10 Н величина нагрузки влияет на значения HV. Если по величинам твердости, измеренным при малой нагрузке, путем экстраполяции определять значения макро- твердости, то можно сравнивать только те данные, которые были определены при одинаковой нагрузке. При определении твердости по Кнупу в качестве индентора используют алмазную пирамиду с ромбическим основанием. Как показано на рис. 5, угол пересечения выступающих про- дольных ребер этой пирамиды составляет 172°30', а попереч- ных – 130°. Благодаря этому получается отпечаток, продольная диагональ которого примерно в 7 раз больше, чем поперечная. Продольную диагональ можно измерить относительно точно. В отличие от значений твердости по Бринеллю и Виккерсу ве- личина твердости по Кнупу Нк рассчитывается как соотноше- ние нагрузки F к проекции поверхности отпечатка по формуле Hк = 100F/7,02Sd2. (10) Рис. 5. Определение твердости по Кнупу 17 Глубина вдавливания очень маленькая (~1/30 продольной диагонали d). Благодаря такой малой глубине вдавливания ме- тод определения твердости по Кнупу наиболее пригоден для измерения твердости тонких слоев (например, гальванических покрытий). Если необходимо узнать твердость отдельных структурных составляющих, то приложенную нагрузку уменьшают так, что- бы получаемый отпечаток относился только к исследуемой структурной составляющей. Поэтому при измерении микротвердости прикладывают нагрузку в пределах от 0,002 до 2 Н, а в качестве индентора обычно применяют пирамиду Виккерса. При измерении твер- дости тонких поверхностных слоев толщина их должна в 10 раз превышать глубину вдавливания или в полтора раза длину продольной диагонали. На рис. 6 показаны полученные при определении микро- твердости отпечатки в двухфазном материале, каждая из фаз которого имеет различную твердость. Рис. 6. Полученные при определении микротвердости отпечатки в двухфазном материале 18 2.1.5. Сравнительные значения твердости, измеренные различными методами F = 30000 Н D = 10 мм t = 10–15 с Твердость по Роквеллу Твердость по Виккерсу, МПа Временное сопротивле- ние σв, МПа Диаметр отпечатка, мм Твердость по Бринеллю, НВ HRC HRA HRB (углеродистые стали) 1 2 3 4 5 6 7 2,20 780 72 89 — 12240 — 2,26 745 70 87 — 11160 — 2,30 712 68 85,5 — 10220 — 2,35 682 66 84,5 — 9410 — 2,40 653 64 83,5 — 8680 — 2,45 627 62 82,5 — 8040 — 2,50 601 60 81,0 — 7460 — 2,55 578 58 80,0 — 6940 — 2,60 555 56 79,0 — 6490 — 2,65 534 54 78,0 — 6060 — 2,70 514 52 77,0 — 6870 — 2,75 495 50 76,0 — 5510 1780 2,80 477 49 75,5 — 5340 1720 2,85 461 48 74,5 — 5020 1650 2,90 444 46 73,5 — 4730 1600 2,95 429 46 73,0 — 4500 1550 3,00 415 44 72,5 — 4350 1490 3,05 401 42 71,5 — 4120 1440 3,10 388 41 71,0 — 4010 1395 8,15 375 40 70,5 — 3900 I350 3,20 363 39 70,0 — 3800 1305 3,25 362 38 69,0 — 3610 1265 3,30 341 37 68,0 — 3440 1225 3,35 331 36 68,5 — 3350 1195 3,40 321 35 68,0 — 3200 1155 3,45 311 34 67,5 — 3120 1115 3,50 302 33 67,0 — 3050 1085 3,55 293 31 66,0 — 2910 1055 3,60 286 30 65,5 — 2850 1030 19 Продолжение таблицы 1 2 3 4 5 6 7 3,65 277 29 65,0 — 2780 995 3,70 269 28 64,5 — 2720 970 3,75 262 27 64,0 — 2610 945 3,80 255 26 63,5 — 2550 920 3,85 248 25 63,0 — 2500 895 3,90 241 24 62,5 100 2400 870 3,95 235 23 62,0 99 2350 845 4,00 228 22 61,5 98 2260 825 4,05 223 21 61,0 97 2210 800 4,10 217 20 60,0 97 2170 780 4,15 212 19 59,5 96 2130 760 4,20 207 18 59,0 95 2090 745 4,25 202 16 58,0 94 2010 720 4,30 196 12 57 93 1970 705 4,35 192 11 — 92 1900 690 4,40 187 — — 91 1860 675 4,45 183 — — 96 1830 660 4,50 179 — — 99 1770 640 4,55 174 — — 87 1740 625 4,60 170 — — 86 1710 610 4,65 166 — — 85 1650 600 4,70 163 — — 84 1620 585 4,75 159 — — 83 1590 575 4,80 156 — — 82 1540 56,0 4,85 153 — — 81 1520 55,0 4,90 149 — — 80 1490 53,5 4,95 146 — — 78 1470 52,5 5,00 143 — — 76 1440 51,0 5,05 140 — — 76 — 50,0 5,10 137 — — 75 — 49,5 5,15 134 — — 74 — 48,6 5,20 131 — — 72 — 47,0 6,25 128 — — 71 — 46,25 5,30 126 — — 69 — 45,0 5,35 124 — — 69 — 44,0 5,40 121 — — 67 — 43,5 5,45 118 — — 66 — 42,5 20 Окончание таблицы 1 2 3 4 5 6 7 5,50 116 — — 65 — 41,75 5,55 114 — — 64 — 41,25 5,60 112 — — 62 — 40,5 5,65 109 — — 61 — 39,0 5,70 107 — — 59 — 38,5 5,75 105 — — 68 — 38,0 5,80 103 — — 57 — 37,0 5,85 101 — — 56 — 36,5 5,90 99 — — 54 — 35,5 5,95 97 — — 53 — 35,0 6,00 96 — — 52 — 34,5 2.2. Определение твердости при динамическом нагружении Наряду с методами измерения твердости при статическом нагружении хорошо зарекомендовали себя такие методы, в ко- торых индентор воздействует на испытываемую поверхность, падая с определенной высоты, и под действием ударной наг- рузки. При этом твердость можно определять либо по высоте отскока индентора, либо по размеру получаемого отпечатка. На этой основе различается упругодинамический метод (опреде- ление твердости методом упругого отскока) и пластико-дина- мический метод (определение твердости методом удара). Приборы для определения твердости методом удара удобны, они имеют малый размер, легко транспортируются, что поз- воляет доставлять их к испытываемому объекту и проводить испытания в самых разнообразных условиях (на материаль- ном складе, на строительном или монтажном участке), а также испытывать большие заготовки и полуфабрикаты, не вырезая специальных образцов или темплетов. Вследствие меньшей точности по сравнению со статическими методами испытаний этот метод находит применение преимущественно для пред- варительной отсортировки материалов и проверки равномер- ности свойств. 