Что такое твердость? Обозначение и определение твердости. Определение твёрдости металлов

Тесно связана с такими ее характеристиками, как износостойкость, прочность и пр. Существует немало способов определения твердости металлов. Один из них – метод Бринелля, когда в поверхность (стали) с помощью специального пресса (пресса Бринелля) вдавливается стальной . По окончании воздействия шарика на металлическую поверхность с помощью специальной лупы производится замер диаметра лунки. На основании данных таблиц, прилагаемых к прессу, определяется твердость стали НЕ.

Следующий метод – метод Роквелла - предполагает вдавливание в стальную поверхность алмазного с углом 1200 у вершины. Вдавливание вначале с предварительной нагрузкой 10 кг, а затем полной – от 60 до 150 кг. Для этого также используется специальный .

При использовании данного метода необходимо соблюдать некоторые требования. Так, на исследуемой поверхности не должно быть окалины, трещин и выбоин. Воздействие на поверхность строго перпендикулярно. Для определения значения прочности также используются специальные таблицы. Существует четкая зависимость – чем , тем меньше глубина проникновения в нее при вдавливании и, следовательно, тем выше значение твердости.

С методом Роквелла схож метод Виккерса, в котором для вдавливания используется алмазная пирамида с углом у вершины 1360. Здесь по окончании нагрузки измеряется диагональ отпечатка. Для сталей время воздействия - 10-15 сек. При этом усилие должно прилагаться строго перпендикулярно поверхности с плавным нарастанием. Поверхность опытного образца может иметь шероховатость не более 0.16 мкм, а расстояние между центром отпечатка и краем образца или соседнего отпечатка – не менее 2.5 длины диагонали отпечатка.

Твердость стали определяется также методом ударного отпечатка посредством твердосплавного конического индентора или стального шара. К косвенным методам относится методика измерения твердости по Шору. В ней используется боек определенной массы с алмазным наконечником, вертикально падающий с определенной высоты на испытуемую поверхность. Высота бойка является характеристикой твердости, которая измеряется в условных единицах.

Видео по теме

Никому не секрет, что в промышленности, прежде чем что-то пускать в продажу, производится контроль изделий. Это необходимо для того, чтобы установить срок экспулатации продукта, его работоспособность. Одним из критериев работоспособности деталей является их твердость. Твердость измеряют при помощи специальных приборов - твердомеров.

Твердость обычно меряют в лабораториях при помощи твердомеров в исследовательских институтах или в производстве. Существует несколько типов твердомеров, использующих при измерении разные методы, но суть их близка. Каждый твердомер обычно имеет предметный столик, на который помещается исследуемый , и индентор – наконечник, вдавливаемое в этот образец тело, должно быть тверже исследуемого материала (это обязательное условие). При каждом измерении можно задавать различные – размер индентора, нагрузка, нагрузки. В зависимости от них прибор может показывать различную твердость.

Метод Бринелля

В исследуемое тело вдавливается индентор в виде шарика (стального), который оставляет отпечаток в виде круглой ямки. По диаметру (если быть более точным - по площади) отпечатка определяют твердость. То есть чем тверже материал, тем меньше отпечаток, и наоборот.

Метод Роквелла

В этом методе используется несколько инденторов в зависимости от нагрузки. Либо это также шарик, либо конус. И существует 11 шкал измерения твердости. Каждая шкала комбинацией индентора и нагрузки. Твердость в этом методе определяется как

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.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

Определение твердости материалов

Методические указания к учебно-исследовательской лабораторной работе для студентов всех специальностей

дневной, вечерней и заочной форм обучения

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов 2009

Цель работы: ознакомить студентов с методами определения твердости материалов

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

Твердость металлов измеряют при помощи воздействия на поверхность металла наконечника, изготовленного из малодеформирующего материала (твердая закаленная сталь, алмаз, сапфир, или твердый сплав). Наконечник может иметь форму шарика, конуса, пирамиды или иглы.

Существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника: вдавливание наконечника, царапание поверхности, удар наконечника-шарика.

Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием. В результате вдавливания поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Особенность происходящей при этом деформации в том, что она протекает только в небольшом объеме, окруженном недеформированным металлом. Таким образом, твердость характеризует сопротивление металла пластической деформации и представляет собой его механическое свойство.

