Испытания на твердость

Под твердостью понимается способность материала сопротивляться внедрению в его поверхность твердого тела − индентора. В качестве индентора используют закаленный стальной шарик или алмазный нако­нечник в виде конуса или пирамиды. При вдавливании поверхностные слои материала испытывают значительную пластическую деформацию. После снятия нагрузки на поверхности остается отпечаток. Особенность происходящей пластической деформации состоит в том, что она протека­ет в небольшом объеме и вызвана действием значительных касательных напряжений, так как вблизи наконечника возникает сложное напряженное состояние, близкое к всестороннему сжатию. По этой причине пластиче­скую деформацию испытывают не только пластичные, но и хрупкие матери­алы. Таким образом, твердость характеризует сопротивление материала пластической деформации. Такое же сопротивление оценивает и предел прочности, при определении которого возникает сосредоточенная дефор­мация в области шейки. Поэтому для целого ряда материалов численные значения твердости и временного сопротивления пропорциональны. От­меченная особенность, а также простота измерения позволяют считать испытания на твердость одним из наиболее распространенных видов ме­ханических испытаний. На практике широко применяют четыре метода измерения твердости.

Твердость по Бринеллю. При этом стандартном (ГОСТ 9012-59) методе измерения твердости в поверхность образца вдавливают закален­ный стальной шарик диаметром 10; 5 или 2,5 мм при действии нагрузки от 5000 до 30000 Н. После снятия нагрузки на поверхности образуется отпечаток в виде сферической лунки диаметром d(рис. 4.10а). Диаметр лунки измеряют лупой, на окуляре которой нанесена шкала с делениями. Число твердости по Бринеллю НВ определяют путем деления нагрузки Рна площадь поверхности сферического отпечатка:

(4.14)

где D — диаметр вдавливаемого шарика, мм.

Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012-59 записывают без единиц измерения.

Рис. 4.10. Схемы определения твердости по Бринеллю (а) и Виккерсу (б)

На практике при измерении твердости расчет по указанной выше фор­муле не производят, а используют заранее составленные таблицы, указы­вающие значение НВ в зависимости от диаметра отпечатка и выбранной нагрузки. Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость.

Способ измерения по Бринеллю не является универсальным. Его ис­пользуют для материалов малой и средней твердости: сталей с твердо­стью < 450 НВ, цветных металлов с твердостью < 200 НВ и т.п. Для них установлена корреляционная связь между временным сопротивлением (в МПа) и числом твердости НВ: s_в » 3,4 НВ — для горячеката­ных углеродистых сталей, s_в »4,5 НВ — для медных сплавов, s_В » 3,5 НВ — для алюминиевых сплавов.

Твердость по Виккерсу. При стандартном методе измерения твердости по Виккерсу (ГОСТ 2999-75) в поверхность образца вдавливают четырехгранную ал­мазную пирамиду с углом при вершине 136°. Отпечаток получа­ется в виде квадрата (рис. 4.10б), диагональ которого измеряют по­сле снятия нагрузки, число твердости вычисляют по уравнению:

, (4.15)

где Р в Н, d в мм.

На практике число твердости определяют по специаль­ным таблицам по значению диагонали отпечатка при выбранной нагрузке.

Метод Виккерса применяют главным образом для материалов, име­ющих высокую твердость, а также для испытания на твердость деталей малых сечений или тонких поверхностных слоев. Как правило, использу­ют небольшие нагрузки: 10, 30, 50, 100, 200, 500 Н. Чем тоньше сечение детали или исследуемый слой, тем меньше выбирают нагрузку.

Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю для материалов, имею­щих твердость до 450 НВ, практически совпадают.

Твердость по Роквеллу. Этот метод измерения твердости (ГОСТ 9013-59) наиболее универсален и наименее трудоемок. Здесь не нужно измерять размеры отпечатка, так как число твердости отсчитывают не­посредственно по шкале твердомера. Число твердости зависит от глубины вдавливания наконечника, в качестве которого используют алмазный ко­нус с углом при вершине 120° или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Нагрузку выбирают в зависимости от материала наконечника. Для раз­личных комбинаций нагрузок и наконечников прибор Роквелла имеет три измерительных шкалы: А, В, С. Твердость по Роквеллу обозначают ци­фрами, определяющими уровень твердости, и буквами HR с указанием шкалы твердости, например: 70 HRA, 58 HRC, 50 HRB.

Шкала А (наконечник − алмазный конус, общая нагрузка 600 Н). Эту шкалу применяют для особо твердых материалов, для тонких листо­вых материалов или тонких (0,5-1,0 мм) слоев. Измеренную твердость обозначают HRA. Пределы измерения твердости по этой шкале 70-85.

Шкала В (наконечник − стальной шарик, общая нагрузка 1000 Н). По этой шкале определяют твердость сравнительно мягких материалов (< 400 НВ). Пределы измерения твердости по шкале В 25-100.

Числа твердости по Роквеллу не имеют точных соотношений с чи­слами твердости по Бринеллю и Виккерсу.

Шкала С (наконечник − алмазный конус, общая нагрузки 1500 Н). Эту шкалу используют для твердых материалов (> 450 НВ), например закаленных сталей. Измеренную твердость обозначают HRC. Пределы измерения твердости по этой шкале 20-67.

Микротвердость. Метод стандартизован (ГОСТ 9450-76). Микротвердость определяют вдавливанием в поверхность образца алмазной пирамиды при небольших нагрузках (0,05-5 Н) и измерением диагона­ли отпечатка. Число твердости Н определяют по той же формуле, что и вычисление числа твердости по Виккерсу. Методом определения микротвердости оценивают твердость отдельных зерен, структурных составляющих, тонких слоев или тонких деталей.