Что характеризует твердость металла
Обновлено: 04.10.2024
Поведение металла под нагрузкой определяется его механическими свойствами (прочностью, пластичностью, твердостью, упругостью, жесткостью, вязкостью). Методы испытаний механических свойств в зависимости от характера действия нагрузки делят на три группы: статические, когда нагрузка возрастает медленно (плавно); динамические – нагрузка возрастает с большой скоростью (мгновенно) – удар; циклические – при повторно-переменных нагрузках, когда нагрузка многократно изменяется по величине и знаку (испытания на усталость).
Механические свойства металлов при статическом нагружении.В результате испытаний определяют следующие характеристики металлов: прочность, пластичность, твердость, упругость, жесткость.
Прочность – свойство металла сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних сил. В зависимости от способа статического нагружения различают прочность при растяжении, сжатии и изгибе.
Испытания на растяжение. Для испытаний применяют специальные цилиндрические или плоские образцы. Расчетная длина образца равна десяти- или пятикратному диаметру. Образец закрепляют в испытательной машине и нагружают. Результаты испытаний отражают на диаграмме растяжения.
На диаграмме растяжения пластичных металлов (рис. 13, а) можно выделить три участка: ОА – прямолинейный, соответствующий упругой деформации; АВ – криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при возрастании нагрузки; ВС – соответствующий упругопластической деформации при снижении нагрузки. В точке С происходит разрушение образца с разделением его на две части.
От начала деформации (точка О) до точки А образец деформируется пропорционально приложенной нагрузке. Участок ОА – прямая линия. Максимальное напряжение, не превышающее предела пропорциональности, практически вызывает только упругую деформацию, поэтому его часто называют пределом упругости металла.
 |
Рис. 13. Диаграмма растяжения пластичных металлов:
а – с площадкой текучести; б – без площадки текучести
При испытании пластичных металлов на кривой растяжения образуется площадка текучести АА¢. В этом случае напряжение, отвечающее этой площадке, sт называют физическим пределом текучести. Физический предел текучести – это наименьшее напряжение, при котором металл деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки.
Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от первоначальной длины образца, называют условным пределом текучести (σ0,2).
Участок А¢В (см. рис 13, а) соответствует дальнейшему повышению нагрузки и более значительной пластической деформации во всем объеме металла образца. Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке (точка В), предшествующей разрушению образца, называют временным сопротивлением, или пределом прочности при растяжении σв. Это характеристика статической прочности:
где Рmax – наибольшая нагрузка (напряжение), предшествующая разрушению образца, МПа;
F0 – начальная площадь поперечного сечения образца, м 2 .
У пластичных металлов, начиная с напряжения σв, деформация сосредоточивается (локализуется) в одном участке образца, где появляется сужение, так называемая шейка. В результате развития множественного скольжения в шейке образуется множество вакансий и дислокаций, возникают зародышевые несплошности. Сливаясь, они образуют трещину, которая распространяется в поперечном направлении растяжению, и образец разрушается (точка С). Кривая растяжения образца без площадки текучести показана на рис. 13, б.
Пластичность – свойство металла пластически деформироваться, не разрушаясь под действием внешних сил. Это одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Для определения пластичности не требуется образцов и оборудования. После испытания металла на растяжение эти же образцы измеряют и определяют характеристики пластичности. Показатели пластичности – относительное удлинение δ и относительное сужение ψ.
Относительным удлинением δ называется отношение абсолютного удлинения, т. е. приращения расчетной длины образца после разрыва (l – l0), к его первоначальной расчетной длине l0, выраженное в процентах:
где l0 – первоначальная длина образца, мм;
l – длина образца после разрыва, мм.
Относительным сужением y называется отношение абсолютного сужения, т. е. уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва (Fо – F), к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженное в процентах:
где F0 – первоначальная площадь поперечного сечения образца, мм 2 ;
F – площадь поперечного сечения образца после разрыва, мм 2 .
Твердость – свойство металла сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела. Для определения твердости часто не требуется изготовления специальных образцов, испытания проводятся без разрушения металла.
Твердость металла можно определять прямыми и косвенными методами: вдавливанием, царапаньем, упругой отдачей, магнитным методом. Прямые методы состоят в том, что в металл вдавливают твердый наконечник (индентор) различной формы из закаленной стали, алмаза или твердого сплава (шарик, конус, пирамида). После снятия нагрузки на индентор в металле остается отпечаток, размер которого характеризует твердость.
Существует множество методов определения твердости металлов. Но лишь некоторые из них нашли широкое применение в машиностроении. Все они названы в честь своих создателей.
Метод Бринелля. В плоскую поверхность металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 10; 5 или 2,5 мм (рис. 14, а). После снятия нагрузки в металле остается отпечаток (лунка). Диаметр отпечатка d измеряют специальным микроскопом с точностью 0,05 мм. На практике пользуются специальной таблицей, в которой каждому диаметру отпечатка соответствует определенное число твердости НВ.
Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов с твердостью более НВ450, так как шарик может деформироваться и получится искаженный результат. Этот метод в основном используется для измерения твердости неупрочненного металла заготовок и полуфабрикатов.
Метод Роквелла. Твердость определяют по глубине отпечатка. Наконечником служит стальной закаленный шарик диаметром 1,58 мм для мягких металлов или алмазный конус с углом при вершине 120° – для твердых и сверхтвердых (более HRC70) металлов (рис. 14, б).
Шарик и конус вдавливаются в металл нагрузкой 60, 100 или 150 кг. Отсчет результатов измерений определяется по показанию стрелки на шкале индикатора твердомера (рис. 15, а). После включения нагрузки стрелка перемещается по шкале индикатора твердомера (рис. 15, б) и указывает значение твердости (рис. 15, в).
Рис. 15. Показания индикатора прибора ТК
При вдавливании стального шарика нагрузка – 100 кг (отсчет по внутренней (красной) шкале индикатора), твердость обозначают как НRВ. При вдавливании алмазного конуса отсчет твердости осуществляется по показанию стрелки на наружной (черной) шкале индикатора (см. рис. 15, в). Нагрузка 150 кг – для твердых металлов. Это основной метод измерения твердости закаленных сталей. Обозначение твердости – НRC. Для очень твердых металлов, а также мелких деталей нагрузка – 60 кг, обозначение твердости – НRА.
Определение твердости по Роквеллу дает возможность испытывать мягкие и твердые металлы, а отпечатки от шарика или конуса очень малы, поэтому можно измерять твердость готовых деталей. Измерения не требуют никаких вычислений – число твердости читается на шкале индикатора твердомера. Поверхность для испытания должна быть шлифованной.
Метод Виккерса. В испытуемую поверхность (шлифованную или полированную) вдавливается четырехгранная алмазная пирамида под нагрузкой 5, 10, 20, 30, 50, 100 кг. В металле остается квадратный отпечаток. Специальным микроскопом твердомера измеряют величину диагонали отпечатка (рис. 16). Зная нагрузку на пирамиду и величину диагонали отпечатка, по таблицам определяют твердость металла, обозначаемую как HV.
Этот метод универсальный. Его можно использовать для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев большой твердости (после азотирования, нитроцементации и т. п.). Чем тоньше металл, тем меньше должна быть нагрузка на пирамиду, но чем больше нагрузка, тем точнее получаемый результат.
Прочность при динамическом нагружении(испытания на ударную вязкость – на удар).В процессе эксплуатации многие детали машин испытывают динамические (ударные) нагрузки. Для определения стойкости металла к удару и одновременной оценки его склонности к хрупкому разрушению проводят испытания на ударный изгиб. В результате определяют ударную вязкость – характеристику динамической прочности.
Для определения ударной вязкости применяют 20 типов образцов (обычно размером 10 ´ 10 ´ 55 мм) с U- или V-образным надрезом. Надрез посередине образца называется концентратором. Испытания проводят на маятниковом копре 1 (рис. 17, а). Маятник 2, падая с определенной высоты, разрушает образец 3, свободно установленный на двух опорах копра (рис. 17, б). Работа удара К (Дж или кгс×м), затраченная на излом (разрушение) образца, фиксируется стрелкой на шкале копра и определяется из разности энергии маятника в положении его до и после удара. Ее можно определить по формуле:
К = G (h1 – h2), (6)
где G – вес маятника, Н;
h1 – высота подъема маятника до разрушения образца, м;
h2 – высота подъема маятника после разрушения, м.
Ударная вязкость обозначается КС (прежнее обозначение – aн) и подсчитывается как отношение работы, затраченной на разрушение образца К, к площади поперечного сечения образца в месте надреза F, МДж/м 2 :
КС (aн) = К / F. (7)
Если образец имеет U-образный надрез, то в обозначение ударной вязкости добавляется буква U (КСU), а если V-образный, то добавляется буква V (КСV). Например, KCU = 1 кгс×м/см 2 = 98 кДж/м 2 .
 |
Определение ударной вязкости является наиболее простым и показательным способом оценки способности металлов, имеющих объемно центрированную кубическую решетку, к хрупкости при работе в условиях низких температур, называемой хладноломкостью.
Практически хладноломкость определяют при испытании на удар серии образцов при нескольких понижающихся значениях температуры (от комнатной до минус 100°С). Результаты испытаний наносят на график в координатах «ударная вязкость – температура испытания». Температура, при которой происходит падение ударной вязкости, называется критической температурой хрупкости, или порогом хладноломкости. Порог хладноломкости – отрицательная температура, при которой металл переходит из вязкого состояния в хрупкое.
Прочность при циклическом нагружении(испытания на усталость). Многие детали (валы, рессоры, рельсы, шестерни) в процессе работы подвергаются повторно-переменным нагрузкам. Разрушение таких деталей при эксплуатации происходит в результате циклического нагружения при напряжении, значительно меньшем, чем временное сопротивление металла. Процесс постепенного накопления напряжения в металле при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению, называется уста-лостью. Свойство металла выдерживать большое число циклов переменных напряжений, т. е. противостоять усталости, называется выносливостью, или циклической (усталостной) прочностью.