21 2.2.1. Упругодинамический метод Когда используемый для этих способов индентор (называе- мый обычно бойком) – шарик или определенной формы алмаз- ная игла – падает с заданной высоты на поверхность испытыва- емого материала, он отскакивает от нее. Под действием почти остроконечного бойка материал пластически деформирует-ся. На процесс деформации расходуется часть энергии падения, так что при отскоке боек не достигает первоначальной высоты. Высота отскока тем больше, чем меньше доля пластической деформации материала. Основной областью применения этого метода является испытание крупных заготовок на равномер- ность поверхностной твердости. Поскольку при соударении бойка с поверхностью, как правило, не образуется заметного отпечатка, можно проводить испытания также на окончательно обработанных методом шлифовки деталях, например, на по- верхности бочек валков холодной прокатки. Если приходится сравнивать определяемые с помощью этого метода величины твердости на различных материалах, то следует учесть, что та- кое сравнение имеет смысл только в том случае, если материа- лы имеют примерно одинаковые модули упругости. Самым известным испытательным прибором является склероскоп Шора. В качестве индентора применяют боек мас- сой ~2 г с закругленной алмазной иглой. Принцип испытания представлен на рис. 7, а. Величиной твердости является высо- та отскока, и по шкале с произвольно нанесенными делениями в 100 единиц можно непосредственно считывать значения твердости. Поскольку испытательные приборы часто разли- чаются по массе молоточка, форме бойка и иглы, а также по высоте падения, необходимо всегда наряду с величиной твер- дости, определяемой по высоте отскока, указывать использу- емый прибор. Разумеется, прибор такого типа можно исполь- зовать для испытаний только в том случае, если измерения проводят на горизонтальной поверхности заготовки. При ис- пользовании маятникового молота принцип отскока распро- 22 страняется также на испытания вертикальных поверхностей (рис. 7, б). Величина твердости в таких приборах выражается величиной угла отскока маятника. Преимущество этого спосо- ба заключается в том, что исключается неконтролируемое при падении бойка влияние трения в направляющих. Рис. 7. Упругодинамический метод определения твердости: а – падающий боек (склероскоп); б – маятниковый боек (склерометр) 2.2.2. Пластико-динамический метод При проведении измерений такого типа индентор, чаще всего шарик, воздействует на испытываемый материал в усло- виях ударно действующей нагрузки, поэтому на поверхности материала остается отпечаток. При использовании молотка Баумана (рис. 8, а) шарик прижимается к материалу под дей- ствием пружины, а величина твердости определяется разме- ром отпечатка. Пересчетные таблицы, полученные при много- численных сравнительных испытаниях, позволяют выразить результаты испытаний в значениях НВ. Условия проведения испытаний – диаметр шарика (5 или 10 мм), полное или поло- винное натяжение пружины – зависят от твердости испытыва- емого материала. 23 Рис. 8. Пластико-динамический метод определения твердости: а – молоток Баумана; б – молоток Польди Таким же удобным способом измерения твердости является метод Польди (рис. 8, б). При ударе молотком по установлен- ному на испытываемом материале короткому цилиндрическому стержню шарик производит отпечаток в материале. Но в отли- чие от молотка Баумана в этом случае неизвестна величина си- лы, применяемая при получении отпечатка. По этой причине используется эталонный стержень с известной твердостью, в котором при ударе молотком также образуется отпечаток. По величине диаметров обоих отпечатков (d1 в эталоне, d2 в мате- риале) и по известному параметру НВ эталонного стержня Н1 можно определить величину твердости исследемого материала: ( ) ( ) 2/1222 2/12 1 2 12 dDD dDDHH −− −− = , (11) где D – диаметр шарика, мм. 24 При отсортировке перепутанных материалов или при пред- варительной разбраковке часто вполне достаточно установить, тверже или мягче испытываемый материал эталонного стержня. При этом диаметр отпечатка в материале должен быть соот- ветственно меньше или больше. В этих случаях метод Польди вполне применим. 