Исследование механических характеристик металлов и сплавов

Исследование механических характеристик металлов и сплавов

1. Измерение твердости

1.1 Понятие твердости

Под твердостью понимается свойство поверхностного слоя материала сопротивляться упругой и пластической деформации или разрушению при местных контактных воздействиях со стороны другого, более твердого и не получающего остаточной деформации (индентора) определенной формы и размера. Эта формулирова пригодна не для всех существующих методов твердости. Разнообразие этих методов и разный физический смысл чисел твердости затрудняют выработку общего определения твердости как механического свойства. В разных методах и при различных условиях проведения испытания числа твердости могут характеризовать упругие свойства, сопротивление малым или большим пластическим деформациям, сопротивление металла разрушению.

При широте применения испытания на твердость, особенно при комнатной температуре, конкурируют с наиболее распространенными испытаниями на статическое растяжение. Это объясняется простотой, высокой производительностью, отсутствием разрушения образца, возможности оценки свойств отдельных структурных составляющих и тонких слоев на малой площади, легко устанавливаемой связью результатов определения твердости с данными других испытаний. При измерении твердости в поверхностном слое образца под индентором возникает сложное напряженное состояние, близкое к объемному сжатию, которое характеризуется наибольшим коэффициентом мягкости (а>2) по сравнению с другими видами механических испытаний. Поэтому возможны получение «пластических состояний», исключение разрушение и оценка твердости практически любых, в том числе и хрупких металлических материалов (1)

Твердость металлов измеряют при помощи воздействия на поверхность изделий наконечником, изготовленного из твердого материала (закаленная сталь, алмаз и др.) и имеющего форму шарика, конуса, пирамиды или иглы. По характеру воздействия наконечника различают несколько способов измерения твердости: а) метод вдавливания; б) метод отскока; в) метод царапания.

Выбор формы, размеров наконечника и величины нагрузки зависит от целей испытания, структуры, ожидаемых свойств, состояний поверхности и размеров испытуемого образца.

Если металл имеет гетерогенную структуру с крупными выделениями отдельных структурных составляющих, различных по свойствам (например, серый чугун, подшипниковые сплавы), то для измерения твердости выбирают шарик большого диаметра.

При испытаниях металлов с высокой, твердостью (например, закаленная сталь) применяют алмазный конус при снижении общей нагрузки (во избежание образования трещин в образце). Однако значительное снижение нагрузки нежелательно т. к. приведет к резкому уменьшению деформируемого объема и может дать значения, не характерные для основной массы металла.

Определяя твердость всеми методами (кроме микротвердости), измеряют суммарное сопротивление металла внедрению в него индентора, усредняющее твердость всех имеющихся структурных составляющих. Поэтому получающийся после снятия нагрузки отпечаток должен быть по размер значительно больше размеров зерен отдельных структурных составляющих. Неизбежные различия в структуре разных участков образца приводят к разбросу значений твердости, который тем больше, чем меньше размер отпечатка. Выбор метода определения твердости зависит от различных факторов: твердости материала, размеров и формы образца (детали), толщины измеряемого слоя материала. Числа твердости, получаемые различными методами, связаны между собой и, с некоторым приближением, могут быть переведены друг в друга (табл. 1.1).

Таблица 1.1 — Переводные значения твердости

Измерение твердости проводят для проверки соответствия твердости основного металла и сварных соединений различных конструкций требованиям нормативно-технической документации; определения механических свойств металла (косвенным методом); выявления изменений в материале, возникших в результате применения технологии изготовления, ремонта или в связи с длительной эксплуатацией.

Измерение твердости может производиться непосредственно на действующей конструкции и в лабораторных условиях на образцах металла.

Измерение твердости в полевых условиях производится в соответствии с требованиями нормативно-технической документации (ГОСТ 22 761, ГОСТ 22 762, ГОСТ 18 661) с использованием переносных твердомеров статического или динамического действия. Технические характеристики некоторых из них приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Технические характеристики переносных твердомеров

При определении твердости сварного соединения измерения проводят для всех зон контролируемого сварного соединения: металла шва (на усилении), металла зоны термического влияния (от линии сплавления вдоль зоны термического влияния на расстояние до 25−30 мм) и основного металла.

Анализ замеров твердости состоит в оценке возможной неравнопрочности основного металла и сварного соединения, определяемой по уровню повышения или понижения ее значений в отдельных участках по отношению к твердости основного металла. На рис. 1.2 приведен пример измерения твердости по Виккерсу в сварном соединении. Замер твердости производили с шагом в 1 мм. Как видно из графика, значительного превышения или понижения твердости в металле шва и зоне термического влияния по сравнению с соответствующими показателями основного металла не наблюдается, что свидетельствует об отсутствии закалочных структур или разупрочнения.

Взаимосвязь твердости металла с его прочностными и пластическими характеристиками.

Предел прочности (у_в, МПа) — напряжение разрушения образца при одноосном растяжении, определяемое как отношение нагрузки, при которой происходит разрушение к начальной площади поперечного сечения рабочей части образца.

Предел текучести (у_0,2, МПа) — (условный предел текучести) — напряжение, при котором остаточная деформация в образце (остаточное удлинение) достигает 0,2%. Определяется как отношение нагрузки на образец при одноосном растяжении, вызывающей деформацию 0,2% к начальной площади поперечного сечения в рабочей части образца.

