Теоретическое введение. Определение твердости является широко применяемым в заводских и лабораторных условиях способом испытаний для характеристики механических свойств металлов.

Определение твердости является широко применяемым в заводских и лабораторных условиях способом испытаний для характеристики механических свойств металлов.

Твердость это способность материала сопротивляться проникновению наконечника (индентора) из недеформируемого материала и имеющего форму шарика, конуса, пирамиды. Твердость, определяемая вдавливанием характеризует сопротивление пластической деформации.

Практически, наибольшее применение получила методика определения твердости вдавливанием. В результате вдавливания с достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Протекающая при этом деформации заключается в сравнительно небольшом объеме, окруженном недеформированным металлом. В таких условиях испытания, близких к всестороннему неравномерному сжатию, возникают главным образом касательные напряжения, а доля растягивающих напряжений незначительна, по сравнению с получаемыми при других видах механических испытаний. Поэтому при испытаниях твердости вдавливанием, пластическую деформацию испытывают не только пластичные металлы, но и такие материалы как чугун, разрушающиеся при обычных испытаниях хрупко, без заметной пластической деформации. Таким образом твердость характеризует сопротивление пластической деформации и представляет собой механическое свойство металла, отличающееся от других механических свойств методом определения.

Преимущества определения твердости следующие.

1 Между твердостью пластичных металлов, определяемой способом вдавливания и другими механическими свойствами (главным образом пределом прочности), существует количественная зависимость.

Величина твердости характеризует предел прочности металлов, получающих в испытаниях на растяжение сосредоточенную пластическую деформацию (шейку) т.е. большинство сталей, кроме сталей с мартенситной и аустенитной структурой и многих цветных сплавов. Это связано с тем что при испытаниях на растяжение наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению соответствует сосредоточенная пластическая деформация (образование шейки) а не разрушение образца. Такая пластическая деформация аналогична пластической деформации металла в верхних слоях металла при измерении твердости методом вдавливания.

Подобная количественная зависимость не наблюдается для хрупких материалов, которые при других испытаниях разрушаются без заметной пластической деформации, а при измерении твердости получают пластическую деформацию. Однако в ряде случаев (например для серых чугунов) наблюдается качественная зависимость между твердостью и пределом прочности. Возрастанию твердости обычно соответствует увеличение предела прочности.

Твердость определенная вдавливанием характеризует предел выносливости некоторых металлов (медь, дуралюмины).

2 Измерение твердости по технике выполнения значительно проще чем определение прочности, пластичности, ударной вязкости. Оно не требует изготовления специальных образцов и выполняется на проверяемых деталях после зачистки на поверхности ровной горизонтальной площадки. Измерения твердости выполняются быстро. По методу Роквелла от 30 до 60 сек, а Бринелля от 1 до 3 мин. 3 Измерение твердости не влечет за собой разрушение проверяемой детали и после измерения ее можно использовать по назначению, тогда как для определения прочности, пластичности и вязкости необходимо изготовление специальных образцов из детали.

4 Твердость можно определять на деталях небольшой толщины и даже в очень тонких слоях, не превышаюших десятой доли миллиметра. Поэтому многие способы измерения твердости пригодны для оценки различных по структуре свойствам слоев и образцов металла.

Измерение твердости (макротвердости) - в испытуемый материал вдавливается индентор, проникающий на значительную глубину, зависящую от прилагаемой нагрузки и свойств металла. Если испытание производится шариком диаметром до 10 мм то в деформируемом объеме оказываются представленными все фазы и структурные составляющие сплава в количествах и с расположением характерным для измеряемого материала. Измеренная твердость, в этом случае, должна характеризовать твердость всего испытуемого материала.

Если материал имеет гетерогенную структуру с крупными выделениями отдельных структурных составляющих, различных по свойствам, (например серый чугун, цветные подшипниковые сплавыдельных структурных составляющих, различных по свойствам, ()асположением характерным для измераемого материалавленными.инеобх), то для определения твердости нужно выбирать индентор большого диаметра. Если же металл имеет сравнительно мелкую однородную структуру, то малые по объему участки могут быть достаточно характерными для оценки свойств материала в целом и его твердости в частности. В этих случаях испытания можно проводить вдавливанием индентора меньшего размера, например алмазного конуса или пирамидки, и на меньшую глубину и при небольшой нагрузке. При испытании металлов с высокой твердостью, например закаленной или низкоотпущенной стали это условие является обязательным, т.к. вдавливание шарика может вызвать деформацию шарика и некорректный результат измерения. Значительное изменение нагрузки также нежелательно так как это приведет к значительному изменению объема деформируемого металла и может дать значения нехарактерные для основной массы металла. Поэтому величины нагрузок и размеры получаемых в материале отпечатков должны соответствовать стандартам.

