В лабораторных и заводских условиях применяют различные способы определения твердости металлических материалов для характеристики их механических свойств. Твердость измеряют при помощи воздействия на поверхность металла наконечника, изготавливаемого из практически не деформирующегося материала (твердая сталь; алмаз; сапфир; твердый сплав, например, карбид вольфрама), имеющего форму шарика, конуса, пирамиды или иглы.
Существует три основных способа измерения твердости, различающихся по характеру механического воздействия наконечника.
1. Твердость можно измерять вдавливанием наконечника (способ вдавливания). Такой способ характеризует сопротивление металла пластической деформации.
2. Твердость можно измерять царапанием поверхности (способ царапания). Он характеризует сопротивление металла разрушению путем среза.
3. Твердость можно измерять по отскоку наконечника. Такой способ характеризует упругие свойства материала.
В зависимости от временного характера приложения нагрузки и изменения параметров воздействия индентора механические методы определения твердости подразделяются на статические, динамические и кинетические. При статическом измерении твердости воздействие осуществляется медленным приложением нагрузки с последующей выдержкой под нагрузкой. При динамическом методе измерений твердости нагрузка прилагается быстро, а выдержка под нагрузкой отсутствует. К динамическим методам относятся, в частности, метод отскока наконечника и метод ударной твердости, при котором получают отпечаток с помощью приложения ударной нагрузки. Существуют также кинетические методы определения твердости, в которых приложение нагрузки осуществляется с ограниченной скоростью. При этом в ходе испытания производится непрерывная регистрация процесса вдавливания индентора с записью диаграммы «нагрузка на индентор – глубина его внедрения».
Статические методы определения твердости путем вдавливания разделяются также по величине прикладываемой нагрузки: испытания на микротвердость (нагрузка менее 0.5 кгс), твердость при малых нагрузках (нагрузка в пределах от 0.5кгс до 5 кгс) и испытания на макротвердость (нагрузка более 5 кгс). Результаты испытаний на микротвердость зависят от структурного состояния материала и их применяют, в основном, как один из методов исследования микроструктуры.
Особенности и преимущества измерений твердости.
Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием индентораперпендикулярно поверхности изделия. Рассмотрим подробнее основные его особенности и преимущества перед другими способами. В результате вдавливания достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток наконечника. Особенность происходящей при этом деформации заключается в том, что она протекает только в небольшом объеме, окруженном недеформированным металлом. В таких условиях испытания, близких к всестороннему неравномерному сжатию, возникают, в основном, касательные напряжения, а доля растягивающих напряжений незначительна по сравнению с получаемыми при других видах механических испытаний (растяжение, изгиб, кручение, сжатие). При таких испытаниях пластическую деформацию испытывают не только пластичные металлы, но и такие (например, чугун), которые при обычных испытаниях разрушаются хрупко.
Таким образом, твердость при вдавливании характеризует сопротивление пластической деформации и представляет собой механическое свойство металла, отличающееся от других способом измерения. Можно сказать, что это местные механические испытания поверхностных слоев материала. Преимущества таких измерений твердости следующие:
1. Между твердостью пластичных металлов, определяемой способом вдавливания, и другими механическими свойствами (главным образом пределом прочности), существуют количественные зависимости (Приложение В). Величина твердости характеризует предел прочности металлов, получающих при испытаниях на растяжение сосредоточенную деформацию в виде шейки. Наиболее ярко эта зависимость проявляется для большинства углеродистых, низко- и среднелегированных сталей в отожженном, нормализованном и улучшенном состоянии. Она же проявляется и для многих цветных сплавов. Для сталей с аустенитной и мартенситной структурой, а также для хрупких материалов такая зависимость не наблюдается. Существуют корреляции между твердостью и пределом прочности на сжатие серых чугунов, с пределом выносливости меди, дуралюмина и сталей в отожженном состоянии и в некоторых других случаях.
2. Измерение твердости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Для измерений не нужно изготавливать специальные образцы; достаточно зачистить от окалины и выполнить на контролируемой детали ровную горизонтальную площадку. Сам процесс при статическом измерении твердости длится не более 3 минут. На автоматизированных приборах процесс осуществляется значительно быстрее.
3. После проведения испытаний заготовку или деталь можно использовать по своему назначению, тогда как для других испытаний необходимо вырезать из детали специальные образцы.
4. Так как при измерении твердости изделие не разрушается, этот вид испытаний можно применять для сплошного контроля изделий, в то время как определение характеристик прочности проводят только в качестве выборочного контроля.
5. Испытания на твердость позволяют определить механические свойства даже тогда, когда другие способы по тем, либо иным причинам использовать нельзя.
