76663

Методи вимірювання твердості матеріалів

Реферат

Физика

Метод Брінелля — твердість визначається за діаметром відбитка, який залишає металева кулька, що втискується у поверхню. Твердість обчислюється як відношення зусилля, прикладеного до кульки, до площі відбитка (причому площа відбитка береться як площа частини сфери, а не як площа кола)...

Русский

2015-01-31

162.5 KB

7 чел.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НТУУ «КПІ»

Інженерно-фізичний факультет

Кафедра фізики металів

РЕФЕРАТ

на тему:

Методи вимірювання твердості матеріалів

                     

Студента групи ФМ-42

Соколова Д.В.

Викладач

Балахонова Н.О.

                                                                               

Київ 2014. 


Розділ 1. Твердість.

Розділ 2. Методи вимірювання твердості.

  1.  Метод Брінелля
  2.  Метод Віккерса
  3.  Метод Роквелла
  4.  Метод Шора
  5.  Шкала Мооса
  6.  Шкала Янка  

Посилання на матеріали


Твердість
— властивість матеріалу опиратися проникненню до нього іншого, твердішого тіла.

За ДСТУ 2825-94: твердість — здатність матеріалу чинити опір деформуванню та руйнуванню під дією місцевих контактних зусиль.

Найтвердішим із відомих матеріалів є ультратвердий фулерит (приблизно в 1,17—1,52 разів твердіший за алмаз). Однак, цей матеріал доступний лише у мікроскопічних кількостях. Найтвердішою з поширених речовин є алмаз (10 одиниць за шкалою Мооса, див. нижче).

Для вимірювання твердості є кілька шкал (методів вимірювання):

  •  Метод Брінелля — твердість визначається за діаметром відбитка, який залишає металева кулька, що втискується у поверхню. Твердість обчислюється як відношення зусилля, прикладеного до кульки, до площі відбитка (причому площа відбитка береться як площа частини сфери, а не як площа кола); одиницею твердості служить кгс/мм². Твердість, визначена за цим методом, позначається HB, де H = hardness (твердість, анг.), B — найменування шкали.

  •  Метод Роквелла — твердість визначається за глибиною відбитка металевої кульки чи алмазного конуса у поверхні тестованого матеріалу. Твердість, визначена за цим методом, є безрозмірною і позначається HR, HRB, HRC і HRA; твердість обчислюється за такою формулою HR = 100 − kd, де d — глибина втиснення наконечника після зняття основного навантаження, а k — коефіцієнт. Отже, нескінченній твердості відповідає HR 100; м'які матеріали можуть мати негативні значення твердості.

  •  Метод Віккерса — твердість визначається за величиною відбитка, залишеного чотирикутною алмазною пірамідкою, яка втискується у поверхню. Твердість обчислюється як відношення зусилля, докладеного до пірамідки, до площі відбитка (причому площа відбитка береться як площа частини поверхні піраміди, а не як площа квадрата); одиницею твердості служить кгс/мм². Твердість, визначена за цим методом, позначається HV.

  •  Метод Шора:
  1.  Твердість за Шором (метод втискання) — твердість визначається за глибиною проникнення в матеріал спеціальної загартованої стальної голки (індентора) під дією каліброваної пружини. У цьому методі вимірювальний прилад має назву «дюрометр». Зазвичай метод Шора використовується для визначення твердості низькомодульних матеріалів (полімерів). Найчастіше використовуються шкали A (для м'яких матеріалів) або D (для твердіших). Твердість, визначена цим методом, позначається буквою типу шкали, що записується після числа і з вказанням назви методу. Наприклад: «Твердість за Шором 80A».

  1.  Твердість за Шором (метод відскоку) — метод визначення твердості твердих (високомодульних) матеріалів, переважно металів, за висотою відскоку стандартного бійка (основна частина склероскопа — вимірювального приладу для даного методу), що падає з певної висоти. Твердість за цим методом оцінюється в умовних одиницях, що пропорційна висоті відскоку. Основні шкали — C і D. Твердість позначається, відповідно, HSC та HSD (наприклад, 85HSD)

  •  Метод Кузнєцова — Герберта — Ребіндера — твердість визначається часом загасання коливань маятника, опорою якого є досліджуваний метал.

  •  Шкала Мооса — використовується головним чином, як індикатор твердості мінералів, визначається за тим, який із десяти стандартних мінералів дряпає тестований, і який матеріал із десятка стандартних шкрябається тестованим.