Измерения микротвердости имеет целью определить твердость отдельных зерен, фаз структурных составляющих сплава (а не усредненную твердость, как при измерении макротвердости). В данном случае объем, деформируемый вдавливанием должен быть меньше объема измеряемого зерна. Поэтому нагрузка должна быть небольшой и микротвердость измеряют для характеристики очень небольших по размеру деталей.

Значительное влияние на результаты измерений твердости оказывает состояние поверхности. Если поверхность криволинейная с выступами, то отдельные участки в различной степени участвуют в сопротивлении вдавливанию и деформации, что приводит к ошибкам в измерении. Чем меньше нагрузка для вдавливания, тем более тщательно должна быть подготовлена поверхность.

Макротвердость определяется на шлифованной поверхности, микротвердость на полированной. Измеряемая поверхность должна быть установлена горизонтально, т.е перпендикулярно действию индентора. Противоположная сторона образца должна быть очищена и не иметь окалины, так как окалина при нагружении образца сминается что искажает результаты измерения

Метод измерения твердости вдавливанием шарика по Бринеллю. Этот метод используется для определения твердости металлов и полимерных материалов. В материал вдавливается стальной шарик и значения твердости определяют по величине площади отпечатка, оставленного шариком. Шарик вдавливается с помощью пресса. На поверхности образца остается отпечаток со сферической поверхностью (лунка). Диаметр отпечатка измеряется микроскопом, на окуляре нанесена шкала с делениями, соответствующими 0, 05 мм. Диаметр отпечатка измеряется в двух взаимно перпендикулярных направлениях с точностью до 0, 05 мм., для определения твердости принимается среднее значение двух измерений.

Во избежание искажения результатов замеров необходимо соблюдать следующие условия:

- нельзя испытывать материалы с твердостью более НВ 450;

- расстояние от центра отпечатка до края образца не должно быть не менее двух диаметров отпечатков;

- каждое последующее измерение должно производиться на расстоянии не менее двух диаметров от предыдущего отпечатка;

- толщина измеряемого слоя должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка.

Условия испытания должны соответствовать требованиям таблицы 5.1

Таблица 5.1 - Условия в зависимости от характеристик металла и предполагаемой твердости

Получение постоянной, одинаковой зависимости между величиной нагрузки и диаметром отпечатка, необходимое для точного определения твердости достигается при соблюдении условий в соответствии с требованиями таблицы 5.1. При вдавливании шарика на разную глубину, т.е. с разной нагрузкой для одного и того же материала не соблюдается закон подобия между получаемыми диаметрами отпечатка. Наибольшие отклонения отмечаются, если шарик вдавливается с малой нагрузкой и оставляет отпечаток небольшого диаметра или вдавливается с очень большой нагрузкой и оставляет отпечаток очень большого диаметра, приближающегося по величине к диаметру шарика. Поэтому твердость измеряется при постоянном соотношении между величиной нагрузки Р и квадратом диаметра шарика D². Это соотношение должно быть различным для металлов разной твердости. Деформация металла в разных участках под шариком неодинакова. Вызываемая этим неоднородность напряженного состояния возрастает с увеличением поверхности отпечатка, т.е. величины нагрузки.

В процессе вдавливания, наряду с пластической деформацией происходит упругая деформация индентора. Величина деформации, искажающая результаты измерений возрастает с увеличением твердости измеряемых материалов, поэтому верхний предел измерений твердости не более НВ 450

Большое влияние на измерения твердости оказывает длительность выдержки под нагрузкой. Легкоплавкие металлы, имеющие низкую температуру рекристаллизации испытывают пластическую деформацию в течение некоторого времени после приложения нагрузки. Увеличение времени выдержки стабилизирует пластическую деформацию этих металлов. Для металлов с высокой температурой плавления применяются короткие выдержки (от 10 до 30 сек).