Определение характеристик твердости

Твердость – способность материала сопротивляться пластической или упругой деформации при внедрении в него более твердого тела (индентора).

Наибольшее применение получили методы измерения твердости, основанные на вдавливание в испытываемый металл индентора в виде шарика, алмазного конуса и алмазной пирамиды – методы Бринелля, Роквелла и Виккерса (Рис. 8).

Рис. 8. Схема определения твердости:

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

Метод Бринелля (НВ). Определение твердости производится на прессе Бринелля (твердомере типа ТШ). Сущность метода заключается в том, что шарик диаметром 10; 5, 2, 5 или 1, 0 мм под действием определенного усилия, приложенного перпендикулярно поверхности образца, непрерывно вдавливается в испытуемый металл (рис. 8, а). Условия испытания регламентированы ГОСТ 9012-59. Например, измерение твердости стали проводят вдавливанием шарика D = 10 мм под нагрузкой 30 кН (3000 кгс).

После снятия усилия измеряют диаметра сферического отпечатка при помощи отсчётного микроскопа, на окуляре которого имеется шкала с делениями, соответствующими сотым долям миллиметра.

Твёрдость по Бринеллю обозначается буквами НВ (при применении стального шарика) или HBW (при применении шарика из твердого сплава) и рассчитывают как отношение усилия Р, действующего на шарик, к площади поверхности сферического отпечатка F, кгс/мм² или МПа:

(9)

где P – усилие, действующее на шарик, Н (кгс);

F – площадь поверхности сферического отпечатка, м² (мм² );

D – диаметр шарика, мм;

d – диаметр отпечатка, мм..

Метод Бринелля рекомендуется применять для металлов с твердостью не более НВ 450 кгс/мм² (4500 МПа), так как стальной шарик может деформироваться, что внесёт погрешность в результат испытаний. Этот метод используется в основном для измерения твердости заготовок и полуфабрикатов из неупрочнённого металла.

Метод Роквелла (HR). Определение твердости производится на прессе Роквелла (твердомере типа ТК) (ГОСТ 9013-59). Сущность метода заключается в том, что индентор в виде алмазного конуса – для твердых и сверхтвердых (более HRC70) металлов (стальной закаленный шарик диаметром 1, 58 мм – для мягких металлов) (рис. 8, б), под действием определенного усилия, приложенного перпендикулярно поверхности образца, вдавливается в испытуемый металл. Твердость определяют по глубине отпечатка h. Результаты измерений, в условных единицах, определяют по показанию стрелки на шкале индикатора твердомера (рис. 9).

Шарик и конус вдавливаются в металл под действием двух нагрузок – предварительной Р₀ = 10 кгс и основной Р. Общая нагрузка равна их сумме. После предварительного нагружения по индикатору малой стрелки, большая стрелка твердомера выставляется на «0» шкалы индикатора, и затем включается основная нагрузка. В момент снятия основной нагрузки большая стрелка перемещается по шкале индикатора и показывает значение твердости.

При вдавливании стального шарика основная нагрузка составляет 100 кгс, отсчет твердости производится по внутренней (красной) шкале В индикатора, твердость обозначают НRВ. При вдавливании алмазного конуса твердость определяется по показанию стрелки по внешней (черной) шкале С индикатора. Для твердых металлов основная нагрузка составляет 150 кг. Это основной метод измерения твердости закаленных сталей. Обозначение твердости – НRC. Для очень твердых, а также материалов деталей малой толщины основная нагрузка принимается равной 60 кг. Обозначение твердости – НRА. Например, НRC40, НRА90 – твердость по Роквеллу по шкале С 40 условных единиц; по шкале А – 90 единиц.

Метод определения твердости по Роквеллу позволяет испытывать мягкие и твердые металлы, при этом отпечатки от шарика или конуса очень малы, поэтому этим методом можно измерять твердость материала готовых деталей. Поверхность для испытания должна быть шлифованной. Измерения выполняются быстро (в течение 30 – 60 с), не требуется никаких вычислений, так как значение твердости снимается по шкале индикатора твердомера.

Метод Виккерса (HV). При испытании на твердость по методу Виккерса в шлифованную или полированную поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине 136⁰ (рис. 8, в). Для определения твердости черных металлов и сплавов применяются нагрузки от 5 до 100 кгс, а для цветных металлов и их сплавов – от 2, 5 до 50 кгс. После снятия нагрузки с помощью микроскопа, находящегося при приборе, измеряют диагональ отпечатка d и рассчитывают значение твердости в кгс/мм² или в МПа как отношение нагрузки Р, Н (кгс) к площади поверхности пирамидального отпечатка М, м² (мм²):

(10)

где d – длина диагонали отпечатка, мм.

Например, 500 HV – твердость по Виккерсу 500 кгс/мм² (5000 МПа)

Метод Виккерса позволяет измерять твердость как мягких, так и очень твердых металлов и сплавов, а также определять твердость тонких поверхностных слоев (например, после проведения химико-термической обработки, закалки токами высокой частоты и т. п.).