Обработка материалов в машиностроений.

Сапышев Роллан Айбекович

Евразийский Национальный Университет им. Л.Н.Гумилева, Казахстан.

Методы испытания на твердость. Усовершенствование формулы Бринеля.

Из всех методов механических испытаний металлов наиболее просто и легко определять их твердость. Получаемые в результате числовые значения служат для контроля термической обработки и установления наивыгоднейшего режима механической обработки и поковок и изделий.

При испытаний металла на твердость обычно определяют его сопротивление деформированию при вдавливании наконечника; эта характеристика находится в известном соотношении с параметрами прочности. Поэтому в ряде случаев ограничиваются определением твердости полуфабрикатов и изделий, не производя испытаний образцов на растяжение.

В результате испытания изделие не разрушается и даже не повреждается, так как отпечатки наконечников и другие следы испытания на поверхности в большинстве случаев не имеют значения для его дальнейшей службы или легко могут быть удалены.

Под твердостью металла в большинстве случаев понимают сопротивление, оказываемое им внедрению в поверхность другого, более твердого тела определенной формы и размеров.

Определение твердости, основанное на этом понятии, проводится разнообразными способами с учетом различных условий, и числовые значения, получаемые при этом, лишь приблизительно сравнимы между собой. Для получения сравнимых числовых значений твердости, при проведении испытаний одним и тем же методом, необходимо применять наконечники одинаковой формы и вдавливать их в поверхность испытуемого металла при стандартизированных условиях.

Наиболее распространенными методами определения твердости металлов являются те, которые основаны на вдавливании в испытуемый образец стального закаленного шарика, алмазного конуса или алмазной пирамиды.

Требования к качеству обработки испытуемой поверхности зависят от применяемого наконечника и величины прилагаемой нагрузки. Естественно, что при вдавливании наконечников на небольшую глубину требуется более совершенная чистовая обработка испытуемой поверхности, в особенности, если размеры отпечатка требует наличия резко выраженных краев для установки на фокус оптической системы микроскопа, и в таких случаях к поверхности образцов предъявляются повышенные требования.

В то же время при чистовой отделке поверхности не должны изменяться свойства металла, что может повлиять на его первоначальную твердость.

В нашем случае мы рассмотрим определение твердости по методу Бринеля. Этот метод определения твердости металлов заключается во вдавливании стального закаленного шарика определенного диаметра в испытуемый образец или изделие под действием заданной нагрузки, которая выдерживается в течение определенного времени. После удаления нагрузки измеряют диаметр отпечатка, оставшегося на поверхности испытуемого образца или изделия.

Число твердости по Бринелю определяют путем деления величины нагрузки на площадь поверхности сферического отпечатка и вычисляют по следующей формуле:

Р – нагрузка на шарик в кгс (н);

D – диаметр шарика в мм.;

D – диаметр отпечатка в мм.

D

Число твердости по Бринелю всегда обозначается символом HB, а размерность его величины опускается.

Наиболее распространенными стандартными условиями при испытаний твердости этим методом являются нагрузка P = 3000кгс, диаметр шарика D = 2,5 мм. И длительность выдержки 10сек.

Правила производства испытаний.

Образец или изделие, подвергаемое испытанию, должны иметь чистую и плоскую поверхность, обработанную либо на станке, либо напильником. Если диаметр применяемого шарика равен 2,5 мм. или менее, то испытуемая поверхность должна быть особо тщательно отшлифована или полирована.

Толщина испытуемого образца должна быть примерно равна десятикратной глубине отпечатка. Это важно для проведения точных измерений.

Стальной шарик (в нашем случае диаметром 2,5мм., нагрузкой на шарик 3000 Н и временем удержания 10 сек.) вдавливают в испытуемую поверхность и удерживают ее в таком положении в течении 10 сек. После чего шарик выводится из испытуемого объекта. Далее в дело вступает человеческий фактор. Диаметр отпечатка в основном измеряют двумя способами: использованием специального шаблона или штангенциркуля. Ввиду прямого участия человека в испытании его результат нельзя принимать адекватным. Так как погрешность измерений будет значительным.

В этом проекте предлагается новая методика определения твердости металла на основе общеизвестного метода Бринеля. Здесь мы отказываемся от прямого участия человека в испытании, а достигается это следующим образом. Вместо вычисления отпечатка, оставленного на образце, берется за неизвестное сила, с которой установка Бринеля давит на изделие. Тогда формула Бринеля принимает следующий вид.

вместо

Это получается следующим образом. Так как за неизвестное мы взяли силу P, то значит значение d должно быть известным. Это можно увидеть на следующем рисунке.

Выходит, что диаметр шарика D будет совпадать с отпечатком на образце d.

Таким образом в знаменателе уравнения они самоуничтожаться и оно примет следующий вид . Таким образом неизвестным остается сила P. За счет замены неизвестной величины получаем следующие преимущества:

1. Сокращается процедура измерения. Больше не придется измерять диаметр отпечатка, так как будет заранее известно, что он будет равен диаметру самого шарика. Это выходит из того, что заменяется неизвестная величина измерения, предусмотренная методом Бринеля. Диаметр отпечатка заменяется на силу, применяемого для вдавливания шарика в испытуемый образец.

2. Уменьшение погрешности за счет испытуемого образца. Ранее было сказано, что для более точного измерения необходимо чтобы толщина испытуемого образца должна быть примерно равна десятикратной глубине отпечатка. Из этого следует, что если, к примеру, возьмем шарик диаметром 2.5мм., то глубина вдавливания будет равна 1.25 мм.

2.5 мм.

Тогда испытуемый образец должен быть равен 25 мм. Это тоже является немаловажным шагом для увеличения качества проводимых измерений.

3. В данном методе человек не принимает прямого участия. Это достигается сокращением процедуры измерения, которая при методе Бринеля состояла из двух этапов. Первое, вдавливание шарика в образец. Второе, измерение диаметра отпечатка. Так как в этом методе не производится вторая процедура (диаметр отпечатка известен заранее), то и человеческий фактор не будет искажать точность результата измерения.

4. Упрощение формулы Бринеля. Вместо мы вводим , которая значительно упрощает процесс вычисления.