Основные положения

Твердость - это способность материала сопротивляться проникновению в него под статической нагрузкой другого, более твердого тела (наконечника) определенной формы и размеров.

Это определение относится к наиболее широко применяемым методам измерения твердости при вдавливании, но существуют и другие способы воздействия на материал: царапанье, удар, магнитное поле.

Вдавливаемый наконечник может иметь форму шарика, конуса, пирамиды; изготавливается из малодеформирующегося материала: твердой закаленной стали, алмаза, сапфира, твёрдого сплава. Выбор формы, размера наконечника и величины прилагаемой нагрузки зависит от целей испытания, структуры материала и ожидаемой твердости, размеров испытываемой детали или образца.

Из всех видов механических испытаний материалов измерение твердости проводится чаще всего, т.к. оно не требует специальных образцов и выполняется непосредственно на деталях (на заготовках), не разрушая их, отличается простотой, высокой скоростью и портативностью применяемых приборов по сравнению с испытаниями на прочность, пластичность и вязкость. Следы от испытаний на твёрдость обычно не влияют на работоспособность детали, но при необходимости могут быть зачищены.

Испытание на твердость охватывает практически неограниченный круг материалов от самых мягких (графит, легкоплавкие металлы и др.) до ультратвердых (тугоплавкие карбиды и бориды, абразивные материалы и др.).

Несложно измерить твердость многотонных отливок и поковок, крупногабаритных стальных профилей и сооружений переносными твердомерами. Можно замерить твердость материалов в микрообъемах, твердость нитевидных кристаллов, микротвердость тонких поверхностных слоев, пленок и т.д.

Твердость как механическое свойство материала характеризует его состояние, микроструктуру, технологические и эксплуатационные свойства, определяет качество термообработки.

При измерении твёрдости любым методом поверхность детали (образца или заготовки) должна быть плоской, горизонтальной, чистой и не иметь таких дефектов, как окалина, забоины. Все поверхностные дефекты необходимо зачистить мелкозернистым кругом, напильником или наждачной бумагой, но так, чтобы величина твёрдости не изменилась от возможного нагрева или наклёпа поверхности.

В современных условиях производства и для научных целей применяют около тридцати методов определения твёрдости. В качестве стандартных в большинстве стран мира утверждены три:

- метод Бринелля (I. A. Brinell – шведский учёный, первым нашёл инженерное решение массового неразрушающего и производительного контроля твёрдости, 1900 г.):

- метод Роквелла (S.P.Rockwell - американский металлург, метод разработан в 1920-е годы);

- метод Виккерса (разработан сотрудниками британского концерна «Vickers Ltd» в 1920-ые годы)

Метод Бринелля

(ГОСТ 9012-59, СТ СЭВ 468-77)

Сущность метода заключается во вдавливании стального закалённого или твёрдосплавного шарика диаметром D в образец или изделие под действием статического усилия F, приложенного перпендикулярно поверхности образца в течение определённого времени, и в измерении диаметра отпечатка d после снятия нагрузки.

Диаметр отпечатка d измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях специальной лупой со шкалой окуляра до 6 мм и ценой деления шкалы 0,05 мм. Для определения числа твердости используют среднеарифметическое по полученным значениям d. На современных твердомерах Бринелля диаметр отпечатка d фиксируется на экране прибора.

Расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2,5d, между центрами двух соседних отпечатков - не менее 4d.

Рисунок 1 - Схемa измерения твердости по Бринеллю

Показателем твёрдости по Бринеллю является число твёрдости, обозначаемое символом НВ, оно рассчитывается по формуле, кгс/мм²:

HB = F/S, (1)

где Н – обозначение твёрдости (die Harte – твёрдость, нем. яз.); В – Бринелль; F – нагрузка, кГс; S – площадь поверхности отпечатка, мм².

Для некоторых материалов по числу твёрдости НВ можно вычислить предел их прочности при растяжении σ_в, т.к. они связаны эмпирической зависимостью

σ_в = к НВ, (2)

где к - величина, зависящая от материала; для мягкой стали к = 0,34; для литой стали к = 0,3…0,4; для меди и её сплавов к = 0,55 и т.д.

