Краткие теоретические сведения. Измерение твердости самый доступный и распространенный ме­тод статических испытаний

Измерение твердости самый доступный и распространенный ме­тод статических испытаний материалов, который широко использует­ся как в исследовательских целях, так и как средство контроля ка­чества металла во многих областях промышленности. Существуют различные методы определения твердости металла: вдавливание индентора, отскок бойка т. д. Самым распростра­ненным из них является метод вдавливания индентора. При этом под твердостью понимается свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии в поверхност­ном слое со стороны другого, более твердого тела (называемого индентором).

В настоящей работе предлагается ознакомиться с методами испытания металлов на твердость по Бринеллю и Роквеллу, а также ознакомится с испытаниями по Виккерсу, Шору, испытанием на микротвердость.

Испытание на твердость по Бринеллю.Испытание на твердость по Бринеллю производится вдавливанием в испытуемый образец стального закаленного шарика диаметром D под действием заданной нагрузки Р в течение определенного време­ни. После снятия нагрузки на поверхности образца получается от­печаток (лунка) диаметром d и глубиной h (рис. 1). Число твердости по Бринеллю (НВ) опре­деляют как отношение нагрузки Р к площади поверхности полученного отпечатка (шарового сегмента) F = πDh:

НВ = P/F (1)

и имеет размерность напряжения (МПа). Однако, в соответствии со стандартом, оно не пишется. Так как глубину отпечатка h измерить трудно, а гораздо проще измерить диаметр отпечатка d, то целесо­образно величину h выразить через диаметр шарика D и отпечат­ка d, т. е. h = (D-(D²-d²)^1/2)/2. Тогда число твердости по Бринеллю будет определяться по формуле:

HB = 2P/(pD(D-(D²-d²)^0,5) (2)

Автоматический рычажный пресс Бринелля. Пресс Бринелля (рис. 2) состоит из станины 1, в верхней части которой имеется шпин­дель 2, в который вставляется наконечник с шариком 3. Столик 4 служит для установки на нем испытуемого образца 5. Вращением по часовой стрелке диска 6 приводят в движение винт 7, который, перемещаясь вверх, поднимает столик 4, и образец 5 прижимается к закаленному шарику 3. Электродвигатель включается нажатием кнопки, расположенной сбоку пресса. При этом рычаг 8 с подвес­кой 9 и грузами 10 опускается, соз­давая нагрузку на шарик 3, который вдавливается в образец 5. Через оп­ределенное время рычаг 8 и подвеска 9 с грузами 10 поднимется, снимая нагрузку с шарика 3. В момент вращения электродвигателя загорается сигнальная лампочка 11. Когда рычаг и подвеска с грузами достигают ис­ходного положения, электродвигатель автоматически останавливается, и лампочка 11 гаснет. Вращением диска 6 против часовой стрелки опускается столик 4.

Рисунок 1 – Схема определения твердости по Бринеллю	Рисунок 3 – Отсчет по шкале лупы
а)	б)
Рисунок 2 – Общий вид (а) и схема (б) пресса Бринелля

Выбор диаметра закаленного шарика и нагрузки. При определении твердости по Бринеллю используют шарики одного из трех диаметров (D = 10; 5 и 2,5 мм). Диаметр шарика выбирают в зависимости от толщины испы­туемого образца. Чем меньше толщина образца, тем меньший диаметр шарика используют. Нагрузку Р выбирают в зависимости от твердости испытуемого материала по формуле:

P = KD² (3),

где К – коэффициент, зависящий от твердости испытуемого материала.

В первом приближении можно принять: для стали и чугуна К = 30; для меди и медных сплавов К = 10; для мягких металлов (алюминий, маг­ний, олово, свинец и сплавов на их основе) К = 2,5.

Для более точного выбора диаметра шарика и нагрузки в зави­симости от твердости и толщины испытуемого образца следует поль­зоваться таблицей 1.

Таблица 1 – Выбор диаметра шарика и нагрузки

Материал	Предел измерения (НВ)	Минимальная толщина образца, мм	P = kD	D, мм	Р, Н	Время выдержки под нагрузкой
Черные металлы	140-450	6-3 4-2 < 2	P = 300D	10,0 5,0 2,5
< 140	> 6 6-3 < 3	P = 100D	10,0 5,0 2,5
Цветные металлы	> 1300	6-3 4-2 < 2	P = 300D	10,0 5,0 2,5
350-1300	9-3 6-3 < 3	P = 100D	10,0 5,0 2,5
80-350	> 6 6-3 < 3	P = 25D	10,0 5,0 2,5

Во избежание остаточной деформации закаленных шариков необходимо, чтобы твердость испытуемого мате­риала не превышала НВ 450.

