Основные положения. Твёрдость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора)

Твёрдость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.

Индентор должен быть определенной формы и размеров и не получать остаточную деформацию от действия прикладываемых к нему статических или динамических нагрузок. Выбор метода определения зависит от различных факторов: твёрдости материала, размеров детали (образца), толщины слоя, твёрдость которого нужно замерить и т. д. Условия определения твёрдости, требования к оборудованию, приборам и образцам и т. д. регламентируются государственными стандартами.

Рис. 2.1.Схемы определения твёрдости:

а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

О твёрдости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, метод измерения микротвёрдости).

Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твёрдость. Схемы испытаний представлены на рис. 2.1.

Характеристикой твёрдости материала является число твёрдости. Числа твёрдости для одного и того же материала, определяемые различными способами, получаются различными, как по величине, так и по размерности. С помощью специальных таблиц, номограмм, формул (эмпирических) можно осуществлять пересчёт чисел твёрдости из одной шкалы в другую.

Учитывая неизбежный разброс значений твёрдости по поверхности одного и того же материала, испытаниям подвергается несколько образцов, а на каждом образце делают несколько вдавливаний. Затем проводят статистическую обработку результатов испытаний.

В результате вдавливания с достаточно большой нагрузкой поверхностные слои материала, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остаётся отпечаток. Особенность происходящей при этом деформации заключается в том, что она протекает только в небольшом объёме, окружённом недеформированным материалом. В таких условиях возникают главным образом касательные напряжения, а доля растягивающих напряжений незначительна по сравнению с получаемыми при других видах механических испытаний (на растяжение, изгиб, кручение, сжатие). Поэтому при измерении твёрдости вдавливанием пластическую деформацию испытывают не только пластичные металлы, но также металлы (например, чугун), которые при обычных механических испытаниях (на растяжение, сжатие, кручение, изгиб) разрушаются практически без пластической деформации.

Таким образом, твёрдость характеризует сопротивление пластической деформации и представляет собой механическое свойство материала, отличающееся от других его механических свойств, способом измерения.

Преимущества измерения твёрдости металла по сравнению с испытаниями на растяжение следующие:

1. Между твёрдостью пластичных металлов, определяемой способом вдавливания, и другими механическими свойствами (главным образом пределом прочности), существует количественная зависимость. Так, сосредоточенная пластическая деформация металлов (при образовании шейки) аналогична деформации, создаваемой в поверхностных слоях металла при измерении твёрдости вдавливанием наконечника.

Подобная количественная зависимость не наблюдается для хрупких материалов, которые при испытаниях на растяжение (или сжатие, изгиб, кручение) разрушаются без заметной пластической деформации, а при измерении твёрдости получают пластическую деформацию. Однако в ряде случаев и для этих металлов (например, серых чугунов) наблюдается качественная зависимость между пределом прочности и твёрдостью; возрастанию твёрдости обычно соответствует увеличение предела прочности на сжатие.

По значениям твёрдости можно определять также и некоторые пластические свойства металлов.

Твёрдость, определённая вдавливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в частности меди, дуралюмина и сталей в отожженном состоянии.

2. Измерение твёрдости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Испытания твёрдости не требуют изготовления специальных образцов и выполняются непосредственно на проверяемых деталях после зачистки на поверхности ровной горизонтальной площадки, а иногда даже и без такой подготовки.

Измерения твёрдости выполняются быстро.

3. Измерение твёрдости обычно не влечет за собой разрушения проверяемой детали, и после измерения её можно использовать по своему назначению, в то время как для определения прочности, пластичности и вязкости необходимо изготовление специальных образцов.

4. Твёрдость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях, не превышающих (для некоторых способов измерения твёрдости) десятых долей миллиметра, или в микрообъёмах металла; в последнем случае измерения проводят методом измерения микротвёрдости. Поэтому многие способы измерения твёрдости пригодны для оценки различных по структуре и свойствам слоёв металла, например поверхностного слоя цементованной, азотированной или закаленной стали, имеющей разную твёрдость по сечению детали. Методом определения микротвёрдости можно также измерять твёрдость отдельных составляющих в сплавах.