3. Портативный комбинированный твердомер МЕТ-УД Твердомер портативный (далее – твердомер) предназначен для измерения твердости изделий из металлов и сплавов. Твердомер позволяет проводить измерение твердости поверх- ностного слоя металла, подвергнутого наплавлению, напыле- нию, механической, термической и другим видам поверхност- ной обработки металла. В твердомере имеется 8 независимых шкал твердости. Ос- новные шкалы измерений – шкала Роквелла (HRC), Бринелля (НВ), Виккерса (HV) и Шора (HSD). В твердомере предусмотрены три дополнительные шкалы твердости (Н1; Н2; НЗ), которые позволяют: • проводить измерение твердости по другим шкалам (нап- ример, шкала «В» Роквелла (HRB), шкалы Супер-Роквелла (HRN и HRT), шкалы Лейба (HL) и др.); • проводить контроль твердости металлов, которые суще- ственно отличаются по свойствам от стали (алюминиевых, медных сплавов и т.д.). Твердомер оснащен микропроцессором, который позволяет: • удалять измеренное число твердости в случае сомнения в корректности произведенного измерения; • вычислять среднее значение из серии проведенных из- мерений; • сохранять данные в энергонезависимой памяти при вы- ключении твердомера; • вычислять среднее значение из данных, сохранённых в энергонезависимой памяти; 25 • переносить данные из энергонезависимой памяти твердо- мера в компьютер для дальнейшей распечатки, сохранения и обработки данных, составления графиков. Технические характеристики твердомера Шкала твердости Диапазон измерений Погрешность, не более «С» Роквелла 20...67 HRC ±2 HRC Бринелля 75…650 НВ ±10 НВ Виккерса 75...999 HV ±15 HV Шора 23...102 HSD ±2 HSD Количество текущих измерений для определения среднего значения 1...99 Электропитание твердомера: • сеть переменного тока, В/Гц • аккумуляторная батарея, В • потребляемая мощность, не более, ВА 90–240 В, 50–60 Гц 1,2 1,5 Габаритные размеры (длина/ширина/высота), мм: • электронный блок Габаритные размеры (длина/диаметр), max, мм: • датчик ультразвуковой • датчик динамический 145/80/40 160/25 140/25 Масса твердомера, max, кг: • электронный блок + датчик ультразвуковой • электронный блок + датчик динамический 0,36 0,31 Время одного измерения твердости, с: • датчик ультразвуковой • датчик динамический 4 4 3.1. Устройство и принцип работы твердомера Твердомер представляет собой портативный прибор для из- мерения твердости, состоящий из электронного блока с подсо- единенным к нему датчиком. Выбор между ультразвуковым и динамическим датчиком осуществляется в зависимости от мас- сы, конфигурации, структуры, степени механической и термиче- ской обработки измеряемого изделия. 26 Твердомер портативный комбинированный МЕТ-УД: 1 – электронный блок; 2 – датчик ультразвуковой; 3 – датчик динамический. Электронный блок твердомера представляет собой от- дельно выполненное устройство в пластмассовом корпусе: 1 – жидкокристаллический дис- плей (далее – дисплей); 2 – четыре функциональные кла- виши; 3 – тип твердомера. 1 – гнездо четырехштырькового разъема для подключения к блоку питания или компьютеру; 2 – гнездо пятиштырькового разъ- ема для подключения датчика. Датчик ультразвуковой (метод ультразвукового контактного им- 27 педанса – UCI) представляет собой отдельно выполненное устройство, связанное с электронным блоком при помощи ка- беля. Датчик в основе своей использует стальной стержень с ал- мазной пирамидой Виккерса на конце (угол между гранями – 136°), который является акустическим резонатором (вибрато- ром) встроенного генератора ультразвуковой частоты. При внедрении пирамиды в контролируемое изделие под действи- ем фиксированного усилия калиброванной пружины происхо- дит изменение собственной частоты резонатора, определяемое твердостью материала. Относительное изменение частоты ре- зонатора преобразуется электронным блоком в значение твер- дости выбранной шкалы и выводится на дисплей. Датчик ультразвуковой У1: 1 – втулка; 2 – прижимное кольцо насадки; 3 – нижняя плоскость насадки; 4 – торец втулки; 5 – корпус датчика; 6 – соединительный кабель; 7 – штекер разъёма электрон- ного блока. ОГРАНИЧЕНИЕ: недопустимо измерение материалов с крупнозернистой структурой (например чугун), массой ме- нее 10 г или толщиной менее 1 мм! Данный метод подходит для измерений твёрдости на изделиях различной массы и толщины и, особенно, на тон- костенных изделиях с малой массой. Конструкция и принцип работы датчика ультразвукового позволяют проводить измерения без видимого отпечатка на поверхности изделия (ножи, шейки коленчатых валов, зер- кальные поверхности цилиндров и т.д.), в труднодоступных местах (пресс-формы, поверхность зубьев шестерен, пазы, 28 шлицы и т.д.), а также на тонкостенных конструкциях (трубо- проводы, листовой металл, фольга и т.