Подготовка образца. Перед испытанием поверхность образца, в которую вдавливается шарик, обрабатывают наждачным камнем или напильником, чтобы она была ровной, гладкой и не было окалины или других дефектов. При обработке поверхности образец не должен нагреваться выше 100-150°С.

Подготовка поверхности образца необходима для получения пра­вильного отпечатка и чтобы края его были отчетливо видны для из­мерения.

Подготовка пресса Бринелля и проведение испытания.

1. Устано­вить на подвеску 9 (рис. 2) грузы 10, соответствующие выбранной для испытания нагрузке.

2. Наконечник с шариком вставить в шпиндель 2 и укрепить.

3. На столик 4 поместить испытуемый образец 5. Образец должен плотно лежать на столике. Центр отпечатка должен находиться от края образца на расстоянии не менее диаметра шарика, а при пов­торных испытаниях центр отпечатка должен находиться от центра соседнего отпечатка на расстоянии не менее двух диаметров шарика.

4. Вращением диска 6 по часовой стрелке поднять столик и прижать образец 5 к шарику 3, продолжить вращать диск 6 до тех пор, пока пружина не сожмется и диск 6 перестанет вращаться.

5. Нажатием кнопки включить электродвигатель. При этом загорится сигнальная лампочка 11.

6. После автоматической остановки вращения электродвигателя и прекращения горения лампочки 11 вращением против часовой стрелки диска 6 опустить столик 4, снять с него образец 5 с полученным отпечатком.

7. Измерить диаметр полученного отпечатка.

8. Определить твердость материала образца.

Измерение отпечатка и определение твердости. Полученный от­печаток измеряют с помощью специальной лупы в двух взаимно пер­пендикулярных направлениях. Диаметр отпечатка определяется как среднее арифметическое из двух измерений. Лупа имеет шкалу с ценой деления 0,05 мм. Нижней частью опоры лупу плотно прижимают к испытуемой поверхности образца над отпечатком. Поворачивая окуляр, необходимо добиться, чтобы края отпечатка были резко очерчены. Затем, передвигая лупу, надо один край отпечатка совместить с началом шкалы (рис. 3). Прочитать деление шкалы, с которым совпадает противоположный край отпечатка. Данный отсчет и будет соответствовать размеру диаметра отпечатка.

Чтобы не прибегать к длительным вычисле­ниям твердости по приведенной выше формуле, на практике пользуются специальной таблицей, которая дает перевод диаметра отпечатка в число твердости (НВ) (табл. 2).

Испытание на твердость по Роквеллу. Если использование метода Бринелля ограничено средней твердостью (до 450 НВ), то метод Роквелла позволяет измерить твердость до 1000 НВ, что намного расширяет круг испытуемых материалов и делает этот метод более универсальным. Испытание на твердость по методу Роквелла проводят вдавливанием в испытуемый образец (деталь) алмазного (или из твердого сплава) конуса с углом 120° или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм. Шарик и конус вдавливают в испытуемый образец под де­йствием двух последовательно приложенных нагрузок: предваритель­ной Р₀ и основной Р₁, т. е. Р = Р₀ + Р₁. Предварительная нагрузка Р₀ во всех случаях равна 100 Н. Основная нагрузка Р₁ и общая Р, а также вид индентора зависят от твердости исследуемого материала (табл. 3). Большая нагрузка предусмотрена для измерения твердых и относительно прочных материалов, таких как закаленные стали. Твердые и хрупкие материалы, например, твердые сплавы, испытываются при малой нагрузке. В соответствии с этими нагрузками прибор имеет три шкалы измерения: А, B, C.

Число твердости по Роквеллу – число отвлеченное и выражает­ся в условных единицах. За единицу твердости принята величина, соответствующая осе­вому перемещению индентора на 0,002 мм. Число твердости по Роквеллу НR определяется по формулам: при измерении по шкале В НRВ = 130 - е, при измерении по шкале С НRС = 100 - е и А НRА = 100 - е. Величина е определяется по следующей формуле:

e = 500(h-h₀), (4)

где h – глубина внедрения индентора в испытуемый материал под действием общей нагрузки Р, измеренная после снятия основной наг­рузки Р₁ с оставлением предварительной нагрузки Р₀; h₀ – глубина внедрения индентора в испытуемый материал под дейс­твием предварительной нагрузки Р₀ (рис. 4).