По технике выполнения метод Бринелля прост, обычно применяется для измерения твёрдости мягких сталей, чугунов, цветных металлов и сплавов в заготовительных цехах (заготовки); в литейных цехах (отливки); в прокатных цехах (прокат, поковки, штамповки) и в термических цехах (отожжённые, нормализованные и улучшенные детали).

Переносными напольными твердомерами Бринелля можно измерить твёрдость крупных деталей, которым не требуется тщательная подготовка поверхности. Метод Бринелля хорошо отражает среднюю твёрдость сплавов, в которых структурные составляющие значительно различаются между собой по механическим свойствам (например, чугуны с графитом, цветные антифрикционные сплавы и др.), т.к. при вдавливании шарика диаметром D = 10, 5, 2,5 мм в деформируемом объёме будут представлены и по количеству, и по расположению все структурные составляющие контролируемого сплава.

Но метод Бринелля не позволяет испытывать материалы с твёрдостью более 650 НВ, иначе возможны деформация давящего шарика и искажение результатов испытаний.

Метод Роквелла (ГОСТ 9013-59, СТ СЭВ 469-77, ИСО 6508-86)

Основан на вдавливании в испытываемый материал стандартного алмазного конуса с углом при вершине 120° или стального закалённого шарика диаметром D = 1,558 или 3,175 мм.

Рисунок 2 - Схема измерения твёрдости по Роквеллу

Вдавливание наконечника в контролируемый материал на глубину h осуществляется под действием двух последовательно прилагаемых статических усилий - предварительного F₀ и основного F₁. Предварительное погружение F_0, всегда равное 10 кГс (100 Н), обеспечивает устойчивое положение образца или детали во время основного нагружения и исключает влияние упругой деформации и шероховатости контролируемой поверхности на результаты измерения. Основное усилие F1 выбирается в зависимости от ожидаемой твердости материала и может составлять 50 (490), 90 (882), 140 (1372) кГс (Н). Сумма предварительного и основного усилия составляет общее усилие:

F=F₀+F₁ (3)

Единица твердости по Роквеллу - безразмерная величина, соответствующая глубине вдавливания наконечника на 0,002 мм (чем меньше глубина вдавливании h, тем выше твердость материала). Число твердости считывается со шкалы индикатора или показателя цифрового отсчетного устройства твердомера с округлением до 0,5 единиц твердости.

На современных приборах Роквелла для контроля твердости предусмотрено девять шкал (табл.4):

A, C, D - при работе алмазным конусом,

B, F, G - при работе стальным шариком D = 1,588 мм,

E, H, K - при работе стальным шариком D = 3,175 мм. Наиболее часто используют три шкалы:

чёрную - для алмазного конуса:1) A (F = 60 кГс), 2) С (F = 150 кГс);

красную - для стального шарика диаметром D = 1,588 мм – В (F = 100 кГс).

Твердость по Роквеллу обозначается цифрами, характеризующими величину твердости, и буквами HR с указанием шкалы, например, 70HRA, 90HRB, 56HRC.

Минимальная толщина испытываемого материала в зависимости от его твёрдости составляет по шкалам A 0,2…0,8мм, С 0,6…1,5мм, В 0,5…2мм.

Расстояние между центрами соседних отпечатков должно быть не менее 2 мм, от центра отпечатка до края образца - не менее 1 мм. Условия измерения твердости материалов для метода Роквелла по шкалам А, В, С приведены в табл. 2, по остальным шкалам - в приложении, табл. 4. Для получения достоверных результатов необходимо соблюдать пределы измерения твердости, указанные в табл. 2 по шкалам. При испытании материалов твердостью менее 20 HRC алмазный конус слишком глубоко проникает в материал, поэтому такие материалы испытывают по шкале В.

Материалы с твёрдостью более 70 HRC испытывают по шкале А. При их испытании по шкале С (F = 150 кГс) создаётся большое давление на вершину конуса, и он может выкрошиться.

