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

Диаметр отпечатка	По Бринеллю	По Роквеллу	По Виккерсу
d10	НВ, МПа	НRА	НRС	НRВ	НV
2,3				−
2,4				−
2,5				−
2,6				−
2,7				−
2,8				−
2,9				−
3,0				−
3,1				−
3,2				−
3,3				−
3,4				−
3,5				−
3,6				−
3,7
3,8
3,9
4,0
4,1
4,2
4,3
4,4			−
4,5			−
4,6		−	−
4,7		−	−
4,8		−	−
4,9		−	−
5,0		−	−
5,1		−	−		−
5,2		−	−		−
5,3		−	−		−
5,4		−	−		−
5,5		−	−		−
5,6		−	−		−

Порядок выполнения работы

1) Ознакомиться с методами определения основных характеристик прочности, пластичности и твердости.

2) Провести измерения размеров стандартных образцов из среднеуглеродистой конструкционной стали до и после разрушения, рассчитать значения относительного удлинения и ударной вязкости.

3) С использованием табл. 1 определить твердость на образцах среднеуглеродистой конструкционной стали методами Бринелля, Роквелла и Виккерса.

4) По полученным значениям твердости определить по эмпирическим
зависимостям статическую прочность и предел выносливости стали, указать
ее марку.

Содержание отчета

1) Краткое описание методик определения основных характеристик механических свойств металла. Эскизы стандартных образцов для испытания на разрыв, на разрушение, схемы испытания и расчетные формулы.

2) Результаты измерений и расчетов.

3) Заполненная табл. 2 с результатами исследований механических свойств испытуемых образцов.

Таблица 2

Результаты исследований испытуемых образцов

Испытуемый образец	Значение твердости	δ, %	σв, МПа
HB	HRC	HRB	HRA	HV

Вопросы для самоконтроля

1) Какие свойства металла относятся к физическим, химическим, технологическим? Приведите примеры.

2) Какие свойства металла относятся к механическим? Дайте определение основных механических свойств металла.

3) Как проводят испытания по определению предела прочности металла на растяжение?

4) Как проводят испытания по определению ударной вязкости металла?

5) Какие методы испытаний по определению твердости металла известны?

6) Что понимают под усталостью металла и как ее определяют?

7) Какие методы определения твердости рекомендованы для очень твердых и мягких материалов?

8) Что такое пластичность металла? Приведите ее характеристики и их определение.

Библиографический список

1. Бычков Г. В. Материаловедение: Конспект лекций / Г. В. Бычков, А. А. Ражковский, А. В. Смольянинов / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2005. Ч. 1. 57 с.

2. Материаловедение и технология конструкционных материалов для железнодорожной техники / Под ред. Н. Н. Воронина. М.: Маршрут, 2004. 456 с.

Учебное издание

РАУБА Александр Александрович, РАЖКОВСКИЙ Александр Алексеевич,

ПЕТРОЧЕНКО Сергей Валерьевич, ТИХОМИРОВ Владимир Игнатьевич

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.

РАЗДЕЛ «МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ»

Редактор Н. А. Майорова

Корректор Д. А. Волнина

***

Подписано в печать 01.07.2011. Формат 60 ´ 84 ¹/₁₆.