д.), которые невозмож- но измерить динамическим датчиком. Датчик динамический (метод отскока) представляет со- бой отдельно выполненное устройство, связанное с электрон- ным блоком при помощи кабеля. Принцип измерения твердости основан на определении от- ношения скоростей бойка до и после удара, находящегося внутри датчика. На конце бойка расположен твердосплавный шарик, непосредственно контактирующий с контролируемой поверхностью в момент удара. Внутри бойка находится по- стоянный магнит. Боек после нажатия спусковой кнопки при помощи предварительно взведенной пружины ударяется об измеряемую поверхность. При этом боек перемещается внут- ри катушки индуктивности и своим магнитным полем создает в ней ЭДС. Сигнал с выхода катушки индуктивности подается на вход электронного блока, где преобразуется в значение твердости выбранной шкалы и выводится на дисплей. Датчик динамический Д1: 1 – спусковая кнопка; 2 – верхний корпус датчика; 3 – нижний корпус датчика; 4 – катушка индуктивности; 5 – боек; 6 – соединительный кабель; 7 – штекер разъема элект- ронного блока. ОГРАНИЧЕНИЕ: недопустимо измерение изделий мас- сой менее 3 кг или толщиной менее 12 мм! Данный метод особенно подходит для измерений твер- дости на массивных изделиях, изделиях с крупнозернистой структурой, кованых и литых. 29 Конструкция динамического датчика позволяет произвести большее количество измерений за единицу времени, а работа с ним не требует специальных навыков, таких как с ультра- звуковым датчиком. 3.2. Подготовка прибора к работе и порядок работы Обязательным условием для проведения корректного изме- рения твердости изделия является обеспечение надлежащих требований к изделию и его поверхностному слою. Факторы, влияющие на точность измерения: – зона измеряемой поверхности изделия должна быть сво- бодна от влаги, загрязнений (масло, пыль, жировые пятна и т.п.), смазки, окалины, окисной пленки, ржавчины и наклепа; – толщина измеряемого поверхностного слоя металла долж- на в десять раз превышать глубину проникновения внедряемо- го тела датчика; – расстояние между предполагаемым центром зоны измере- ния и краем поверхности изделия или соседнего отпечатка долж- но быть не менее 3,5 диаметра (длины диагонали) отпечатка; – структура материала контролируемого изделия должна быть однородной; – твердомер должен эксплуатироваться при отсутствии воздействия на него вибрации и ударов; – радиус кривизны измеряемой поверхности, не менее: • датчик ультразвуковой – 5 мм; • датчик динамический – 10 мм; – шероховатость измеряемой поверхности, не более, Ra: • датчик ультразвуковой – 2,5; • датчик динамический – 3,2; – масса контролируемого изделия, не менее, кг: • датчик ультразвуковой – 0,01; • датчик динамический – 3; – температура окружающей среды – 15...25 С; – относительная влажность воздуха – 30...80 %; – атмосферное давление – 84...106 кПа. 30 Работа с ультразвуковым датчиком В момент проведения измерений изделие должно быть неподвижно, а датчик установлен перпендикулярно (90º) зоне измерения. Отклонение от перпендикулярной оси может привести к некорректному результату измерения. Во избежа- ние повреждений алмазной пирамиды избегайте резкой уста- новки и нажатия на датчик. После нажатия на датчик любое его перемещение (сдвиг) по поверхности изделия ЗАПРЕЩЕНО! Схема нагружения датчика ультразвукового У1 Мигание символа «датчик» на дисплее означает готовность твердомера к проведению измерения. Установите датчик нижней плоскостью насадки к зоне измерения контролируемого изделия. Двумя пальцами одной руки прижмите насадку к зоне измерения и удерживайте ее неподвижной в процессе измерения. В другую руку возьмите корпус датчика. Плавно нажмите на корпус датчика до упора – алмазная пирамида внедрится в поверхность контролируемого изделия. Усилие следует прикладывать плавно, без рывков: одним движением без остановок и замедлений. Следите, чтобы рука не дрожала и корпус датчика не колебался. Для корректной работы датчика необходимо приложить к его корпусу усилие не менее 14,7 Н (1,5 кгс). Не бойтесь приложить чрезмерное усилие на корпус датчика – оно будет ограничено упором. 31 Удерживайте датчик в нагруженном состоянии в течение 3–4 секунд. Символ «датчик» на дисплее перестанет мигать. После звукового сигнала и появления значения твердости на дисплее электронного блока прекратите усилие на корпус датчика, практически отпустив его. Символ «датчик» на дисплее вернется в мигающий режим, а корпус датчика под действием пружины – в первоначальное положение. Первое измерение закончено (его рекомендуется считать пробным), твердомер готов к следующему измерению. Для от- работки навыков работы с датчиком рекомендуется провести серию пробных измерений. После проведения пробного измерения нажмите клавишу ← для аннулирования результата и его исключения из определе- ния среднего значения твердости изделия. Работа с динамическим датчиком В момент проведения измерений изделие должно быть неподвижно, а датчик