Рисунок 4 – Схема определения твердости вдавливанием алмазного конуса на приборе Роквелла

Метод Роквелла имеет широкое применение, так как дает возможность испытывать мягкие, твердые, а также тонкие материалы. Отпечатки от конуса или шарика очень малы, что позволяет испытывать готовые детали без их порчи; испытание легко выполнимо и занимает мало времени; число твердости читается прямо по шкале. Значения твердости по Роквеллу могут быть переведены в значе­ния твердости по Бринеллю и наоборот. С этой целью используют специальные таблицы (табл. 2, 3).

Твердомер Роквелла. Твердомер Роквелла (рис. 5) состоит из станины 1, в верхней передней части которой расположен шпиндель 2, в который с помощью винта закрепляется индентор 3. Стол 4 служит для установки на нем испытуемого образца 5. При вращении по часовой стрелке маховика 6 приводится во вращение винт 7, который, перемещаясь вверх, перемещает стол 4 и образец 5, подводя его к индентору 3. При дальнейшем вращении маховика 6 индентор 3 (шарик или алмазный конус) начинает внедряться в исследуемый образец 5, а маленькая и большая стрелки поворачиваются по шкале индикатора 8. Маховик вращают до тех пор, пока малая стрелка на циферблате индикатора 8 не совпадет с красной точкой (или риской). Это свидетельствует о том, что создана предварительная нагрузка Р = 100 Н.

Таблица 2 – Таблица определения чисел твердости по Бринеллю и перевода значений твердости, определенных различными методами

Твердость HV	Твердость HB	Твердость HR по шкале	Твердость HV	Твердость HB	Твердость HR по шкале
Диаметр отпечатка, мм	HB при испытании стандартным стальным шариком	C	A	B	Диаметр отпечатка, мм	HB при испытании стандартным стальным шариком	C	A	B
	2,20 2,25 2,30 2,35 2,40 2,45 2,50 2,55 2,60 2,65 2,70 2,75 2,80 2,85 2,90 2,95 3,00 3,05 3,10 3,15 3,20 3,25 3,30 3,35 3,40 3,45 3,50 3,55 3,60 3,65 3,70 3,75 3,80 3,85 3,90 3,95				― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ―		4,00 4,05 4,10 4,15 4,20 4,25 4,30 4,35 4,40 4,45 4,50 4,55 4,60 4,65 4,70 4,75 4,80 4,85 4,90 4,95 5,00 5,05 5,10 5,15 5,20 5,25 5,30 5,35 5,40 5,45 5,50 5,55 5,60 5,65 5,70 5,75		― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ―	― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ―

Таблица 3 – Выбор нагрузки и индентора для испытаний на твердость по методу Роквелла

Материалы	Вид индентора	Р0, Н	Р1, Н	Р, H	Шкала	Обозначение твердости	Предел измерений
Твердые материалы (сплавы)	Алмаз. конус				А	HRA	70-85
Мягкая сталь, цветные металлы	Сталь. шарик				В	HRB	25-100
Термообр. стали	Алмаз. конус				C	HRC	20-67

Установку шкалы индикатора 8 на нуль производят вращением полукольца 9. Циферблат индикатора 8 имеет две шкалы черную (С и А совмещены) и красную (В). В исходном состоянии большая стрелка индикатора должна совпадать с нулевым делением шкалы С.

а)	б)
Рисунок 5 – Общий вид (а) и схема (б) твердомера Роквелла

Приведение в действие основной нагрузки осуществляется путем поворота тумблера 10 (включается электродвигатель) и нажатием клавиши 11 (приводится в действие кулачковый механизм привода электродвигателя). При этом подвеска с грузами 12 опускается и этим обеспечивается действие основной нагрузки. Создается общая нагрузка (предварительная + основная). Под действием основной нагрузки алмазный конус или шарик еще глубже проникает в испыту­емый образец, при этом большая стрелка индикатора 8 поворачива­ется против часовой стрелки. После окончания вдавливания основ­ная нагрузка автоматически снимается и остается только предварительная нагрузка. Большая стрелка индикатора 8 при этом перемещается по часовой стрелке и указывает на соответствующей шкале индикатора число твердости по Роквеллу. После испытания вращением маховика 6 против часовой стрел­ки стол 4 опускают и образец 5 освобождают от действия предва­рительной нагрузки.

Подготовка образца к исследованию. Испытуемая поверхность образца не должна иметь таких дефектов, как окалина, забоины, грязь, различные покрытия. Все дефекты должны быть удалены наж­дачным кругом, напильником или наждачной бумагой. При обработке поверхность образца не должна нагреваться выше 100-150 °С.

Подготовка твердомера Роквелла к работе и проведение испыта­ния.

