Краткие теоретические сведения. Твердостью называется свойство материала оказывать сопротивление местной пластической деформации при контактном воздействии в

Твердостью называется свойство материала оказывать сопротивление местной пластической деформации при контактном воздействии в поверхностном слое. Измерение твердости вследствие быстроты и простоты осуществления, а также возможности без разрушения изделия суждения о его свойствах, получило широкое применение для контроля качества металлических изделий.

Существует несколько методов определения твердости.

а б в

Рис. 3. Схема определения твердости
а - по Бринеллю ; б- Роквеллу; в -Виккерсу

Определение твердости по Бринеллю (HB). Метод основан на том, что в плоскую поверхность металла вдавливается под постоянной нагрузкой P закаленный стальной шарик (рис.3, а).

После снятия нагрузки в испытуемом материале образуется отпечаток (лунка). Твердость по Бринеллю, в МПа, определяется по формуле

10^-6

где P - нагрузка, H;

D - диаметр шарика, мм;

d - диаметр отпечатка, мм.

Диаметр шарика и нагрузка P выбираются в зависимости от вида испытуемого материала:

для стали и чугуна D = 10 мм, Р = 30000 Н (Р = 300D²);

для меди и сплавов D = 10 мм, Р = 10000 Н (Р = 100D²);

для очень мягких сплавов (алюминий, баббиты и др.) D = 10 мм,
Р = 2500 Н (Р = 25D²)

При расчете твердости HB измеряют диаметр лунки d и по нему находят твердость по прилагаемым к прибору таблицам. Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов с твердостью более 450, так как шарик может деформироваться, что исказит результаты измерений.

Определение твердости по Роквеллу (HR). При этом методе твердость определяют по глубине отпечатка. Наконечником служит алмазный конус с углом при вершине 120º или стальной закаленный шарик (D = 1,588 мм). Алмазный конус применяют для твердых, а шарик - для мягких металлов. Конус и шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками (рис.3, б): предварительной Р₀ = 100 Н и общей Р = Р₀ + Р_ (где Р_ – основная нагрузка). Основная нагрузка для шарика 900 Н (шкала В), для алмазного конуса 1400 Н (шкала С) и 500 Н при испытании очень твердых и тонких металлов (шкала А).

Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу твердости принято значение осевого перемещения наконечника на 0,002 мм. Твердость по Роквеллу HR определяют по формулам HR = 100 - l (при измерении по шкалам А и С), HR = 130 - l (при измерении по шкале В). Значение l, мм:

,

где h – глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действием общей нагрузки Р, измеренная после снятия основной нагрузки Р₁ с оставлением предварительной нагрузки Р₀, мм;

h₀ – глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действием нагрузки Р₀, мм.

Твердость по Роквеллу обозначается HRA при нагрузке 600 Н (испытание алмазным конусом). HRC при нагрузке 1500 Н и HRB при нагрузке 1000 Н (испытание стальным шариком). Значения твердости сразу считывают по шкале прибора.

Для определения твердости по Роквеллу широко применяется прибор ТК-2, так как он позволяет испытывать различные материалы, а также тонкие слои. Значения твердости по Роквеллу могут быть приближенно переведены в значения твердости по Бринеллю.

При испытании нагрузку и наконечник выбирают в зависимости от твердости испытываемого материала по табл. 1.

Таблица 1

Шкала	Вид наконечника	Нагрузка, Н	Обозначение твердости	Пределы измерения твердости в единицах HR
А	Алмазный конус		HRA	70-85
В	Стальной шарик		HRB	25-100
С	Алмазный конус		HRC	20-67

При испытании неответственных деталей твердостью

HRC 20…50 допускается применение наконечника из твердого сплава.

Образец для испытаний должен иметь плоские и параллельные друг другу поверхности, без дефектов и окалины, поэтому сначала проводится зачистка поверхностей напильником, шлифовальным кругом или шлифовальной бумагой. Правильность показаний прибора периодически проверяют по эталонным образцам с известной твердостью.

Подготовленный образец помещают на столе прибора 1 (рис. 4), вращением маховика 2 по часовой стрелке устанавливают маленькую стрелку против красной точки, а вращением барабана 3 – нуль шкалы “С” против конца большой стрелки индикатора. Плавным нажатием на клавишу 4 включают привод механизма нагружения. После окончания цикла нагружения производят отсчет по шкале индикатора. Вращением маховика 2 опускают стол, и повторяют испытание не менее трех раз.

Определение твердости при вдавливании алмазной пирамиды по Виккерсу(HV). Метод используют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость. Твердость определяют, вдавливая в испытуемую поверхность (шлифованную или полированную) четырехгранную алмазную пирамиду (рис. 3, в), с углом при вершине 136º.

Твердость по Виккерсу рассчитывают по формуле:

,

где Р – нагрузка на пирамиду 50, 100, 200, 300, 500, 1000 или 1200 Н (обозначения: НV₅, НV₁₀, НV₂₀ и т. д.);

d – среднее арифметическое двух диагоналей отпечатка, измеряемых после снятия нагрузки, мм.

Чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка. Твердость по Виккерсу определяется с помощью специальных таблиц по измеряемым значениям d в мм.