Следует различать два способа определения твердости вдавливанием: измерение макротвердости и измерение микротвердости:

1. Измерение твердости (макротвердости) характерно тем, что в испытуемый металл вдавливается тело значительных размеров (например, стальной шарик диаметром 10 мм), проникающее на сравнительно большую глубину. В результате чего в деформируемом объеме оказываются представленными все фазы и структурные составляющие сплава. Измеренная твердость должна в этом случае характеризовать твердость всего испытуемого материала (“усредненная” твердость).

Выбор формы, размеров наконечника и величины нагрузки зависят от целей испытания, структуры, ожидаемых свойств, состояния поверхности и размеров испытуемого образца.

2. Измерение микротвердости имеет целью определить твердость отдельных зерен, фаз и структурных составляющих сплава. В этом случае объем, деформированный вдавливанием, должен быть меньше объема измеряемого зерна. Поэтому прилагаемая нагрузка выбирается небольшой.

Наиболее широко применяются следующие способы измерения твердости:

вдавливанием стального шарика (метод Бринелля);

вдавливанием алмазного конуса (метод Роквелла);

вдавливанием четырехгранной алмазной пирамиды (метод Виккерса).

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ВДАВЛИВАНИЕМ ШАРИКА

(ТВЕРДОСТЬ ПО БРИНЕЛЛЮ)

Этот способ используется для определения твердости как металлов, так и неметаллических материалов.

При измерении твердости металлов по Бринеллю в материал вдавливается стальной закаленный шарик под действием заданной нагрузки в течении определенного времени. В результате на поверхности образца образуется отпечаток, диаметр которого измеряют. Значение твердости определяют по величине поверхности отпечатка, оставляемого шариком. Шарик вдавливается с помощью пресса (рис. 1). Испытуемый образец (деталь) 3 устанавливается на столик 1, прошлифованной поверхностью кверху. Поворотом вручную маховика 2 по часовой стрелке столик поднимают вверх, и образец 3 прижимается к шарику 4. Нагрузка прилагается автоматически с помощью электродвигателя 5 при нажатии пусковой кнопки. Эта нагрузка, создаваемая грузом 6, действует обычно 10-60 с в зависимости от твердости измеряемого материала. После автоматического выключения двигателя, поворачивая маховик 2 против часовой стрелки, опускают столик прибора и снимают образец 3.

Рис. 1. Схема измерения твердости по Бринеллю

На образце остается отпечаток со сферической поверхностью (лунка). Диаметр отпечатка, измеряют обычно лупой, на окуляре которой нанесена шкала с делениями, соответствующими 0,1 мм. Схема испытания на твердость по методу Бринелля и отсчет по шкале показаны на рис. 1.

Число твердости по Бринеллю, обозначаемая НВ, определяется путем деления нагрузки на площадь поверхности сферического отпечатка, и может быть определено по формуле:

,

В этих выражениях

А – площадь поверхности отпечатка, мм;

D - диаметр вдавливаемого шарика, мм;

d - диаметр отпечатка, мм.

Диаметр шарика, нагрузку и продолжительность выдержки под нагрузкой выбирают в зависимости от твердости и толщины испытуемого изделия или образца. Для испытания используют образцы с чистой и гладкой поверхностью, а толщина образцов должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка.

Нормы испытания на твердость по Бринеллю приведены в табл. 1.

Таблица 1

Нормы испытания на твердость по Бринеллю

При измерении твердости шариком определенного диаметра и установленными нагрузками нет необходимости проводить расчет по указанной выше формуле. На практике используется заранее составленными таблицами, указывающими число НВ от диаметра отпечатка.

Измерение твердости по Бринеллю не является универсальным способом, поскольку не позволяет:

а) использовать материалы с твердостью более НВ4500Н, так как шарик будет деформироваться и показания будут не точны;

б) измерять твердость тонкого поверхностного слоя (толщиной 1-2 мм), так как шарик будет продавливать тонкий слой металла.

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ВДАВЛИВАНИЕМ

АЛМАЗНОГО КОНУСА ИЛИ СТАЛЬНОГО ШАРИКА

(ТВЕРДОСТЬ ПО РОКВЕЛЛУ)

Принципиальное отличие измерения твердости по способу Роквелла от измерения по способу Бринелля состоит в том, что ее измеряют не по диаметру, а по глубине отпечатка получаемого в результате вдавливания алмазного конуса с углом при вершине равным 120 о или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм. Конус или шарик вдавливают в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р 0 и основной будет равна: Р= Р 0 + Р 1 .