Значения прочностных характеристик металлов и сварных соединений определяют по результатам статических испытаний на растяжение (ГОСТ 1497 для основного металла и ГОСТ 6996 для сварных соединений). С достаточно большой степенью достоверности для определения прочностных характеристик можно использовать корреляционные соотношения между ними и результатами замеров твердости. Соотношения между значениями твердости (НВ) и пределом прочности металла приводятся в ГОСТ 22 761. В работе для косвенного определения прочностных характеристик использованы следующие соотношения:

HV = 3,16 у_в (1.1)

у_в= 0,32 НВ + 50 (1.3)

HV = 3,62 у_0,2 (1.2)

у_в= 0,365 НВ^0,989 (1.4)

у_в = 0,35 НВ (1.5)

у_в= 0,362 НВ (1.6)

Предел выносливости (у_-1, МПа) — основная характеристика выносливости материала. Это наибольшее значение максимального напряжения цикла, которое выдерживает металл без разрушения при повторении заданного числа циклов нагружения. Оценка предела выносливости производится по ГОСТ 25.502 и ГОСТ 25.504.

По данным работы для установления связи предела прочности и предела текучести с пределом выносливости материала предлагается целый ряд зависимостей:

у_-1 = 0,47 у_в, (1.7)

у_-1 = 0,35 у_в +122, (1.8)

у_-1 = 0,25 (у_в + у_0,2) (1.9)

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных показало их наибольшую сходимость в случае определения у_-1 по уравнению (1.7) (табл. 1.3).

Таблица 1.3 — Сопоставление расчетных и экспериментальных значений предела прочности, предела текучести, предела выносливости низкоуглеродистых низколегированных сталей

При этом расчетные значения предела выносливости практически во всех случаях выше экспериментальных, а максимальная разница в расчетных и экспериментальных значениях 19−20%. Применение для расчета предела выносливости углеродистых и низколегированных сталей формул (1.8−1.9) дает разницу в значениях около 35%.

Характеристики пластичности при растяжении. В качестве основных характеристик пластичности используют: относительное удлинение (д, %) и относительное сужение (ш, %) (ГОСТ 1497).

Относительное удлинение д, характеризует увеличение длины образца в результате деформации при растяжении.

(1.10),

где: l_к, l₀ — конечная и начальная длины рабочей части образца.

В работе для расчета относительного удлинения конструкционных углеродистых и легированных сталей предложено следующее выражение:

(1.11)

Относительное сужение ш — характеризует предельную способность материала к пластическому деформированию до разрыва.

(1.12),

где: F_к, F₀ — конечная и начальная площади поперечного сечения образца.

Для определения относительного сужения углеродистых сталей в зависимости от их предварительной термической обработки можно использовать следующие зависимости:

—  (1.13) — для сталей в состоянии закалки и отпуска;

— (1.14) — для нормализованных сталей;

—  (1.15) — для сталей поле отжига.

Характеристики пластичности связаны с прочностными свойствами материала. При достаточно высоких значениях д и ш, характерных для сталей нефтегазового сортамента (д не менее 16−25%, ш не менее 50%) прочность обычно тем меньше, чем выше пластичность. В зависимости от величины удлинения меняется разница между пределами текучести и прочности. Поэтому важной характеристикой материала является отношение у_0,2 /у_в. Например, согласно СНиП 2.05.06−85, регламентирующему свойства сталей для изготовления магистральных трубопроводов это отличие должно составлять не более 0,75 — для углеродистых сталей, 0,8 — для низколегированных нормализованных сталей, 0,85 — для дисперсионно-твердеющих нормализованных и термически упрочненных сталей, 0,9 — для сталей контролируемой прокатки, включая сталь с бейнитной структурой.

Многообразие условий службы и обработки металлических материалов предопределяет необходимость проведения большого числа механических испытаний. Они классифицируются по разным принципам. Способ нагружения образца в процессе испытания. В основном используют два способа нагружения образца: 1) путем его деформации с заданной скоростью и измерением сил сопротивления образца этой деформации и 2) подачей постоянной нагрузки (напряжения) на образец с измерением возникающей при этом деформации.

Механические испытания, в которых нагрузка непостоянна, можно классифицировать также по характеру ее изменения во времени. По этому принципу нагрузки подразделяют на статические, динамические и циклические. Статические нагрузки относительно медленно возрастают от нуля до некоторой максимальной величины (обычно секунды — минуты). При динамическом нагружении это возрастание происходит за очень короткий промежуток времени (доли секунды). Циклические нагрузки характеризуются многократными изменениями по направлению и (или) по величине. В соответствии с характером действующих нагрузок различают статические, динамические и усталостные испытания. Статические исnыания отличаются плавным, относительно медленным изменением нагрузки образца и малой скоростью его деформации. Наиболее важны следующие разновидности статических испытаний, приложения нагрузок к образцу (т.е. схемой напряженного состояния): одноосное растяжение, одноосное сжатие (в дальнейшем — просто растяжение, сжатие), изгиб, кручение, растяжение и изгиб образцов с надрезом и трещиной (плоские и объемные схемы напряженного состояния). Динамические испытания характеризуются приложением к образцу нагрузок с резким изменением их величины и большой скоростью деформации. Длительность всего испытания не превышает сотых — тысячных долей секунды. В результате динамических испытаний определяют величину полной или работы динамической деформации, а также величину остаточной деформации образца (абсолютной или относительной). Данных о величине напряжений и деформаций в процессе этих испытаний обычно не получают, хотя в принципе это возможно. Динамические испытания чаще всего проводят по схеме изгиба.