Следует различать два способа определения твёрдости вдавливанием: измерение макротвёрдости и измерение микротвёрдости.

Измерение макротвёрдости отличается тем, что в испытуемый материал вдавливается тело, проникающее на сравнительно большую глубину, зависящую от величины прилагаемой нагрузки и свойств металла. Кроме того, во многих испытаниях вдавливается тело значительных размеров, например стальной шарик диаметром 10 мм, в результате чего в деформируемом объёме оказываются представленными все фазы и структурные составляющие сплава. Измеренная твёрдость в этом случае характеризует твёрдость всего испытуемого материала.

Выбор формы, размеров наконечника и величины нагрузки зависит от целей испытания, структуры, ожидаемых свойств, состояния поверхности и размеров испытуемого образца. Если металл имеет гетерогенную структуру с крупными выделениями отдельных структурных составляющих, различных по свойствам (например, серый чугун, цветные подшипниковые сплавы), то для испытания твердости следует выбирать шарик большого диаметра. Если же металл имеет сравнительно мелкую и однородную структуру, то малые по объёму участки испытуемого металла могут быть достаточно характерными для оценки его твёрдости. В этих случаях испытания можно проводить вдавливанием тела меньшего размера, например алмазного конуса или пирамиды, и на меньшую глубину, и, следовательно, при небольшой нагрузке.

При испытании металлов с высокой твёрдостью, например закалённой или низкоотпущенной стали, приведённое условие является даже обязательным, поскольку вдавливание стального шарика или алмаза с большой нагрузкой может вызвать деформацию шарика или скалывание алмаза.

Однако значительное снижение нагрузки нежелательно, так как это приведёт к резкому уменьшению деформируемого объёма и может дать значения, не характерные для основной массы металла. Поэтому величины нагрузок и размеры получаемых в материалах отпечатков не должны быть меньше некоторых определённых пределов.

Измерение микротвёрдости имеет целью определить твёрдость отдельных зёрен, фаз и структурных составляющих сплава (а не «усреднённую» твёрдость, как при измерении макротвёрдости). В данном случае объём, деформируемый вдавливанием, должен быть меньше объёма (площади) измеряемого зерна. Поэтому прилагаемая нагрузка выбирается небольшой. Кроме того, микротвёрдость измеряют для характеристики свойств очень малых по размерам деталей.

Значительное влияние на результаты испытаний твёрдости оказывает состояние поверхности измеряемого материала. Если поверхность неровная – криволинейная или с выступами, то отдельные участки в различной степени участвуют в сопротивлении вдавливанию и деформации, что приводит к ошибкам в измерении. Чем меньше нагрузка для вдавливания, тем более тщательно должна быть подготовлена поверхность. Она должна представлять шлифованную горизонтальную площадку, а для измерения микротвёрдости –полированную.

Измеряемая поверхность должна быть установлена горизонтально, т.е. перпендикулярно действию вдавливаемого тела. Противоположная сторона образца также должна быть зачищена, и не иметь окалины, так как последняя при нагружении образца сминается, что искажает результаты измерения.

Для приблизительной оценки твёрдости удобно пользоваться шкалой Мооса – набором из 10 минералов, расположенных по возрастанию твёрдости:

Тальк 1 Полевой шпат 6

Гипс 2 Кварц 7

Кальцит 3 Топаз 8

Флюорит 4 Корунд 9

Апатит 5 Алмаз 10

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

• для оценки твёрдости сплавов, как характеристики, косвенно отражающей механические свойства;

• для контроля за качеством термических обработок, вызывающих изменение свойств в поверхностном слое, например, цементация, поверхностная закалка, электромеханическая обработка и т. д;

• для контроля за изменением механических свойств во времени (например, контроль за состоянием трубопроводов) и т. д.

Наибольшее распространение на практике получили методы измерения твёрдости статическим вдавливанием:

1) стального шарика (метод Бринелля),

2) стального шарика диаметром 1,5875 мм или алмазного конуса (метод Роквелла),

3) четырехгранной алмазной пирамиды (метод Виккерса),

4) четырехгранной алмазной пирамиды под небольшой нагрузкой (метод микротвёрдости).