установлен перпендикулярно (90°) зоне измерения. Отклонение от перпендикулярной оси может привести к некорректному результату измерения. В момент нажатия спусковой кнопки любое перемещение датчика по поверхности изделия НЕДОПУСТИМО! Мигание символа «датчик» на дисплее означает готовность твердомера к проведению измерения. Установите датчик к зоне измерения поверхности контро- лируемого изделия. Одной рукой удерживайте катушку ин- дуктивности (нижний корпус датчика), а другой – верхний корпус датчика. Верхний корпус датчика сместите к нижнему корпусу датчика до упора, а затем отпустите. Пружина взве- дена и верхняя часть корпуса датчика самостоятельно возвра- щается в исходное положение. Плавно нажмите пальцем на спусковую кнопку в верхней части корпуса датчика. Следите, чтобы датчик не колебался и был надежно прижат к зоне измерения. 32 После нажатия спусковой кнопки и удара бойка в зону из- мерения прозвучит звуковой сигнал и на дисплее электронно- го блока появится измеренное значение твердости. Первое измерение закончено (его рекомендуется считать проб- ным), твердомер готов к следующему измерению. Для отработки навыков работы с датчиком рекомендуется провести серию пробных измерений. После проведения пробного измерения нажмите клавишу ← для аннулирования результата и его исключения из определе- ния среднего значения твёрдости изделия. Внимание: минимальное расстояние между точками измерений (отпечатками) должно быть не менее 2 мм. По- вторные измерения в одной и той же точке не допускают- ся, т.к. дают завышенные показания твердости изделия из- за наклепа металла в зоне отпечатка. Подключение датчика Датчик с соединительным кабелем подключается к элек- тронному блоку через пятиштырьковый разъем, снабженный вращающимся цилиндрическим фиксатором из пластика. Для подключения выполните следующие действия: • поверните фиксатор штекера против часовой стрелки до упора; • совместите пятиштырьковый штекер соединительного кабеля с гнездом разъема электронного блока так, чтобы их внутренние направляющие совпали; • вставьте штекер в гнездо до упора, слегка надавив на него; • поверните по часовой стрелке фиксатор штекера до упо- ра. Характерный щелчок защелки фиксатора подтвердит пра- вильность осуществлённых действий. Датчик подключен к электронному блоку. Отключение датчика производится в обратной последова- тельности. 33 Включение питания Осуществите длительное нажатие клавиши ↓ (~2 с). После включения на дисплее кратковременно появится надпись «подключение датчика» (~2 с). Электронный блок опознает тип подключённого датчика и на дисплее кратковременно появляется соответствующая надпись: «ультразвуковой датчик» либо «динамический дат- чик» (~2 с). После этих действий твердомер автоматически начинает работать в том режиме, в котором он работал до отключения питания. Выбор шкалы Начните работу с первого уровня «шкала», перейдя на не- го нажатием клавиши ↑. В верхней части дисплея появится надпись «XXX шкала», где XXX — шкала твердости, а в пра- вой части дисплея появится символ «батарея». Выберите нужную Вам шкалу твердости нажатием клави- ши ← или →. Подтвердите выбор нужной Вам шкалы твердости нажати- ем клавиши ↓, после чего автоматически перейдете на второй уровень. Для отмены и последовательного возврата к предыдущим операциям используйте клавишу ↑. Выбор режима Выберите нужный Вам режим (измерение, калибровка или обработка) нажатием клавиши ← или →. Подтвердите выбор нужного Вам режима нажатием клави- ши ↓. Твердомер готов к работе. Режим «Измерение» 34 Режим «Измерение» и все операции в нем проводятся от- дельно для датчика ультразвукового У1 и датчика динамиче- ского Д1. В данном режиме доступны следующие операции: • Архив; • Измерения и запись. Операция «Архив» Работа твердомера в режиме «Измерение» всегда начинает- ся с операции «Архив». Индикация дисплея (как случайно возможный пример!) показана на рисунке: Значения надписей и символов на дисплее: • НV – шкала твёрдости Виккерса; • 838 – измеренное значение по шкале твердости Виккерса (НV); • Архив № 63 – порядковый номер ячейки архива, в кото- рой хранится измеренное значение 838 по шкале твердости Виккерса (НV); • батарея – символ заряда аккумуляторной батареи. Перевод измеренного значения из одной шкалы твёрдости в другую шкалу: • выберите нужную шкалу твердости; • перейдите к операции «Архив»; • нажатием клавиши ← или → просмотрите архив; 35 • все значения, измеренные ранее в других шкалах твердо- сти и сохраненные в архиве, будут автоматически переведены в выбранную Вами шкалу твердости. Внимание! Перевод значений из одной шкалы твердости в другую имеет погрешность. Операция «Измерения и запись» Начните операцию «Измерения и запись» нажатием клави- ши ↓ для завершения и выхода из операции «Архив». Индика- ция дисплея (как случайно возможный пример!) показана на рисунке: Значения надписей и символов на дисплее: • НВ – шкала твердости Бринелля; • 07 – номер текущего измерения; • 375 – измеренное значение по шкале твердости Бринелля (НВ); • измер.