Теоретическое обоснование. Твердость – свойство поверхностного слоя материала сопротивлятьсяупругой и пластическойдеформацииили разрушениюпри местных контактных воздействиях со стороны

Твердость – 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 тела (индентора) определенной формы и размеров.

Испытания на твердость являются одними из самых распространенных видов механических испытаний благодаря своей простоте, высокой производительности, а также возможности неразрушающего контроля, как лабораторных образцов, так и готовых изделий.

Способы определения твердости в зависимости от скорости приложения нагрузки делят на статические и динамические, а по способу приложения нагрузки – на методы вдавливания и царапания.

Во всех методах испытаний на твердость очень важно правильно подготовить поверхностный слой образца. Он должен по возможности наиболее полно характеризовать материал, твердость которого необходимо определить. Все поверхностные дефекты (окалина, выбоины, вмятины, грубые риски и т.д.) должны быть удалены. Требования к качеству испытуемой поверхности зависят от метода испытаний и обычно предполагают её шлифование, и даже полирование.

Наибольшее распространение получило измерение твердости методами статического вдавливания. При испытании в поверхность образцанекоторое время с определённой силой вдавливается стандартное тело, которое называется индентором. В результате поверхностные слои материала, находящиеся под индентором и вблизи него, пластически деформируются, на поверхности образца образуется отпечаток.

Различают три основных метода определения твердости статическим вдавливанием индентора: метод Бринелля, метод Виккерса, метод Роквелла. Методы различаются формой, размерами и материалом индентора; величиной силы вдавливания и продолжительностью её действия, качеством подготовки испытуемых поверхностей.

Выбор метода испытаний зависит от химического состава материала и вида его предшествующей обработки (отжиг, закалка, наклёп, химико-термическая обработка и т.п.).

Твердость по Бринеллю

При стандартном испытании твердости по Бринеллю в качестве индентора используется стальной закалённый шарик диаметром D. Стандартом предусмотрено три размера индентора: 2, 5 мм, 5 мм и 10 мм.

Индентор вдавливается в испытуемый образец под действием силы F. Её величина зависит от размера индентора и химического состава материала:

Рекомендуемое время выдержки образца под нагрузкой составляет: для сталей – 10 с, для цветных металлов и сплавов – 30 с (при F/D² = 100 и 300) или 60 с (при F/D² = 25). Продолжительность испытания устанавливается вручную и выдерживается автоматически.

^F D

d

Рис. 1. Схема определения твердости материалов методом Бринелля

В результате испытания в поверхностном слое образца образуется отпечаток сферической формы (рис. 1). С помощью специального устройства, прилагаемого к прибору, определяют диаметр d отпечатка в плоскости поверхности образца. Измерения проводятся в двух взаимно перпендикулярных направлениях с точностью ± 0, 25 % от диаметра D.

Диаметр отпечатка d получается тем меньше, чем выше сопротивление материала образца деформации, т.е. чем выше его твёрдость.

Число твердости по Бринеллю обозначается латинскими буквами НВ и может быть рассчитано как отношение приложенной нагрузки F (кгс или МПа) к площади сферической поверхности отпечатка S (мм²):

________

НВ = F / S = F / [ 0, 5 ∙ π D ∙ (D – √ D² – d²)].

Числа НВ для различных значений F, d и D можно найти и в специальных таблицах.

В большинстве используемой технической литературы размерность твёрдости по Бринеллю – [кгс/мм²]. В этом случае она записывается как НВ 45, НВ 160, НВ 320 и т.п. без указания размерности. В некоторых источниках размерность твердости указывается в [МПа]. Тогда её численные значения примерно в 10 раз выше, чем в первом случае: НВ 450 МПа, НВ 1600 МПа, НВ 3200 МПа и т.п. Можно считать, что твёрдость НВ 135 аналогична твёрдости НВ 1350 МПа.

Каждый образец подвергают испытанию не менее трёх раз и определяют средний результат. Толщина испытуемых образцов должна быть не менее значения b = F / (π D ∙ HB).

Между числом твердости НВ и условным пределом прочности при растяжении σ в для многих металлических материалов существует приближенная, но очень важная зависимость:

Медь (латунь, бронза):

отожженная 5, 5 ∙ НВ

наклепанная 4, 0 ∙ НВ

Алюминий и его сплавы:

отожженные 3, 6 ∙ НВ

после закалки и старения 3, 5 ∙ НВ

Методом Бринелля можно испытывать материалы с твердостью менее НВ 450 (4500 МПа). В основном он применяется для определения твердостицветных металлов и сплавов, а также незакаленных сталей и чугунов.

При более высокой твердости образца деформация самого индентора может превысить величину стандартного допуска. Твёрдость стальных инденторов должна быть не менее 8500 МПа.

Твердость по Бринеллю определяют на твердомерах типа ТШ.

Твёрдость по Роквеллу

Метод Роквелла применяется для испытания материалов повышенной твёрдости. В этом методе определяется не размер отпечатка, а глубина вдавливания индентора в испытуемую поверхность.

При измерении твердости материалов методом Роквелла индентор вдавливается в образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок – предварительной и основной (рис. 2).

Сначала прилагается предварительная нагрузка F0 = 10 кгс (100 Н), которая не снимается до конца испытания. Под её действием индентор внедряется в образец на глубину h 0. Затем к предварительной нагрузке добавляется основная нагрузка F1 и глубина вдавливания индентора увеличивается до величины h. Чем меньше h, тем выше число твердости по Роквеллу.

