Понятие о твердости материалов

Под твердостью конструкционных материалов понимают способность поверхностного слоя материала сопротивляться упругой и пластической деформациям или разрушению при внедрении в него другого более твердого тела (индентора). Индентор должен быть определенной формы и размеров и не получать остаточную деформацию от действия прикладываемых к нему статических или динамических нагрузок. Выбор метода onpеделения изучаемой характеристики зависит от различных факторов: твердости самого материала, размеров детали (образца), толщины слоя, твердость которого нужно замерить, и т. д. Условия определения твердости, требования к оборудованию, приборам и образцам и т. д. регламентируются государственными стандартами.

Характеристикой твердости материала является число твердости, которое может определяться различными методами (Бринелля, Роквелла и др.). Поэтому числа твердости для одного и того же материала, определяемые этими методами, получаются различными как по величине, так и по размерности. С помощью специальных таблиц, номограмм, эмпирических формул можно осуществлять пересчет чисел твердости.

Учитывая неизбежный разброс значений твердости по поверхности одного и того же материала, испытаниям подвергаются несколько образцов, а на каждом образце делают несколько вдавливаний. Затем проводят статистическую обработку результатов испытаний (см. раздел 2).

Испытание на твердость – простой метод неразрушающего контроля. Его данные хорошо коррелируют с результатами испытаний на статическое растяжение. Например, можно с достаточной для практики точностью косвенно определять предел прочности по твердости.

Измерение твердости получило широкое распространение как в заводской практике, так и при выполнении научных исследований. Такие испытания используются в следующих целях:

· для оценки твердости как характеристики, косвенно отражающей механические свойства материала;

· для контроля за качеством упрочняющих обработок, вызывающих изменение свойств в поверхностном слое, например, цементации, поверхностной закалки, электромеханической обработки и т. д;

· для мониторинга механического состояния изделий в процессе эксплуатации (например, контроль за состоянием трубопроводов) и т. д.

Метод Бринелля [10]. Метод измерения твердости металлов по Бринеллю (ГОСТ 9012-59) заключается во вдавливании стального (или твердосплавного) шарика диаметром D в изделие или образец силой, действующей перпендикулярно его поверхности в течение определенного времени, и измерении диаметра отпечатка d после снятия нагрузки (рис. 3.1).

Число твердости по Бринеллю определяется как частное от деления нагрузки F (кгс), приложенной к шарику, на площадь А (мм²) части сферы, оставшейся в материале в виде лунки после испытания:

. (3.1)

Стандартом предусмотрены следующие диаметры D шариков: 10; 5; 2,5; 2 и 1 мм.

Рис. 3.1. Вид деформированного образца в процессе вдавливания шарика

Для получения одинаковых значений твердости при испытаниях одного и того же металла шариками разного диаметра необходимо, чтобы соблюдалось соотношение между размером шарика и действующей на него нагрузкой в форме K = F/D². Отношение К подбирается из ряда значений, приводимых в ГОСТе, с учетом свойств металла так, чтобы соотношение между диаметрами шарика и отпечатка было в некотором диапазоне (d/D = 0,24…0,6). Например, для сталей и высокопрочных сплавов ГОСТ рекомендует принимать отношение К = 30, для цветных металлов и сплавов принимают К = 10, а для очень мягких металлов К = 2,5 (подшипниковые сплавы) или даже К = 1 (свинец, олово).

На практике по диаметру d отпечатка находят число твёрдости НВ, используя таблицы, составленные для каждого из рекомендуемых соотношений F и D. Современное оборудование также позволяет находить твердость, определяя не d, а глубину h внедрения шарика.

Пластическое деформирование (течение) объемов металла в окрестности внедряемого индентора связано с прохождением в нём структурных изменений. Длительность протекания этих процессов зависит от свойств металла. Для чёрных металлов достаточно 10…15 секунд выдержки под нагрузкой, для большинства цветных – 30 секунд. В некоторых случаях для завершения пластического течения устанавливают 180 секунд или особо оговаривают условия испытания.

Когда твердость испытуемого металла соизмерима с твердостью шарового индентора, из-за деформации шарика искажается форма отпечатка, что влияет на точность результатов. Во избежание существенных ошибок вследствие этого вводится ограничение на применение метода Бринелля: испытывают материалы с твердостью, не превышающей 450 НВ. Для испытаний весьма твердых материалов используют другие методы, например, Виккерса или Роквелла, где в качестве индентора применяют алмаз – самый твердый материал в природе.

