Основные положения. При проектировании и производстве машин, механизмов, инструментов те или иные детали должны обладать определенными механическими свойствами

При проектировании и производстве машин, механизмов, инструментов те или иные детали должны обладать определенными механическими свойствами. Механические свойства металлов характеризуют сопротивление материала деформации и разрушению под действием внешних нагрузок. Практически все методы определения механических свойств являются разрушающими. Для проведения испытаний необходимы специальные машины, процессы испытания довольно длительны, особенно если учесть весьма продолжительный процесс изготовления специальных образцов.

Механические свойства и физические свойства зависят от многих факторов: от состава материала, вида обработки (пластической деформации, термической обработки). Поэтому в процессе изготовления тех или иных деталей необходимо контролировать свойства, особенно механические. Как отмечено ранее, обычные методы испытания механических свойств не могут быть использованы на промежуточных стадиях изготовления деталей вследствие длительности и дороговизны изготовления образцов, длительности самого процесса испытания. В этом случае пользуются методами определения твёрдости.

Твёрдость имеет большое практическое значение, так как она отражает многие рабочие свойства материала, например, сопротивляемость истиранию, режущие свойства, способность обрабатываться шлифованием или резанием, выдерживать местные давления и т. д. Кроме того, по твёрдости можно судить и о других механических свойствах (например, о прочности на разрыв). Следовательно, между твёрдостью и другими свойствами материалов существует определенная связь, подтверждаемая практикой.

Широкое распространение испытаний материалов на твёрдость объясняется тем, что при этом не требуется изготовления специальных образцов; методика испытаний весьма проста и может осуществляться непосредственно на готовой детали без разрушения.

Большинство методов определения твёрдости основано на принципе вдавливания в испытуемый материал твёрдых тел (закалённого стального шарика, алмазного конуса или алмазной пирамиды) и последующего измерения размеров отпечатков. Поэтому часто твёрдость определяют, как способность материала сопротивляться внедрению в него другого тела. Однако такое определение не является общим, так как существуют и другие методы определения твёрдости, основанные не на вдавливании, а на царапании, качании маятника, динамическом методе и других принципах.

Наиболее широко практикуются испытания твёрдости по Бринеллю, по Роквеллу, по Виккерсу и метод определения микротвердости. Во всех перечисленных методах при вдавливании индентора происходит пластическая деформация испытуемого материала под индентором. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем на меньшую глубину проникает индентор и тем выше твёрдость.

По Бринеллю определяют твёрдость относительно мягких материалов: цветных металлов и их сплавов, отожжённых сталей и любых чугунов (кроме белого).

По Роквеллу чаще всего определяют твёрдость очень твёрдых материалов: закалённых сталей, твёрдых сплавов, керамики, твёрдых покрытий, в том числе наплавленных слоев достаточной глубины на сталях и чугунах. Но на приборе Роквелла можно определять твёрдость и сравнительно мягких материалов.

Метод Виккерса используется для испытания твёрдости деталей малой толщины или тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твёрдость. Реже этот метод применяется для измерения твёрдости твёрдых и мягких материалов.

Методом микротвердости обычно измеряется твёрдость в пределах отдельных зёрен или очень тонких слоев. Два последних метода чаще всего используются в исследовательских работах.

Твёрдость по методу Бринелля. Определение твёрдости по Бринеллю основано на вдавливании в испытуемый материал стального шарика и последующего измерения диаметра отпечатка (рис. 1).

Твёрдость по Бринеллю (НВ) выражается отношением взятой нагрузки Р к площади поверхности отпечатка F:

Рис. 1

. (1)

Если вычислить поверхность отпечатка, имеющего форму шарового сегмента, то НВ определится формулой

, (2)

где Р – приложенная нагрузка, кгс; D – диаметр шарика, мм; d – диаметр отпечатка, мм.

Размер шарика выбирается в зависимости от толщины испытуемого образца: шарики стандартных размеров имеют диаметры 10 мм, 5 мм или 2,5 мм.

Нагрузка на шарик выбирается в зависимости от рода материала и должна быть пропорциональна квадрату диаметра шарика. Условные стандартные нормы, принятые для различных материалов:

для стали и чугуна Р = 30 D ²,

для меди и медных сплавов P = 10 D ²,

для баббитов и свинцовистых бронз Р = 2,5 D ².

Более подробные сведения по выбору нагрузки и времени ее приложения для различных материалов приводятся в соответствующей таблице в лаборатории испытания твёрдости.