  •  Шкала Янка  — шкала, що використовується для оцінки твердості деревини. Метод оцінки полягає у визначенні сили, необхідної для впровадження сталевої кульки діаметром 11,28 мм (0,444 дюйма) в деревину на глибину, що дорівнює половині її діаметра. Діаметр таким було обрано, щоб площа круга відбитку у плані становила 100 мм².

Для інструментального визначення твердості методом втиснення використовуються твердоміри. Великим плюсом твердості, як характеристики матеріалу є те, що методи визначення твердості не руйнують досліджуваний матеріал і не вимагають багато часу.


Випробування на твердість за Бріннелем
— спосіб визначення твердості матеріалів вдавлюванням на спеціальному приладі сталевої загартованої кульки (діаметром 10; 5 або 2,5 мм) в досліджуваний зразок під дією заданого навантаження протягом певного часу (10—30 секунд).

Цей метод запропонував шведський інженер Юхан Брінелль (швед. Johan August Brinell) в 1900 році.

Методика проведення випробувань та обрахунку твердості

Цей метод відноситься до способів оцінки твердості, що базуються на принципі вдавлювання індентора (полірованої загартованої сталевої кульки). Випробування проводиться таким чином: спочатку дають невелике попереднє навантаження для встановлення початкового положення індентора на зразку, потім додається основне навантаження, зразок витримують під дією навантаження протягом 10-30с, вимірюється глибина вдавлювання, після чого основне навантаження знімається. При визначенні твердості за методом Брінелля, на відміну від методу Роквелла, виміри проводять до пружного відновлення матеріалу. Індентор вдавлюють в поверхню випробовуваного зразка (завтовшки не менше 4 мм) з регламентованим зусиллям.

У іншому варіанті зусилля збільшується до досягнення регламентованої глибини впровадження.

Твердість за Брінеллем HB розраховується як «прикладене навантаження», розділене на «площу поверхні відбитку»:

,

де P — прикладене навантаження, кПа;

D — діаметр кульки, мм;

d — діаметр відбитку, мм,

або за формулою:

,

де h — глибина вдавлювання індентора.

Найпоширеніші діаметри кульки — 10, 5, 2,5 і 1 мм і навантаження 187,5 кгс, 250 кгс, 500 кгс, 1 000 кгс і 3 000 кгс. Для вибору діаметра кульки зазвичай використовують наступне правило: діаметр відбитку повинен лежати в межах 0,2-0,7 діаметру кульки. У методиках ISO і ASTM об'єднані метод з однією кулькою і різними навантаженнями і метод із застосуванням різних кульок, а також дана формула обчислення твердості, не залежної від навантаження.

Твердість за шкалою Брінелля виражають в кгс/мм².

Для визначення твердості по методу Брінелля використовують твердоміри, як автоматичні, так і ручні.


Випробування на твердість за Віккерсом
— метод визначення твердості за величиною відбитка, залишеного алмазним наконечником у формі чотирикутної піраміди, яка втискується у поверхню під дією навантаження, прикладеного протягом певного часу. Твердість обчислюється як відношення зусилля, прикладеного до наконечника, до площі відбитка (причому площа відбитка береться як площа частини поверхні піраміди, а не як площа квадрата); одиницею твердості служить кгс/мм² або МПа. Твердість, визначена за цим методом, позначається HV. Обладнання для вимірювання твердості за цим методом відноситься до типу ТВ за ГОСТ 23677-79.

Основні положення

Товщина зразка (деталі) повинна бути для сталевих виробів не меншою за 1,2 від довжини діагоналі відбитка, для кольорових металів — не меншою за 1,5 від довжини діагоналі відбитка. При вимірюванні твердості на криволінійних поверхнях радіус кривини поверхні повинен бути не меншим за 5 мм, в іншому випадку використовують поправки, що наведені у додатку до ГОСТ 2999-75.

Індентор — алмазна чотиригранна піраміда з кутом при вершині a = 136°[2]. Навантаження — 9,8 (1 кгс) … 980 (100 кгс) Н, тривалість дії зусилля 10…15 с. На поверхні зразка залишається квадратний у плані відбиток, діагоналі якого d1 та d2 використовуються для розрахунків середнього арифметичного значення

.

При чому різниця діагоналей відбитка не повинна перевищувати 2% від меншої з них.

Вимоги до зразків та обладнання

Невелике навантаження, мала глибина відбитка, визначення діагоналі відбитка за допомогою мікроскопа вимагають ретельної підготовки поверхні зразків, у тому числі і полірування.

Вимірювання діагоналей довжиною до 0,2 мм повинно проводитись з похибкою не більшою за ±0,001 мм і для діагоналей довших за 0,2 мм з похибкою не більшою за ± 0,5%.

