Определение твердости материалов

Твердостью называется способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого материала. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструменты: резцы, сверла, фрезы, ножовочные полотна и др. Детали машин, как правило, должны иметь среднюю твердость, т.к. при большой твердости их будет трудно обрабатывать на станках, а если они будут мягкими, то на их поверхности могут образоваться вмятины и царапины. Кроме того, при средней твердости прочность удачно сочетается с вязкостью. Твердость материала определяется сравнительно просто и быстро. Поэтому определение твердости – это самый распространенный вид механических испытаний материалов.

Твердость материала простейшими способами определяется с помощью напильника, зубила или керна. Чем мягче материал, тем легче срезается металл напильником. Так, у закаленных сталей при работе напильником практически не видно царапин на поверхности, а алюминиевые детали легко повреждаются не только напильником, но и просто острым предметом. Мягкие металлы легко перерубаются зубилом при небольших усилиях, а твердые – при значительных.

Твердость металлов в производственных условиях определяется тремя способами,

названными по именам их изобретателей: способы Бринелля, Роквелла и Виккерса.

 

Метод Бринелля основан на том, что в металл под нагрузкой Р вдавливают закаленный стальной шарик (рис.2) определенного диаметра D и по величине диаметра отпечатка d судят о его твердости. Твердость по Бринеллю (НВ) определяется из выражения:

, кгс/мм² ,

где – нагрузка, кгс (кН); – площадь поверхности отпечатка, мм².

Нагрузка Р, диаметр шарика D и продолжительность выдержки шарика под нагрузкой выбираются в зависимости от вида материала, толщины образца и предполагаемой твердости по таблице 1. После нагружения шарика нагрузкой Р и выдержки под этой нагрузкой измерительной лупой определяют диаметр отпечатка d. По выше приведенной расчетной формуле или диаметру отпечатка в таблице 1 при шарике диаметром 10 мм и нагрузке30 кН (3000 кгс) находят соответствующее число твердости НВ, например, при диаметре отпечатка d = 3,5 мм будет твердость металла НВ 302.

Твердость НВ, измеренная по методу Бринелля, для ряда металлов, связана эмпирической зависимостью с пределом их прочности при растяжении s_В:

s_В =0,35 НВ – для сталей,

s_В =0,45 НВ – для медных сплавов.

Таблица 1.

Зависимость режимов испытания (D, Р, t)

от твердости и толщины испытываемого образца

Материал	Твердость НВ, кгс/мм2	Толщина образца, мм	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка Р, кгс	Выдержка i, с
Черные металлы	140…450	более 6 3…6 менее 3	2,5	187,5
Менее 140	более 6 3…6 менее 3	2,5	62,5
Цветные металлы	35…130	Более 6 3…6 менее 3	2,5	62,5
8…35	Более 6 3…6 менее 3	2,5	62,5 15,6

 

К недостаткам метода Бринелля необходимо отнести невозможность испытания металлов, имеющих твердость более НВ 450, или толщину менее 2 мм, появление остаточных следов деформации на поверхности испытанного изделия. При испытании металлов с твердостью более НВ 450 возможна деформация шарика, вследствие чего результаты будут неточными.

Метод Роквелла основан на том, что в испытуемый образец вдавливается индентор (тело внедрения): алмазный конус с углом при вершине 120° или закаленный стальной шарик диаметром 1,59 мм. Алмазный конус используют для твердых металлов, а шарик – для мягких. Алмазный конус или шарик (рис.3) вдавливают в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок – предварительной Р₀, равной 0,1 кН (10 кгс), и основной Р₁.

При вдавливании алмаза к нему прилагается общая нагрузка Р = Р₀+Р₁:

0,6 кН (60 кгс) – шкала твердомера А;

или 1,5 кН (150 кгс) – шкала твердомера С.

При вдавливании шарика прилагается общая нагрузка 1кН (100кгс)– шкала твердомера В.

Соответственно этим нагрузкам на индикаторе прибора имеются шкалы: черные А и С и красная В. Шкалой А пользуются при измерении твердости изделий с очень твердым поверхностным слоем, полученным посредством химико-термической обработки (цементация, азотирование и др.), а также твердых сплавов с твердостью до HRA 85. Шкалой В пользуются при измерении твердости незакаленных сталей, цветных металлов и сплавов, имеющих твердость до HRB 100. Шкалой С пользуются при измерении твердости закаленных сталей, обладающих твердостью до HRС 67. Числа твердости по Роквеллу измеряются в условных единицах и определяются при вдавливании алмазного конуса по формулам:

где 100 – число черных делений шкалы С и шкалы А циферблата индикатора прибора, а 130 – число красных делений шкалы В; h₀ – глубина (мм) внедрения алмаза (шарика) под действием предварительной нагрузки; h – глубина (мм) внедрения алмаза (шарика) под действием общей нагрузки Р, замеренной после ее снятия, но с оставлением предварительной нагрузки; 0,002 мм – глубина внедрения алмаза (шарика), соответствующая перемещению стрелки индикатора на одно деление.