Для получения достоверных данных при измерениях твёрдости размер отпечатка должен находиться в пределах

0,2 D < d < 0,6 D. (3)

Рис. 2

Диаметр отпечатка измеряют с помощью лупы Бринелля или микроскопа в двух взаимно перпендикулярных направлениях и определяют как среднее арифметическое из двух измерений. Лупа имеет шкалу, малое деление которой равно 0,05 мм (цена деления). На рис. 2 показано измерение диаметра отпечатка с помощью лупы.

По результатам измерения диаметра отпечатка на данном материале твёрдость по Бринеллю определяется с помощью формулы (2) или по таблице определения чисел твёрдости по Бринеллю (таблица приводится в Приложении 1).

Как отмечалось ранее, между механическими свойствами (в частности, пределом прочности и твёрдостью по Бринеллю) существует определенная зависимость, которая может быть представлена эмпирической формулой:

[МПа],

где С – коэффициент пропорциональности.

Для сталей (при 0,1–0,7 % C) С = 3,3…3,4

Для сталей (при 0,8–1,3 % C) С = 3,5…3,6

Для алюминия С = 4,0

Для меди С = 4,8

Для дуралюмина С = 3,7

Для латуни, бронзы С = 5,3

Следует отметить, что для хрупких материалов (чугун, силумин) надежной корреляции между твёрдостью и пределом прочности получить не удаётся. В частности, для определения предела прочности серого чугуна пользуются следующей эмпирической формулой:

[МПа].

Твёрдость по методу Роквелла. Определение твёрдости по Роквеллу основано на вдавливании в исследуемый материал алмазного конуса с углом в вершине 120° (шкалы А и С) и последующим измерением глубины вдавливания h (см. рис. 3) или стального шарика диаметром 1,5875 мм (шкала В).

Рис. 3

Твёрдость по Роквеллу выражается отвлеченной величиной, зависящей от глубины вдавливания h, и может быть вычислена по формуле, но в этом нет необходимости, так как твёрдость определяется по показаниям прибора.

Метод Роквелла позволяет проводить испытания деталей после объёмной закалки и поверхностного упрочнения достаточной глубины. Определение твёрдости по этому методу практически не связано с порчей поверхности изделия.

Шкала С служит для испытания твёрдых материалов, имеющих твёрдость по Бринеллю от 230 до 700 кгс/мм². Алмазный конус вдавливается с усилием 150 кгс. Интервал измерения твёрдости по шкале С – от 22 до 68 единиц, твёрдость обозначается HRС.

Шкала А используется при испытании очень твердых материалов или тонких поверхностных слоев (0,5–1,0 мм). Применяют тот же алмазный конус, но сила вдавливания 60 кгс. Значение твердости определяют по шкале С, но обозначают НRА. Интервал измерения твёрдости по этойшкале от 70 до 85 единиц.

Шкала В предназначена для испытания мягких материалов, имеющих твёрдость по Бринеллю от 60 до 230 кгс/мм². Стальной шарик диаметром 1,5875 мм вдавливается с усилием в 100 кгс. Твёрдость измеряется в пределах от 25 до 100 единиц шкалы В и обозначается HRB.

Рис. 4

Твёрдость по Виккерсу. Метод заключается во вдавливании алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды, в образец (изделие) под действием нагрузки Р и измерении диагонали отпечатка d,оставшегося после снятия нагрузки (рис. 4).

Нагрузка Р может меняться от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Твёрдость по Виккерсу

[МПа],

если Р выражена в Н, и

[кгс/мм²],

если Р выражена в кгс.

Метод используют в основном для определения твёрдости деталей малой толщины, тонких покрытий или твёрдости внешних слоев детали после неглубокого поверхностного упрочнения (например, после азотирования). При рациональном выборе нагрузки на приборе Виккерса можно проводить измерения, заменяя методы Бринелля и Роквелла.

Чем тоньше материал, покрытие или упрочнённый слой, тем меньше должна быть нагрузка. Число твёрдости по Виккерсу HV определяют по специальным таблицам по измеренной величине d (диагонали отпечатка в миллиметрах) с учётом приложенной при измерении нагрузки.

Рис. 5

Микротвёрдость. Определение микротвёрдости (твердости в микроскопически малых объемах) необходимо для тонких покрытий, отдельных структурных составляющих сплавов (рис. 5). Прибор для определения микротвёрдости состоит из механизма для вдавливания алмазной пирамиды с небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа. В испытываемую поверхность вдавливают алмазную пирамиду под нагрузкой 0,05…5,00 Н. Твёрдость Н определяют по той же формуле, что и твердость по Виккерсу:

,

если нагрузка Р выражена в (Н).