При испытании сначала прикладывают предварительную нагрузку Р 0 =100 Н, затем общую нагрузку Р , равную: при вдавливании шарика (шкала В) 1000 Н; при вдавливании алмазного конуса (шкала С) 1500 Н; при вдавливании алмазного конуса (шкала А) 600 Н (рис. 2).

Рис.2. Разновидность глубины проникновения наконечника под действием двух нагрузок

Твердость по Роквеллу обозначается цифрами и буквами HR с указанием шкалы твердости (А,В,С).

Число твердости по Роквеллу определяют по формуле

HR = (k-(h-h 0 )/c

где h 0 - глубина внедрения наконечника под действием силы Р 0 ;

h - глубина внедрения наконечника под действием общей

нагрузки Р ;

к - постоянная величина, для шарика 0,26; для конуса 0,2;

с - цена деления циферблата индикатора.

При измерении твердости нагрузка должна действовать строго перпендикулярно к поверхности образца. Нагрузки следует прилагать плавно.

Твердость измеряют на приборе, представленном на рис. 3.

Рис.3. Схема прибора для измерения твердости по Роквеллу

Стол 1 служит для установки на нем испытуемого образца 3. Вращая по часовой стрелке маховик 2, подводят образец до соприкосновения с наконечником 4. При дальнейшем вращении маховика наконечник начинает внедряться в образец, а на шкале индикатора наблюдают за поворотом малой стрелки. Предварительное нагружение производят до тех пор, пока малая стрелка индикатора не совпадет с красной точкой.

Когда образец получает предварительную нагрузку 100 Н (10 кГс), большая стрелка индикатора принимает вертикальное положение (или близкое к нему). Точную установку шкалы индикатора на ноль производят при помощи барабана 6. Затем нажимают на клавишу 7, при этом обеспечивается действие основной нагрузки и создается общая нагрузка (предварительная + основная).

При таком нагружении большая стрелка перемещается по циферблату индикатора против часовой стрелки. Время приложения общей нагрузки 5-7 с. Затем основная нагрузка снимается автоматически и остается только предварительная. Большая стрелка индикатора перемещается по часовой стрелке. Цифра, которую укажет на циферблате индикатора большая стрелка, представляет число твердости по Роквеллу. Далее поворачивают маховик 2 против часовой стрелки, опускают столик и снимают образец.

Твердость на приборе Роквелла можно измерять:

1) алмазным конусом с общей нагрузкой 1500 Н (150 кГс). В этом случае значение твердости определяют по черной шкале “С” индикатора и обозначают НRC. Эта шкала применяется при испытании закаленных сталей (до HRC 67);

2) алмазным конусом с общей нагрузкой 600 Н (60 кГс). В этом случае значения твердости также определяются по черной шкале “С”, но обозначают HRA. Числа HRA можно перевести на числа HRC по формуле: HRC = 2 HRA - 104. Эта шкала применяется для испытания сверхтвердых сплавов (например на основе карбидов вольфрама, обладающих твердостью HRC>68), тонкого листового материала и для измерения твердости тонких поверхностных слоев (0,3-0,5 мм);

3) стальным шариком с общей нагрузкой 1000 Н (100 кГс).

В этом случае значения твердости определяют по красной шкале “В” и обозначают HRB. Шкала В служит для испытания металлов средней твердости и для испытания изделия толщиной от 0,8 до 2 мм.

К достоинствам метода Роквелла следует отнести высокую производительность, простоту обслуживания, точность измерения и сохранение качественной поверхности после испытаний.

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ВДАВЛИВАНИЯ

АЛМАЗНОЙ ПИРАМИДЫ

(ТВЕРДОСТЬ ПО ВИККЕРСУ)

Этот способ используется для измерения твердости черных и цветных металлов и сплавов.

Твердость по методу Виккерса определяют путем вдавливания в испытуемую поверхность алмазной четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136 0 под нагрузкой 50, 100, 200, 300, 500, 1000 Н. По диагоналям h 1 и h 2 отпечатка, пирамиды и углу при вершине пирамиды определяют площадь поверхности отпечатка и рассчитывают по формуле:

HV = (2 P sin ( /2)/ d 2 ) = 1,854 (P / d 2 ),

 - угол между противоположными гранями пирамиды (136 0);

d – среднеарифметические значения длин обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм.