№:01 – порядковый номер ячейки архива, который предлагается для записи измеренного значения по шкале твер- дости Бринелля (НВ); • датчик – символ датчика; • батарея – символ заряда аккумуляторной батареи. Мигающий символ «датчик» означает готовность твердо- мера к проведению измерений. Каждому проведенному измере- нию соответствует порядковый номер измерения (07) и изме- 36 ренное значение (375) по шкале твердости (НВ). Порядковый номер ячейки архива (измер.№:01) остается неизменным. Среднее значение из серии проведенных измерений вычис- ляется путем нажатия клавиши ↓. Количество измерений, участвующих в определении среднего значения, показывается в порядковом номере измерения (07), т.е. проведя 7 измерений и нажав клавишу ↓, Вы получите их среднее значение. После определения среднего значения твердомер автомати- чески переходит к операции «Архив», чтобы Вы могли сохра- нить полученный результат. Если Вы не желаете сохранять результат, а хотите продолжить измерения, то нажмите кла- вишу ↓ для перехода к операции «Измерения и запись». Удаление измеренного числа твердости (375) в операции «Измерения и запись» производится нажатием клавиши ←. При этом действии измеренное число твердости (375) останет- ся на дисплее, однако номер текущего измерения (07) умень- шится на единицу – это означает удаление последнего резуль- тата (375) из памяти серии проведенных измерений. Удаление последнего результата измерений рекомендуется осуществ- лять в случае возникновения сомнений в корректности произ- веденного измерения. Запись в архив начните с выбора номера ячейки в операции «Архив», после чего осуществите переход к операции «Изме- рения и запись» нажатием клавиши ↓. Для установления значения 00 в номере текущего измере- ния (07) используется переход из операции «Измерения и за- пись» к операции «Архив» и обратно двумя нажатиями кла- виши ↓. Запись в архив измеренного числа твердости (375) или сред- него значения осуществляется нажатием клавиши →. При этом порядковый номер ячейки архива для записи измерений (измер. № 01) автоматически увеличится на единицу (измер. № 02). Рекомендуется устанавливать значение 00 в номере теку- щего измерения для каждой новой партии измерений. 37 Запись в архив измеренного числа твердости (375) или среднего значения осуществляется нажатием клавиши. В этом случае порядковый номер ячейки архива для записи измере- ний (измер. № 01) останется неизменным. Это удобно для за- мены содержимого ячейки архива. Режим «Обработка» Режим «Обработка» и все операции в нем проводятся от- дельно для датчика ультразвукового У1 и датчика динамиче- ского Д1. В данном режиме доступны следующие операции: • Вычисление среднего; • Сброс архива. Выберите шкалу. Войдите в режим «Обработка» (последо- вательность клавиш ↓, ← ↓). Выберите нужную Вам операцию клавишей ← или → и подтвердите выбор клавишей ↓ (Да). Операция «Вычисление среднего» Операция «Вычисление среднего» предназначена для вычис- ления среднего значения в любом интервале ячеек архива (границ выборки). Пример индикации дисплея показан на рисунке: Значение надписей и символов на дисплее: • HSD – шкала твердости Шора; • 96,7 – среднее значение по шкале твердости Шора (HSD); • >01 сред. 07 – границы выборки; батарея – символ заряда аккумуляторной батареи. 38 На дисплее представлен результат среднего значения твер- дости (96,7) по шкале Шора (HSD) для содержимого ячеек ар- хива с первой по седьмую включительно (>01 сред. 07). Задание границ и вычисление среднего значения выборки: нажмите клавишу ↓ для перемещения знака > или < к левой начальной (>01) или правой конечной (<07) границе выборки соответственно; каждое нажатие клавиши ← или → соответственно умень- шает или увеличивает левое (>01) и правое (<07) число границ выборки на единицу. Среднее значение выборки вычисляется и выводится на дисплее автоматически («96,7»). Операция «Вычисление среднего» не изменяет содержимое ячеек архива, выполняется только для заполненных ячеек в границах выборки. Операция «Сброс архива» Операция «Сброс архива» предназначена для удаления из памяти твердомера ВСЕГО содержимого ячеек архива, т.е. обнуление ВСЕХ данных. В режиме «Обработка» нажатием клавиши ← или → выбе- рите операцию «Сброс архива». Нажмите клавишу ↓ (Да). По- явится надпись «Ждите, идет сброс архива» и через 2 с архив будет удален. Отключение питания Происходит автоматически при отсутствии каких-либо опе- раций с клавиатурой или датчиком (150 с). Происходит при одновременном нажатии клавиш ← и →. Происходит при полной разрядке аккумуляторной батареи. 