Усталостная прочность – способность металла сопротивляться упругим и пластическим деформациям при переменных нагрузках. Она характеризуется наибольшим напряжением s-1, которое выдерживает металл при бесконечно большом числе циклов нагружения не разрушаясь и называется пределом усталости, или пределом выносливости. Для углеродистой конструкционной стали предел усталости принимается равным (0,4 – 0,5) sв.
Значение предела выносливости зависит от целого ряда факторов: степени загрязненности металла неметаллическими включениями, макро- и микроструктуры металла, состояния поверхности, формы и размеров детали и др.
Разрушение металлов при усталости отличается от разрушения при однократных нагрузках особым видом излома. При знакопеременной нагрузке происходит постепенное накопление напряжения, обусловленное движением дислокаций. Поверхность детали, как наиболее нагруженная часть сечения, претерпевает микродеформацию, и в наклепанной (упрочненной деформацией) зоне возникают микротрещины. Из множества микротрещин развитие получает только та, которая имеет наиболее острую вершину и наиболее благоприятно расположена по отношению к действующему напряжению.
Пораженная трещиной часть сечения детали не несет нагрузки, и она перераспределяется на оставшуюся часть, которая непрерывно уменьшается, пока не произойдет мгновенное разрушение. Таким образом, для усталостного излома характерно, как минимум, наличие зоны прогрессивно растущей трещины 1 и зоны долома 2 (рис. 18).
Важной характеристикой конструктивной прочности (надежности) металла является живучесть при циклическом нагружении.
Живучесть – это способность металла работать в поврежденном состоянии после образования трещины. Она измеряется числом циклов нагружения до разрушения или скоростью развития трещины усталости при данном напряжении. Живучесть является самостоятельным свойством, которое не зависит от других свойств металла. Живучесть имеет важное значение для оценки работоспособности деталей, работа которых контролируется различными методами дефектоскопии. Чем меньше скорость развития трещины усталости, тем легче ее обнаружить.
Для повышения усталостной прочности деталей желательно в поверхностных слоях металла создавать напряжение сжатия методами поверхностного упрочнения (механическими, термическими или химико-термическими).
3. металлические сплавы
Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают требуемого комплекса механических и технологических свойств, поэтому для изготовления деталей машин наибольшее распространение получили металлические сплавы – вещества, обладающие металлическими свойствами, представляющие собой сочетание какого-либо металла (основа сплава) с другими металлами или неметаллами. Например, латунь – сплав меди (металл) с цинком (металл), сталь – сплав железа (металл) с углеродом (неметалл). Большинство сплавов получают путем сплавления, т. е. соединения компонентов сплава в жидком состоянии. Есть и другие способы образования сплавов. Так, металлокерамические сплавы образуются путем спекания из порошков.
Твердость металлов
Машиностроительные детали и механизмы, а также инструменты, предназначенные для их обработки, обладают набором механических характеристик. Немалую роль среди характеристик играет твердость. Твердость металлов наглядно показывает:
- износостойкость металла;
- возможность обработки резанием, шлифованием;
- сопротивляемость местному давлению;
- способность резать другой материал и прочие.
На практике доказано, что большинство механических свойств металлов напрямую зависят от их твердости.
Понятие твердости
Твердость материала – это стойкость к разрушению при внедрении во внешний слой более твердого материала. Другими словами, способность к сопротивлению деформирующим усилиям (упругой или пластической деформации).
Определение твердости металлов производится посредством внедрения в образец твердого тела, именуемого индентором. Роль индентора выполняет: металлически шарик высокой твердости; алмазный конус или пирамида.
После воздействия индентора на поверхности испытуемого образца или детали остается отпечаток, по размеру которого определяется твердость. На практике используются кинематические, динамические, статические способы измерения твердости.
В основе кинематического метода лежит составление диаграммы на основе постоянно регистрирующихся показаний, которые изменяются по мере вдавливания инструмента в образец. Здесь прослеживается кинематика всего процесса, а не только конечного результата.
Динамический метод заключается в следующем. Измерительный инструмент воздействует на деталь. Обратная реакция позволяет рассчитать затраченную кинетическую энергию. Данный метод позволяет проводить испытание на твердость не только поверхности, но и некоторого объема металла.
Статические методы – это неразрушающие способы, позволяющие определить свойства металлов. Методы основаны на плавном вдавливании и последующей выдержке в течение некоторого времени. Параметры регламентируются методиками и стандартами.
Прилагаемая нагрузка может прилагаться:
- вдавливанием;
- царапанием;
- резанием;
- отскоком.
Машиностроительные предприятия на данный момент для определения твердости материалов используют методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, а также метод микротвердости.