При твёрдости материала ниже 30 HRB показания будут неточными из-за слишком большой площади соприкосновения шарика с образцом; при твёрдости выше 100 HRB, во-первых, шарик может деформироваться, во-вторых, очень мала глубина проникновения шарика в материал (0,06 мм). Метод Роквелла характеризуется высокой производительностью и точностью измерений, прост, позволяет испытывать материалы как низкой, так и высокой твёрдости; благодаря малому размеру отпечатка сохраняет качество поверхности после испытаний.

Таблица 2 – Шкалы и пределы измерения твердости прибором Роквелла

Единица твёрдости	Шкала	Тип наконечника	Усилие F, кГс (Н)	Пределы измерения твёрдости	Применение
HRC	С (черная)	Алмазный конус	150 (1472)	20…70 HRC	Закалённые стали и др. твёрдые материалы, твёрдые поверхностные слои толщиной более 0,5 мм
HRA	А (черная)	Алмазный конус	60 (590)	20…88 HRA	Твёрдые и сверхтвёрдые сплавы, твёрдые тонкие листовые материалы и поверхностные слои после ХТО толщиной менее 0,5 мм
HRB	В (красная)	Стальной закалённый шарик	100 (982)	30…100 HRB	Мягкие стали, цветные металлы и сплавы

Но метод ограниченно применяется для сплавов с неоднородной структурой (чугуны с графитом, цветные подшипниковые сплавы), т.к. при малом размере отпечатка неоднородность структуры заметно сказывается на показаниях прибора Роквелла.

Метод Виккерса ГОСТ 2999-75, СТ ЭВ 70-77

Основан на вдавливании правильной четырехгранной алмазной пирамиды с квадратным основанием и углом при вершине 136° в испытываемую поверхность (шлифованную или полированную) под действием нагрузки Р от 1 до 100 кГс, приложенной в течение определённого времени, и последующем измерении диагоналей отпечатка d, оставшегося после снятия нагрузки. Измерение диагоналей отпечатка производится с помощью измерительного микроскопа, встроенного в твердомере. Расстояние между центром отпечатка и краем образца или детали, а также краем смежного с ним отпечатка должно быть не менее 2,5 диагоналей отпечатка.

Твёрдость по методу Виккерса обозначается символом HV, например: 460 HV.

Практически величина твёрдости HV берется из специальных таблиц в зависимости от среднего арифметического значения измеренных диагоналей отпечатка и нагрузки.

Рисунок 3 – Схема измерения твердости по Виккерсу

Преимущество метода Виккерса перед методами Бринелля и Роквелла состоит в том, что возможность использования малых нагрузок (до 1 кГс, или 9,8 Н) позволяет проверять материалы и поверхностные слои очень высокой твёрдости при малой толщине (0,2…0,5 мм).

Значения твёрдости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу взаимосвязаны. Зная твёрдость по одному из методов можно по специальным переводным таблицам с определенной степенью приближённости определить твёрдость по двум другим методам. Точность показаний любого твёрдомера в процессе работы можно проверять по специальным контрольным плиткам (образцам).

Таблица 3 - Условия испытаний и результаты измерения твердости

Материал

Метод испытания (прибор)

Условия испытания

Замеры

Един. измер.

Перевод в HB

Р, кГс

Вид наконечника

ср.

Сталь (прокат)

Бринелль

D=10мм

HB

Cталь (прокат)

Роквелл

Шарик D=1,588

HRB

…HB

Cталь 20 После отжига (0,20%С)

Роквелл

Шарик D=1,588

HRB

…HB

Сталь 45 (0,45%С)

Роквелл

Шарик D=1,588

HRB

…HB

Сталь У8 (0,8%С)

Тип Роквелл

Шарик D=1,588

HRB

…НВ

Задание студенту:

1. Изучить сущность методов измерения твердости по Бринеллю и Роквеллу.
2. Измерить твердость отожженных сталей имеющихся марок на приборе Бринелля стальным шариком диаметром D = 10 мм при усилии F = 3000 кГс; условия испытания и результаты измерений занести в таблицу 3.
3. Измерить твердость отожженных сталей имеющихся марок на приборе Роквелла стальным шариком диаметром D = 1,588 мм при усилии F = 100 кГс; условия испытания и результаты измерений занести в таблицу 3.
4. По полученным результатам построить график зависимости твердости отожженной стали от содержания в ней углерода, объяснить его (рис. 4).
5. Составить письменный отчет, который должен содержать:

- определение твердости;

- краткое описание методов определения твердости;

- схемы измерения твердости;

- достоинства, недостатки и области применения методов Бринелля и Роквелла:

- таблицу с результатами измерений;

- график зависимости твердости отожженной стали от содержания в ней углерода;

- выводы по работе, в которых указать факторы, влияющие на твердость материалов (в т.ч. для стали).

6. Ответить на контрольные вопросы для подготовки к защите данной работы.

HRB

80

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 С%

Рисунок 4 - График зависимости твердости отожженной стали от содержания в ней углерода

Контрольные вопросы

1. Что называется твёрдостью?

2. В чем сущность методов измерения твёрдости по Бринеллю и Роквеллу?

3. Как обозначаются значения твёрдости в соответствии с конкретным методом её измерения?

4. Укажите преимущества и недостатки разных способов определения твёрдости.

5. Назовите пределы измеряемых значений твёрдости, установленные для разных твердомеров.

6. Какой из рассмотренных методов измерения твёрдости является наиболее производительным?

7. Какое должно быть расстояние между отдельными отпечатками на поверхности деталей или образца и почему?

8. Как влияет подготовка поверхности материала на результаты измерения твёрдости?

9. Как можно проверить правильность показания твердомеров в процессе работы?

10. От каких факторов зависит выбор метода измерения твёрдости материала?

11. Какой метод позволяет измерить твёрдость материалов как низкой, так и высокой твёрдости?

12. По какой шкале метода Роквелла и почему испытывают материалы очень высокой твёрдости?

13. Какой метод и почему наиболее объективно отражает среднюю твёрдость материалов с неоднородной структурой (например, чугунов)?

14. Назовите принципиальные сходство и различие между методами определения твёрдости по Бринеллю и Роквеллу.

Литература

1. Лахтин Ю.М., Леонтьев В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1900, с. 95-98.

2. Кондратьев Е.Т. Технология конструкционных материалов и материаловедение. М.: Колос, 1992, с. 17-18.

3. Самохоцкий А.И., и др. Материаловедение. М.: Металлургия, 1990, с. 87-93.

4. Солнцев Ю.А., Веселов В.А. Металловедение и технология металлов. М.: Металлургия, 1988, с. 87-88.

5. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М.: Металлургия, 1989, с. 171 – 187.

Приложение А

Таблица 4 - Условия измерения твёрдости металлов и сплавов для метода Роквелла (ГОСТ 9013-59, СТ СЭВ 469-77)

Шкала твёрдости	Наконечник	Обозн. ед. измер.	Предварит. Усилие F0 Н(кГс)	Основное усилие F1, Н (кГс)	Общее усилие F, Н (кГс)	Диапазон измер. ед. тверд.
A	Алм.конус	HRA	98.07 (10)	490,3 (50)	588,4 (60)	20…88
B	D=1,588	HRB	98.07 (10)	882,6 (90)	980,7 (100)	30…100
C	Алм. конус	HRC	98.07 (10)	1373 (140)	1471 (150)	20…70
D	Алм. конус	HRD	98.07 (10)	882,6 (90)	980,7 (100)	40…70
E	D=3,175	HRE	98.07 (10)	882,6 (90)	980,7 (100)	70…100
F	D=1,588	HRF	98.07 (10)	490,3 (50)	588,4 (60)	60…100
G	D=1,588	HRG	98.07 (10)	1373 (140)	1471 (150)	30…94
H	D=3,175	HRH	98.07 (10)	490,3(50)	588,4 (60)	80…100
K	D=3,175	HRK	98.07 (10)	1373 (140)	1471 (150)	40…100

Лабораторная работа № 4