3.3. Последовательность выполнения операций при измерении твердости металлов 39 Обязательным условием для проведения корректного изме- рения твердости изделия является обеспечение надлежащих требований к изделию и его поверхностному слою. Убедитесь: что – зона измеряемой поверхности изделия свободна от влаги, загрязнений (масло, пыль, жировые пятна и т.п.), смазки, ока- лины, окисной пленки, ржавчины и наклепа; – толщина измеряемого поверхностного слоя металла ми- нимум в десять раз превышает глубину проникновения внед- ряемого тела датчика; – масса контролируемого изделия, не менее, кг: • датчик ультразвуковой – 0,01; • датчик динамический – 3. Твердомер должен эксплуатироваться при отсутствии воздействия на него вибрации и ударов. 1. Подключите датчик Датчик с соединительным кабелем подключается к элек- тронному блоку через пятиштырьковый разъем, снабженный вращающимся цилиндрическим фиксатором из пластика. Для подключения выполните следующие действия: • поверните фиксатор штекера против часовой стрелки до упора; • совместите пятиштырьковый штекер соединительно- го кабеля с гнездом разъема электронного блока так, чтобы их внутренние направляющие совпали; • вставьте штекер в гнездо до упора, слегка надавив на него; • поверните по часовой стрелке фиксатор штекера до упора. Характерный щелчок защелки фиксатора подтвердит правиль- ность осуществленных действий. Датчик подключен к электронному блоку. Отключение датчика производится в обратной последова- тельности. 40 2. Включите питание Осуществите длительное нажатие клавиши ↓ (~2 с). После включения на дисплее кратковременно появится надпись «подключение датчика». Электронный блок опознает тип подключенного датчика и на дисплее кратковременно появляется соответствующая надпись: «ультразвуковой датчик» либо «динамический дат- чик». 3. Выберите шкалу Начните работу с первого уровня «шкала», перейдя на не- го нажатием клавиши ↑. В верхней части дисплея появится надпись «XXX шкала». Выберите шкалу твёрдости НВ нажатием клавиши ← или →. Подтвердите выбор шкалы твёрдости нажатием клавиши ↓. Для отмены и последовательного возврата к предыдущим операциям используйте клавишу ↑. 4. Выберите режим «Измерение» Выберите режим «Измерение» нажатием клавиши ← или →. Подтвердите выбор режима нажатием клавиши ↓. Твердо- мер готов к работе. Работа твердомера в режиме «измерение» всегда начинает- ся с операции «Архив». Выберите операцию «Измерения и запись» нажатием кла- виши ↓ для завершения и выхода из операции «Архив». Мигающий символ «датчик» означает готовность твер- домера к проведению измерений. 5. Измерьте твердость образца ультразвуковым датчиком В момент проведения измерений изделие должно быть неподвижно, а датчик установлен перпендикулярно (90°) зоне измерения. Во избежание повреждений алмазной пира- миды избегайте резкой установки и нажатия на датчик. После 41 нажатия на датчик любое его перемещение (сдвиг) по поверх- ности изделия ЗАПРЕЩЕНО! Схема нагружения датчика ультразвукового У1 Установите датчик нижней плоскостью насадки к зоне измерения контролируемого изделия. Двумя пальцами одной руки прижмите насадку к зоне измерения и удерживайте ее неподвижной в процессе измерения. В другую руку возьмите корпус датчика. Плавно нажмите на корпус датчика до упора — алмазная пирамида внедрится в поверхность контролируемого изделия. Усилие следует прикладывать плавно, без рывков: одним движением без остановок и замедлений. Следите, чтобы рука не дрожала и корпус датчика не колебался. Удерживайте датчик в нагруженном состоянии в течение 3–4 секунд. Символ «датчик» на дисплее перестанет мигать. После звукового сигнала и появления значения твердости на дисплее электронного блока прекратите усилие на корпус датчика, практически отпустив его. Символ «датчик» на дис- плее вернется в мигающий режим, а корпус датчика под дей- ствием пружины вернется в первоначальное положение. Первое измерение закончено, твердомер готов к следую- щему измерению. 6. Вычислите среднее значение измерений Среднее значение из серии проведенных измерений вычис- ляется путем нажатия клавиши ↓. Количество измерений, участвующих в определении среднего значения, показывается в 42 порядковом номере измерения (например, 07), т.е. проведя 7 измерений и нажав клавишу ↓, получается их среднее значение. После определения среднего значения твердомер автомати- чески переходит к операции «Архив», чтобы сохранить полу- ченный результат. Запись в архив измеренного числа твердости или среднего значения осуществляется нажатием клавиши →. При этом по- рядковый номер ячейки архива для записи измерений автома- тически увеличится на единицу. Если не желаете сохранять результат, а хотите продол- жить измерения, то нажмите клавишу ↓ для перехода к опе- рации «Измерения и запись». 