Твердость и вязкость материалов: основные методы определения механических свойств

Твердость представляет собой фундаментальную характеристику материала, определяющую его сопротивление локальной пластической деформации при внедрении стандартного тела (индентора), которое не деформируется в процессе испытания. Данный метод контроля получил широкое распространение в промышленности благодаря отсутствию необходимости в изготовлении специальных образцов и возможности проведения неразрушающего контроля качества изделий. Основное применение метод нашел при оценке качества термической обработки металлических изделий, при этом количественная оценка твердости производится либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по линейным размерам полученного отпечатка (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).

При всех методах испытаний происходит пластическая деформация материала в зоне контакта, причем чем выше сопротивление материала пластическому деформированию, тем более высокие значения твердости фиксируются при измерениях. Наибольшее практическое применение в материаловедении и машиностроении получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердости, схемы которых представлены на рисунке 7.1.

Рис. 7.1. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

Метод Бринелля (ГОСТ 9012). Испытание на твердость по методу Бринелля проводят с использованием твердомера соответствующей конструкции (рис. 7.1, а), где в качестве индентора применяется закаленный стальной шарик диаметром D 2,5; 5 или 10 мм, выбор которого определяется толщиной исследуемого изделия. Величина прикладываемой нагрузки P варьируется в зависимости от диаметра шарика и предполагаемой твердости материала: для термически обработанной стали и чугуна соотношение составляет P = 30D², для литой бронзы и латуни – P = 10D², для алюминиевых сплавов – P = 2,5D².

Продолжительность выдержки под нагрузкой строго регламентирована: для стали и чугуна она составляет 10 секунд, для латуни и бронзы – 30 секунд. Полученный отпечаток (лунку) измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью специальной лупы Бринелля. Число твердости определяется как отношение приложенной нагрузки P к площади сферической поверхности отпечатка F, что математически выражается формулой: HB = P/F.

Стандартными условиями испытания считаются: диаметр шарика D = 10 мм, нагрузка P = 3000 кгс и выдержка τ = 10 секунд. При таких условиях твердость обозначается просто HB 250, тогда как в нестандартных условиях испытаний указываются все параметры, например: HB 5/250/30 – 80, что означает твердость 80, полученную при диаметре шарика 5 мм, нагрузке 250 кгс и времени выдержки 30 секунд.

Метод Роквелла (ГОСТ 9013). Метод Роквелла основан на вдавливании в поверхность материала специального наконечника под действием последовательно прикладываемых нагрузок (рис. 7.1, б). Для материалов с твердостью до HB 230 в качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром 1/16 дюйма (приблизительно 1,6 мм), а для более твердых материалов применяется алмазный конус с углом при вершине 120°.

Процесс нагружения осуществляется в два последовательных этапа: первоначально прикладывается предварительная нагрузка P₀ (10 кгс) для обеспечения плотного контакта индентора с поверхностью образца, после чего добавляется основная нагрузка P₁. Суммарная рабочая нагрузка P = P₀ + P₁ действует в течение заданного времени, после чего основная нагрузка снимается, и фиксируется глубина остаточного вдавливания h. В зависимости от природы исследуемого материала применяют три основные шкалы твердости, представленные в таблице 7.1.Таблица 7.1. Шкалы для определения твердости по Роквеллу

Метод Виккерса и микротвердость. Определение твердости по методу Виккерса основано на измерении диагонали отпечатка, оставляемого алмазной четырехгранной пирамидой с углом при вершине 136° (рис. 7.1, в). Число твердости рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P к площади поверхности полученного отпечатка F по формуле: HV = 1,8544 P/d², где d – среднее арифметическое значение длин обеих диагоналей отпечатка. Величина нагрузки P варьируется в диапазоне от 5 до 100 кгс, а измерение диагонали производится с помощью микроскопа, встроенного в прибор.