Метод Роквелла отличается простотой и высокой производительностью, практически обеспечивает сохранение качества поверхности после испытаний, позволяет испытывать металлы и сплавы как низкой, так и высокой твердости при толщине изделия (слоя) до 0,8 мм. Этот метод не рекомендуется применять для сплавов с неоднородной структурой (чугуны: серые, ковкие и высокопрочные). Соотношение твердостей материалов, замеренных этими двумя различными способами, видно из таблицы 2.

Таблица 2.

Соотношение чисел твердости по Бринеллю и Роквеллу

Твердость	Твердость	Твердость
По Роквеллу	По Бринеллю	По Роквеллу	По Бринеллю	По Роквеллу	По Бринеллю
шкала	D=10 мм, Р = 3000 кгс	шкалы	D=10 мм, Р=3000 кгс	шкала	D=10 мм, Р=3000 кгс
С	Диаметр отпечатка, мм	HB	C	B	Диаметр отпечатка, мм	НВ	В	Диаметр отпечатка, мм	HB
HRC	HRC	HRB	HRB
	2,20			–	3,40			4,60
	2,25			–	3,45			4,65
	2,30			–	3,50			4,70
	2,35			–	3,55			4,75
	2,40			–	3,60			4,80
	2,45			–	3,65			4,85
	2,50			–	3,70			4,90
	2,55			–	3,75			4,95
	2,60			–	3,80			5,00
	2,65			–	3,85			5,05
	2,70				3,90			5,10
	2,75				3,95			5,15
	2,80				4,00			5,20
	2,85				4,05			5,25
	2,90				4,10			5,30
	2,95				4,15			5,35
	3,00				4,20			5,40
	3,05				4,25			5,45
	3,10				4,30			5,50
	3,15				4,35			5,55
	3,20				4,40			5,60
	3,25				4,45			5,65
	3,30				4,50			5,70
	3,35				4,55			5,75

 

Рис. 4. Схема определения твердости по Виккерсу.

Испытание на твердость по Виккерсупроводят вдавливанием в испытываемый образец четырехгранной алмазной пирамиды с углом при вершине 136° (рис.4). Твердость по Виккерсу определяется так же как и твердость по Бринеллю отношением нагрузки Р к площади поверхности полученного отпечатка F. Величина твердости характеризуется символом HV:

, кгс/мм²,

где – угол между противоположными гранями пирамиды при вершине, равный 136°; – среднее арифметическое значение длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки в мм.

При испытаниях применяют нагрузки, равные 50, 100, 200, 300, 500 и 1000 Н. Возможность применения малых нагрузок в 50 и 100 Н позволяет определять твердость деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, например: цементированных, цианированных и азотированных сталей.

В табл. 3 представлены варианты обозначения твердости различных материалов.

Таблица 3.

Варианты материалов с различной твердостью*

№ варианта	Значения твердости материалов
	HB 280 HRA 72 HB 470 HB 780 HRA 74	HV 130 HB 110 HRB 50 HV 530 HB 430	HRC 47 HV 420 HB 477 HRC 54 HV237	HRB 77 HRC 50 HRA 82 HRB 70 HRC 27
	HB 480 HRC 80 HV 280 HB 280 HB 470	HB 130 HV 130 HRA 30 HV 130 HRB 50	HRC 37 HRA 47 HRC 47 HRC 47 HB 477	HRB 67 HRB 67 HRA 77 HRB 77 HRA 82
	HB 780 HB 480 HRC 80 HB 410 HRC 45	HV 530 HB 130 HV 130 HRC 66 HB 170	HRC 54 HRC 37 HRA 47 HV 340 HRA 57	HRB 70 HRB 67 HRB 67 HRB 77 HV 230
	HRC 53 HB210 HV 280 HRC 51 HV 234	HV 430 HRC 35 HB 130 HRA 70 HRC 43	HB 630 HRB 75 HRC 37 HV 313 HRB 327	HRA 85 HV 150 HRA 77 HB 260 HRC 57
	HB 170 HRA 67 HRC 54 HRC 51 HV 434	HRA 60 HRC 76 HV 150 HRA 70 HRC 56	HV 330 HB 700 HB 437 HV 313 HB 210	HRC 75 HV 310 HRA 57 HB 260 HRC 29

* Здесь и далее № варианта совпадает с порядковым номером студента в списке группы.

Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю имеют одинаковую размерность и для материалов твердостью до НВ 450 практически совпадают. Вместе с тем измерения пирамидой дают более точные значения для материалов с высокой твердостью, чем измерения с использованием шарика или конуса. Алмазная пирамида имеет большие угол в вершине и диагональ ее отпечатка, что повышает точность измерения отпечатка даже при проникновении пирамиды на небольшую глубину. Диагональ отпечатка измеряют с помощью измерительного микроскопа, вмонтированного в твердомер Виккерса.

В настоящее время имеются более удобные (портативные, с цифровой индикацией твердости по Бринеллю и Роквеллу, с относительно небольшой погрешностью измерений) в работе твердомеры. Так, твердомер динамический ЭЛИТ-2 измеряет твердость стальных изделий по скорости отскока бойка от поверхности, а твердомер ультразвуковой УЗИТ-3 - методом измерения акустического импеданса при внедрении магнитостриктора с алмазом Виккерса в поверхность изделия.