7. Измерьте твердость образца динамическим датчиком В момент проведения измерений изделие должно быть неподвижно, а датчик установлен перпендикулярно (90º) зоне измерения. В момент нажатия спусковой кнопки любое перемещение датчика по поверхности изделия НЕДОПУСТИМО! Установите датчик к зоне измерения поверхности контро- лируемого изделия. Одной рукой удерживайте катушку ин- дуктивности (нижний корпус датчика), а другой – верхний корпус датчика. Верхний корпус датчика сместите к нижнему корпусу до упора, а затем отпустите. Пружина взведена и верх- няя часть корпуса датчика самостоятельно возвращается в ис- ходное положение. Плавно нажмите пальцем на спусковую кнопку в верхней части корпуса датчика. Сведите, чтобы датчик не колебался и был надежно прижат к зоне измерения. После нажатия спус- ковой кнопки и удара бойка в зону измерения прозвучит зву- ковой сигнал и на дисплее электронного блока появится изме- ренное значение твердости. Первое измерение закончено, твер- домер готов к следующему измерению. 43 8. Выполните п. 6 для динамического датчика 9. Выберите режим «Обработка» Выверите шкалу твердости НВ. Войдите в режим «Обра- ботка» (последовательность клавиш ↓ ← ↓). Выберите опера- цию «Вычисление среднего» клавишей ← или → и подтвер- дите выбор клавишей ↓ (Да). Операции «Вычисление среднего» предназначена для вы- числения среднего значения в любом интервале ячеек архива (границ выборки). Нажмите клавишу ↓ для перемещения знака > или < к ле- вой начальной или правой конечной границе выборки соот- ветственно. Каждое нажатие клавиши ← или → соответственно уменьшает или увеличивает левое и правое число границ вы- борки на единицу. Среднее значение выборки вычисляется и выводится на дисплее автоматически. Перейдите к операции «Сброс архива». Операция «Сброс архива» предназначена для удаления из памяти твердомера ВСЕГО содержимого ячеек архива, т.е. обнуление ВСЕХ данных. Выберите операцию «Сброс архива». Нажмите клавишу ↓ (Да). Появится надпись «Ждите, идет сброс архива» и через 2 с архив будет удалён. 10. Отключите питание Нажмите одновременно клавиши ← и →. Происходит автоматически при отсутствии каких-либо операций с клавиатурой или датчиком (~150 с); Происходит при полной разрядке аккумуляторной батареи. 44 4. Порядок выполнения лабораторной работы 1. Ознакомьтесь с методикой по эксплуатации портативно- го комбинированного твердомера МЕТ-УД. 2. Проверьте готовность прибора к проведению измерений твердости. 3. Измерьте твердость образцов по шкалам твердости HB, HV, HRC, HSD. Проведите по пять замеров твердости для каждого образца. 4. Вычислите среднее значение твердости по каждой из шкал. 6. Запишите результаты в таблицу. 7. Подключите прибор к компьютеру и сохраните получен- ные результаты. № меры (образца) Шкала твердости № измерения Результат измерения Среднее значение 45 Содержание 1. Твердость как характеристика свойств материала . . . . . . . . . . 3 2. Методы определения твердости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1. Методы измерения твердости при статическом нагружении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.1. Определение твердости по Бринеллю . . . . . . . . . . . 7 2.1.2. Определение твердости по Виккерсу . . . . . . . . . . . 10 2.1.3. Определение твердости по Роквеллу . . . . . . . . . . . 12 2.1.4. Определение микротвердости . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.1.5. Сравнительные значения твердости, измеренные различными методами . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2. Определение твердости при динамическом нагружении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2.1. Упругодинамический метод. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.2. Пластико-динамический метод. . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3. Портативный комбинированный твердомер МЕТ-УД . . . . . 24 3.1. Устройство и принцип работы твердомера . . . . . . . . . . . 25 3.2. Подготовка прибора к работе и порядок работы . . . . . . 29 3.3. Последовательность выполнения операций при измерении твердости металлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4. Порядок выполнения лабораторной работы . . . . . . . . . . . . . . . 43 46 Учебное издание ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ Лабораторная работа по дисциплине «Неразрушающий контроль качества» для студентов специальности 1-54 01 02 «Методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов» С о с т а в и т е л и : ВАСИЛЕВИЧ Юрий Владимирович НЕУМЕРЖИЦКАЯ Елена Юрьевна ЯЗНЕВИЧ Алексей Михайлович КУЗМЕНКО Наталья Николаевна Редактор Л.Н. Шалаева Компьютерная верстка Д.К. Измайлович Подписано в печать 20.03.2010. Формат 60×841/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 2,67. Уч.-изд. л. 2,09. Тираж 100. Заказ 707. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0494349 от 16.03.2009. Проспект Независимости, 65. 220013, Минск.