Определение твердости материалов

Твердостью называется способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого материала. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструменты: резцы, сверла, фрезы, ножовочные полотна и др. Детали машин, как правило, должны иметь среднюю твердость, т.к. при большой твердости их будет трудно обрабатывать на станках, а если они будут мягкими, то на их поверхности могут образоваться вмятины и царапины. Кроме того, при средней твердости прочность удачно сочетается с вязкостью. Твердость материала определяется сравнительно просто и быстро. Поэтому определение твердости – это самый распространенный вид механических испытаний материалов.

Твердость материала простейшими способами определяется с помощью напильника, зубила или керна. Чем мягче материал, тем легче срезается металл напильником. Так, у закаленных сталей при работе напильником практически не видно царапин на поверхности, а алюминиевые детали легко повреждаются не только напильником, но и просто острым предметом. Мягкие металлы легко перерубаются зубилом при небольших усилиях, а твердые – при значительных.

Твердость металлов в производственных условиях определяется тремя способами,

названными по именам их изобретателей: способы Бринелля, Роквелла и Виккерса.

Метод Бринелля основан на том, что в металл под нагрузкой Р вдавливают закаленный стальной шарик (рис.2) определенного диаметра D и по величине диаметра отпечатка d судят о его твердости. Твердость по Бринеллю (НВ) определяется из выражения:

, кгс/мм² ,

где – нагрузка, кгс (кН); – площадь поверхности отпечатка, мм².

Нагрузка Р, диаметр шарика D и продолжительность выдержки шарика под нагрузкой выбираются в зависимости от вида материала, толщины образца и предполагаемой твердости по таблице 1. После нагружения шарика нагрузкой Р и выдержки под этой нагрузкой измерительной лупой определяют диаметр отпечатка d. По выше приведенной расчетной формуле или диаметру отпечатка в таблице 1 при шарике диаметром 10 мм и нагрузке30 кН (3000 кгс) находят соответствующее число твердости НВ, например, при диаметре отпечатка d = 3,5 мм будет твердость металла НВ 302.

Твердость НВ, измеренная по методу Бринелля, для ряда металлов, связана эмпирической зависимостью с пределом их прочности при растяжении s_В:

s_В =0,35 НВ – для сталей,

s_В =0,45 НВ – для медных сплавов.

Таблица 1.

Зависимость режимов испытания (D, Р, t)

от твердости и толщины испытываемого образца

К недостаткам метода Бринелля необходимо отнести невозможность испытания металлов, имеющих твердость более НВ 450, или толщину менее 2 мм, появление остаточных следов деформации на поверхности испытанного изделия. При испытании металлов с твердостью более НВ 450 возможна деформация шарика, вследствие чего результаты будут неточными.

При вдавливании алмаза к нему прилагается общая нагрузка Р = Р₀+Р₁:

0,6 кН (60 кгс) – шкала твердомера А;

или 1,5 кН (150 кгс) – шкала твердомера С.

При вдавливании шарика прилагается общая нагрузка 1кН (100кгс)– шкала твердомера В.

Соответственно этим нагрузкам на индикаторе прибора имеются шкалы: черные А и С и красная В. Шкалой А пользуются при измерении твердости изделий с очень твердым поверхностным слоем, полученным посредством химико-термической обработки (цементация, азотирование и др.), а также твердых сплавов с твердостью до HRA 85. Шкалой В пользуются при измерении твердости незакаленных сталей, цветных металлов и сплавов, имеющих твердость до HRB 100. Шкалой С пользуются при измерении твердости закаленных сталей, обладающих твердостью до HRС 67. Числа твердости по Роквеллу измеряются в условных единицах и определяются при вдавливании алмазного конуса по формулам:

где 100 – число черных делений шкалы С и шкалы А циферблата индикатора прибора, а 130 – число красных делений шкалы В; h₀ – глубина (мм) внедрения алмаза (шарика) под действием предварительной нагрузки; h – глубина (мм) внедрения алмаза (шарика) под действием общей нагрузки Р, замеренной после ее снятия, но с оставлением предварительной нагрузки; 0,002 мм – глубина внедрения алмаза (шарика), соответствующая перемещению стрелки индикатора на одно деление.

Метод Роквелла отличается простотой и высокой производительностью, практически обеспечивает сохранение качества поверхности после испытаний, позволяет испытывать металлы и сплавы как низкой, так и высокой твердости при толщине изделия (слоя) до 0,8 мм. Этот метод не рекомендуется применять для сплавов с неоднородной структурой (чугуны: серые, ковкие и высокопрочные). Соотношение твердостей материалов, замеренных этими двумя различными способами, видно из таблицы 2.

Таблица 2.

Соотношение чисел твердости по Бринеллю и Роквеллу

Рис. 4. Схема определения твердости по Виккерсу.

Испытание на твердость по Виккерсупроводят вдавливанием в испытываемый образец четырехгранной алмазной пирамиды с углом при вершине 136° (рис.4). Твердость по Виккерсу определяется так же как и твердость по Бринеллю отношением нагрузки Р к площади поверхности полученного отпечатка F. Величина твердости характеризуется символом HV:

, кгс/мм²,

где – угол между противоположными гранями пирамиды при вершине, равный 136°; – среднее арифметическое значение длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки в мм.

При испытаниях применяют нагрузки, равные 50, 100, 200, 300, 500 и 1000 Н. Возможность применения малых нагрузок в 50 и 100 Н позволяет определять твердость деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, например: цементированных, цианированных и азотированных сталей.

В табл. 3 представлены варианты обозначения твердости различных материалов.

Таблица 3.

Варианты материалов с различной твердостью*

* Здесь и далее № варианта совпадает с порядковым номером студента в списке группы.

Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю имеют одинаковую размерность и для материалов твердостью до НВ 450 практически совпадают. Вместе с тем измерения пирамидой дают более точные значения для материалов с высокой твердостью, чем измерения с использованием шарика или конуса. Алмазная пирамида имеет большие угол в вершине и диагональ ее отпечатка, что повышает точность измерения отпечатка даже при проникновении пирамиды на небольшую глубину. Диагональ отпечатка измеряют с помощью измерительного микроскопа, вмонтированного в твердомер Виккерса.

В настоящее время имеются более удобные (портативные, с цифровой индикацией твердости по Бринеллю и Роквеллу, с относительно небольшой погрешностью измерений) в работе твердомеры. Так, твердомер динамический ЭЛИТ-2 измеряет твердость стальных изделий по скорости отскока бойка от поверхности, а твердомер ультразвуковой УЗИТ-3 - методом измерения акустического импеданса при внедрении магнитостриктора с алмазом Виккерса в поверхность изделия.