Испытания на усталость проводят при многократном приложении к образцу изменяющихся нагрузок. Такие испытания обычно длительны (часы — сотни часов), по их результатам определяют число циклов до разрушения при разных значениях напряжений, а в конечном итоге-то предельное напряжение, которое образец без разрушения в течение определенного числа циклов нагружения. Помимо рассмотренных статических, динамических и усталостных, различают еще две большие специфические группы испытаний. Первая из них — испытания на твердость, в которых оценивают различные характеристики сопротивления деформации или, реже, разрушению поверхностных слоев образца при взаимодействии их с другим телом — индентором (от английского indentation — вдавливание).

Большинство испытаний на твердость статические. Вторая группа — испытания на ползучесть и длительную прочность. Их обычно проводят при повышенных температурах для оценки характеристик жаропрочности. Образцы здесь в течение всего испытания находятся под постоянным напряжением или нагрузкой. При испытании на ползучесть измеряют величину деформации в зависимости от времени при разных напряжениях в образце, а при испытании на длительную прочность оценивают время до разрущения под действием различных напряжений. Существует еще ряд методов и разновидностей механических испытаний, которые используют на практике в более ограниченных масштабах. Как видно, методы проведения испытаний весьма разнообразны. К тому же они проводятся при разных температурах, начиная от очень низких отрицательных и кончая температурами в интервале плавления, в разных средах и т. д. Все это вполне естественно, ибо отражает разнообразие условий эксплуатации и обработки металлов и сплавов, которые в конечном итоге пытаются моделировать испытаниями (10).

Условия подобия механических испытаний: Большинство характеристик механических свойств металлов и сплавов не является их физическими константами. Они в сильной степени зависят от условий проведения испытаний. Поэтому нельзя судить о свойствах металлических материалов по данным механических испытаний, которые проводятся разными исследователями по разным методикам. Необходимо выполнение определенных условий проведения испытаний, которые бы обеспечили постоянство результатов при многократном повторении испытаний, так чтобы эти результаты в максимальной степени отражали свойства материала, а не влияние условий испытания. Кроме того, соблюдение этих правил должно гарантировать сопоставимость результатов испытаний, проведенных в разное время, в разных лабораториях, на различном оборудовании, образцах и т. д. Условия, обеспечивающие такое постоянство и сопоставимость результатов, называются условиями подобия механических испытаний. Для соблюдения условий подобия образцы следует подвергать испытаниям при одинаковой схеме напряженного состояния и в одинаковых физических условиях.

Отсюда следует необходимость соблюдения трех видов подобия:

1) геометрического (форма и размеры образца);

2) механического (схема и скорость приложения нагрузок);

3) физического (внешние физические условия).

Условие геометрического подобия сводится к тому, что испытываемые образцы должны иметь геометрически подобную форму. Форма и размеры образца влияют на результаты испытания через схему напряженного состояния, которая зависит от формы тела и определенного расположения точек приложения нагрузок. Естественно, что еще в большей степени на напряженное состояние в образце влияет схема приложения нагрузок. В общем виде механическое подобие заключается в том, что в сходственных сечениях рабочей части образцов возникают тождественное напряженное состояние и одинаковая относительная деформация. Следует отметить, что сформулированное условия геометрического и механического подобия обеспечивают тождество напряженных состояний и относительных деформаций не во всех случаях и не во всех микрообъемах образцов. Отклонения наблюдаются. в частности, при хрупком разрушении, при очень больших различиях в абсолютных размерах образцов (масштабный фактор) и в ряде других случаев, каждый из которых имеет свое объяснение. Например, влияние масштабного фактора можно объяснить на основе статистических теорий прочности. Снижение механических свойств при увеличении размеров образцов связывают с увеличением вероятности существования опасных поверхностных и внутренних дефектов — кониентраторов напряжений, вызывающих преждевременную деформацию и разрушение. Другой причиной влияния масштабного фактора может быть изменение схемы напряженного состояния (при испытании образцов с концентраторами напряжений). Необходимость физического подобия для получения воспроизводимых и сопоставимых результатов испытаний совершенно очевидна и не требует специальных разъяснений. Когда необходимо получение сопоставимых данных по свойствам разных материалов, соблюдение физического подобия усложняется. Например, сравнение механических свойств разных металлов и сплавов при одной температуре может быть при решении определенных задач лишено физического смысла. Механические свойства, в частности прочностные, связаны с температурой начала плавления металла или сплава: при прочих равных условиях чем выше эта температура, тем выше прочностные характеристики при заданной температуре испытания. Поэтому сопоставление свойств разных металлических материалов более правильно проводить при одинаковых гомологических температурах, т. е. одинаковых отношениях абсолютных температур испытания и плавления ТИС / Т'" (в градусах Кельвина). Для получения сопоставимых результатов и правильного их анализа, кроме соблюдения трех перечисленных условий подобия, большое значение имеет методика изготовления образцов для испытаний. Способ изготовления образца должен быть таким, чтобы в последнем создавалась структура, идентичная структуре соответствующей детали или заготовки, свойства которой необходимо определить. Важность соблюдения условий подобия при проведении механических испытаний наглядно демонстрируется стандартизацией их методики в государственном, а некоторых испытаний и в международном масштабе. В России имеются ГОСТы на большинство наиболее распространенных испытаний. В них с учетом всех условий подобия унифицированы формы и размеры образцов, качество их изготовления, основные методические приемы испытания, а также требования к применяемой аппаратуре, точности замера напряжений и деформаций, температуры и т. д.