_F0 F0 + F1

Рис. 2. Схема определения твердости материалов методом Роквелла

Глубина вдавливания индентора автоматически измеряется прибором и преобразуется им в показания стрелочного кругового индикатора с ценой деления шкалы 0, 002 мм. Цифровые показания индикатора и характеризуют число твердости материалов по Роквеллу. Никаких других вычислений проводить не надо.

Таким образом, число твердости по Роквеллу – безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 0, 002 мм. Оно считывается непосредственно с циферблата прибора. Глубина вдавливания индентора в испытуемую поверхность зависит от типа индентора и величины нагрузки. В связи с этим на цифровом индикаторе прибора имеют место три шкалы измерения: А, В и С.

При работе по шкале А основная нагрузка F1 = 50 кгс (500 Н), а по шкале С – F1 = 140 кгс (1400 Н). В качестве индентора в случаях использования шкал А и С служит алмазный конус с углом при вершине 120˚ и радиусом закругления 0, 2 мм.

Числа твердости по Роквеллу обозначаются латинскими буквами соответственно HRA и HRC и выражаются формулой:

НRА (HRС) = 100 – (h – h0) / 0, 002,

где число 0, 002 (мм) – цена деления шкалы индикатора твердомера. Стрелка на циферблате прибора показывает готовые числа твердости, например HRC 56, HRC 65 или HRA 70, HRA 85.

При работе по шкале В основная нагрузка F1 = 90 кгс, а в качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром 1, 5875 мм (1/16 дюйма). Число твердости при этом записывается буквами HRB и определяется по формуле:

HRB = 130 – (h – h0) / 0, 002.

Числа твёрдости по Роквеллу – безразмерные величины.

Выбор шкалы измерения, то есть условия испытания, зависит от материала и его обработки. Для определения твердости достаточно мягких (неупрочненных) сталей и чугунов измерения можно проводить по шкале В. Допускаемые пределы измерения твёрдости по этой шкале HRВ 25 – 100, что соответствует твёрдости по Бринеллю НВ 600 – 2400 МПа.

Твердость сталей и некоторых других сплавов после упрочняющей термической обработки обычно определяют по шкале С. Пределы измерений по этой шкале составляют HRC 20 – 67 (НВ 2400 – 9000 МПа).

Шкала А применяется при определенииF твердости очень твердых инструментальных сплавов, в том числе металлокерамических. Рабочие пределы измерений составляют HRA 70 – 85 (более 9000 МПа).

Испытания проводят на твердомерах типа ТК. Применяются как стационарные, так и переносные приборы.

Твердость по Виккерсу

При стандартном определении твердости по Виккерсу в поверхность образца вдавливается алмазный индентор в форме четырехгранной пирамиды с углом при вершине α = 136 ° (рис. 3).

F

Рис. 3. Схема определения твердости материалов методом Виккерса

В результате вдавливания в поверхностном слое материала образуется отпечаток, проекция которого на плоскость поверхности образца представляет собой квадрат. С помощью встроенного в прибор устройства вычисляется среднее значение диагонали квадрата d.

Число твердости по Виккерсу обозначается буквами HV и определяется отношением нагрузки F (кгс, МПа) к площади боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка S. Площадь боковой поверхности пирамиды равна:

S = (0, 5 ∙ d² ∙ sin α /2).

Тогда число твёрдости по Виккерсу будет равно:

HV = F / S = (2 ∙ F ∙ sin α /2) / d² = 1, 854 ∙ F / d².

Число HV для различных значений F и d можно определить и по специальным таблицам.

Числа твердости HB и HV имеют одинаковую размерность и до значений НВ (НV) 400 – 450 (4000 – 4500 МПа) практически совпадают. Выше этих значений метод Бринелля дает искаженные результаты из-за остаточной деформации стального шарика. Высокая твёрдость алмазной пирамиды в методе Виккерса позволяет проводить испытания очень твердых поверхностных слоёв материалов.

При измерении твердости материалов по Виккерсу очень важно правильно выбрать силу вдавливания. Она зависит от свойств материала и толщины исследуемого слоя. Нагрузки могут варьироваться от 1 до 100 кгс (от 10 до 1000 Н). Для черных металлов рекомендуется применять нагрузки от 5 до 100 кгс (от 50 до 1000 Н), для меди и ее сплавов – от 2, 5 до 50 кгс (от 25 до 500 Н), для алюминиевых сплавов – от 1 до 100 кгс (от 10 до 1000 Н).

При испытании очень твёрдых и тонких поверхностных слоев, например после химико-термической обработки, применяют нагрузки 1, 3 или 5 кгс (13 или 50 Н). Так толщина азотированных или цианированных слоёв может составлять до 30 – 50 мкм, а их высокая твёрдость (свыше HV 1000) может быть измерена лишь методом Виккерса.

Твердость по Виккерсу определяют на образцах с тщательно отшлифованной и даже отполированной поверхностью. Толщина образца b должна быть не менее 1, 5∙ d.

Твердость по Виккерсу измеряется на приборах типа ТП. Каждый образец подвергают испытанию не менее 5 – 10 раз.

Числа твердости, полученные разными методами статического вдавливания, в определенных пределах можно сопоставлять между собой. Так, интервал чисел твердости HRB 25 – 100 соответствует интервалу чисел твёрдости НV 60 – 240, интервал твердости HRC 20 – 67 соответствует HV 240 – 900, а интервал HRA 70 – 85 соответствует HV 390 – 900.

Существуют таблицы перевода чисел твердости, измеренных разными методами. Например, приблизительно равными можно считать следующие числа твердости: HV 220 – 230, HB 220 – 230, HRB 97 – 99, HRC 18 – 20.