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 вдавливании в испытуемый металл индентора в виде шарика, алмазного конуса и алмазной пирамиды – методы Бринелля, Роквелла и Виккерса (рис. 8).

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).

а б в

Рис. 8. Схема определения твердости

по Бринеллю (а), по Роквеллу (б) и по Виккерсу (в)

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

Твердость по Бринеллю обозначают 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:

, (10)

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

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

D и d – диаметр шарика и 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 внесет погрешность в результат испытаний. Этот метод используется в основном для измерения твердости заготовок и полуфабрикатов из неупрочненного 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 HRC 70) 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 сумме двух указанных нагрузок. После предварительного нагруже-ния по индикатору малой стрелки большая стрелка твердомера выставляется на «0» шкалы индикатора и включается основная нагрузка. В момент снятия основ-ной 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 в испытуемый образец 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 металлов, а также материалов деталей малой толщины основная нагрузка принимается равной 60 кг. Обозначение твердости – НRА, например: НRC 40, НRА 90 – твердость по Роквеллу по шкале «С» − 40 условных единиц; по шкале «А» – 90.

Метод определения твердости по Роквеллу позволяет испытывать мягкие и твердые металлы, при этом отпечатки от шарика или конуса очень малы, поэтому с помощью данного метода 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 136º (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):

, (11)

где d – длина диагонали отпечатка, мм.

Например, запись 500 HV означает, что твердость по Виккерсу составляет 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.).

Для соизмерения значений твердости, определенных различными способами, применяются переводные таблицы (табл. 1).

Для оценки механических свойств материалов и приблизительного значения предела прочности можно использовать значение твердости, определенной по испытаниям способом Бринелля. Эмпирическое соотношение предела прочности и твердости, определенной по испытаниям способом Бринелля, имеет вид:

σ_в≈ 0,33НВ_max, (12)

где σ_в – временное сопротивление;

НВ_max − максимальное значение твердости при нагрузке, с которой начинается плавное понижение твердости.

Таблица 1

Сравнение значений твердости, определенной различными способами