Испытания проводят на приборе (рис. 4), имеющем неподвижную станину, в нижней части которой установлен столик 1, перемещающийся по вертикали вращением маховика 2. Образец 3 устанавливают на столик испытуемой поверхностью кверху и поднимают столик почти до соприкосновения образца с алмазной пирамидой 4. Нажатием педали пускового рычага 5 приводят в действие нагружающий механизм, который через рычаг передает давление грузов 6. Продолжительность нагружения при испытании составляет от 10 до 60 с, что регистрируется сигнальной лампочкой на приборе. После снятия нагрузки столик опускают и подводят микроскоп 7, с помощью которого определяют длину диагонали отпечатка.

Рис.4. Схема прибора для измерения твердости по Виккерсу

В окуляре микроскопа (рис. 5,б) имеются подвижная шкала и три штриха - два основных 1 и 2, и один дополнительный 3 (рис. 5,б). Вращением винта 1 (рис. 5,а) подводят штрих 1 к левому углу отпечатка (рис. 5,б). Вращением микрометрического винта 2 (рис. 5,а) подводят штрих 2 к правому углу отпечатка. Полученную величину диагонали отпечатка записать в протокол испытания.

Рис.5. Схемы: а). микрометрического винта; б). определения величины отпечатка

Измерять необходимо обе диагонали отпечатка и принимать среднюю величину измерений. Полученный результат перевести в значение твердости HV, пользуясь таблицами. Возможность применения малых нагрузок 50, 100 Н позволяет определить твердость деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, например, цементированных, азотированных и других.

Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю для материалов твердостью до НВ 4500 практически совпадают. Вместе с тем, измерения пирамидой дают более точные значения для металлов с высокой твердостью, чем измерения шариком или конусом. Алмазная пирамида имеет большой угол в вершине (136 0) и диагональ его отпечатка примерно в 7 раз больше глубины отпечатка, что повышает точность измерения даже при проникновении пирамиды на небольшую глубину.

ИЗМЕРЕНИЕ МИКРОТВЕРДОСТИ

Для изучения свойств и превращений в сплавах необходимо знать не только «усредненную» твердость, представляющую твердость в результате суммарного влияния присутствующих в сплаве фаз и структурных составляющих. В некоторых случаях необходимо знать твердость отдельных фаз и структур. Микротвердость определяют вдавливанием алмазной пирамиды. Для этого используют прибор типа ПМТ-3 (рис.6), разработанный М.Н. Хрущевым и Е.С. Берковичем. Прибор состоит из штатива 8, вертикальной микроскопа с тубусом, который перемещается вверх и вниз с помощью макрометрического винта 6 и микрометрического винта 5. На верхний конец тубуса насажен окулярный микрометр 7, а в нижнем конце закреплены шток 2 с алмазной пирамидой, опакиллюминатор 9 и объективы 11. С помощью микрометрических винтов 13 перемещают столик в необходимом направлении. Ручка 1 служит для поворота столика на 90 о. Прибор снабжен двумя объективами для просмотра микрошлифа при увеличениях в 478 и 135 раз. Окуляр увеличивает в 15 раз. Окулярный микрометр имеет неподвижную сетку, отсчетный микрометрический барабанчик и каретку с подвижной сеткой. На неподвижной сетке нанесены штрихи с цифрами и угольник с прямым углом, вершина которого совпадает с цифрой 0. Для определения микротвердости применяют несколько типов наконечников: с квадратным основанием; с основанием в виде равностороннего треугольника; с ромбическим основанием; с бицилиндрическим основанием. Наиболее широко используют алмазный наконечник. Наконечник имеет угол между гранями на вершине 136 о (такой же как для измерения твердости по Виккерсу). Нагрузка для вдавливания создается грузами 3, которые устанавливаются на шток 2. В приборе применяются грузы от 1 до 500 граммов в зависимости от особенностей изучаемой структуры. Для измерения специально готовят образцы, которые шлифуют и полируют, а при необходимости подвергают травлению реактивами. Приготовленный микрошлиф устанавливают на столике 12, чтобы поверхность микрошлифа была обращена вверх. Установленный микрошлиф просматривают через окуляр. С помощью винтов столик перемещают и выбирают необходимый участок на микрошлифе. Этот участок размещают в середине поля зрения микроскопа точно в вершине угла неподвижной сетки. Затем устанавливают груз. После этого опускают шток с алмазной пирамидой, чтобы алмаз коснулся образца. В этом положении выдерживают 5 – 10 секунд, после чего шток поднимают. Столик 12 поворачивают на 180 о под объектив микроскопа и измеряют диагонали отпечатка. Длина диагонали указывается на микрометрическом барабанчике прибора. Определяют длину обеих диагоналей и вычисляют среднюю длину. Полученную среднюю длину переводят по таблице в число микротвердости. Измерения проводят не менее 2-3 раз. Числа твердости в таблице вычислены по формуле
и представляют числа твердости по Виккерсу. Прибор позволяет фотографировать микроструктуру сплава с полученными отпечатками.