Главным преимуществом метода Виккерса является возможность измерения твердости любых материалов, включая особо твердые и тонкие изделия, а также тонкие поверхностные слои, при этом обеспечивается высокая точность и чувствительность измерений. Разновидностью данного метода является способ микротвердости, предназначенный для определения твердости отдельных структурных составляющих, фаз сплава и очень тонких поверхностных слоев толщиной в сотые доли миллиметра. При этом используется алмазная пирамида меньших размеров, а нагрузки при вдавливании составляют всего 5-500 грамм-сил.

Метод царапания и динамические испытания. Метод царапания основан на нанесении царапины алмазным конусом, пирамидой или шариком, при этом ширина полученной царапины служит мерой твердости. Сравнивая царапины на исследуемом и эталонном материалах, можно оценить относительную твердость. В некоторых методиках наносят царапину шириной 10 мм под действием определенной нагрузки и фиксируют величину нагрузки, необходимую для получения такой ширины.

Динамический метод (метод Шора) основан на измерении высоты отскока бойка с шариком, сбрасываемого на поверхность с заданной высоты. Чем больше величина отскока, тем выше твердость материала. При проведении динамических испытаний на ударный изгиб специальных образцов с надрезом по ГОСТ 9454 оценивают вязкость материалов и устанавливают их склонность к переходу из вязкого состояния в хрупкое. Вязкость характеризует способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации и является важной энергетической характеристикой.

Ударная вязкость и методы ее определения. Ударная вязкость является комплексной характеристикой, отражающей надежность материала и его способность сопротивляться хрупкому разрушению. Испытания проводят на специальных образцах с надрезами различной формы и размеров, которые устанавливают на опорах маятникового копра таким образом, чтобы надрез находился со стороны, противоположной удару ножа маятника (рис. 7.3). Работа, затраченная на разрушение образца, рассчитывается как разность потенциальной энергии маятника до и после удара: K = P(H — h), где P — вес маятника, H — высота подъема до удара, h — высота подъема после разрушения образца.

Рис. 7.3. Схема испытания на ударную вязкость: а – схема маятникового копра; б – стандартный образец с надрезом; в – виды концентраторов напряжений; г – зависимость вязкости от температуры

Ударная вязкость представляет собой удельную работу разрушения, отнесенную к площади поперечного сечения образца в месте надреза. Согласно ГОСТ 9454-78, применяются обозначения KCV, KCU и KCT, где KC — символ ударной вязкости, а третий символ указывает тип надреза: острый (V), с радиусом закругления (U) или с трещиной (Т). Проведение серийных испытаний при различных температурах позволяет построить кривые зависимости ударной вязкости от температуры и определить пороги хладоломкости материала.

Влияние температуры на механические свойства. С повышением температуры испытаний наблюдается закономерное увеличение вязкости материалов (рис. 7.2). Предел текучести σт существенно зависит от температуры, тогда как сопротивление отрыву Sот остается практически неизменным. При температурах выше порога хладоломкости предел текучести становится меньше сопротивления отрыву, что обеспечивает возможность пластического деформирования перед разрушением, и материал находится в вязком состоянии. При температурах ниже критического значения сопротивление отрыву становится меньше предела текучести, что приводит к разрушению без предварительной пластической деформации, то есть к хрупкому состоянию.

Рис. 7.2. Влияние температуры на пластичное и хрупкое состояние материалов

Хладоломкостью называют склонность металлов к переходу в хрупкое состояние при понижении температуры. Данное явление характерно для металлов с объемно-центрированной кубической (ОЦК) и гексагональной плотноупакованной (ГПУ) кристаллической решеткой, таких как железо, вольфрам, цинк и другие. Порог хладоломкости представляет собой температурный интервал изменения характера разрушения и является критическим параметром конструкционной прочности: чем ниже порог хладоломкости, тем менее чувствителен металл к концентраторам напряжений и скорости деформации.