На основе проводимых испытаний составляется таблица, в которой указываются материалы, прилагаемые нагрузки и полученные результаты.
Единицы измерения твердости
Каждый способов измерения сопротивления металла к пластической деформации имеет свою методику его проведения, а также единицы измерения.
Измерение твердости мягких металлов производится методом Бринелля. Данному способу подвергаются цветные металлы (медь, алюминий, магний, свинец, олово) и сплавы на их основе, чугуны (за исключением белого) и отожженные стали.
Твердость по Бринеллю определяется вдавливанием закаленного, отполированного шарика из шарикоподшипниковой стали ШХ15. Окружность шарика зависит от испытуемого материала. Для твердых материалов – все виды сталей и чугунов – 10 мм, для более мягких – 1 – 2 — 2,5 — 5 мм. Необходимая нагрузка, прилагаемая к шарику:
- сплавы железа – 30 кгс/мм2;
- медь и никель – 10 кгс/мм2;
- алюминий и магний – 5 кгс/мм2.
Единица измерения твердости – это числовое значение и следующий за ними числовой индекс HB. Например, 200 НВ.
Твердость по Роквеллу определяется посредством разницы приложенных нагрузок к детали. Вначале прикладывается предварительная нагрузка, а затем общая, при которой происходит внедрение индентора в образец и выдержка.
В испытуемый образец внедряется пирамида (конус) из алмаза или шарик из карбида вольфрама (каленой стали). После снятия нагрузки производится замер глубины отпечатка.
Единица измерения твердости – это условные единицы. Принято считать, что единица — это величина осевого перемещения конуса, равная 2 мкм. Обозначение твердости маркируется тремя буквами HR (А, В, С) и числовым значением. Третья буква в маркировке обозначает шкалу.
Методика отображает тип индентора и прилагаемую к нему нагрузку.
| Тип шкалы | Инструмент | Прилагаемая нагрузка, кгс |
| А | Конус из алмаза, угол вершины которого 120° | 50-60 |
| В | Шарик 1/16 дюйма | 90-100 |
| С | Конус из алмаза, угол вершины которого 120° | 140-150 |
В основном, используются шкалы измерения А и С. Например, твердость стали HRC 26…32, HRB 25…29, HRA 70…75.
Измерению твердости по Виккерсу подвергаются изделия небольшой толщины или детали, имеющие тонкий, твердый поверхностный слой. В качестве клинка используется правильная четырехгранная пирамида угол при вершине, которой составляет 136°. Отображение значений твердости выглядит следующим образом: 220 HV.
Измерение твердости по методу Шора производится путем замера высоты отскока упавшего бойка. Обозначается цифрами и буквами, например, 90 HSD.
К определению микротвердости прибегают, когда необходимо получить значения мелких деталей, тонкого покрытия или отдельной структуры сплава. Измерение производят путем измерения отпечатка наконечника определенной формы. Обозначение значения выглядит следующим образом:
0,196 — нагрузка на наконечник, Н;
2800 – численное значение твердости, Н/мм 2 .
Твердость основных металлов и сплавов
Измерение значения твердости проводится на готовых деталях, отправляющихся на сборку. Контроль производится на соответствие чертежу и технологическому процессу. На все основные материалы уже составлены таблицы значений твердости как в исходном состоянии, так и после термической обработки.
Цветные металлы
Твердость меди по Бринеллю составляет 35 НВ, значения латуни равны 42-60 НВ единиц в зависимости от ее марки. У алюминия твердость находится в диапазоне 15-20 НВ, а у дюралюминия уже 70НВ.
Черные металлы
Твердость по Роквеллу чугуна СЧ20 HRC 22, что соответствует 220 НВ. Сталь: инструментальная – 640-700 НВ, нержавеющая – 250НВ.
Для перевода из одной системы измерения в другую пользуются таблицами. Значения в них не являются истинными, потому что выведены империческим путем. Не полный объем представлен в таблице.
| HB | HV | HRC | HRA | HSD |
| 228 | 240 | 20 | 60.7 | 36 |
| 260 | 275 | 24 | 62.5 | 40 |
| 280 | 295 | 29 | 65 | 44 |
| 320 | 340 | 34.5 | 67.5 | 49 |
| 360 | 380 | 39 | 70 | 54 |
| 415 | 440 | 44.5 | 73 | 61 |
| 450 | 480 | 47 | 74.5 | 64 |
| 480 | 520 | 50 | 76 | 68 |
| 500 | 540 | 52 | 77 | 73 |
| 535 | 580 | 54 | 78 | 78 |
Значения твердости, даже если они производятся одним и тем же методом, зависят от прилагаемой нагрузки. Чем меньше нагрузка, тем выше показания.
Методы измерения твердости
Все методы определения твердости металлов используют механическое воздействие на испытуемый образец – вдавливание индентора. Но при этом не происходит разрушение образца.