Твердость по Бринеллю обозначают символом НВ (Hardness Brinell), (HBW):

НВ – при применении стального шарика (твердость детали менее 450 единиц);

HBW – при применении шарика из твердого сплава (твердость детали более 450 единиц). Символу НВ (HBW) предшествует числовое значение твердости (приводится три значащих разряда), а после символа указывают диаметр шарика, значение приложенной силы (в кгс), продолжительность выдержки, если она отличается от диапазона 10…15 секунд.

Примеры обозначений:

250 НВ 5/750 – твердость по Бринеллю 250 единиц, измеренная стальным шариком диаметром 5 мм при нагрузке 750 кгс (7355 Н) и продолжительности выдержки 10…15 секунд;

575 HBW 2,5/187,5/30 – твердость по Бринеллю 575 единиц, измеренная шариком из твердого сплава диаметром 2,5 мм при нагрузке 187,5 кгс (1839 Н) и продолжительности выдержки под нагрузкой 30 секунд.

При определении твердости стальным шариком или шариком из твердого сплава диаметром 10 мм при нагрузке 3000 кгс (29420 Н) и продолжительности выдержки 10…15 секунд твердость по Бринеллю обозначают только числовым значением твердости и символом НВ или HBW (например, 300 НВ).

Метод Виккерса [11]. Метод измерения твердости черных и цветных металлов и сплавов (ГОСТ 2999-75) основан на вдавливании алмазного индентора в форме правильной четырехгранной пирамиды в образец (изделие) под действием силы, приложенной в течение определенного времени, и измерении длин обеих диагоналей отпечатка, оставшегося на поверхности после снятия нагрузки.

Угол между противоположными гранями пирамиды – 136°. Значение нагрузки на индентор выбирают из диапазона от 1 до 100 кгс.

Метод Виккерса является одним из наиболее совершенных и очень распространенных в лабораторной практике методов определения твердости. Высокая твердость и несминаемость алмаза обеспечивает большую степень точности определения твердости методом Виккерса. Это особенно важно при испытании твердых материалов (более 500 кгс/мм²). Ценность метода состоит также в том, что вследствие малых нагрузок вдавливания удается испытывать очень тонкие образцы, а также определять твердость тонких поверхностных слоев (например, азотированной стали). Можно определять твердость мелких готовых изделий, не разрушая и не портя их вследствие малой величины отпечатка.

Твердость по Виккерсу указывается в единицах HV (Hardness Vickers) и определяется как частное от деления нагрузки F (кгс), приложенной к пирамиде, на площадь поверхности отпечатка А (мм²), т. е. к поверхности углубления в материале в форме пирамиды:

, (3.2)

где d – среднее арифметическое значение длин обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм. Измерение диагоналей производят с помощью микроскопа. Число твердости находят по таблицам.

Твердость по Виккерсу при силовом воздействии 30 кгс (294,2 Н) и времени выдержки под нагрузкой 10…15 секунд обозначают цифрами, характеризующими величину твердости, и буквами HV.

Пример обозначения: 500 HV – твердость по Виккерсу, измеренная при силе 30 кгс и времени выдержки 10…15 секунд.

При других условиях испытания после букв HV указывают нагрузку и время выдержки.

Пример обозначения: 220 HV 10/40 – твердость по Виккерсу, измеренная при силе 10 кгс (98,07 Н) и времени выдержки 40 секунд.

Замечание о размерностях чисел твердости по Бринеллю и Виккерсу. Согласно формулам (3.1) и (3.2) значения твердости вычисляются как отношение нагрузки в кгс к площади отпечатка в мм², т. е. в кгс/мм². Твердость же по Бринеллю указывается в единицах НВ, а по Виккерсу – в единицах HV без указания размерности(кгс/мм²). Если усилие выражено в Ньютонах, то для вычисления значений твердости вместо вышеупомянутых выражений используются формулы:

и . (3.3)

Метод Роквелла [12]. Метод измерения твердости металлов и сплавов по Роквеллу (ГОСТ 9013-59) заключается во внедрении в поверхность образца или изделия алмазного конуса с углом при вершине 120° (шкалы А, С) или стального шарика диаметром 1,5875 мм (шкала В) под действием последовательно прилагаемых предварительной и основной сил и в определении глубины внедрения индентора после снятия основной нагрузки. Общая нагрузка – сумма предварительной и основной (табл. 3.1).

Таблица 3.1