Рис.6. Схема прибора ПМТ-3

ЗАДАНИЕ 1

Изучить работу прибора для измерения твердости по Бринеллю.

Определить твердость образцов из углеродистых конструкционных и инструментальных сталей, и сравнить полученные результаты.

Перевести числа твердости по Бринеллю в числа твердости по Роквеллу.

Сделать вывод о влиянии состава сплава на его твердость.

Протокол испытаний на твердость по методу Бринелля

Таблица 1

ЗАДАНИЕ 2

Изучить работу прибора для измерения твердости по методу Роквелла.

Определить твердость образцов стали в оттоженном состоянии и закаленном состоянии, сплавов цветных металлов и твердых сплавов.

Результаты измерений внести в протокол испытаний.

Сделать вывод о влиянии состава материала на его твердость.

ЗАДАНИЕ 3

Изучить работу прибора для измерения твердости по методу Виккерса.

Определить твердость образцов из малоуглеродистой стали после цементации, азотирования.

Результаты измерений записать в протокол испытаний.

1. Цель работы.

2. Задание.

3. Описание методики проведения испытаний.

4. Протокол испытания на твердость.

5. Выводы по работе.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

Что такое твердость материалов?

Как измеряется твердость материалов?

Определение твердости по Бринеллю; по Роквеллу; по Виккерсу.

Обозначения твердости.

Область применения методов определения твердости по Бринеллю; по Роквеллу и по Виккерсу.

ЛИТЕРАТУРА

Геллер Ю. А. , Рахштадт Л. Г. Материаловедение. М.: Металлургия. 1975.- 345с.

Самоходний А. И., Кунявский М. Н. Лабораторные работы по металловедению и термической обработки металлов. М.: Машиностроение. 1981.

Советова Л.В., Гусев В.И. Руководство к лабораторной работе «Определение твердости материалов». Саратов, СПИ, 1982г.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Методические указания к учебно-исследовательской лабораторной работе для студентов всех специальностей

дневной, вечерней и заочной форм обучения

Составил:

Федоров Юлий Степанович

Таганрогский Государственный Радиотехнический Университет

Кафедра Механики

Реферат

Выполнил:

Студент гр. Р-99

Андриевский В. А.

Проверил:

доцент кафедры механики

Шаповалов Р. Г.

Таганрог 2001

Методы определения твердости металлов

Одной из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность их применения в различных конструкциях и при различных условиях работы, является твердость. Испытания на твердость производятся чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.

Твёрдостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твёрдого тела. Для определения твёрдости в поверхность материала с определённой силой вдавливается тело (индентор), выполненное в виде стального шарика, алмазного конуса, пирамиды или иглы. По размерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твёрдости материала. В зависимости от способа измерения твёрдости материала, количественно её характеризуют числом твёрдости по Бринелю (НВ), Роквеллу (HRC) или Виккерсу (HV) .