Метод определения твердости по Бринеллю был первым, стандартизованным в материаловедении. Принцип испытания образцов описан выше. На него действует ГОСТ 9012. Но можно вычислить значение по формуле, если точно измерить отпечаток на образце:
HB=2P/(πD*√(D 2 -d 2 ),
- где
Р – прикладываемая нагрузка, кгс; - D – окружность шарика, мм;
- d – окружность отпечатка, мм.
Шарик подбирается относительно толщины образца. Нагрузку высчитывают предварительно из принятых норм для соответствующих материалов:
сплавы из железа — 30D 2 ;
медь и ее сплавы — 10D 2 ;
баббиты, свинцовые бронзы — 2,5D 2 .
Условное изображение принципа испытания
Схематически метод исследования по Роквеллу изображается следующим образом согласно ГОСТ 9013.
Метод измерения твердости по Роквеллу
Итоговая приложенная нагрузка равна сумме первоначальной и необходимой для испытания. Индикатор прибора показывает разницу глубины проникновения между первоначальной нагрузкой и испытуемой h –h0.
Метод Виккерса регламентирован ГОСТом 2999. Схематически он изображается следующим образом.
Математическая формула для расчета:
HV=0.189*P/d 2 МПа
HV=1,854*P/d 2 кгс/мм 2
Прикладываемая нагрузка варьируется от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Значения определяются по таблицам относительно измеренного отпечатка d.
Метод считается эмпирическим и имеет большой разброс показаний. Но прибор имеет простую конструкцию и его можно использовать при измерении крупногабаритных и криволинейных деталей.
Измерить твердость по Моосу металлов и сплавов можно царапанием. Моос в свое время предложил делать царапины более твердым минералом по поверхности предмета. Он разложил известные минералы по твердости на 10 позиций. Первую занимает тальк, а последнюю алмаз.
После измерения по одной методике перевод в другую систему весьма условен. Четкие значения существуют только в соотношении твердости по Бринеллю и Роквеллу, так как машиностроительные предприятия их широко применяют. Зависимость можно проследить при изменении диаметра шарика.
| d, мм | HB | HRA | HRC | HRB |
| 2,3 | 712 | 85,1 | 66,4 | — |
| 2,5 | 601 | 81,1 | 59,3 | — |
| 3,0 | 415 | 72,6 | 43,8 | — |
| 3,5 | 302 | 66,7 | 32,5 | — |
| 4,0 | 229 | 61,8 | 22 | 98,2 |
| 5,0 | 143 | — | — | 77,4 |
| 5,2 | 131 | — | — | 72,4 |
Как видно из таблицы, увеличение диаметра шарика значительно снижает показания прибора. Поэтому на машиностроительных предприятиях предпочитают пользоваться измерительными приборами с однотипным размером индентора.
Твёрдость как характеристика свойств материала
Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.
Это неразрушающий метод контроля, основной способ оценки качества термической обработки изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).
Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость. Схемы испытаний представлены на рис. 1.
Рис. 1. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу
В результате вдавливания с достаточно большой нагрузкой поверхностные слои материала, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически 5 деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Особенность происходящей при этом деформации заключается в том, что она протекает только в небольшом объеме, окруженном 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 твердости вдавливанием пластическую деформацию испытывают не только пластичные, но также металлы (например, чугун), которые при обычных механических испытаниях (на растяжение, сжатие, кручение, изгиб) разрушаются практически без пластической деформации.
Таким образом, твердость характеризует сопротивление пластической деформации и представляет собой механическое свойство материала, отличающееся от других его механических свойств, способом измерения.
Преимущества измерения твердости следующие:
1. Между твердостью 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 твердости 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 твердости получают пластическую деформацию. Однако в ряде случаев и для этих металлов (например, серых чугунов) наблюдается качественная зависимость между пределом прочности и твердостью; возрастанию твердости обычно соответствует увеличение предела прочности на сжатие.
По значениям твердости можно определять также и некоторые пластические свойства металлов. Твердость, определенная вдавливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в частности меди, дуралюмина и сталей в отожженном состоянии.
2. Измерение твердости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Испытания твердости 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 твердости выполняются быстро.
3. Измерение твердости 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. Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях, не превышающих (для некоторых способов измерения твердости) десятых долей миллиметра, или в микрообъемах металла; в последнем случае измерения проводят способом микротвердости. Поэтому многие способы измерения твердости пригодны для оценки различных по структуре и свойствам слоев металла, например поверхностного слоя цементованной, азотированной или закаленной стали, имеющей разную твердость по сечению детали. Методом определения микротвердости можно также измерять твердость отдельных составляющих в сплавах.
Следует различать два способа определения твердости вдавливанием: измерение макротвёрдости и измерение микротвердости.
Измерение макротвердости отличается тем, что в испытуемый материал вдавливается тело, проникающее на сравнительно большую глубину, ависящую 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 твердость в этом случае характеризует твердость 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 твердостью, например закаленной или низкоотпущенной стали, приведенное 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 приведет 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 определенных пределов.
