Измерение твердости металлов

В промышленности, связанной с обработкой металлов, испытания на твердость являются наиболее распространенными из всех видов механических испытаний. Они производятся значительно чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.

Для определения твердости служат специальные приборы, называемые твердомерами. Рабочим органом каждого твердомера, входящим в контакт с поверхностью испытуемого металла, является наконечник (индентор). Наконечниками могут быть тела различной геометрической формы: шарик, конус, пирамида и др., изготовленные, из материала более твёрдого, чем испытуемый, например, из закаленной стали, алмаза, твёрдого сплава.

В зависимости от характера нагрузки, прикладываемой в процессе испытания, различают статическую и динамическую твердость. В первом случае к индентору нагрузка прикладывается плавно, во втором – ударом.

Наиболее распространено определение статической твердости на твердомерах Бринелля, Роквелла и Виккерса путем вдавливания в испытуемый металл соответственно шарика, конуса, пирамиды. Величина внедрения наконечника в поверхность испытуемого металла характеризует его твердость. Чем тверже металл, тем внедрение будет меньше, и наоборот. Таким образом, твердость - свойство металла сопротивляться внедрению другого более твердого тела. При внедрении наконечника происходит контактное (местное) приложение нагрузки, под действием которой испытуемый металл пластически деформируется в ограниченном объеме. При этом деформация тем меньше, чем тверже металл. Поэтому можно сказать и так: твердость - это сопротивление металла пластической деформации при контактном приложении нагрузки.

Примерами определения динамической твердости могут служить способы Польди и Шора. В первом случае стальной шарик ударом вдавливается одновременно в испытуемый металл и эталонный образец, твердость которого известна. Сравнение полученных отпечатков на эталоне и испытуемом металле позволяет определить твердость последнего. Во втором случае твердость оценивается высотой отскока от испытуемой поверхности бойка, падающего с постоянной высоты: чем выше отскочил боек, тем тверже испытуемый металл. Способ основан на упругих свойствах металла, поэтому его называют способом определения твердости методом упругой отдачи. Выполняется он на приборе, называемом склероскопом Шора. Шкала склероскопа имеет 140 делений. Отскоку в 100 делений соответствует твердость закаленной высокоуглеродистой стали. Вес бойка 2,5 г, его наконечник выполнен из алмаза или закаленной стали. В практике механических испытаний определение динамической твердости по Шору в настоящее время ограничено. Широкое распространение испытаний на твердость объясняется рядом причин. Испытания проводятся быстро, требуют мало времени на подготовку, просты по технике выполнения. При этом часто не требуется изготовление специальных образцов, так как испытания могут выполняться непосредственно на детали без ее разрушения. С помощью переводных таблиц можно сравнить твердость металла, измеренную разными методами (приложение 1).

Между твердостью и другими механическими свойствами существует в ряде случаев зависимость. Например, зная твердость, можно судить о величине прочности на растяжение, пользуясь формулой

σ В = К ·НВ ,

где: σ В - предел прочности на растяжение (временное сопротивление), кгс/мм 2 ;

К - коэффициент;

НВ - число твердости по Бринеллю.

Значение К , по данным Н. А. Минкевича, И. А. Одинга, Н. В. Гевелинга, следующее:

сталь твердостью НВ 120-175 .............. 0,34

сталь твердостью НВ 175-450 . ……... 0,35

медь, латунь и бронза отожженные... .. 0,55

медь, латунь и бронза наклепанные. .…. 0,10

алюминий и его сплавы твердостью НВ 20-45 ...0,33-0,36

дуралюмин отожженный......………......... 0,36

дуралюмин после закалки и старения.….. 0,36.

Однако следует иметь в виду, что общего точного метода перевода чисел твердости, измеренных одним методом, на числа твердости по другим шкалам, а также на прочность при растяжении не существует. Такие переводы делаются, когда для них имеется надежная основа благодаря ранее выполненным сравнительным испытаниям.

Твердость металлов измеряют методами Бринелля, Роквелла, Виккерса, Польди и др.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ

Определение твердости является одним из распространенных испытаний металлов. Оно отличается простотой техники, быстротой измерений и возможностью проведения их непосредственно на изделии.

Твердость металлов измеряют при помощи воздействия на их поверхность специального наконечника (индентора), изготовленного из малодеформирующегося материала (закаленная сталь, алмаз, твердый сплав) и имеющего форму шарика, конуса, пирамиды или иглы.

По способу воздействия индентора на испытуемый материал различают:

* статические методы определения твердости (метод вдавливания и метод царапания);

* динамические методы определения твердости (метод отскока падающего наконечника) и другие методы.

Метод вдавливания характеризует сопротивление металла пластической деформации при внедрении в него индентора из более твердого материала. Метод царапания характеризует сопротивление разрушению при воздействии на материал индентора в виде алмазной иглы. Метод отскока падающего наконечника характеризует сопротивление упругой деформации при динамическом воздействии на материал индентора в виде шарика.

Самым распространенным из перечисленных методов является метод вдавливания, который используется в приборах - твердомерах:

Роквелла

Виккерса

приборе для определения микротвердости (ПМТ).

Между твердостью пластичных материалов и другими механическими свойствами существует зависимость. Чем больше твердость металла определяемого вдавливанием, тем выше и его прочность, т.к. оба эти свойства представляют сопротивление пластической деформации. По этой же причине, чем тверже данный металл, тем ниже его пластичность.

Принципиальное устройство перечисленных твердомеров одинаково и может быть рассмотрено на примере прибора Бринеля (рис. 1). Основными узлами твердомеров являются станина, рабочий столик для измерения твердости образца или детали, наконечник (индентор), нагружающее устройство и прибор для измерения деформации.

Рисунок 1 – Устройство прибора Бринеля

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЮ

Измерение твердости по Бринелю производится в соответствии с ГОСТ 9012-59, срок действия которого продлен до настоящего времени.

При измерении твердости по Бринелю стальной закаленный шарик диаметром D вдавливается в испытуемый образец или изделие под действием нагрузки P в течение определенного времени. После удаления нагрузки измеряется диаметр d полученного при этом сферического отпечатка (рис. 2.а).

Рисунок 2. Схемы определения твердости:

а- по Бринелю;

Б - по Роквеллу;

в - по Виккерсу

В качестве индентора при работе на приборе Бринеля используют стальной закаленный шарик диаметром d = 1; 2; 2,5; 5 и 10 мм.

Для того, чтобы значения твердости при разных испытаниях были сопоставимы, величину нагрузки при данном диаметре шарика следует выбирать используя соотношение:

(2)

ЗначенияK могут быть равны 30; 15; 10; 5; 2,5; 1 в зависимости от твердости контролируемого материала. Так для черных металлов и их сплавов (железо, сталь) и других высокопрочных материалов K = 30; для алюминия, меди, никеля и их сплавов K = 10; для олова, свинца и сплавов на их основе K = 2,5.

При выборе условий испытания также важно учитывать толщину металла и продолжительность выдержки образца под нагрузкой, в соответствии со стандартами.

Перед началом испытаний выбранный индентор закрепляется в шпинделе твердомера, с помощью сменных грузов устанавливается выбранная нагрузка. Затем, образец подлежащий измерению, устанавливается на столик прибора и столик поднимается вверх, прижимая образец к шарику, пока не загорится сигнальная лампочка. Таким образом на образец подается предварительная нагрузка, которая на приборе Бринеля составляет 100 кгс (981 Н). Затем нажатием кнопки на корпусе прибора включается механизм, который автоматически осуществляет полное нагружение, выдержку образца под нагрузкой и ее снятие.

После этого нужно опустить столик, снять образец, измерить диаметр полученного отпечатка с помощью специального микроскопа (рис. 3) и определить твердость.

Рисунок 3 – Измерение диаметра отпечатка по шкале лупы

Твердость, определяемая на приборе Бринеля обозначается HB и определяется как отношение нагрузки, действующей на индентор, к площади поверхности сферического отпечатка F :

А так как площадь сферического отпечатка равна:

(4)

Следовательно значение твердости будет равно:

(5)

Если нагрузка выражена в ньютонах, то значение твердости умножается на коэффициент равный 0,102 .

Таким образом, диаметр отпечатка является критерием твердости по Бринелю.

Обычно вычисления твердости по вышеуказанной формуле не производят, а определяют твердость по таблице, которая приведена в ГОСТ 9012-59 или справочной литературе.

Зная число твердости по Бринелю, можно приближенно оценить временное сопротивление металла разрыву (предел прочности), используя количественное соотношение между этими характеристиками, установленное опытным путем. Например, для углеродистых сталей с твердостью HB от 120 до 175 используется соотношение:

s В = 3,4 HB (6)

Временное сопротивление определяется в МПа (Н/мм 2).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО РОКВЕЛЛУ

В ряде случаев определение твердости на приборе Бринеля оказывается невозможным. Нельзя, например, испытывать закаленную сталь, так как, индентор прибора Бринеля также изготовлен из закаленной стали. Нельзя измерять твердость тонких поверхностноупрочненных слоев изделий, подвергнутых химико-термической обработке, и твердость различных поверхностных покрытий.

В этих случаях возможно применение других приборов - Роквелла, Виккерса, ПМТ.

Измерение твердости по Роквеллу проводится в соответствии с ГОСТ 9013-59. При этом индентором может служить алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,588мм (1/16 дюйма). При проведении испытаний индентор вдавливается в образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р о и основной:

Р = Р о + Р 1 , (7)

Принципиальное отличие измерения твердости на приборе Роквелла от измерения на приборе Бринеля состоит в том, что твердость определяют не по площади отпечатка, полученного при вдавливании индентора, а по его глубине, которая и является критерием твердости при этом испытании.

Глубину вдавливания h определяют после снятия основной нагрузки и по ее значениям вычисляется величина твердости по Роквеллу HR. Естественно, чем больше глубина полученного отпечатка, тем меньше значение твердости.

Твердость по Роквеллу выражается в условных единицах. За единицу твердости принята безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 0,002 мм.

При испытаниях твердость можно измерять по трем шкалам: А , В , С .

При использовании в качестве индентора алмазного конуса твердость определяют по двум шкалам: А и С , при использовании шарика - по шкале В .

Число твердости по Роквеллу вычисляется по формулам:

При измерении по шкалам А и С:

HRC (HRA) = 100 – e (8)

При измерении по шкале В:

HRB = 130 – e (9)

где e = (h - ho) / 0,002 (10)

При выборе условий испытания целесообразно руководствоваться следующими данными (табл. 1):

Таблица 1

Результаты определения твердости фиксируются на индикаторе прибора, где имеются две шкалы - черная ми красная. Черная используется при измерениях с помощью алмазного конуса или конуса таких же размеров, изготовленного из твердого сплава (А и С ). Красная шкала для измерений с помощью шарика (В ).

Испытания проводятся в следующем порядке:

Устанавливается образец на столике прибора; образец приводится в соприкосновение с индентором с помощью механизма подъема и осуществляется предварительное нагружение. При этом индентор вдавливается в поверхность образца на глубину h о . Достижение предварительной нагрузки Р о = 10 кгс (98 Н) отмечается на шкале установкой маленькой стрелки на красной точке. Положение большой стрелки должно при этом совпадать с цифрой “0” черной шкалы. Если этого не произошло необходимо повернуть шкалу маховичком до точного совпадения этой стрелки с указанной отметкой.

Нажать на клавишу механизма нагружения, в результате чего на индентор подается основная нагрузка Р 1 , под действием которой он углубляется в образец. Выдержка под нагрузкой и снятие нагрузки происходит автоматически. В конечном положении большая стрелка указывает на значение твердости по соответствующей шкале.

Твердость по Роквеллу обозначается цифрами, характеризующими величину твердости, и буквами HR с указанием шкалы, например: 61,0 HRC; 42,0 HRB.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО ВИККЕРСУ И МИКРОТВЕРДОСТИ

В ряде случаев необходимо определить твердость тонких поверхностных слоев или распределение ее по сечению образца. Выполнить эти задачи на приборах Бринеля или Роквелла невозможно из-за больших размеров отпечатков. Для таких измерений используют приборы Виккерса или микротвердости (ПМТ).

В указанных приборах в качестве индентора используется четырехгранная алмазная пирамида с углами при вершине 136° (рис. 2.в). Число твердости по Виккерсу и микротвердость определяются как отношение действующей нагрузки Р к площади боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка:

(11)

где d - среднее арифметическое длин обеих диагоналей отпечатка.

Для удобства и ускорения вычислений следует пользоваться таблицами, рассчитанными по приведенной формуле.

Испытательные нагрузки при измерениях на приборе Виккерса (ГОСТ 2999 - 75) выбираются в пределах от 5 до 120 кгс (от 49 до 1176 Н). При измерениях микротвердости нагрузки значительно ниже: от 0,005 до 0,5 кгс (от 0,05 до 5 Н). Благодаря этому в последнем случае значительно меньше и размеры полученных отпечатков, что делает возможным определение твердости отдельных структурных составляющих.

Измерение диагоналей полученных отпечатков проводится с помощью микроскопов.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Перед проведением практической части работы необходимо ознакомиться с приборами, на которых предстоит проводить измерения, с техникой измерений и методикой определения результатов.

2. Провести измерение твердости углеродистой отожженной стали (40, 60), дюралюминия и меди на приборе Бринеля. Для этого:

a. Выбрать нагрузку, исходя из данных, приведенных в методических указаниях;

b. Получить отпечаток индентора на перечисленных материалах;

c. При помощи специального микроскопа определить диаметр полученного отпечатка с точностью до сотых долей миллиметра;

d. Используя формулу для определения твердости по Бринелю (5) определить значение твердости испытуемых материалов и занести данные в таблицу 2;

e. При помощи таблиц проконтролировать правильность определения значений твердости и табличные данные также занести в таблицу 2.

3. Провести измерение твердости инструментальной закаленной стали У8 и конструкционной низкоуглеродистой стали 30 на приборе Роквелла. Для этого:

a. В соответствии с таблицей выбрать шкалу, по которой будет проводиться измерение твердости;

Твёрдость

Твёрдость - это способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела - индентора во всем диапазоне нагружения: от момента касания с поверхностью и до вдавливания на максимальную глубину. Существуют методы определения восстановленной и невосстановленной твёрдости.

Метод определения восстановленной твёрдости.

Твёрдость определяется как отношение величины нагрузки к площади поверхности, площади проекции или объему отпечатка. Различают поверхностную , проекционную и объемную твёрдость:

• поверхностная твёрдость - отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка;
• проекционная твёрдость - отношение нагрузки к площади проекции отпечатка;
• объёмная твёрдость - отношение нагрузки к объёму отпечатка.

Метод определения невосстановленной твёрдости.

Твёрдость определяется как отношение силы сопротивления к площади поверхности, площади проекции или объему внедренной в материал части индентора. Различают поверхностную , проекционную и объемную твёрдость:

• поверхностная твёрдость - отношение силы сопротивления к площади поверхности внедренной в материал части индентора;
• проекционная твёрдость - отношение силы сопротивления к площади проекции внедренной в материал части индентора;
• объёмная твёрдость - отношение силы сопротивления к объёму внедренной в материал части индентора.

Твёрдость измеряют в трёх диапазонах: макро, микро, нано. Макродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор от 2 до 30 кН. Микродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор до 2 Н и глубину внедрения индентора больше 0,2 мкм . Нанодиапазон регламентирует только глубину внедрения индентора, которая должна быть меньше 0,2 мкм . Часто твердость в нанодиапазоне называют нанотвердостью (nanohardness) [неизвестный термин ] .

Измеряемая твердость, прежде всего, зависит от нагрузки, прикладываемой к индентору. Такая зависимость получила название размерного эффекта , в англоязычной литературе - indentation size effect . Характер зависимости твердости от нагрузки определяется формой индентора:

• для сферического индентора - с увеличением нагрузки твердость увеличивается - обратный размерный эффект (reverse indentation size effect );
• для индентора в виде пирамиды Виккерса или Берковича - с увеличением нагрузки твердость уменьшается - прямой или просто размерный эффект (indentation size effect );
• для сфероконического индентора (типа конуса для твердомера Роквелла) - с увеличением нагрузки твердость сначала увеличивается, когда внедряется сферическая часть индентора, а затем начинает уменьшаться (для сфероконической части индентора).

Косвенно твердость также может зависеть от:

1. Координационного числа - чем выше число, тем выше твёрдость.
2. Природы химической связи
3. От направления (например, минерал дистен - его твёрдость вдоль кристалла 4, а поперёк - 7)
4. Гибкости - минерал легко гнётся, изгиб не выпрямляется (например, тальк)
5. Упругости - минерал сгибается, но выпрямляется (например, слюды)
6. Вязкости - минерал трудно сломать (например, жадеит)
7. и ряда других физико-механических свойств материала.

Наиболее твёрдыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода - лонсдейлит , на 58 % превосходящий по твёрдости алмаз и фуллерит (примерно в 2 раза твёрже алмаза ). Однако практическое применение этих веществ пока маловероятно. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз (10 единиц по шкале Мооса, см. ниже).

Методы измерения твёрдости

Прибор Польди

Методы определения твёрдости по способу приложения нагрузки делятся на: 1) статические и 2) динамические (ударные).

Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения):

• Метод Бринелля - твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части сферы, а не как площадь круга (твердость по Мейеру)); размерность единиц твердости по Бринеллю МПа (кг-с/мм²). Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012-59 записывают без единиц измерения. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твёрдость, англ. ), B - Бринелль;
• Метод Роквелла - твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA; твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 (130) − kd , где d - глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k - коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу по шкалам A и C составляет 100 единиц, а по шкале B - 130 единиц.
• Метод Виккерса - твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение нагрузки, приложенной к пирамидке, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части поверхности пирамиды, а не как площадь ромба); размерность единиц твёрдости по Виккерсу кг-с/мм² . Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV;
• Методы Шора:

• Дюрометры и шкалы Аскер - по принципу измерения соответствует методу вдавливания (по Шору). Фирменная и нац. японская модификация метода. Используется для мягких и эластичных материалов. Отличается от классического метода Шора некоторыми параметрами измерительного прибора, фирменными наименованиями шкал и инденторами .

Методы измерения твёрдости делятся на две основные категории: статические методы определения твёрдости и динамические методы определения твёрдости.

Для инструментального определения твёрдости используются приборы, именуемые твердомерами. Методы определения твердости, в зависимости от степени воздействия на объект, могут относиться как к неразрушающим, так и к разрушающим методам.

Существующие методы определения твёрдости не отражают целиком какого-нибудь одного определённого фундаментального свойства материалов, поэтому не существует прямой взаимосвязи между разными шкалами и методами, но существуют приближенные таблицы, связывающие шкалы отдельных методов для определённых групп и категорий материалов. Данные таблицы построены только по результатам экспериментальных тестов и не существует теорий, позволяющих расчетным методом перейти от одного способа определения твердости к другому.

Конкретный способ определения твёрдости выбирается исходя из свойств материала, задач измерения, условий его проведения, имеющейся аппаратуры и др.

В СНГ стандартизированы не все шкалы твёрдости.

Нормативные документы

• ГОСТ 8.062-85 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственный специальный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений твердости по шкалам Бринелля»
• ГЭТ 33-85 «Государственный специальный эталон единиц твердости по шкалам Бринелля»
• ГОСТ 24621-91 (ISO 868-85) «Определение твёрдости при вдавливании с помощью дюрометра (твёрдость по Шору)».
• ГОСТ 263-75 «Резина. Метод определения твёрдости по Шору А».
• ГОСТ 23273-78 «Металлы и сплавы. Измерение твердости методом упругого отскока бойка (по Шору)».
• ISO 2815 «Paints and varnishes - Buchholz indentation test».
• DIN 53153 «Buchholz hardness».
• ISO 14577 Metallic Materials. Instrumented indentation test for hardness and materials parameters. Part 1: Test method.

Примечания

Ссылки

• Сравнительная таблица твёрдостей в разных шкалах. (Прим.: В таблице шкала Шора соответствует методу отскока.)

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Твёрдость" в других словарях:

У этого термина существуют и другие значения, см. Твёрдость (значения). Твёрдость (также твёрдость характера, твёрдость воли) черта характера, характеризующаяся последовательностью и упорством в достижении целей или отстаивании взглядов.… … Википедия

У этого термина существует и другое значение, см. Твёрдость по Шору. При этом следует понимать, что хотя в другом значении этот метод также является методом измерения твёрдости, оба метода предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие… … Википедия

твёрдость - и; ж. 1) к твёрдый 2), 3), 4), 5), 6), 7), 8), 9) Твёрдость древесины. Твёрдость духа. Твёрдость воли, характера, убеждений. Твёрдость памяти. Твёрдость решения. Твёрдость движений … Словарь многих выражений

У этого термина существует и другое значение, см. Твёрдость по Шору. При этом следует понимать, что хотя в другом значении этот метод так же является методом измерения твёрдости, оба метода предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие… … Википедия

твёрдость по Мартенсу - склерометрическая твёрдость твёрдость по склероскопу — Тематики нефтегазовая промышленность Синонимы склерометрическая твёрдостьтвёрдость по склероскопу EN… … Справочник технического переводчика

Сопротивление металлов вдавливанию. Т. м. не является физической постоянной, а представляет собой сложное свойство, зависящее как от прочности и пластичности, так и от метода измерения. Т. м. характеризуется числом твёрдости. Наиболее… …

Твёрдость по Бринеллю - Бринелля метод [по имени шведского инженера Ю.А.Бринелля (J.A.Brinell)] способ определения твёрдости материалов вдавливанием в испытываемую поверхность стального закалённого шарика диаметром 2,5; 5 и 10 мм пр нагрузке P от 625 H до 30 кН. Число… … Металлургический словарь

Твёрдость по Виккерсу - Виккерса метод [по названию английского военно промышленного концерна Виккерс (Vickers Limited)] способ определения твёрдости материалов вдавливанием в поверхность образца или изделия алмазного индентора имеющего форму правильной четырёхгранной … Металлургический словарь

Твёрдость по Роквеллу - Роквелла метод [по имени американского металлурга С.Роквелла (S.Rockwell), разработавшего этод метод] способ определения твёрдости материалов (главным образом металлов) вдавливанием в испытываемую поверхность алмазного индентора с углом при… … Металлургический словарь

Свойство минералов оказывать сопротивление проникновению в них др. тел. Твёрдость важный диагностический и типоморфный признак минерала, функция его состава и структуры, которые в различной мере отражают условия минералообразования. Т. м … Большая советская энциклопедия

Существует довольно большое количество различных механических характеристик металла, которые учитываются при производстве различных деталей. Многие из них зависят от химического состава материала, другие от особенностей эксплуатации. Измерение твердости металла проводится чаще других испытаний, так как это качество во многом определяет особенности эксплуатации материала. Рассмотрим особенности определения твердости подробнее.

Понятие твердости

Твердость – свойство материалов, характеризующее способность проникновения одного, более твердого, тела в другое. Также эта характеристика определяет устойчивость к пластической деформации или разрушению поверхностных слоев при оказании сильного давления.

Измеряется показатель в самых различных единицах в зависимости от применяемого метода.

Все методы определения твердости материалов можно разделить на несколько основных групп:

1. Статические. Подобные методы характеризуются тем, что нагрузка постепенно возрастает. Время выдержки может быть разным — все зависит от особенностей применяемого метода.
2. Динамические характеризуются тем, что нагрузка на образец подается с определенной кинетической энергией. При этом показатель твердости является менее точным, так как при динамической нагрузке возникает определенная отдача из-за упругости материала. Результаты подобных испытаний зачастую называют твердостью материалов при ударе.
3. Кинетические основаны на непрерывной регистрации показателей во время проведения испытаний, что позволяет получить не только конечный, но и промежуточный результат. Для этого применяется специальное оборудование.

Кроме этого, классификация методов определения твердости проводится по принципу приложенной нагрузки. Выделяют следующие способы испытания образца:

1. Вдавливание является на сегодняшний день наиболее распространенным способом определения рассматриваемого показателя.
2. При отскоке проводится замер того, как высоко боек отлетит от поверхности испытуемого образца. В данном случае просчет твердости проводится по показателю сопротивления упругой деформации. Методы подобного типа довольно часто применяются для контроля качества прокатных валиков и изделий с большими размерами.
3. Методы, основанные на царапании и резании, сегодня применяются крайне редко. Были они разработаны два столетия назад.

Как правило, в твердомерах есть деталь, которая оказывает воздействие на испытываемую заготовку. Примером можно назвать стальные шарики различного диаметра и алмазные наконечники с формой пирамиды. Некоторые из применяемых на сегодняшний день методов рассмотрим подробнее.

Измерение твердости по Бринеллю

Чаще всего проводится измерение твердости по Бринеллю. Этот метод регламентирован ГОСТ 9012. К особенностям испытания металлов и сплавов подобным методом можно отнести следующие моменты:

1. В качестве тела, которое будет оказывать воздействие на испытуемый образец, используется стальной шарик.
2. Для тестирования применяется шарик с определенным диаметром, который изготавливается из закаленной стали. К нему прилагается постоянно нарастающая нагрузка.
3. Главным условие применения этого метода тестирования металлов и сплавов является то, что шарик должен изготавливается из более твердого материала, чем испытуемый образец.
4. После завершения теста проводится измерение полученного отпечатка на поверхности.
5. Данный способ позволяет получить данные, которые указываются в HB. Именно это обозначение сегодня встречается чаще других в различной справочной документации.
6. Для удобства применения данного способа были созданы специальные таблицы, которые основаны на зависимости диаметрального размера шарика, твердости и полученного отпечатка.

Измерение твердости по Виккерсу

Также выделяют метод измерения твердости по Виккерсу, который регламентирован ГОСТ 2999. Получил он распространение при определении твердости деталей и заготовок, который имеют небольшую толщину. Кроме этого, он может применяться для измерения твердости деталей, имеющих поверхностный твердый слой.

К особенностям этого способа тестирования образца можно отнести нижеприведенные моменты:

1. Применяется так называемый алмазный наконечник, который имеет форму пирамиды с четырьмя гранями и равными сторонами.
2. Выбирается определенное время выдержки.
3. После того, как снимается нагрузка, проводится измерение размеров диагоналей получившегося отпечатка и вычисляется среднее арифметическое значение.
4. Величина прилагаемой нагрузки регламентирована, может выбираться в зависимости от типа тестируемого материала.
5. Полученные результаты в ходе проведения исследований обозначаются HV.

В некоторых случаях после полученного значения указывается время выдержки и величина прилагаемой нагрузки, что позволяет с большей точностью определить значение твердости.

Измерение твердости по Роквеллу

Данный метод регламентируется ГОСТ 9013. Для его проведения используется специальный прибор для измерения твердости, который позволяет создать две последовательные нагрузки, прилагаемые к поверхности образца. К особенностям проведения подобного теста можно отнести:

1. Сначала оказывается предварительная нагрузка, после чего добавляется вторая.
2. После выдержки под общей нагрузкой в течении 3-5 секунд вторая снимается, проводится замер глубины отпечатка, затем снимается предварительная нагрузка.
3. Измерение полученных данных проводится в условных единицах, которые равны осевому смещению индикатора на 0,002.
4. Определяется число твердости по Роквеллу по специальной шкале прибора.
5. Форма применяемого индикатора может существенно отличаться. Именно поэтому было введено несколько типов измерительных шкал, которые соответствуют определенной форме индикатора.
6. Для обозначения полученной величины могут применяться обозначения HIRA, HRC, HRB. Они соответствуют форме применяемого индикатора и шкалы обозначения.

В качестве индикатора могут использоваться стальной шарик и два алмазных конуса различного размера. Этот метод измерения твердости закаленных деталей проводится только при применении алмазного конуса меньшего размера, предварительная оказываемая нагрузка составляет 10 кгс, основная 50 кгс. За счет предварительной нагрузки исключается вероятность того, что из-за упругости материала полученные значения будут менее точными. Кроме этого, предварительная нагрузка позволяет проводить измерение твердости металлов и сплавов, которые прошли предварительную термическую обработку.

Измерение твердости по Шору

Метод определения твердости по Шору применяется для тестирования прокатных валиков на момент их изготовления. Кроме этого, проверка рассматриваемого показателя может проводиться при эксплуатации валиков на прокатных станках, так как из-за оказываемого воздействия структура металла может изменяться, ухудшая эксплуатационные качества. Регламентирован метод Шора ГОСТ 23273.

Рассматривая измерение твердости по Шору, следует отметить следующие моменты:

1. В отличие от предыдущих способов, рассматриваемый основан на свободном падении алмазного индикатора на тестируемую поверхность с определенной высоты. Для тестирования применяется специальное оборудование, которое позволяет фиксировать точно высоту отскока.
2. Масса применяемого бойка с алмазным наконечником составляет 36 грамм. Этот показатель важен, так как учитывается при проводимых расчетах.
3. Твердость определяется по высоте отскока, измерение проводится в условных единицах. Падение образца на поверхность происходит с образованием небольшого углубления, а упругость приводит к обратному отскоку. Этот метод хорош тем, что позволяет проводить тестирование образцов, которые прошли предварительную термическую обработку. При постепенном вдавливании возникающая нагрузка может стать причиной деформирования используемого наконечника или шарика. В этом случае вероятность их деформации весьма мала.
4. За 100 единиц твердости в этом случае принято считать высоту отскока 13,6 мм с возможностью небольшого отклонения в большую или меньшую сторону. Этот показатель можно получить при тестировании углеродистой стали, прошедшей процесс закалки. В качестве обозначения применяется аббревиатура HSD.

Сегодня этот способ измерения твердости применяется довольно редко из-за высокой погрешности и сложности замера высоты отскока байка от тестируемой поверхности.

Как ранее было отмечено, существует довольно большое количество методов измерения рассматриваемого показателя. Однако из-за сложности проведения тестов и большой погрешности многие уже не применяются.

В некоторых случаях проводится тестирование на микротвердость. Для измерения этого показателя прилагается статическая нагрузка к телу с формой пирамиды, и оно входит в испытуемые образец. Время выдержки может варьироваться в большом диапазоне. Показатель вычисляется примерно так же, как при методе Виккерса.

Соотношение значений твердости

При выборе метода измерения твердости поверхности следует учитывать, что между полученными данными нет никакой связи. Другими словами, выполнить точный перевод одной единицы измерения в другую нельзя. Применяемые таблицы зависимости не имеют физического смысла, так как они эмпирические. Отсутствие зависимости также можно связать с тем, что при тестировании применяется разная нагрузка, различные формы наконечников.

Существующие таблицы следует применять с большой осторожностью, так как они дают только приблизительные результаты. В некоторых случаях рассматриваемый перевод может оказаться весьма точным, что связано с близкими физико-механическими свойствами испытуемых металлов.

В заключение отметим, что значение твердости связано со многими другими механическими свойствами, к примеру, прочностью, упругостью и пластичностью. Поэтому для определения основных свойств металла довольно часто проводят измерение именно твердости. Однако прямой зависимости между всеми механическими свойствами металлов и сплавов нет, что следует учитывать при проведении измерений.

2.1. Определение твердости по Бринеллю

Твердость определяется вдавливанием в изделие стального шарика определенного диаметра (D) с определенной нагрузкой (Р).

Число твердости по Бринеллю НВ (Н/м 2) равно отношению нагрузки к площади отпечатка (F).

НВ = Р/ F = Р / π D h = 2P/ π (D – D 2 – d 2)

где d – диаметр отпечатка, измеренный после снятия нагрузки, h – глубина отпечатка, вычисленная по D и d.

Для определения твердости металла применяют шарики следующих диаметров: 2,5 мм; 5 мм и 10 мм, для металла толщиной, соответственно, до 3 мм; 3-6 мм; более 6 мм.

Между диаметром шарика и нагрузкой существует определенная зависимость:

Для черных металлов Р = 30 D 2 ;

Для меди, латуни, бронзы Р = 10 D 2 ;

Для алюминия и его сплавов Р = 2,5 D 2 .

2.2. Определение твердости по Роквеллу.

В поверхность испытуемого материала вдавливают наконечник под действием предварительной (Р 1 = 100 Н) и окончательной (Р 2) нагрузок. В качестве наконечников для твердых металлов применяют алмазный конус с углом при вершине 120º или стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм для мягких металлов. В зависимости от типа испытуемого материала выбирается тип наконечника и назначается окончательная нагрузка. (см. табл. 1.1). Показания снимают по одной из шкал прибора (А, В или С). В зависимости от шкалы, по которой определяют число твердости, приняты следующие обозначения: HRA, HRB и HRC.

Таблица 1.1.

Твердость по Роквеллу определяют по формуле:

HR = K – (h 2 – h 1) / b

где h 1 и h 2 – глубины внедрения наконечника под действием предварительной (Р 1) и окончательной (Р 2) нагрузок соответственно, мм; К – постоянное число, имеющее размерность в мм; b – цена деления шкалы индикатора, соответствующая углублению наконечника на 0,002 мм.

2.3. Определение твердости по Виккерсу.

При определении твердости в испытуемый материал вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136º. При этом применяют нагрузки от 50 до 1200 Н. После действия нагрузки на образце остается отпечаток в виде квадрата.

Число твердости определяют как нагрузку, приходящуюся на единицу поверхности отпечатка.

НV = 2 P sin 0,5α / d 2

где Р – нагрузка на пирамиду; α – угол при вершине пирамиды; d – длина диагонали отпечатка.

3. ИЗМЕРЕНИЕ ПРОЧНОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ АРМАТУРЫ

МЕТОДОМ СТАТИЧЕСКОГО РАСТЯЖЕНИЯ

Испытание на растяжение производят на разрывных машинах с автоматической записью кривой растяжения.

Образцы для испытания бывают в зависимости от площади поперечного сечения нормальные и пропорциональные . Нормальные образцы имеют площадь поперечного сечения 314 мм 2 (d 0 = 20 мм). Они бывают двух видов:

длинные (длина расчетной части ℓ 0 = 200 мм, а отношение ℓ 0 / d 0 =10);

короткие (ℓ 0 = 100 мм, ℓ 0 / d 0 = 5);

Площадь поперечного сечения пропорциональных образцов может быть произвольная, а расчетную длину определяют по формуле:

ℓ 0 = 11,3 F 0 или ℓ 0 = 6,65 F 0

где F 0 – исходная площадь поперечного сечения образцов, мм 2 .

Литые образцы и образцы из хрупких материалов изготавливают с расчетной длиной ℓ 0 = 2,82 F 0 .

На вертикальной оси диаграммы откладывается нагрузка Р, по горизонтальной абсолютное удлинение образца Δℓ.

На участке ОР р удлинение Δℓ образца увеличивается прямо пропорционально нагрузке Р р, называемой нагрузкой предела пропорциональности. На этом участке происходят упругие (обратимые) деформации образца и сохраняется закон Гука (ε = σ / Е). Пределом пропорциональности σ р называется наибольшее напряжение, до которого относительное удлинение образца остается прямо пропорциональным нагрузке Р р.

σ р = Р р / F 0

Нагрузку Р е, при которой образец получает остаточное удлинение, равное 0,005 % расчетной длины, называют нагрузкой предела упругости. Пределом упругости σ е называют такое напряжение, при котором остаточное удлинение получается равным 0,005 % первоначальной длине образца.

σ е = Р е / F 0

Нагрузку Р т, при которой начинается течение металла, называют нагрузкой предела текучести, а горизонтальный участок кривой – площадкой текучести.

σ т = Р т / F 0

Пределом текучести σ т называют наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки.

За площадкой текучести нагрузка снова растет до некоторой максимальной величины Р в, после которой на образце начинается образование местного сужения (шейки). Уменьшение сечения в области шейки вызывает снижение нагрузки, и в точке К при нагрузке Р z происходит разрыв образца. Наибольшую нагрузку Р в, при которой начинается образование шейки, называют нагрузкой предела прочности при растяжении.

Пределом прочности при растяжении называют отношение наибольшей нагрузки, при которой начинается образование шейки к площади поперечного сечения образца.

σ в = Р в / F 0

Истинное сопротивление разрыву σ z определяют по формуле

σ z = Р z / F 1

где F 1 – площадь поперечного сечения образца в месте разрыва.

Полная деформация образца Δℓ п складывается из остаточной Δℓ ост и упругой деформации Δℓ упр. Для определения этих деформаций необходимо на диаграмме растяжения из точки К провести прямую, параллельную прямолинейному участку кривой (рис. 1) до пересечения с осью абсцисс.

Р

Рис. 1. Диаграмма растяжения

Относительным удлинением δ называют отношение приращения длины образца после разрыва к его расчетной длине, выраженное в процентах

δ = 100 (ℓ 1 – ℓ 0) / ℓ 0 (%)

где ℓ 1 – длина образца после разрыва, мм; ℓ 0 – расчетная длина образца, мм.

Относительным сужением ψ называют отношение уменьшения площади поперечного сечения после разрыва к начальной площади поперечного сечения, выраженное в процентах.

Ψ = 100 (F 0 – F 1) / F 0 (%)

где F 0 – начальная площадь поперечного сечения образца, мм 2 ; F 1 – конечная площадь поперечного сечения образца, мм 2 .

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Ознакомиться с теоретической частью работы. Дать определение металлографического макроанализа. Записать, чем обусловлено волокнистое строение стали. Выписать основные дефекты сварного шва. Дать определение цементации, с какой целью и как производится цементация сталей. Дать определение ликвации и влияние ликваций серы и фосфора на свойства сталей.

Описать методику подготовки шлифов предназначенных для изучения волокнистости стали, дефектов сварного соединения, глубины цементации и ликваций серы и фосфора. Зарисовать шлифы изученных на занятии изделий.

Ознакомиться с принципом работы твердомеров Роквелла и Виккерса и с их помощью определить твердость трех эталонных образцов металла. Результаты испытаний занести в таблицу.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Что называют металлографическим макроанализом?

Чем обусловлено волокнистое строение металлов? Метод определения волокнистсти стали?

Как определяется глубина цементация стали?

Влияние ликваций серы и фосфора на свойства стали.

Метод определения ликваций серы и фосфора в сталях.

Структура сварного шва и методы его исследования.

Методы определения твердости металлов.

В чем отличие твердости HRC, HRB, HRA?

Как определяется прочность, пластичность и текучесть металла?