1. Закрепить оправку с алмазным конусом или шариком и уста­новить необходимую нагрузку.

2. Установить испытуемый образец 5 на стол 4 прибора.

3. Вращением маховика 6 по часовой стрелке стол осторожно поднимать до тех пор, пока малая стрелка индикатора не встанет против красной точки (или риски) на шкале индикатора 8.

4. Вращением полукольца 9 установить нуль шкалы С (черного цвета) против конца большой стрелки индикатора.

5. Включить тумблер 10.

6. Плавным нажатием руки на клавишу 11 включить в работу привод механизма нагружения.

7. После окончания цикла нагружения произвести отсчет по шкале индикатора.

8. Вращением маховика 6 против часовой стрелки опустить стол, образец передвинуть и повторить испытание на новом месте. На каждом образце должно быть проведено не менее трех испытаний. Расстояние от центра отпечатка до края образца или до центра другого отпечатка должно быть не менее 3 мм.

9. Выключить тумблер 10.

Твердость по Виккерсу и микротвердость.Испытания по Виккерсу и определение микротвердости идентичны. Нагружение проводится алмазной четырехгранной пирамидой с углом при вершине 136°. По нагрузке, приходящейся на единицу площади отпечатка, определяется число твердости:

НV = 1,8544 Р/d² МПа (5),

где Р – нагрузка на пирамиду, Н;

d – диагональ отпечатка, м.

Разница между этими методиками состоит в величинах используемых нагрузок. В методе Виккерса используются нагрузки 5-100 кгс, а при микроиспытаниях 5-500 г. Определение твердости по Виккерсу проводится на твердомере Виккерса (рис. 6), определение микротвердости – на микротвердомере (рис. 7).

Рисунок 10.6 – Твердомер Виккерса модель HV-50A. Предназначен для определения твердости по Виккерсу как черных, так и цветных металлов, твердых сплавов, цементированных, азотированных и других слоев поверхностного упрочнения. Испытательная нагрузка: 1, 5, 10, 20, 30, 50 кгс	Рисунок 10.7 – Микротвердомер ПМТ-3М. Предназначен для оценки микротвердости металлов, сплавов, минералов, стекла, керамики и др. методом вдавливания алмазных наконечников Виккерса (увеличение: 130х, 500х, 800х; диапазон нагрузок: 0,002-0,5 кгс)

Толщина испытуемых образцов должна быть не менее 1,5 диагоналей. Чтобы отпечаток имел правильную форму, образец должен быть обязательно плоскопараллельным, его поверхность должна быть шлифованной и полированной, так как отпечаток, ввиду его малых размеров, измеряется с использованием микроскопа.

Оба метода не имеют ограничений по измеряемой твердости. Метод Виккерса применяется для измерения твердости и толщины упрочненных поверхностных слоев методами цементации, азотирования и цианирования конструкционных сталей. Более тонкие слои, полученные азотированием и цианированием инструментальных сталей, борированием, хромированием инструмента и т. д. испытываются на микротвердомере. Метод микротвердости используется для измерения твердости отдельных структурно-фазовых составляющих. Твердость при микроиспытаниях обозначается Н_μ. Следует отметить, что до твердости НВ400 числа твердости по Бринеллю и Виккерсу совпадают, при более высокой твердости величина НV превышает НВ, и чем выше твердость, тем больше расхождение.

Твердость по Шору (рис. 8) - один из методов измерения твердости материалов. Как правило, используется для измерения твердости неметаллических материалов: пластмасс, эластомеров, каучуков и продуктов их вулканизации.

Твердость по Шору обозначается в виде числового значения шкалы, к которому приписывается буква, указывающая тип шкалы с явным указанием названия метода измерения твердости или прибора (дюрометра). Например, «Твердость по Шору 80A», «Твердость по дюрометру 80A», «Твердость по Шору 80 по шкале D».

Метод основан на измерении глубины начального вдавливания индентора и глубины вдавливания индентора после заданных периодов времени. Метод является эмпирическим испытанием. Не существует простой зависимости между твердостью, определяемой с помощью данного метода, и каким-либо фундаментальным свойством испытуемого материала.

а)	б)
Рисунок 8 – Аналоговый дюрометр Шора (а), установленный на штативе с устройством пригружения (б)

Метод отличается сравнительно большим разбросом значений результатов измерений, но удобен своей простотой (в том числе конструкцией измерительного прибора) и оперативностью проведения измерений, позволяя производить их, в том числе, на готовых изделиях, крупногабаритных деталях и криволинейных поверхностях достаточно больших радиусов. Метод получил широкое распространение в производственной практике.