Указанные механические характеристики связаны между собой, поэтому их конкретные значения могут быть найдены расчётным путём на основе данных о твёрдости с помощью формул, полученных для конкретного материала с определённой термообработкой. Так, например, предел выносливости на изгиб сталей с твёрдостью 180-350 НВ равен примерно 1,8 НВ, с твёрдостью 45-55 HRC - 18 HRC+150, связь предела выносливости с пределом прочностистали описывается соотношениями:

Конкретным образцам конструкционных материалов, а также выполненным из них изделиям, присуща индивидуальность прочностных и упругих характеристик. Разброс их значений для различных образцов, выполненных из одного и того же материала, обусловлен статистической природой прочности твёрдых тел, различием структур внешне одинаковых образцов. Из-за неопределённости реальных механических характеристик материала, неопределённости некоторых внешних нагрузок, действующих на технический объект, погрешности расчётов для обеспечения безопасной работы проектируемых конструкций должны быть приняты соответствующие проектному этапу обеспечения надёжности меры предосторожности. В качестве такой меры используется понижение в n раз относительно опасного напряжения материала (предела прочности, предела текучести, предела выносливости или предела пропорциональности) величины максимально допускаемых напряжений, используемых в условии прочности. Величина n получила название нормативного коэффициента запаса прочности , который выбирается по таблице или рассчитывается как произведение

n = n 1 * n 2 * n 3 ,

где n 1 -учитывает среднюю точность определения напряжений, n 2 -учитывает неопределённость механических характеристик материала, n 3 -учитывает среднюю

степень ответственности проектируемой детали.

Существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерять вдавливанием индентора (способ вдавливания), ударом или же по отскоку наконечника – шарика. Твердость, определенная царапаньем, характеризует сопротивление разрушению, по отскоку – упругие свойства, вдавливанием сопротивление пластической деформации. В зависимости от скорости приложения нагрузки на индентор твердость различают статическую (нагрузка прикладывается плавно) и динамическую (нагрузка прикладывается ударом).

Широкое распространение испытаний на твердость объясняется рядом их преимуществ перед другими видами испытаний:

простота измерений, которые не требуют специального образца и могут быть выполнены непосредственно на проверяемых деталях;

высокая производительность;

измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению;

возможность ориентировочно оценить по твердости другие характеристики металла, в первую очередь предел прочности.

Так, например, зная твердость по Бринеллю (HB), можно определить предел прочности на растяжение (временное сопротивление).

,

где k – коэффициент, зависящий от материала;

k = 0,34 – сталь HB 120 … 175;

k = 0,35 – сталь HB 175 … 450;

k = 0,55 – медь, латунь и бронза отоженные;

k = 0,33 … 0,36 – алюминий и его сплавы.

Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием в испытываемый металл индентора в виде шарика, конуса и пирамиды (соответственно методы Бринелля, Роквелла и Виккерса). В результате вдавливания достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Величина внедрения наконечника в поверхность металла будет тем меньше, чем тверже испытываемый материал.

Таким образом под твердостью понимают сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела – индентора.

Для того чтобы детали и механизмы служили длительно и надежно, материалы, из которых они изготовлены, должны соответствовать необходимым условиям работы. Именно поэтому важно контролировать допустимые значения их основных механических показателей. К механическим свойствам относятся твердость, прочность, пластичность. Твердость металлов - первичная конструкционная характеристика.

Понятие

Твердость металлов и сплавов - это свойство материала создавать сопротивление при проникновении в его поверхностные слои иного тела, которое не деформируется и не разрушается при сопутствующих нагрузках (индентора). Определяют с целью:

• получения информации о допустимых конструкционных особенностях и о возможностях эксплуатации;
• анализа состояния под действием времени;
• контроля результатов температурной обработки.

От этого показателя частично зависят прочность и устойчивость поверхности к старению. Исследуют как исходный материал, так и уже готовые детали.

Варианты исследования

Показателем является величина, которая называется числом твердости. Существуют различные методы измерения твердости металлов. Наиболее точные исследования заключаются в использовании различных видов вычисления, инденторов и соответствующих твердомеров:

1. Бринелля: суть работы аппарата - вдавливание шарика в исследуемый металл или сплав, вычисление диаметра отпечатка и последующее математическое вычисление механического параметра.
2. Роквелла: используются шарик или алмазный конусный наконечник. Значение отображается на шкале или определяется расчётно.
3. Виккерса: наиболее точное измерение твердости металла с применением алмазного пирамидального наконечника.

Для определения параметрических соответствий между показателями разных способов измерения для одного и того же материала существуют специальные формулы и таблицы.

Факторы, определяющие вариант измерения

В лабораторных условиях, при наличии необходимого ассортимента оборудования, выбор способа исследования осуществляется в зависимости от определенных характеристик заготовки.

