Цель работы. 1 Ознакомление с основными методами измерения твердости и микротвердости

1 Ознакомление с основными методами измерения твердости и микротвердости.

2 Приобретение навыков в работе с приборами для измерения твердости.

Твердостью называют свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии в поверхностном слое.

Измерение твердости вследствие быстроты и простоты осуществления, а также возможности без разрушения изделия судить о его свойствах получило широкое применение для контроля качества металла в металлических изделиях и деталях. Наибольшее применение в промышленности нашли статические методы по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу, схема реализации которых приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Схема определения твердости по Бринеллю (а), Роквеллу (б), Виккерсу (в)

Определение твердости по Бринеллю. Сущность метода заключается во вдавливании стального шарика диаметром D, мм, в образец (изделие) под действием нагрузки F, Н, и измерении диаметра отпечатка d, мм, после снятия испытательной нагрузки (рисунок 1.1, а).

Твердость определяют, как отношение приложенной нагрузки к поверхности сферического отпечатка по формуле

HB = ,

где F – прилагаемая нагрузка, Н;

D – диаметр шарика, мм;

d – диаметр отпечатка, мм.

Для железа, стали, чугуна и других прочных сплавов рекомендуются следующие условия испытаний: D = 1,0 мм, F = 294,2 H; D = 2 мм, F = 1177 H; D = 2,5 мм, F = 1839 H; D = 5,0 мм, F = 7355 H; D = 10,0 мм, F = 29420 H. Минимальная толщина испытуемого образца – 0,09 мм. При этом испытания проводятся шариком диаметром 1,0 мм при нагрузке 49,03 Н.

Обычно определение твердости осуществляется шариком диаметром 10,0 мм при нагрузке 29420 Н и продолжительностью выдержки под нагрузкой 10 с. В этом случае твердость обозначается цифрами, характеризующими ее величину, и буквами НВ, например: 170 НВ. При других условиях испытаний после букв НВ указываются условия испытания в следующем порядке: D, F – и время выдержки под нагрузкой (в секундах), например: 190 НВ 5/7350/20.

Между временным сопротивлением s_В и числом твердости НВ существует зависимость: для стали и алюминиевых сплавов s_В ≈ 0,33 НВ, для медных сплавов s_В ≈ 0,45 НВ.

Метод Бринелля не рекомендуется применять для стали с твердостью более 450 НВ, а для цветных металлов – более 200 НВ. При использовании вместо стального шарика твердосплавного предельное значение твердости не должно превышать 650 единиц. В этом случае в обозначение твердости вводится дополнительно буква W, например: 570 HBW.

Определение твердости по Роквеллу. Сущность метода заключается во вдавливании наконечника с алмазным конусом с углом у вершины 120° (шкалы А и С) или со стальным шариком диаметром 1,58 мм (шкала В) в испытуемый образец под действием последовательно прилагаемых предварительной F_o и основной F₁ нагрузок и измерений остаточного увеличения глубины внедрения наконечника е (е = (h – h_o) / 0,002) после снятия основной нагрузки в единицах измерения 0,002 мм. При испытании с использованием шкалы А нагрузка составляет 588 Н, шкалы В – 980 Н, шкалы С – 1470 Н.

Схема определения твердости по Роквеллу приведена на рисунке 1, б. Под нагрузкой F_o индикатор прибора вдавливается в образец на глубину h_о. Затем на испытуемый образец подается полная нагрузка F = F_о + F₁, и глубина погружения наконечника возрастает. После снятия основной нагрузки F₁ прибор показывает число твердости по Роквеллу HR. Твердость является величиной, обратной глубине вдавливания. Единица твердости по Роквеллу – безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению индикатора на 0,002 мм.

Числа твердости определяются по формулам:

HRC (A) = 100 – е; HRB = 180 – e.

Шкала А используется для измерения твердости очень твердых, но хрупких материалов, а также для тонких и твердых поверхностных слоев (0,5–1,0 мм). По шкале В определяют твердость сравнительно мягких (незакаленных) материалов (< 400 HB). Шкала С используется для испытания материалов, имеющих высокую твердость (после закалки) (> 450 НВ).

Пределы измерения твердости по шкале А – 70–85 единиц, шкале В – 25–100 единиц, шкале С – 22–63 единицы. Условная запись твердости для разных шкал – HRА, HRB, HRC. Например, 60 HRC (твердость 60 единиц по шкале С). В настоящее время применяется обозначение HRCэ – это твердость, воспроизводимая государственным специальным эталоном.

Твердость по Виккерсу. Метод заключается во вдавливании алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды (угол при вершине 136^о), в образец под действием нагрузки F и измерении диагонали отпечатка d (в миллиметрах), оставшегося после снятия нагрузки (рисунок 1, в). Нагрузка может изменяться в пределах 9,8–980 Н.

Твердость по Виккерсу определяется по формуле

HV = 0,189 .

Метод используют для определения твердости деталей малой тол­щины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость. Чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка.

В стандартных условиях испытаний (при нагрузке 294Н, времени выдержки 15с) обозначение твердости по Виккерсу выглядит как, например, 430 HV. При других условиях испытаний указывается нагрузка и продолжительность выдержки под нагрузкой (например, 250 HV 10/40).

Методы НВ и HRB применяются для мягких материалов, HRC – для твердых, HRA – для твердых и тонких покрытий. Метод Виккерса является универсальным.

Контрольные вопросы