Випробування проводять при температурі 20°C.

Обробка результатів

Твердість у залежності від розмірів відбитка та прикладеного зусилля визначається за формулою

,

де P — зусилля, МН;

d — середня діагональ відбитка,

або за таблицями, що наведені в ГОСТ 2999-75.

Позначення твердості

Для F = 294,2 Н (30 кгс) і часі витримки 10…15 с твердість позначається без вказання умов випробування:

500 HV

Для інших умов випробувань, наприклад для навантаження 98,07 Н (10 кгс) і часу витримки 40 с, позначається як:

240 HV 10/40


Випробування на твердість за Роквеллом
 — це метод оцінки твердості матеріалів, що базується на вимірюванні глибини проникнення твердого наконечника (індентора) під заданим навантаженням у досліджуваний матеріал. Твердість потрібно вимірювати не менш ніж у трьох точках. Для обчислення приймають середнє значення результатів другого і третього вимірювань.

Історія

Вимірювання твердості по відносній глибині проникнення індентора був запропонований в 1908р. віденським професором П. Людвігом (Paul Ludwik) в книзі «Die Kegelprobe» (дослівно «випробування конусом»). Метод визначення відносної глибини виключав помилки, пов'язані з механічною недосконалістю системи, такими як люфти і поверхневі дефекти.

Твердомір Роквелла, машина, для визначення відносної глибини проникнення був винайдений уродженцями штату Коннектикут Х'ю М. Роквеллом (1890-1957) і Стенлі П. Роквеллом (1886-1940). Потреба в цій машині була викликана необхідністю швидкого визначення ефектів термообробки на обоймах сталевих підшипників. Метод Брінелля, винайдений в 1900 р. у Швеції, був недостатньо швидким та не придатним для загартованих сталей, а також, залишав занадто великий відбиток, щоб розглядатися як неруйнівний метод.

Шкали твердості за Роквеллом

Існує декілька альтернативних шкал, з яких найчастіше використовуються шкали B і C. Для позначення твердості, визначеної за методом Роквелла, використовується символ HR, до якого додається буква, що вказує на шкалу по якій проводилися випробування (HRA, HRB і т.д.).

Принцип оцінки твердості за методом Роквелла (вимірювання за шкалою B)

Шкали за методом Роквелла

Назва

Шкали

Сила

Індентор

Використання

A

HRA

60 кгс

120° алмазний конус

Інструментальні сталі

B

HRB

100 кгс

1,58 мм стальна кулька

Алюмінієві сплави, бронза, м'які сталі

C

HRC

150 кгс

120° алмазний конус

Загартовані сталі

D

HRD

100 кгс

120° алмазний конус

Загартовані сталі

E

HRE

100 кгс

3,16 мм стальна кулька

Антифрикційні металеві сплави

F

HRF

60 кгс

1,58 мм стальна кулька

Сплави кольорових металів

G

HRG

150 кгс

1,58 мм стальна кулька

Фосфористі бронзи

H

HRN

60 кгс

1,58 мм стальна кулька

М'які метали низької однорідності, ливарні сплави

K

HRT

150 кгс

1,58 мм стальна кулька

М'які метали низької однорідності, ливарні сплави

Для визначення твердості у тонких шарах (плівках) використовуються шкали N (алмазний конус), T (стальна кулька 1,58 мм) і W (стальна кулька 3,16 мм) при навантаженнях 15, 30 і 45 кгс кожна.

Формули для визначення твердості

Чим твердіший матеріал, тим меншою буде глибина проникнення наконечника в нього. Щоб при більшій твердості матеріалу виходило більше число твердості по Роквеллу, вводять умовну шкалу глибин, приймаючи за одиницю відліку глибину, рівну 0.002 мм (в окремому випадку, 0,001 мм для тонких шарів). При випробуванні алмазним конусом гранична глибина втілення становить 0.2 мм, або 0.2 / 0.002 = 100 поділок, при випробуванні кулькою - 0.26 мм, або 0.26 / 0.002 = 130 поділок. Таким чином формули для обчислення значення твердості виглядатимуть таким чином:

а) при вимірі за шкалою А (HRA), С (HRC) і D (HRD) :

Різниця H - h представляє різниця глибин занурення індентора (у міліметрах) після зняття основного навантаження і до його прикладання (при попередньому вантаженні).

б) при вимірі за шкалою B (HRB), H (HRH)- K (HRK):

в) при вимірі за шкалами N, T і W (напр. HR30W, HR45N і т.д.)


Твердість за Шором
— твердість матеріалу, що визначається під час падіння на нього із заданої висоти стандартного бійка і вимірюється в умовних одиницях за висотою його відскоку.

Твердість за цим методом Шора оцінюється в умовних одиницях, що пропорційні до висоти відскоку бійка.

Метод і шкала запропоновані американським промисловцем і винахідником Альбертом Ф. Шором (англ. Albert F. Shore) у 1906 році.

Позначається HSx, де H — англ. Hardness, S — англ. Shore і x — латинська буква, що означає тип шкали, яка використовується при вимірюванні.

Наприклад: 85HSD.

Метод не дає точних показів, оскільки висота відскоку бійка залежить не тільки від твердості випробуваного металу, але і від низки інших причин: від товщини зразка матеріалу, від величини шорсткості його поверхні, внутрішньої структури та ін. Однак цей метод, внаслідок його простоти та оперативності, часто застосовується в заводській практиці — переважно для швидкого контролю результатів термічної обробки сталевих виробів (гартування та відпуску). Він також дозволяє проводити вимірювання безпосередньо на готових виробах, великогабаритних деталях та криволінійних поверхнях.

Величина твердості за Шором не має точного методу переведення її у інші величини твердості чи міцності при розтягуванні.

Шкали

Основні шкали методу Шора C і D.

Шкала приладу має 140 однакових поділок. Нормована висота відскоку бійка відповідає 100 поділкам. Ціна поділки повинна бути не більшою за одну одиницю твердості за Шором. Прилад для вимірювання твердості за Шором методом відскоку має назву — склероскоп.

У склероскопі моделі C висота падіння бійка h1 = 254 мм; висота відскоку h2 = 181,4 мм (відповідає 100 одиницям твердості за Шором).

У склероскопі моделі D висота падіння бійка h1 = 19,0 мм; висота відскоку h2 = 13,6 мм (відповідає 100 одиницям твердості за Шором).

Твердість за Шором для вуглецевої сталі наближено пов'язана з твердістю за Брінеллем і границею міцності при розтягуванні σb наступною залежністю:

;


Шкала Мооса
— набір еталонних мінералів для визначення відносної твердості методом надряпування. Як еталони прийнято 10 мінералів, розташованих в порядку зростання твердості.

Відносна твердість мінералів за Ш.М. визначається шляхом дряпання мінералу, який досліджується, гострими краями еталонних мінералів (пасивна твердість) або дряпання еталонних мінералів досліджуваним зразком (активна твердість). Еталонами є: 1 – тальк, 2 – ґіпс, 3 – кальцит, 4 – флюорит, 5 – апатит, 6 – ортоклаз, 7 – кварц, 8 – топаз, 9 – корунд, 10 – алмаз.

Запропонована у 1811 році німецьким мінералогом Фрідріхом Моосом.

Твердість

Мінерал

Абсолютна твердість

1

Тальк (Mg3Si4O10(OH)2)

1

2

Гіпс (CaSO4·2H2O)

3

3

Кальцит (CaCO3)

9

4

Флюорит (CaF2)

21

5

Апатит (Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-))

48

6

Польовий шпат (KAlSi3O8)

72

7

Кварц (SiO2)

100

8

Топаз (Al2SiO4(OH-,F-)2)

200

9

Корунд (Al2O3)

400

10

Алмаз (C)

1500

Була запропонована також альтернативна таблиця визначення твердості мінералів, значення твердості згідно з якою можуть коливатись між двома рівнями. Дана таблиця наведена на наступній сторінці:

Твердість

речовина чи мінерал

1

Рідина

2

Гіпс

від 2.5 до 3

Золото, Срібло

3

Кальцит, Мідь монета

4

Флюорит

від 4 до 4.5

Платина

від 4 до 5

Залізо

5

Апатит

6

Ортоклаз

6.5

пірит

від 6 до 7

Скло

7

Кварц

7 та вище

Гартована сталь

8

Топаз

9

Корунд

10

Гранат

11

Сплавлений цирконій

12

Сплавлений глинозем

13

Карбід кремнію

14

Карбід бору

15

Алмаз


Посилання

uk.wikipedia.org/wiki/Твердість

uk.wikipedia.org/wiki/Випробування_на_твердість_за_Бріннелем

uk.wikipedia.org/wiki/Випробування_на_твердість_за_Віккерсом

uk.wikipedia.org/wiki/Випробування_на_твердість_за_Роквеллом

uk.wikipedia.org/wiki/Твердість_за_Шором_(метод_відскоку)

uk.wikipedia.org/wiki/Шкала_Мооса

uk.wikipedia.org/wiki/Шкала_Янка

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81816. Роль науки в преодолении глобальных проблем современности 27.77 KB
  Ученые во всеуслышание заявляют о глобальных проблемах современности к которым относят проблемы охватывающие систему мир человек в целом и которые отражают жизненно важные факторы человеческого существования. Глобальные проблемы имеют не локальный а всеохватывающий планетарный характер. К глобальным проблемам современности относят экологические демографические проблемы войны и мира проблемы кризиса культуры. В силу этого глобальные проблемы должны решаться комплексно координированно усилиями всего мирового сообщества.
81817. Предмет современной философии науки 31.34 KB
  Создавая образ философии науки следует четко определить о чем идет речь: о философии науки как направлении западной и отечественной философии или же о философии науки как о философской дисциплине наряду с философией истории логикой методологией культурологией исследующих свой срез рефлексивного отношения мышления к бытию в данном случае к бытию науки. Философия науки как направление современной философии представлена множеством оригинальных концепций предлагающих ту или иную модель развития науки и эпистемологии. Она сосредоточена на...
81818. Понятие науки. Основные аспекты бытия науки 34.37 KB
  Наука как социальный институт или форма общественного сознания связанная с производством научнотеоретического знания представляет собой определенную систему взаимосвязей между научными организациями членами научного сообщества систему норм и ценностей. Они участвуют в разнообразных формах научного общения дискуссии конференции издания монографии учебники читают лекции и т. Выделим самые характерные черты научного знания. Еще Кант в качестве неотъемлемой черты науки отмечал систематичность научного знания: именно этим как он...
81819. Эволюция подходов к анализу науки 30.26 KB
  Важнейшей характеристикой знания является его динамика т. Дело в том что для логического позитивизма в целом были характерны: а абсолютизация формальнологической и языковой проблематики; б гипертрофия искусственно сконструированных формализованных языков в ущерб естественным; в концентрация исследовательских усилий на структуре готового ставшего знания без учета его генезиса и эволюции; г сведение философии к частнонаучному знанию а последнего к формальному анализу языка науки; д игнорирование социокультурного контекста анализа...
81820. Логико-эпистемологический подход к исследованию науки 32.07 KB
  Они полагали что причина большинства эпистемологических затруднений – в неправильном использовании языка. Правильное же использование языка которому мы пока не научились даст возможность либо вообще избежать ошибок либо по крайней мере свести к минимуму ущерб от них. исследования языка в основу своих эпистемологических поисков неопозитивисты принялись за работу над многими проблемами методологии науки: тут и соотношение уровней познания принципы выбора теории определение факта место логики и математики в познании и т. Карнапа...
81821. Позитивистская традиция в философии науки 33.28 KB
  Максимум метафизики который признавался позитивизмом законным заключался в призыве к философии стать метанаукой т. Конта 1798–1857 пустившего в оборот термин позитивизм который фигурирует в названиях основных его сочинений: Курс позитивной философии Дух позитивной философии и Система позитивной политики. Наука к тому времени уже была предметом анализа в немецкой классической философии у Канта Фихте и Гегеля и следы немецкого влияния просматриваются у Конта.
81822. Расширение поля философской прблематики в позитивистской философии науки. Концепции К.Поппера, И. Лакатоса, Т. Куна, П. Фейерабенда, М.Полани 42.44 KB
  Проблему роста развития изменения знания разрабатывали начиная с 60х гг. Они считали что существует тесная аналогия между ростом знания и биологическим ростом т. В постпозитивизме происходит существенное изменение проблематики философских исследований: если логический позитивизм основное внимание обращал на анализ структуры научного познания то постпозитивизм главной своей проблемой делает понимание роста развития знания. Первой такой концепцией стала концепция роста знания К.
81823. Социологический и культурологический подходы к исследованию развития науки 27.7 KB
  проблема истории науки не была предметом специального рассмотрения ни философов ни ученых работавших в той или иной области научного знания и только в трудах первых позитивистов появляются попытки анализа генезиса науки и ее истории создается историография науки. Специфика подхода к возникновению науки в позитивизме выражена Г. Спенсером 18201903 в работе Происхождение науки .
81824. Проблема интернализма и экстернализма в понимании механизмов научной деятельности 33.09 KB
  Экстерналистская концепция генезиса науки вызвала резкое неприятие со стороны некоторых историков науки, которые представили альтернативную концепцию, получившую название интерналистской, или имманентной. Согласно этой концепции