1.2 Сущность измерения твердости по различным методикам

Метод вдавливания твердого наконечника получила наибольшее распространение в практике испытаний металлов. К этому методу относятся методы Бринелля, Роквелла, Виккерса. Измерение твердости этими методами стандартизированы и устанавливаются ГОСТами:

Бринелля — ГОСТ 9012– — 59, Роквелла — ГОСТ 9013– — 59, Виккерса — ГОСТ 2999– — 59. [3]

Рис. 1.1 Диапазон значений твердости Твердость по Бринеллю — НВ, Н/м²

Рис. 1.2. Измерение твердости по методу Бринелля Прежде чем приступить к испытанию на твердость, необходимо правильно подобрать по нагрузку (F) и диаметр шарика (D) исходя из материала и толщины образца, ГОСТ 9012– — 59. Нагрузку выбирают так, чтобы соблюдался закон подобия

F/D² = const (1)

В этом случае возможно сравнение твердости, полученной при различном диаметре шариков. Минимальная толщина испытуемого образца должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка. На обратной стороне испытуемого образца после вдавливания шарика не должно быть следов деформации. [2]

Чем больше диаметр шарика, тем выше точность в определении твердости.

Твердость материала при измерении по Бринеллю не должна превышать 4500 МН/м², т. к. для вдавливания используется стальной закаленный шарик с твердостью НВ = 6000 МН/м² и при испытании более твердых металлов он будет деформироваться сам.

Продолжительность выдержки образца строго постоянна и устанавливается перед измерением от 10 до 60 секунд в зависимости от материала.

Диаметр отпечатка (d), полученного после вдавливания, измеряется при помощи специальной лупы с точностью до 0,05 мм. При этом для лучшей освещенности отпечатка окно лупы располагают в направлении к источнику света.

Значение твердости находят из таблиц или рассчитывает по формуле (2) Н/м²

(2)

Число твердости по Бринеллю, измеренное при стандартном испытании (D = 10 мм, P = 3000 кгс), записывается так: HB 350. Если испытания проведены при других условиях, то запись будет иметь следующий вид: HB 5/250/30−200, что означает — число твердости 200 получено при испытании шариком диаметром 5 мм под нагрузкой 250 кгс и длительности нагрузки 30 с.

При измерении твердости по методу Бринелля необходимо выполнять следующие условия:

Ш образцы с твердостью выше HB 450 кгс/мм² (4500 МПа) испытывать запрещается;

Ш поверхность образца должна быть плоской и очищенной от окалины и других посторонних веществ;

Ш диаметры отпечатков должны находиться в пределах 0,2Dd0,6D;

Ш образцы должны иметь толщину не менее 10 — кратной глубины отпечатка (или менее диаметра шарика);

Ш расстояние между центрами соседних отпечатков и между центром отпечатка и краем образца должны быть не менее 4d.

Твердость по Роквеллу — HRB, НRC

Испытания твердости на этом приборе могут производиться вдавливанием закаленного шарика (D =I, 588 мм), алмазного конуса. При этом алмазный конус применяется для испытания твердых металлов (НВ — 2500 МН/м²).

Каждое деление шкалы индикатора соответствует глубине вдавливания (h) в 0,002 мм, чем меньше h, тем больше твердость.

В зависимости от типа индентора и выбранной нагрузки измерения твердости проводят по шкалам A, B, C, F. Полученное значение твердости является величиной безразмерной и выражается в единицах данной шкалы соответственно HRB, HRC. [2]

Рис. 1.3. Схема проведения измерения твердости по Роквеллу с применением алмазного наконечника: 1 — поверхность образца; 2- исходная линия измерения, 3 — шкала твердости Прибор измеряет глубину отпечатка. Каждое деление шкалы индикатора соответствует глубине вдавливания (h) в 0,002 мм, поэтому, чем меньше h, тем больше твердость.

Соотношение между твердостью и глубиной вдавливания определяется выражениями для алмазного конуса для шарика Перед началом испытания необходимо выбрать шкалу измерения, т. е. нагрузку, шкалу отсчета и индентор (шарик или конус). Шкалы, А и С применяет для измерения закаленной стали, причем, когда требуется измерить твердость в поверхностном слое, например, после химико-термической обработки, после закалки ТВЧ, нагрузку снижают до 500 Н, т. е. использует для измерения шкалу А. Для определения твердости отожженной и нормализованной стали применяют шкалу В, нагрузку 1000 Н. Дня цветных металлов, имеющих малую твердость, измерения проводят по шкале F. Нагрузка в этом случае снижена до 500 Н, чтобы уменьшить глубину проникновения стального шарика.

Поверхность испытуемого образца должна быть очищена шлифовкой от окалины и других посторонних веществ.

Перпендикулярность приложения нагрузки обеспечивается за счет создания параллельности опорных поверхностей образца.

Минимальная толщина образца должна быть не меньше восьмикратной глубины внедрения наконечника после снятия основной нагрузки. На обратной стороне образца не должно быть заметно после измерения твердости следов деформации. Расстояние от края образца или между соседними отпечатками должно быть не менее 3 мм.

Отсчет результатов измерения твердости производится в целых делениях шкалы индикатора с точностью 0,5 единицы шкалы. За число твердости принимается результат отдельного измерения. Причем на каждом образце должно быть произведено не менее трех измерений.

Твердомер Роквелла измеряет разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной и предварительной нагрузок. Каждое давление (единица шкалы) индикатора соответствует глубине вдавливания 2 мкм. Однако условное число твердости по Роквеллу (HR) представляет собой не указанную глубину вдавливания t, а величину 100 — t по черной шкале при измерении конусом и величину 130 — t по красной шкале при измерении шариком.

Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и того физического смысла, который имеют числа твердости по Бринеллю, однако можно найти соотношение между ними с помощью специальных таблиц.