Измерение микротвёрдости имеет целью определить твёрдость отдельных зерен, фаз и структурных составляющих сплава (а не «усредненную» 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 микротвердости — 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 приблизительнойердости удобно пользоваться шкалой Мооса – набором из 10 минералов, расположенных по возрастанию твердости:
Тальк – 1 Полевой шпат - 6
Гипс – 2 Кварц – 7
Кальцит – 3 Топаз – 8
Флюорит – 4 Корунд – 9
Апатит - 5 Алмаз - 10
Метод измерения твёрдости вдавливанием шарика (твердость по Бринеллю)
Этот способ универсальный и используется для определения твердости практически всех материалов.
В материал вдавливается стальной шарик, и значения твердости определяют по величине поверхности отпечатка, оставляемого шариком. Шарик вдавливают с помощью пресса.
 |
Рис.2. Схема прибора для получения твердости вдавливанием шарика (измерение по Бринеллю): 1 - столик для центровки образца; 2 — маховик; 3 — грузы; 4 — шарик; 5 — электродвигатель.
Испытуемый образец устанавливают на столике 1 в нижней части неподвижной станины пресса (рис. 2), зашлифованной поверхностью кверху. Поворотом вручную маховика 2по часовой стрелке столик поднимают так, чтобы шарик мог вдавиться в испытуемую поверхность. В прессах с электродвигателем вращают маховик 2 до упора и нажатием кнопки включают двигатель 5.
Последний перемещает коромысло и постепенно вдавливает шарик под действием нагрузки, сообщаемой привешенным к коромыслу грузом. Эта нагрузка действует в течение определенного времени, обычно 10-60 с, в зависимости от твердости измеряемого материала, после чего вал двигателя, вращаясь в обратную сторону, соответственно перемещает коромысло и снимает нагрузку. После автоматического выключения двигателя, поворачивая маховик 2против часовой стрелки, опускают столик прибора и затем снимают образец.
В образце остается отпечаток со сферической поверхностью (лунка). Диаметр отпечатка измеряют лупой, на окуляре которой нанесена шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. Диаметр отпечатка змеряют с точностью до 0,05 мм (при вдавливании шарика диаметром 10 и 5 (мм) в двух взаимно перпендикулярных направлениях; для определения твердости следует принимать среднюю из полученных величин.
Число твердости по Бринеллю НВ вычисляют по уравнению:
где Р — нагрузка на шарик, кг · с (1кг · с – 0,1 Мпа); D — диаметр вдавливаемого шарика, мм; d — диаметр отпечатка, мм. Получаемое число твердости при прочих равных условиях тем выше, чем меньше диаметр отпечатка.
Однако получение постоянной и одинаковой зависимости между Р и d, необходимое для точного определения твердости, достигается только при соблюдении определенных условий. При вдавливании шарика на разную глубину, т. е. с разной нагрузкой для одного и того же материала, не соблюдается закон подобия между получаемыми диаметрами отпечатка.
Наибольшие отклонения наблюдаются, если шарик вдавливается с малой нагрузкой и оставляет отпечаток небольшого диаметра или вдавливается с очень большой нагрузкой и оставляет отпечаток с диаметром близким к диаметру шарика. Поэтому твердость материалов измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки Ри квадратом диаметра шарика D 2 . Это соотношение должно быть различным для материалов разной твердости.
В процессе вдавливания наряду с пластической деформацией измеряемого материала происходит также упругая деформация вдавливаемого шарика. Величина этой деформации, искажающей результаты определения, возрастает при измерении твердых материалов. Поэтому испытания вдавливанием шарика ограничивают измерением металлов небольшой и средней твердости (для стали с твердостью не более НВ = 450).
Известное влияние оказывает также длительность выдержки металла под нагрузкой. Легкоплавкие металлы (свинец, цинк, баббиты), имеющие низкую температуру рекристаллизации, испытывают пластическую деформацию не только в момент вдавливания, но и в течение некоторого времени после приложения нагрузки. С увеличением выдержки под нагрузкой пластическая деформация этих металлов практически стабилизируется.
Для металлов с высокими температурами плавления влияние продолжительности выдержки под нагрузкой незначительно, что позволяет применять более короткие выдержки (10-30 с).
При измерении твердости шариком определенного диаметра и с установленными нагрузками на практике пользуются заранее составленными таблицами, указывающими число НВ в зависимости от диаметра отпечатка и соотношения между нагрузкой Ри поверхностью отпечатка F. При указании твердости НВ иногда отмечают принятые нагрузку и диаметр шарика.
Между пределом прочности и числом твердости НВ различных металлов существует следующая зависимость:
Измерение твердости металлов
Методы измерения твердости металлов. Одним из широко распространенных видов испытания металлов является определение твердости. Твердость металла можно определять прямыми и косвенными методами.
Прямые методы испытания на твердость состоят в том, что в образец вдавливают специальный твердый наконечник (из закаленной стали, алмаза или твердого сплава) различной формы (шарик, конус, пирамиду). После снятия нагрузки остается отпечаток, величина которого характеризует твердость образца.