1. Ориентировочное значение механического параметра. Для конструкционных сталей и материалов с небольшой твердостью до 450-650 НВ применяют метод Бринелля; для инструментальных, легированных сталей и других сплавов - Роквелла; для твердосплавов - Виккерса.
2. Размеры испытуемого образца. Особо маленькие и тонкие детали обследуются с помощью твердомера Виккерса.
3. Толщина металла в месте замера, в частности, цементированного или азотированного слоя.

Все требования и соответствия задокументированы ГОСТом.

Особенности методики Бринелля

Испытания на твердость металлов и сплавов с помощью твердомера Бринелля проводятся со следующими особенностями:

1. Индентор - шарик из легированной стали или из карбидо-вольфрамового сплава диаметром 1, 2, 2,5, 5 или 10 мм (гост 3722-81).
2. Продолжительность статического вдавливания: для чугуна и стали - 10-15 с., для цветных сплавов - 30, также возможна длительность в а в некоторых случаях - 120 и 180 с.
3. Граничное значение механического параметра: 450 НВ при измерении стальным шариком; 650 НВ при использовании твердосплава.
4. Возможные нагрузки. С помощью входящих в комплект грузов корректируется фактическая сила деформации на испытуемый образец. Их минимальные допустимые значения: 153,2, 187,5, 250 Н; максимальные - 9807, 14710, 29420 Н (гост 23677-79).

С помощью формул, в зависимости от диаметра выбранного шарика и от испытуемого материала, можно вычислить соответствующее допустимое усилие вдавливания.

Пример обозначения:

400HB10/1500/20, где 400HB - твердость металла по Бринеллю; 10 - диаметр шарика, 10 мм; 1500 - статическая нагрузка, 1500 кгс; 20 - период осуществления вдавливания, 20 с.

Для установления точных цифр рационально исследовать один и тот же образец в нескольких местах, а общий результат определять путем нахождения среднего значения из полученных.

Определение твердости по методу Бринелля

Процесс исследования протекает в следующей последовательности:

1. Проверка детали на соответствие требованиям (ГОСТ 9012-59, гост 2789).
2. Выбор необходимого шарика, определение возможного усилия, установка грузов для его формирования, периода вдавливания.
3. Запуск твердомера и деформация образца.
4. Измерение диаметра углубления.
5. Эмпирическое вычисление.

где F - нагрузка, кгс или Н; A - площадь отпечатка, мм 2 .

НВ=(0,102*F)/(π*D*h),

где D - диаметр шарика, мм; h - глубина отпечатка, мм.

Твердость металлов, измеренная этим способом, имеет эмпирическую связь с вычислением параметров прочности. Метод точен, особенно для мягких сплавов. Является основополагающим в системах определения значений этого механического свойства.

Особенности методики Роквелла

Этот способ измерения был изобретен в 20-х годах XX века, более автоматизирован, чем предыдущий. Применяется для более твердых материалов. Основные его характеристики (ГОСТ 9013-59; гост 23677-79):

1. Наличие первичной нагрузки в 10 кгс.
2. Период выдержки: 10-60 с.
3. Граничные значения возможных показателей: HRA: 20-88; HRB: 20-100; HRC: 20-70.
4. Число визуализируется на циферблате твердомера, также может рассчитываться арифметически.
5. Шкалы и инденторы. Известно 11 различных шкал в зависимости от типа индентора и предельно-допустимой статической нагрузки. Наиболее распространённые в использовании: А, В и С.

А: алмазный конусный наконечник, угол при вершине 120˚, общая допустимая сила статического влияния - 60 кгс, HRA; исследуются тонкие изделия, в основном прокат.

С: также алмазный конус, рассчитанный на максимальное усилие 150 кгс, HRC, применим для твердых и закаленных материалов.

В: шарик размером 1,588 мм, изготовленный из закаленной стали или из твердого карбидо-вольфрамового сплава, нагрузка - 100 кгс, HRB, используется для оценки твердости отожжённых изделий.

Шарикообразный наконечник (1,588 мм) применим для шкал Роквелла B, F, G. Также существуют шкалы E, H, K, для которых используется шарик диаметром 3,175 мм (ГОСТ 9013-59).

Количество проб, проделанных с помощью твердомера Роквелла на одной площади, ограничивается размером детали. Допускается повторная проба на расстоянии 3-4 диаметра от предыдущего места деформации. Толщина испытуемого изделия также регламентируется. Она должна быть не меньше увеличенной в 10 раз глубины внедрения наконечника.

