Твердость - свойство материала сопротивляться воздействию внешних нагрузок при непосредственном соприкосновении.

Все методы измерения твердости имеют одинаковый принцип:

вдавливание в поверхность образца инородного тела (индентора) различной формы, размера с различной нагрузкой.

Различают следующие методы определения твердости:

1. Метод Бринелля (индентор – стальной шарик);

2. Метод Роквелла (индентор - алмазный конус или стальной шарик);

3. Метод Виккерса (индентор - алмазная пирамидка).

 

Схемы этих методов приведены на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема определения твердости:

а) - по Бринеллю; 6) - по Роквеллу; в) - по Виккерсу

Метод Бринелля

Испытание по методу Бринелля (рис. 4.1, а) состоит из вдавливания в

испытуемое тело стального шарика диаметром D под действием постоянной нагрузки Р (Р=1000 кг — для цветных металлов; Р—3000 кг — для черных металлов) и измерении диаметра отпечатка d на поверхности образца. Число твердости по Бринеллю НВ определяется величиной нагрузки Р, деленной на сферическую поверхность отпечатка. Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость металла. На практике твердость определяют не по формулам, а по специальным таблицам, исходя из диаметра отпечатка d.

Твердость по Бринеллю обозначается НВ, где Н – твердость, В – метод Бринелля. Твердость по Бринеллю измеряется в МПа.

Метод Роквелла

Измерение твердости по этому методу проходит быстрее и удобнее, чем по методу Бринелля, так как значение твердости выводится на шкалу прибора.

При испытании по методу Роквелла (рис. 4.1, б ) индентором служит алмазный конус или для более мягких материалов - стальной шарик. Конус и шарик вдавливаются в металл с различной нагрузкой. На приборе имеются три шкалы. При испытании алмазным конусом и нагрузке Р= 150 кг шкала обозначается С, а твердость обозначается HRC, при испытании алмазным конусом, но с нагрузкой Р = 60кг шкала обозначается A, а твердость - HRA, при испытании стальным шариком с нагрузкой 100кг шкала обозначается В, а твердость - HRB (таблица 4.1).

Таблица 4.1.

Шкалы прибора Роквелла.

Обозначение шкалы	Цвет шкалы прибора	Индентор	Нагрузка Р, кг
НRA	Черный	Алмазный конус
HRB	Красный	Стальной шарик
HRC	Черный	Алмзный конус

 

Единицы твердости по Роквеллу — безразмерные величины.

Метод Виккерса

Твердость по Виккерсу (рис. 4.1, в) определяют путем вдавливания правильной четырехгранной пирамидки под действием нагрузки Р и измерения диагонали отпечатка d. Нагрузка меняется от 1 до 100 кг. Число твердости по Виккерсу HV определяют с помощью специальных таблиц по величине диагонали отпечатка.

Метод Виккерса служит для измерения твердости в тонких сечениях и поверхностных слоях. Измеряется в МПа и обозначается HV.

 

Микротвердость

Для измерения микротвердости используется в качестве индентора алмазная пирамидка, которая вдавливается с нагрузкой Р ≈ 10г-500г. Приборы для измерения микротвердости оснащены оптическим микроскопом, так как сам метод используют для измерения твердости отдельных зерен и других элементов микроструктуры.

Микротвердость обозначается Н_μ и измеряется в МПа.

 

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ

МЕТОДОМ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ

 

Испытания на одноосное растяжение - наиболее распространенный вид испытаний для оценки механических свойств металлов и сплавов. Для испытаний на растяжение используют стандартные разрывные образцы с рабочей частью в виде цилиндра (цилиндрические, рис.4.2, б), или стержня с прямоугольным сечением (плоские образцы, рис.4.2, а).

Помимо основной рабочей части, образцы имеют головки различной конфигурации для закрепления в захватах разрывной машины.

Непосредственно перед испытаниями измеряют рабочие размеры образца:

1. Начальную длину рабочей части образца - 1₀, мм;

2. Начальный диаметр рабочей части для цилиндрических образцов - d₀, мм;

3. Начальные толщину - h₀, мм и ширину b₀, мм для плоских образцов.

 

Рис.4.2. Типы стандартных цилиндрических образцов

а) Плоский разрывной образец	б) Цилиндрический разрывной образец

 

При испытании образцов на разрывной машине записывается диаграмма растяжения в координатах нагрузка Р, кг и удлинение ∆l, мм. Подобные диаграммы называются неприведенными. Диаграммы растяжения в координатах напряжение σ, МПа и деформация ε, % называются приведенными.

 

Рис.4.3. Диаграммы растяжения.

а) приведенная диаграмма растяжения	б) неприведенная диаграмма растяжения

 

Под воздействием приложенной к образцу нагрузки материал начинает деформироваться. На разных этапах растяжения образца в материале возникают разные виды деформации: упругая и пластическая, механизм которых носит различный характер.

 

Виды деформации.

Упругая деформация — обратимая деформация, т.е. полностью исчезает после снятия нагрузки.

Механизм упругой деформации заключается в смещении атомов на небольшие расстояния около своего равновесного положения в кристаллической решетке и последующего возвращения в исходное состояние под действием сил межатомного взаимодействия (сил притяжения в случае растяжения и сил отталкивания в случае сжатия).

Пластическая деформация — необратимая (остаточная) деформация. Накапливается в материале по мере приложения нагрузки, сопровождается видимыми изменениями размеров образца.

Механизм пластической деформации заключается в движении и размножении дислокаций с одновременным увеличением их плотности по кристаллографическим плоскостям (рис.4.4.). Механизмы движения дислокаций совпадают с механизмами самой пластической деформации.

 

Рис.4.4. Схема пластической деформации путем последовательных

перемещений дислокации в кристаллической решетке.

 

 

Рассмотрим механические свойства и их количественные характеристики, определяемые из диаграммы растяжения.

 

Жесткость

При малых напряжениях приложение нагрузки вызывает только упругую обратимую деформацию. В этой области нагружения деформация ε, строго пропорциональна напряжению σ и между ними имеется линейная зависимость:

σ = Е∙ε,

где Е - модуль упругости (модуль Юнга), размерность МПа.

Модуль упругости является количественной характеристикой жесткости материала и определяется, как тангенс угла наклона α на прямолинейном отрезке диаграммы растяжения OA (рис.4.5).Модуль упругости определяется силами межатомного взаимодействия и практически не зависит от состава и структуры материала.

.

Рис.4.5. Диаграмма растяжения для определения

количественных характеристик механических свойств

 

Упругость