При косвенных методах оцениваются свойства металла, пропорциональные его твердости.
Испытания на твердость могут быть статическими и динамическими. К первому виду относятся испытания методом вдавливания, ко второму — методом ударного вдавливания.
В зависимости от характера и способа приложения нагрузки твердость косвенно характеризует различные механические свойства металлов. Если наконечник вдавливается в образец, то твердость характеризует сопротивление пластической деформации. Если наконечник царапает об-
разец, то твердость характеризует сопротивление разрушению. Твердость, определенная по отскоку наконечника, характеризует упругие свойства металла образца.
По значению твердости металла можно составить представление об уровне его свойств. Например, чем выше твердость, определенная вдавливанием наконечника, тем меньше пластичность металла, и наоборот.
Метод измерения твердости имеет ряд преимуществ перед другими методами механических испытаний металла: простота техники и быстрота испытаний, простота формы и небольшие размеры образцов, возможность проводить испытание непосредственно на изделии без его разрушения.
Твердость определяют на специальных приборах — твердомерах.
Твердомеры бывают стационарные и переносные. Принципиальное устройство твердомеров для всех методов испытаний на твердость одинаково.
Основными узлами твердомеров являются станина, рабочий столик, наконечник (узел, состоящий из оправки и индентора), нагружающее устройство, прибор для измерения величины деформации.
Общая схема испытания такова: деталь или образец помещают на рабочем столике, с помощью нагружающего устройства в образец вдавливают индентор и после снятия нагрузки определяют твердость.
В зависимости от цели испытания, свойств испытуемого металла, размеров образца выбирают форму, размер и материал индентора, величину и длительность приложения нагрузки.
Наиболее часто проводят определение твердости следующими методами: измерение твердости по Бринеллю — по ГОСТ 9012 - 59; измерение твердости по Роквеллу — по ГОСТ 9013 - 54; измерение твердости по Виккерсу — по ГОСТ 2999 - 75; изменение твердости методом ударного отпечатка — по ГОСТ 18661 - 73; измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников — по ГОСТ 9450 - 76.
Существуют общие требования к подготовке образцов и проведению испытаний:
1. Изготовление образцов и подготовка поверхности должны осуществляться способами, исключающими изменения свойств металла из-за нагрева или наклепа.
2. Поверхность образца должна быть чистой, без окислых пленок, следов ржавления или окалины, трещин и прочих дефектов.
3. Образцы должны быть определенной толщины. После нанесения отпечатка на обратной стороне образца не должно быть следов деформации.
4. Образец должен лежать на столике жестко и устойчиво. В процессе испытания образец не должен смещаться или прогибаться.
5. Прилагаемая нагрузка должна действовать перпендикулярно к поверхности образца.
6. Нагрузка должна прилагаться и возрастать плавно до заданного значения, а далее поддерживаться постоянной в течение определенного времени.
Измерение твердости по Бринеллю. При определении твердости методом Бринелля в испытуемый образец или изделие вдавливается в течение определенного времени металлический шарик (рис. 5). После снятия нагрузки на поверхности образца остается сферический отпечаток. Величина отпечатка зависит от твердости металла: чем тверже металл, тем меньше будет величина отпечатка. Число твердости по Бринеллю обозначается НВ.
Рис. 5. Схема расположения отпечатка при определении твердости методом Бринелля
Чтобы определить число твердости НВ (МПа или кгс/мм 2 ), надо величину приложенной нагрузки Р разделить на площадь отпечатка F:
где D — диаметр шарика, м (или мм);
d — диаметр отпечатка, м (или мм);
Р — нагрузка на шарик, МПа (или кгс).
Чтобы не производить каждый раз вычисления, при определении числа твердости пользуются специально cоставленной таблицей (приложение к ГОСТ 9012- 59). Зная нагрузку, диаметры шарика и отпечатка, по этой таблице можно определить число твердости НВ.
Для испытания применяют шарики из закаленной стали или твердого сплава диаметром 2,5; 5,0 и 10 мм. Диаметр шарика выбирают в зависимости от толщины испытуемого образца и его твердости: чем тоньше и тверже образец, тем меньше должен быть диаметр шарика. Обычно испытание проводят на специально подготовленной горизонтальной площадке образца.
Толщина испытуемого образца должна быть не меньше десятикратной глубины отпечатка. Глубину отпечатка определяют пробным испытанием или, если известен уровень твердости, по формуле
где h — глубина отпечатка;
D — диаметр шарика;
Р — нагрузка на шарик;
НВ — число твердости.
Между временным сопротивлением и числом твердости HB существует следующая зависимость:
- для стали σв = 0,34 HB;
- для медных сплавов σв = 0,45 HB;
- для алюминиевых сплавов σв = 0,35 HB.
Расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2,5d,а между центрами двух соседних отпечатков — не менее 4d.Диаметр отпечатка d измеряют при помощи лупы или отсчетного микроскопа (рис. 6) в двух взаимно перпендикулярных направлениях и определяют среднее арифметическое из двух определений.