Пример обозначения:

50HRC - твердость металла по Роквеллу, измерена с помощью алмазного наконечника, ее число равно 50.

План исследования по методу Роквелла

Измерение твердости металла более упрощено, нежели для

1. Оценка размеров и характеристик поверхности детали.
2. Проверка исправности аппарата.
3. Определение типа наконечника и допустимой нагрузки.
4. Установка образца.
5. Осуществление первичного усилия на материал, величиной в 10 кгс.
6. Осуществление полного соответствующего усилия.
7. Чтение полученного числа на шкале циферблата.

Также возможен математический расчет с целью точного определения механического параметра.

При условии использования алмазного конуса с нагрузкой 60 или 150 кгс:

HR=100-((H-h)/0,002;

при совершении испытания с помощью шарика под усилием 100 кгс:

HR=130-((H-h)/0,002,

где h - глубина внедрения индентора при первичном усилии 10 кгс; H - глубина внедрения индентора при полной нагрузке; 0,002 - коэффициент, регламентирующий величину перемещения наконечника при изменении числа твердости на 1 единицу.

Является простым, но недостаточно точным. В то же время он позволяет измерять показатели механического свойства для твердых металлов и сплавов.

Характеристики методики Виккерса

Определение твердости металлов по данному способу наиболее просто и точно. Работа твердомера основана на вдавливании в образец алмазного пирамидального наконечника.

Основные особенности:

1. Индентор: алмазная пирамида с углом при вершине 136°.
2. Предельно допустимая нагрузка: для и стали - 5-100 кгс; для медных сплавов - 2,5-50 кгс; для алюминия и сплавов на его основе - 1-100 кгс.
3. Период выдержки статической нагрузки: от 10 до 15 с.
4. Испытуемые материалы: сталь и с твердостью более 450-500 НВ, в том числе изделия после химико-термической обработки.

Пример обозначения:

где 700HV - число твердости по Виккерсу; 20 - нагрузка, 20 кгс; 15 - период статического усилия, 15 с.

Последовательность исследования Виккерса

Порядок действий предельно упрощен.

1. Проверка образца и аппаратуры. Особое внимание уделяется поверхности детали.
2. Выбор допустимого усилия.
3. Установка испытуемого материала.
4. Запуск твердомера в работу.
5. Чтение результата на циферблате.

Математический расчет по этому способу выглядит следующим образом:

HV=1,8544*(F/d 2),

где F - нагрузка, кгс; d - среднее значение длин диагоналей отпечатка, мм.

Он позволяет измерять высокую твердость металлов, тонких и небольших деталей, при этом предоставляя высокую точность результата.

Способы перехода между шкалами

Определив диаметр отпечатка с помощью специального оборудования, можно с помощью таблиц определить твердость. Таблица твердости металлов - проверенный помощник в вычислении данного механического параметра. Так, если известно значение по Бринеллю, можно легко определить соответствующее число Виккерса или Роквелла.

Пример некоторых значений соответствия:

Таблица твердости металлов составлена на основе экспериментальных данных и имеет высокую точность. Также существуют графические зависимости твердости по Бринеллю от содержания углерода в железоуглеродистом сплаве. Так, в соответствии с такими зависимостями, для стали с количеством карбона в составе равному 0,2% она составляет 130 НВ.

Требования к образцу

В соответствии с требованиями ГОСТов, испытуемые детали должны соответствовать следующим характеристикам:

1. Заготовка должна быть ровная, твердо лежать на столе твердомера, ее края должны быть гладкими или тщательно обработаны.
2. Поверхность должна иметь минимальную шероховатость. Должна быть отшлифована и очищена, в том числе с помощью химических составов. Одновременно, во время процессов механической обработки, важно предупредить образование наклепа и повышения температуры обрабатываемого слоя.
3. Деталь должна соответствовать выбранному методу определения твердости по параметрическим свойствам.

Выполнение первичных требований - обязательное условие точности измерений.

Твердость металлов - важное основополагающее механическое свойство, определяющее их некоторые остальные механические и технологические особенности, результаты предыдущих процессов обработки, влияние временных факторов, возможные условия эксплуатации. Выбор методики исследования зависит от ориентировочных характеристик образца, его параметров и химического состава.