Оценка вязкости по характеру излома. Визуальный анализ излома разрушенного образца позволяет оценить характер разрушения и вязкость материала. При вязком состоянии металла в изломе наблюдается более 90% волокнистой составляющей, и температура, обеспечивающая такое состояние, принимается за верхний порог хладоломкости Тв. При хрупком состоянии доля волокнистой составляющей в изломе не превышает 10%, что соответствует нижнему порогу хладоломкости Тн. В инженерной практике за порог хладоломкости обычно принимают температуру, при которой в изломе содержится 50% вязкой составляющей, причем эта температура должна быть ниже температуры эксплуатации изделий не менее чем на 40°С.

Испытания на выносливость (ГОСТ 2860) позволяют получить характеристики усталостной прочности материала. Усталостью называется процесс постепенного накопления повреждений под действием повторных знакопеременных напряжений, величина которых может быть ниже предела текучести, приводящий к образованию трещин и разрушению. Усталостная прочность характеризует способность материала сопротивляться усталостному разрушению.

Процесс усталости включает три последовательных этапа, которым соответствуют характерные зоны в изломе (рис. 7.4):

1. Зарождение трещины в наиболее нагруженной зоне, подвергавшейся микродеформациям и максимальному упрочнению

2. Постепенное распространение трещины с образованием гладкой притертой поверхности

3. Окончательное разрушение (долом) при уменьшении живого сечения и возрастании истинных напряжений

Рис. 7.4. Схема зарождения и развития трещины при переменном изгибе круглого образца

Характеристики усталостной прочности определяют при циклических испытаниях на изгиб при вращении (рис. 7.5). Основными характеристиками являются: предел выносливости σ_R (максимальное напряжение, выдерживаемое материалом без разрушения в течение произвольно большого числа циклов), ограниченный предел выносливости (максимальное напряжение за определенное число циклов) и живучесть (разность между полным числом циклов до разрушения и числом циклов до появления усталостной трещины).

Рис. 7.5. Испытания на усталость (а), кривая усталости (б)

Технологические свойства материалов. Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным способам обработки в холодном и горячем состоянии. К основным технологическим свойствам относятся:

1. Литейные свойства определяют способность материала к получению качественных отливок. Они включают жидкотекучесть (способность расплава заполнять литейную форму), усадку (линейную и объемную) – изменение размеров при затвердевании, и ликвацию – неоднородность химического состава по объему отливки.

2. Способность к обработке давлением отражает возможность материала изменять форму под нагрузкой без разрушения и оценивается технологическими испытаниями, приближенными к производственным условиям. Листовые материалы испытывают на перегиб и вытяжку сферической лунки, проволоку – на перегиб, скручивание и навивание, трубы – на раздачу, сплющивание и изгиб.

3. Свариваемость характеризует способность материала образовывать неразъемные соединения требуемого качества и оценивается по свойствам сварного шва и околошовной зоны.

4. Способность к обработке резанием определяет возможность обработки материала различным режущим инструментом и оценивается по стойкости инструмента и качеству обработанной поверхности.

Эксплуатационные свойства материалов. Эксплуатационные свойства определяют поведение материала в конкретных условиях работы готового изделия и включают ряд важнейших характеристик:

1. Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению при внешнем трении

2. Коррозионная стойкость – способность противостоять действию агрессивных сред (кислот, щелочей, солей)

3. Жаростойкость – сопротивление окислению в газовых средах при высоких температурах

4. Жаропрочность – способность сохранять механические свойства при повышенных температурах

5. Хладостойкость – способность сохранять пластические свойства при отрицательных температурах

6. Антифрикционность – способность материала прирабатываться к контртелу в узлах трения

Данные свойства определяются путем проведения специальных испытаний, моделирующих реальные условия эксплуатации. При выборе материала для создания конкретной конструкции необходимо комплексно учитывать все механические, технологические и эксплуатационные характеристики, обеспечивающие надежную и долговечную работу изделия в заданных условиях.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Третьякова Н.В.

Источник: Лекции по материаловедению

Данные публикации будут полезны студентам, изучающим материаловедение и металлургию, инженерно-техническим работникам и специалистам, занятым в области машиностроения, а также всем, кто интересуется историей науки о металлах и современными тенденциями разработки новых материалов.