Твердость материала

Твердость характеризует способность материала сопротивляться внедрению в его поверхность более твердого тела – индентора. В качестве индентора используют закаленный стальной шарик или алмазный наконечник в виде конуса или пирамидки. При вдавливании индентора поверхностные слои материала испытывают значительную пластическую деформацию. После снятия нагрузки на поверхности остается отпечаток.

Испытания на твердость – доступный и распространенный вид механических испытаний, так как для многих материалов количественные значения твердости и прочностные показатели пропорциональны (см. формулы на странице 43). Это позволяет по значениям твердости сделать заключение о прочностных свойствах материала.

Наиболее распространенным испытанием на твердость при вдавливании индентора являются: метод Бринелля, метод Виккерса, метод Роквелла. Отличие одного метода от другого заключается в использовании различной формы и материала индентора, прикладываемой к индентору нагрузке, оценке (расчету) твердости по глубине или площади отпечатка, а также по возможности применения с учетом конструктивных особенностей детали. Более подробно методы измерения твердости будут рассмотрены на лабораторной работе (см. также [1, 2, 3]).

При испытаниях на твердость по Бринеллю (ГОСТ 9012-59) в образец вдавливается закаленный шарик диаметром D под действием нагрузки P от 500 до 3000 Н (рисунок 22,а).

После снятия нагрузки измеряется диаметр отпечатка сферической лунки. Число

 

твердости по Бринеллю обозначается HB и подсчитывается как отношение нагрузки P к площади поверхности отпечатка М:

,

где d – диаметр вдавливаемого шарика, мм; D – диаметр отпечатка шарика на поверхности, мм. Обозначается она числом твердости без указания размерности, например, НВ200.

Метод Бринелля используется для определения твердости материалов малой и средней твердости: сталей с твердостью не более HB450, цветных металлов с твердостью HB200 и менее. Для ряда материалов установлена корреляционная связь между временным сопротивлением (в МПа) и числом твердости HB: σ_в≈3,4НВ - для горячекатаных сталей; σ_в≈4,5НВ -­ для медных сплавов; σ_в≈3НВ -­ для алюминиевых сплавов.

Метод Бринелля не рекомендуется применять для материалов с твердостью более HB450, а также малой толщины.

При испытаниях на твердостьпо Виккерсу, ГОСТ 2999-75, (рисунок 22,б) в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамидка. После снятия нагрузки измеряется диагональ квадрата у отпечатка – d₁. Число твердости по Виккерсу обозначается HV и подсчитывается по формуле: HV=1.854 P/d₁², где Р измеряется в ньютонах, а d₁ – в мм. Обозначается твердость по Виккерсу числом единиц твердости без указания размерности, например, HV405.

По Виккерсу, в сравнении с методом Бринелля, можно испытывать материалы с высокой твердостью, а также детали малых сечений или тонких поверхностных слоев. Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю, имеющих твердость до НВ450, практически совпадают.

Испытания на твердость по Роквеллу наиболее универсальны и наименее трудоемки, так как не нужно измерять размеры отпечатка и определять его площадь по таблицам. Число твердости определяется непосредственно по шкале твердомера в зависимости от глубины вдавливания индентора. В качестве индентора используется алмазный конус или стальной шарик. В зависимости от материала индентора выбирают соответствующую нагрузку. Для различных комбинаций нагрузок и наконечников прибор Роквелла имеет три измерительных шкалы: А, В, С. Твердость по Роквеллу обозначают HR числом единиц твердости с указанием шкалы твердости, например HRA70, НRB58, HRС50.

Шкалу А (алмазный конус и нагрузка 600Н) применяют для измерения особо твердых материалов, для тонких листовых материалов или тонких (0,5…1 мм) слоев. Обозначают измеренную твердость HRA. Пределы измерения твердости по этой шкале 70…85.

Шкалу В (стальной шарик и нагрузка 1000Н) принимают для измерения твердости сравнительно мягких материалов (менее НВ400). Обозначают измеренную твердость HRB. Пределы измерения твердости по шкале В – 25…100 единиц твердости HRB.

Шкалу С (алмазный конус и нагрузка 1500Н) используют для твердых материалов (свыше НВ450), например для закаленных сталей. Обозначают измеренную твердость HRC. Пределы измерения твердости – HRC20…67.

Числа твердости по Роквеллу приближенно можно перевести в числа твердости по Бринеллю или Виккерсу по специальным таблицам соответствия ( см. лабораторную работу).

Метод измерения микротвердости отдельных зерен, структурных составляющих, тонких слоев или деталей малой толщины стандартизован (ГОСТ 9450-76). Этот метод аналогичен методу измерения твердости по Виккерсу, но выполняется при небольших нагрузках порядка 0,05…5Н.