В зависимости от твердости металла нагрузка на шарик может изменяться от 15,6 до 3000 кгс. Чтобы результаты испытаний были сопоставимы при любом диаметре взятого шарика, между нагрузкой и диаметром шарика должно выдерживаться соотношение: P = 2,5D 2 , Р = 10D 2 , P = = 30D 2 .
Длительность приложения нагрузки должна быть достаточной для прохождения деформации и возрастать с уменьшением твердости испытуемого металла от 10 до 30 и 60 с.
При выборе диаметра шарика D,нагрузки Р, продолжительности выдержки под нагрузкой t и минимальной толщины образца руководствуются табл. 1.
Запись результатов испытания проводится следующим образом. Если испытание проводится шариком диаметром D = 10 мм под нагрузкой Р = 3000 кгс с выдержкой D = 10 с, то записывается число твердости с cимвoлoм НВ. Например, твердость стали 350 НВ. Если условия испытания иные, то это показывается соответствующими индексами. Например, число твердости 230 и испытание проводилось шариком диаметром D = 5,0 мм при нагрузке 750 кгс с выдержкой под нагрузкой 10 с. В этом случае результаты записываются так: НВ 5/750/10/230.
Рис. 6. Измерение диаметра отпечатка по шкале лупы
Выбор параметров испытания при определении твердости
Измерение твердости по Роквеллу. При измерении твердости этим методом алмазный конус или стальной шарик вдавливается в испытуемый образец под действием общей нагрузки Р. Причем сначала прилагается предварительная нагрузка Р0, а затем основная P1, т. е. Р = Р0 + P1. Твердость определяют по глубине отпечатка (рис. 7). За единицу твердости по Роквеллу принята условная величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. В зависимости от твердости испытуемого образца испытание проводят вдавливанием алмазного конуса или шарика при различной величине основной и общей нагрузки. При испытании твердость можно измерять по трем шкалам: А, В и С (табл. 2).
Поверхность для испытания может быть плоской и криволинейной. Радиус кривизны поверхности должен быть не менее 15 мм. Минимальная толщина образца должна быть не меньше восьмикратной глубины внедрения индентора после снятия основной нагрузки P1.
При измерении твердости расстояние между центрами двух соседних отпечатков или расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 3,0 мм. На каждом образце проводят не менее трех измерений.
Рис. 7. Схема испытания на твердость по методу Роквелла
Выбор параметров при определении твердости методом Роквелла
| Шкала | Число твердости | Индентор | Нагрузка, кгс | Пределы измерения в единицах твердости по Роквеллу, HR |
| P0 | P1 | P | ||
| B C A | HRB HRC HRA | Стальной шарик Алмазный конус - // - | 25-100 20-67 70-85 |
Измерение твердости по Виккерсу. При измерении твердости по этому методу в образец вдавливается алмазный наконечник, имеющий форму правильной четырехгранной пирамиды. Нагрузка Р действует в течение определенного времени.
Величина нагрузки может быть следующей: 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 20,0; 30,0; 50,0; 100,0 кгс. Чем больше нагрузка, тем более точным получается результат.
Продолжительность выдержки образца под нагрузкой составляет обычно 10—15 с.
Поверхность испытуемого образца должна быть хорошо подготовлена — шероховатость ее не должна превышать 0,16 мкм. Минимальная толщина стального образца должна быть больше диагонали отпечатка в 1,2 раза, а образцов из цветных металлов в 1,5 раза. Радиус кривизны поверхности должен быть не менее 5 мм.
Отпечатки ставят так, чтобы расстояние между центром отпечатка и краем образца или краем соседнего отпечатка было не менее 2,5 длины диагонали отпечатка (рис. 8).
Рис. 8. Схема расположения отпечатка при определении твердости методом
Погрешность при измерении диагоналей должна быть не более ±0,001 мм при длине диагонали до 0,2 мм, а при большей длине не более 0,5%.
Твердость по Виккерсу (HV) вычисляют по формуле:
где Р — нагрузка, кгс;
α — угол между противоположными гранями пирамиды при вершине, равный 136°;
d — среднее арифметическое значение длин обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм.
Если испытания проводятся в стандартных условиях, то, чтобы не проводить вычисления, пользуются таблицей (приложение к ГОСТ 2999-75), в которой приведена твердость в зависимости от длины диагонали отпечатка при различной нагрузке.
При записи результатов испытаний в обычных условиях твердость по Виккерсу обозначается символом HV. Обычными условиями испытания считаются нагрузка 300 Н (30 кгс) и время выдержки 10—15 с. В этом случае твердость записывается,например, HV 300. Если условия испытания другие, то это указывается индексами, причем сначала указывается величина нагрузки, потом время выдержки. Например, запись HV 20/40 — 250 значит, что при нагрузке 200 Н (20 кгс) и времени выдержки 40 с твердость по Виккерсу 250.
Читайте также: