Методы определения твердости

Одним из критериев прочности при статических испытаниях материалов, определяющих его конструкционную прочность, является твёрдость. Твердость – свойство материала оказывать сопротивление деформации в поверхностном слое при местных контактных воздействиях. Макротвердость – интегральная характеристика, характеризует среднюю твердость материала. Микротвердость – локальная характеристика, характеризует твердость фаз, зерен, структурных составляющих материала. В зависимости от вида местных контактных воздействий методы измерения твердости классифицируются:

- метод царапания (приближенное определение твердости тарированными напильниками);

- метод упругого отскока бойка по Шору;

- метод ударного отпечатка бойка;

- метод вдавливания более твёрдого идентора (по Бринелю; по Роквеллу; по Виккерсу, измерения микротвердости).

Преимущества методов определения твердости:

- быстрота и простота метода по технике исполнения;

- возможность оценки качества готового изделия вне зависимости от формы и размеров без его разрушения;

- возможность ориентировочной оценки по твердости других механических свойств материала;

- возможность испытаний малопластичных материалов.

Наибольшее распространение в практике получили методы измерения

твердости вдавливанием в испытываемый материал более твердого идентора

(шарика, конуса, пирамиды). Выбор метода определения твердости и соответственно материала и формы идентора зависят от твердости исследуемого материала, размеров и формы образцов. При вдавливании идентора деформация происходит в небольшом объеме, окруженном недеформированным металлом по схеме всестороннего неравномерного сжатия с малой долей нормальных растягивающих напряжений, поэтому пластическую деформацию испытывают и малопластичные металлы, которые при других видах механических испытаний разрушаются хрупко (например, чугун).

Напряженное состояние при испытании на растяжение и определении твердости различное, однако при вдавливании идентора вначале преодолевается упругое сопротивление поверхностных слоев, а затем происходит существенная пластическая деформация в зоне вдавливания. Следовательно может быть установлена количественная связь между твердостью и пределом прочности на растяжение. Связь твердости с другими критериями прочности, надежности и долговечности носит нерегулярный характер для отдельных классов материалов и условий испытаний.

Метод измерения твердости металлов по Бринелю.

Сущность метода заключается во вдавливании шарика (стального или из твердого сплава) в образец (изделие) под действием нагрузки, приложенной перпендикулярно поверхности образца в течение определенного промежутка времени и измерении диаметра отпечатка после снятия нагрузки (рис.4.1,а). Метод используется при измерении твердости относительно мягких материалов (незакаленной стали, чугуна, цветных металлов и их сплавов). При использовании в качестве идентора стального

шарика твердость обозначается как НВ для металлов с твердостью до 450 единиц и как HВW с твердостью не более 650 единиц при использовании шарика из твердого сплава. Метод Бринеля не рекомендуется применять для

черных металлов с твердостью более 450 единиц, для цветных металлов –

более 200 единиц.

Рис. 4.1. Схема определения твердости металла методами:

а – по Бринелю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

При измерении твердости по Бринелю должны соблюдаться следующие условия:

- минимальная толщина образца должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка;

- расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее 4d; расстояние от центра отпечатка до края образца – не менее 2,5d; для металлов с твердостью менее 35 единиц эти расстояния должны быть соответственно 6d и 3d;

- для получения сопоставимых результатов при измерении твердости одного и того же материала шариками различных диаметров и при различных нагрузках необходимо соблюдать условие подобия отпечатков. Диаметр шарика и соответствующую нагрузку следует выбирать из условия 0,25Д<d<0,6Д.

Между числом твердости по Бринелю (кгс/мм2) и пределом прочности на растяжение σв(МПа) существуют следующие соотношения:

- сталь (125…175 НВ) σв = 3,4 НВ

- сталь (более 175 НВ) σв = 3,5 НВ

- алюминий и алюминиевые сплавы (20…45 НВ) σв = (3,3…3,6)НВ

- медь, латунь, бронза отожженная σв = 5,5 НВ

- бронза холоднодеформированная σв = 4,0 НВ

- цинковые сплавы σв = 9,0 НВ

- дуралюмин отожженный σв = 3,6 НВ

- дуралюмин после закалки и старения σв = 3,5 НВ.

Метод измерения твердости металлов по Роквеллу

Сущность метода заключается во вдавливании алмазного конуса или стального шарика в образец (изделие) под действием последовательно прилагаемых предварительной (Ро) и основной (Р1) нагрузок и измерения глубины вдавливания идентора (h) после снятия основной нагрузки (рис. 4.1,б). Предварительная нагрузка прилагается для исключения влияния упругой деформации, шероховатости и локальных повреждений поверхности, а также сложной конфигурации образца. В методе Роквелла при изменении нагрузки и использовании идентора одного типа сохраняется подобие отпечатков, а мерой твердости служит глубина проникновения идентора в исследуемый материал, значение которой непосредственно считывается со стрелочного индикатора прибора измерения твердости. Поэтому метод Роквелла нашёл широкое практическое применение вследствие меньшей трудоемкости по сравнению с методом Бринеля, возможности определения твердости материалов более 450НВ, определения твердости тонких поверхностных слоев.

Для сопоставимости с методом Бринеля, в котором более твердым материалом соответствуют большие значения твердости, со стрелочных индикаторов приборов снимаются значения для шкал СиА: 100 – (h – ho) и

шкалы В: 130 – (h – ho) (рис. 4.1, б). Поэтому глубина вдавливания менее твердых материалов больше, а значение твердости меньше. Цена деления индикатора составляет 2 мкм. В методе Роквелла девять шкал твердости, различающихся типом идентора и значениями прилагаемой нагрузки, но наибольшее распространение в практике получили шкалы А, В,С, условия испытаний по которым представлены в таблице 4.3

- шкала В – для измерения твердости отожженных сталей и цветных металлов;

- шкала С – для закаленных и отпущенных сталей;

- шкала А – для твёрдых сплавов, тонколистового материала и поверхностных слоев деталей, прошедших термическую обработку.

При измерении твердости очень тонких слоев (менее 0,3 мм) используется метод Супер-Роквелла со шкалами N (идентор – алмазныи конус) и Т (идентор – стальной шарик), нагрузки для каждой шкалы -15, 30, 45 кгс, предварительная нагрузка – 3 кгс, цена деления шкалы индикатора – 1 мкм.

С целью обеспечения единства измерений, введён государственный специальный эталон для воспроизводства шкал твёрдости Роквелла и Супер-Роквелла (ГОСТ 8064-94).

При измерении твердости по Роквеллу должны соблюдаться следующие условия:

- минимальная толщина образца должна быть не менее 8-кратной глубины отпечатка, на обратной стороне после измерения твердости не должно быть заметно следов деформации;

- расстояние от центра отпечатка до края образца или до центра другого отпечатка должно быть не менее 1,5 мм при использовании конуса и не менее 4 мм при использовании шарика;

- метод очень чувствителен к качеству поверхности, поэтому на поверхности образца не должно быть окалины, трещин, глубоких рисок и т.д.;

- при определении твердости на цилиндрических выпуклых поверхностях диаметром менее 38 мм по шкалам А и С и диаметром менее 25 мм по шкале Значение твердости по Роквеллу в 60 единиц записывается в виде: по шкале В-60 HRB, по шкале С-60 HRC; по шкале А 70 единиц твердости записывается как 70 HRA. Значения твердости по Роквеллу формальной размерности не имеют и связь с другими критериями конструктивной прочности материалов не устанавливается.

Методы измерения твердости по Виккерсу и микротвердости.

Сущность методов заключается во вдавливании алмазного идентора в

форме правильной четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136° в

образец и измерении диагонали отпечатка после снятия нагрузки (рис. 4.1, в).

Значения твердости определяются как отношение величины приложеннойнагрузки к площади отпечатка и формально имеют размерность кгс/мм2 (Н/мм2). При использовании метода Виккерса нагрузка составляет 1-100 кгс, запись значения твердости в 500 единиц при нагрузке 30 кгс и времени выдержки под нагрузкой 10...15 с обозначается как 500 HV, значение твердости в 220 единиц при нагрузке 10 кгс и времени выдержки 40 с-220 HV 10/40.

Метод Виккерса используется для твердых и мягких материалов, для деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев (азотирование, борирование, цианирование и т.д.).

При измерении микротвердости нагрузка составляет 5-500 гс (0,049-4,905 H), измерение диагонали отпечатка производят на микрошлифах металлографическим микроскопом.