Твердость по методу Роквелла можно измерять:

— алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кгс. Твердость измеряется по шкале С и обозначается HRC (например, 65 HRC). Таким образом определяют твердость закаленной и отпущенной сталей, материалов средней твердости, поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм;

— алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кгс. Твердость измеряется по шкале А, совпадающей со шкалой С, и обозначается HRA. Применяется для оценки твердости очень твердых материалов, тонких поверхностных слоев (0,3 … 0,5 мм) и тонколистового материала;

— стальным шариком с общей нагрузкой 100 кгс. Твердость обозначается HRB и измеряется по красной шкале B. Так определяют твердость мягкой (отожженной) стали и цветных сплавов.

При измерении твердости на приборе Роквелла необходимо, чтобы на поверхности образца не было окалины, трещин, выбоин и др. Необходимо контролировать перпендикулярность приложения нагрузки и поверхности образца и устойчивость его положения на столике прибора. Расстояние отпечатка должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и не менее 4 мм при вдавливании шарика.

Твердость следует измерять не менее 3 раз на одном образце, усредняя полученные результаты.

Преимущество метода Роквелла по сравнению с методами Бринелля и Виккерса заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.

Метод Виккерса

При измерении твердости по Виккерсу согласно ГОСТ 2999– — 59 в испытуемый металл вдавливается четырехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 135°. Для испытания могут применяться нагрузки 50, 100, 200, 300, 500, 1000 и 1200 Н. Отпечаток получается в виде квадрата. При помощи микроскопа, находящегося на приборе, измеряется диагональ отпечатка. Твердость по Виккерсу HV определяют как удельное давление, приходящееся на единицу поверхности отпечатка по формуле (5) Н/м².

Рис. 1.4. Измерение твердости по методу Виккерса

(5)

где F — нагрузка,

— угол между противоположными гранями равный 136 градусов

d — среднее арифметическое значение значение длин обеих диагоналей отпечатка, мм Измерение твердости алмазной пирамидой дает более точные значения для металлов с высокой твердостью, чем измерения шариком или конусом, так как диагонали отпечатка достаточно велики даже при малой глубине отпечатка. При вдавливании пирамиды соотношение между диагоналями получающегося отпечатка при изменении нагрузки остается постоянным, что позволяет в широких пределах менять нагрузку. Величину нагрузки выбирают в зависимости от целей исследования, толщины и твердости исследуемого образца. Продолжительность выдержки под нагрузкой составляет: для черных металлов 10−15 с, для цветных металлов 30−60 с.

Метод измерения микротвердости

При определении микротвердости четырехгранная алмазная пирамида (с углом между противоположными гранями при вершине 135°) вдавливается в испытуемый материал под очень небольшой нагрузкой от 0,05 до 5 Н.

Рис. 1.5. Измерение микротвердости Число твердости выражается в величинах твердости Н и определяется по формуле (5).

Среднее значение микротвердости Н вычисляем по формуле (6),

(6)

где n — число измерений, Н_i — текущее измерение Числа твердости согласно ГОСТ 9450– — 60 обозначают символом Н с указанием в индексе величины нагрузки в граммах (например, H₅₀ = 220 означает, что число микротвердости 220 получено при нагрузке 0,5 Н).

Испытание на микротвердость применяют для контроля качества материала очень мелких деталей, а также для определения твердости структурных составлявших, твердости покрытий и весьма тонких поверхностных слоев. Поверхность образца для определения микротвердости подготавливают так же, как и для микроисследования. Полирование рекомендуется электролитическое во избежание наклепа в тонком поверхностном слое. Для определения микротвердости применяют прибор ПМТ — 3. Это вертикальный микроскоп 1 с нижним положением столика, Принцип измерения твердости такой же, как и по Виккерсу, только пирамида отличается более высокой точностью изготовления.

Выбор нагрузки зависит от задачи измерения. Центр отпечатка должен быть удален от края шлифа или от края соседнего отпечатка не менее чем на две диагонали отпечатка. Если отпечаток получен слишком близко к краю, то вдавливание индентора облегчается и поэтому значение твердости оказывается заниженным. Если первый отпечаток расположен слишком близко от второго, то второй отпечаток будет находиться в зоне, уже наклепанной от первого вдавливания, поэтому твердость получается завышенной. [3]

При малой нагрузке велика относительная погрешность в измерении отпечатка и сильнее сказывается качество шлифа, поэтому желательно брать наибольшую нагрузку.

Вместо определения числа твердости по формуле обычно пользуется таблицами, рассчитанными для нагрузок 0,2; 0,5; 1 и 2 Н. Но если нужно измерить твердость отдельного зерна, приходится снижать нагрузку, пока отпечаток не окажется настолько малым, чтобы до краев зерна оставалось не менее двух диагоналей. Даже отпечаток, далеко отстоящий от видимой границы зерна, может давать завышенное (или заниженное) значение твердости из-за того, что под ним на небольшой глубине под поверхностью шлифа залегает другая фаза (более твердая или более мягкая). Индентор «упирается» в нее или, наоборот, «проваливается» сквозь твердую корку в мягкую подложку. Поэтому разброс измеренных значений микротвердости, как правило, гораздо больше, чем при обычных измерениях твердости. Измерения микротвердости имеют ценность только при правильной статистической обработке диагонального числа размеров.

1.3 Порядок выбора оборудования

Порядок выбора оборудования зависит от многих факторов и условий в которых требуется определить твердость. В зависимости от этого Приборы для измерения твердости делятся на:

1) Стационарные

2) Переносные Стационарные приборы используются в основном в лабораториях, в основе их приборы давлением: то есть твердомеры для металлов по методу Бринелля, Роквелла и Виккерса. Стационарные твердомеры обладают высокой точностью, удобством в эксплуатации и обслуживании. Могут использоваться для определения твердости закаленных и незакаленных сталей, черных и цветных металлов, литого чугуна, твердых и мягких сплавов. [3]

Переносные — в основе этих приборов лежат ульразвуковые и динамические твердомеры. При использовании стационарных твердомеров требуется, чтобы испытываемый образец помещался под измерительным устройством, что не всегда возможно. Переносные измерительные устройства разработаны для того, чтобы позволить проводить определение твердости не только в лаборатории, но и в полевых условиях

2) Приборы для измерения микротвердости — микротвердомеры

1) Приборы давлением:

Для измерения твердости по методу Бринелля используют прибор ТШП-4.

Прибор имеет следующие основные характеристики: — испытательные нагрузки, кгс…750, 1000, 3000-допустимая погрешность в, %…+1 и -1

— твердость проверяемая прибором HB…8−450

— диаметры стальных шариков к наконечникам, мм … 5,10

величина свободного хода шарикового наконечника до испытуемой поверхности…10

Это переносной прибор состоит из измерительной головки, включающий в себя узел измерения нагрузок и приспособлений для крепления ее к деталям. С прибором поставляются приспособления: для градуировки и проверки прибора, для крепления прибора в шпинделе вертикально-сверильных станков, для крепления к спец. стенду Твердость материала при измерении на приборе ТШП-2 не должна превышать 4500 МН/м², т. к. для вдавливания используется стальной закаленный шарик с твердостью НВ = 6000 МН/м² и при испытании более твердых металлов он будет деформироваться сам.

Чем больше диаметр шарика, тем выше точность в определении твердости.

Определение твердости HB производится на прессе Бринелля (твердомер типа ТШ) в следующем порядке. Испытываемый образец (деталь) устанавливают на столике 1 (Рис. 2) шлифованной поверхностью кверху. Поворотом маховика 2 по часовой стрелке столик прибора поднимают так, чтобы шарик 4 мог вдавиться в испытываемую поверхность. Маховик 2 вращают до упора, и нажатием кнопки включают электродвигатель 6. Двигатель перемещает коромысло и постепенно нагружает шток с закрепленным в нем шариком. Шарик под действием нагрузки 3, сообщаемой приведенным к коромыслу грузом, вдавливается в испытываемый материал. Нагрузка действует в течение определенного времени (10…60 с), задаваемого реле времени, после чего вал двигателя, вращаясь в обратную сторону, соответственно перемещает коромысло и снимает нагрузку. После автоматического выключения двигателя, поворачивая маховик 2 против часовой стрелки, опускают столик прибора и снимают образец.

Диаметр отпечатка измеряют при помощи отсчетного микроскопа (лупы Бринелля), на окуляре которого имеется шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. Измерение проводят с точностью до 0,05 мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях; для определения твердости следует принимать среднюю из полученных величин.

Прибор предназначен для измерения твердости металлов и сплавов по методом вдавливания алмазного конуса или стального закаленного шарика под действием заданной нагрузки в течении определенного времени. Испытания образца на твердость осуществляется с помощью механизма погружения, приводимого в действие электродвигателем. От двигателя через червячный редуктор вращение передается кулачковому блоку, который передает нагрузку на образец через наконечник с шариком или алмазным конусом на конце. Фиксирование глубины проникновения наконечника в образец осуществляется индикатором, который приводится в движение рычагом.

Испытания твердости на этом приборе могут производиться вдавливанием закаленного шарика (D =I, 588 мм), алмазного конуса Алмазный конус применяется для испытания твердых металлов (НВ — 2500 МН/м²).

Прибор измеряет глубину отпечатка. Каждое деление шкалы индикатора соответствует глубине вдавливания (h) в 0,002 мм, поэтому, чем меньше h, тем больше твердость.

В зависимости от типа индентора и выбранной нагрузки измерения твердости проводят по шкалам A, B, C, F. Полученное значение твердости является величиной безразмерной и выражается в единицах данной шкалы соответственно HRA, HRB, HRC, HRF

Шкалы, А и С применяет для измерения закаленной стали, причем, когда требуется измерить твердость в поверхностном слое, например, после химико-термической обработки, после закалки ТВЧ, нагрузку снижают до 500 Н, т. е. использует для измерения шкалу А. Для определения твердости отожженной и нормализованной стали применяют шкалу В, нагрузку 1000 Н. Дня цветных металлов, имеющих малую твердость, измерения проводят по шкале F. Нагрузка в этом случае снижена до 500 Н, чтобы уменьшить глубину проникновения стального шарика.

Несмотря на ряд недостатков прибора ТК-2М: условность величины определяемой твердости, малая точность измерения он широко применяется для массового контроля. Причиной этого является ряд достоинств метода:

1. Быстрое определение твердости благодаря автоматизации

2. Возможность определения твердости материалов с НВ > 500 ед.

3. Возможность измерения твердости на малых и тонких образцах.

После приложения предварительной нагрузки индикатор, измеряющий глубину отпечатка, устанавливается на нуль. Когда отпечаток получен приложением окончательной нагрузки, основную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения наконечника t.

Твердость измеряют на приборе Роквелла, в нижней части станции которого установлен столик 5. В верхней части станции индикатор 3, масляный регулятор 2 и шток 4, в котором устанавливается наконечник с алмазным конусом (имеющим угол при вершине 120⁰ и радиус закругления 0,2 мм) или стальным шариком диаметром 1,588 мм. Индикатор 3 представляет собой циферблат, на котором нанесены две шкалы (черная и красная) и имеются две стрелки — большая (указатель твердости) и маленькая — для контроля величины предварительного нагружения, сообщаемого вращением маховика 6. Столик с установленным на нем образцом для измерений поднимают вращением маховика до тех пор, пока малая стрелка не окажется против красной точки на шкале. Это означает, что наконечник вдавливается в образец под предварительной нагрузкой, равной 10 кгс.

После этого поворачивают шкалу индикатора (круг циферблата) до совпадения цифры 0 на черной шкале с большой стрелкой. Затем включают основную нагрузку, определяемую грузом 1, и после остановки стрелки считывают значение твердости по Роквеллу, представляющее собой цифру. Столик с образцом опускают, вращая маховик против часовой стрелки.

Твердомер Роквелла измеряет разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной и предварительной нагрузок. Каждое давление (единица шкалы) индикатора соответствует глубине вдавливания 2 мкм. Однако условное число твердости по Роквеллу (HR) представляет собой не указанную глубину вдавливания t, а величину 100 — t по черной шкале при измерении конусом и величину 130 — t по красной шкале при измерении шариком.

Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и того физического смысла, который имеют числа твердости по Бринеллю, однако можно найти соотношение между ними с помощью специальных таблиц.

Прибор регулирует скорость подвода индентора в испытываемому изделию и снабжен проекционной оптической системой, обеспечивающей замер диагонали отпечатка на экране микрометрического устройства. В конструкцию прибора входят слудующие основные механизмы, смонтированные внутри литого корпуса: шпиндель, макрометрическая головка, грузовой рычаг, грузовая подвеска, механизм подъема стола и панель с электроаппаратурой.

Шпиндель (выполнен в виде трубы) и рычажная система предназначены для создания и передачи нагрузки на испытываемый образец. Пределы измерения твердости 8HV — 2000 HV

Измерение твердости алмазной пирамидой дает более точные значения для металлов с высокой твердостью, чем измерения шариком или конусом, так как диагонали отпечатка достаточно велики даже при малой глубине отпечатка.

На приборе ТП-7Р-1 можно измерять твердость мягких металлов и очень твердых сплавов и, кроме того, твердость в тонких поверхностных слоях, например при обезуглероживании, поверхностном наклепе, химико-термической обработке и т. д.

Однако каждое определение по Виккерсу занимает сравнительно много времени и требует тщательной подготовки поверхности образца, что является основным недостатком этого метода, препятствующим широкому применению его в цеховых условиях.

2) Портативные приборы:

подразделяются на портативные ультразвуковые и портативные динамические:

Портативный ультразвуковой твердомер МЕТ-У1 (рис. 1.9)

Ультразвуковой твердомер МЕТ-У1А состоит из электронного блока МЕТ-У1А и ультразвукового датчика У1А с нагрузкой 15Н. Принцип действия Определение частот свободных колебаний индентора, находящегося под действием постоянного усилия 1,5 кГс или 5 кГс.

Измерение твердости:

1) любых по массе изделий толщиной от 1 мм — недоступное для динамических твердомеров (малые детали, тонкостенные конструкции, трубы, резервуары, стальные листы и т. д.);

2) без видимого отпечатка на поверхности изделия (зеркальные поверхности, шейки коленчатых валов, ножи);

3) металлических покрытий;

4) изделий сложной формы, в труднодоступных местах.

Принцип действия Определение частот свободных колебаний индентора (акустический резонатор с алмазной пирамидой Виккерса), находящегося под действием постоянного усилия 1,5 кГс или 5 кГс.

Недостатки:

Ограниченное использование для измерения изделий с крупнозернистой структурой (например, чугун) или массой менее 10 г., или толщиной менее 1 мм.

Портативный динамический твердомер МЕТ-Д1. (рис. 1.10)

Определяет отношения скоростей индентора до и после соударения с поверхностью контролируемого изделия Преимущества:

1) измерение твердости материалов с неоднородной, крупнозернистой структурой, кованных изделий, литья;

2) измеренная величина твердости не зависит от пространственного положения датчика;

3) малая чувствительность к кривизне и шероховатости измеряемой поверхности;

4) высокая производительность (30 измерений в минуту). Реализует метод отскока.

Недостатки:

1) Измерение изделий массой менее 3-х кг или толщиной менее 12 мм возможно только при 2) выполнении следующих условий:

3) наличии чугунной или стальной опорной плиты массой не менее 3 кг;

4) наличии смазки для притирки изделия к опорной плите;

5) изделие должно быть плотно притёрто к поверхности опорной плиты.

3) Ультразвуковые приборы:

Ультразвуковой твердомер Узит-3 (рис. 1.11)

Твердомер предназначен для измерения твердости в пределах 80−450 НВ, 20−70 HRC. Твердомер комплектуется насадками для работы на плоских и цилиндрических поверхностях.

Твердомер УЗИТ-3 позволяет легко измерить твердость любых (крупногабаритных, сложной формы и т. п.) изделий из конструкционных сталей. Принцип действия твердомера УЗИТ-3 основан на измерении ультразвукового импеданса при внедрении магнитостриктора с алмазом Виккерса в поверхность изделия.

— УЗИТ-3 позволяет измерять твердость как крупных, так и мелких изделий, в местах с большой кривизной поверхности, вблизи краев и т. п.