Твердомеры портативные. Портативные твердомеры используют разные методы для определения твердости металлов и сплавов (рис. 9-11):

- механические – используют метод вдавливания индентора. Используются для измерения твердости мягких металлов, пластмасс, резины и т. д.;

- контактно-импедансные (ультразвуковые) – твердость определяется по изменению частоты колебаний индентора датчика при его внедрении в контролируемую поверхность;

- динамические – осуществляется удар по поверхности изделия и выполняется замер скорости индикатора датчика.

Рисунок 9 – Беспроводной динамический твердомер ТН154. Измеряет твердость по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу или Шору с расширенной памятью для хранения данных измерения	Рисунок 10 – Твердомер ультразвуковой NOVOTEST Т-У1. Измеряет твердость металлов и сплавов по шкалам твердости: Роквелла (20-70 HRC) Бринелля (90-450 HB) Виккерса (230-940 HV)	Рисунок 11 – Твердомер динамический NOVOTEST Т-Д2. Измеряет твердость металлов и сплавов по шкалам твердости: Роквелла (20-70 HRC) Бринелля (90-450 HB) Виккерса (230-940 HV)

Связь между твердостью и прочностью материалов.Статистическая обработка экспериментальных результатов позволила определить зависимость между твердостью по Бринеллю и пределом прочности для сырых незакаленных сталей и других металлов и сплавов. Эта зависимость описывается простым уравнением:

s_в = kHB (6)

Таблица 4. Значения коэффициентов «k» для различных материалов

№ п/п	Материалы	Значение «k»
	Чугуны	0,15
	Алюминиевые сплавы литейные	0,25
	Алюминиевые сплавы деформируемые	0,38
	Стальное литье	0,32-0,36
	Малоуглеродистые кованые и горячекатаные стали	0,36
	Высокопрочные стали	0,33
	Аустенитные стали и медные сплавы	0,45
	Титановые сплавы	0,30

Из таблицы 4 видно, что значение коэффициента k в значительной степени зависит для одного и того же материала от структурного строения. Деформация алюминиевых сплавов ведет к увеличению коэффициента в 1,5 раза. Не меньший разбег коэффициента можно получить при изменении структуры стали. Если технологические процессы получения и обработки материалов надежно устойчивы, то для каждой группы материалов можно подобрать переходный коэффициент и оценивать прочность по измерению твердости. В иностранной литературе прочность, полученную таким способом, предложено называть «прочностью по Бринеллю». Такое определение прочности возможно только для пластичных вязких материалов. Для хрупких материалов эта методика не применима.

Задание

1. Изучить схемы и устройство пресса Бринелля и прибора Роквелла, выбор инденторов и нагрузок, подготовку образцов и приборов к работе.

2. Определить твердость по Бринеллю мягкой стали или цветных сплавов и твердость по Роквеллу термообработанной стали. Результаты испытаний оформить в виде протокола (табл. 5 и 6).

3. Выбрать материал и провести испытания на твердость данного материала по методам Бринелля и Роквелла. Сравнить полученные результаты с таблицей перевода значений твердости (табл. 2).

4. Написать отчет по работе в соответствии с п.п. 1-3.

Таблица 5 – Протокол испытания на твердость по Бринеллю

№ п/п	Материал	D, мм	Р, Н	Диаметр отпечатка, мм	Твердость, НВ	Твердость по Роквеллу (перевод)
						НВср.

Таблица 6 – Протокол испытания на твердость по Роквеллу

№ п/п	Материал	Шкала	Твердость, HR	Твердость по Бринеллю (перевод)
			среднее

Контрольные вопросы

1. Что понимают под твердостью материала при определении ее методом вдавливания?

2. От чего зависит выбор диаметра шарика индентора и нагрузки при испытании на твердость по Бринеллю?

3. Как рассчитать нагрузку на индентор при измерении твердости по Бринеллю?

4. Для каких материалов применим метод измерения твердости по Бринеллю?

5. Почему при использовании метода Бринелля вводятся ограничения при измерении твердости очень твердых материалов?

6. Какие инденторы и нагрузки используют при испытании мате­риала по Роквеллу? Для испытания каких материалов они предназна­чены?

7. Как устанавливается предварительная нагрузка в приборе Роквелла? По каким шкалам определяется твердость по Роквел­лу? Как она обозначается?

8. Как перевести значение твердости по Роквеллу в твердость по Бринеллю и наоборот?

9. Изложить методику определения твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу.

10. Указать области использования метода микротвердости.

11. Какие материалы испытывают на твердость по Шору?

12. На каких физических принципах основана работа портативных твердомеров?

Лабораторная работа №3