Преимущества:

— максимальная портативность,

— низкое энергопотребление,

— прямая индикация в шкалах Бринелля и Роквелла,

— высокая надёжность,

Приборы для измерения микротвердости

Измерение микротвёрдости производят в соответствии с требованиями ГОСТ 9450–76 измерение микротвердости методом вдавливания в испытуемый материал алмазного наконечника Виккерса с квадратным основанием четырехгранной пирамиды, обеспечивающей геометрическое и механическое подобие отпечатков по мере углубления индентора под действием нагрузки. Микротвердомер представляет собой измерительный микроскоп, служащий для определения микротвердости различных материалов путем вдавливания в материал алмазного наконечника.

1) Для определения микротвердости применяют прибор ПМТ — 3.

Это вертикальный микроскоп 8 с нижним положением столика, который имеет два сменных объектива с увеличением и окуляр — микрометр 7 для измерения диагонали отпечатков. Вращением столика 13 выбранное место на шлифе 11 подводят под индентор-пирамиду. Принцип измерения твердости такой же, как и по Виккерсу, только пирамида отличается более высокой точностью изготовления

1-механизм макроподачи; 2-механизм микроподачи; 3 — стойка; 4 — механизм нагружения; 5 — предмет; 6 — станина; 7 — окулярный микрометр; 8 — вертикальный микроскоп; 9 — центрировка; 10 — осветитель; 11 — шлиф; 12 — алмазная пирамида; 13 — столик Технические характеристики:

Диапазон нагрузки, Н: от 0,02 до 5,0

Увеличение микроскопа микротвердомера: 130, 500, 800

Габаритные размеры, мм (не более)

270×290×470

Масса, кг (не более) 22

Преимущества:

1. измерение микротвердости материалов, сплавов, стекла, керамики и минералов

2. Микроскоп микротвердометра позволит осуществлять просмотр испытуемого объекта в темном и светлом поле.

Недостатки:

1) Длительность измерений

2. Проведение механических испытаний на твердость для определения трубных свойств

2.1 Статистические методы обработки результатов механических испытаний

Структура реальных металлов и сплавов и распределение ее дефектов неодинаковы даже в пределах одного образца. Поэтому механические свойства, определяемые структурой и дефектами, строго говоря, различны для разных объемов одного образца. В результате те характеристики механических свойств, которые мы должны оценивать при испытаниях, являются среднестатистическими величинами, дающими суммарную, математически наиболее вероятную характеристику всего объема образца, который принимает участие в испытании. Даже при абсолютно точном замере механических свойств они будут неодинаковы у разных образцов из одного и того же материала. Инструментальные ошибки определения характеристик свойств, связанные с измерением нагрузок, деформаций, размеров и т. д., еще более увеличивают разброс экспериментальных результатов. Основные задачи статистической обработки результатов механических испытаний — оценка среднего значения свойств и ошибки в определении этого среднего, а также выбор минимально необходимого числа образцов (или замеров) для оценки среднего с заданной точностью. Эти задачи являются стандартными для статистической обработки результатов любых измерений. Основные положения методов обработки результатов измерений и оценки их погрешностей сформулированы в ГОСТ 8.207−76 и подробно рассмотрены в различных руководствах.

Обычно мы определяем численное значение механического свойства по результатам нескольких измерений. Совокупность из n значений этого свойства для испытываемого материала есть статистическая выборка, которая должна быть частью генеральной совокупности значений свойства, объем которой теоретически бесконечно велик. Объем выборки при механических испытаниях может меняться в широких пределах: от 3 — 5 до нескольких десятков и даже сотен измерений, когда обрабатываются, например, результаты испытаний какого-нибудь изделия на заводе за длительный период времени.

Множество определенных в результате испытаний значений Хi (i =1,2,…, n) некоторого свойства (например, числа твердости или предела текучести) обычно подчиняется нормальному распределению (рис. 2.1.). При числе измерений n ~ 15 проверки нормальности их распределения не проводят. Если же n > 15, ГОСТ 8.207−76 требует выполнения такой проверки с помощью специальных критериев.

При нормальном законе распределения n отдельных значений свойства его среднее значение х в большинстве случаев рассчитывают как среднее арифметическое по формуле (5):

(5)

Прежде чем определять среднее значение, рекомендуется проверить совокупность полученных значений на присутствие резко выделяющихся результатов испытаний. Они обычно являются следствием какой-либо грубой ошибки в измерениях или наличия крупных дефектов в образце. Такие результаты следует исключить из дальнейших рассмотрений.

Помимо грубых, различают ошибки систематические и случайные. К систематическим относят ошибки, природа которых известна, а величина, по крайней мере в некоторых случаях, может быть определена. Например, если после испытаний окажется, что стрелка силоизмерителя испытательной машины была смещена относительно нуля, то это вызовет систематическую ошибку в определении прочностных свойств, которая должна быть устранена введением соответствующей поправки. К сожалению, величина систематической ошибки не всегда может быть найдена, а иногда мы даже не подозреваем об ее существовании, хотя величина ее может бьггь существенной. Например, при испытании партии пористых образцов их свойства могут оказаться заниженными на какую-то примерно одинаковую величину у разных образцов, и, следовательно, мы оценим среднее значение свойства с определенной систематической ощибкоЙ. Систематические ошибки должны быть по возможности выявлены и учтены. Ошибки результатов измерений, исправленных исключением грубых ошибок x-s и введением поправок на систематические ошибки, называют случайными. Они вызываются действием большого числа факторов, влияние которых на измеряемое свойство нельзя выделить и учесть в отдельности. Случайные ошибки неустранимы, но с помощью методов теории вероятностей их можно рассчитать и учесть их влияние на истинное значение измеряемой величины.