Простейшим механическим свойством является твердость. Методы определения твердости в зависимости от скорости приложения нагрузки делятся на статические и динамические, а по способу ее приложения - на методы вдавливания и царапания. Методы определения твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу относятся к статическим методам испытания.
Твердость - это способность материала сопротивляться вдавливанию в него более твердого тела (индентора) под действием внешних сил.
При испытании на твердость в поверхность материалов вдавливают пирамиду, конус или шарик (индентор), в связи с чем различают методы испытаний, соответственно, по Виккерсу, Роквеллу и Бринеллю. Кроме того, существуют менее распространенные методы испытания твердости: метод упругого отскока (по Шору), метод сравнительной твердости (Польди) и некоторые другие.
При испытании материалов на твердость не изготавливают стандартных специальных образцов, однако к размерам и поверхности образцов и изделий предъявляются определенные требования.
О твердости судят либо по площади полученного отпечатка, либо по глубине вдавливания индентора. В результате вдавливания с достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, получают пластическую деформацию. После снятия нагрузки на образце (детали) остаётся отпечаток. Малый объём деформируемого металла, возможость проведения испытаний на поверхностях тел различной формы и размеров на деталях небольшой толщины и в очень тонких слоях металла, не пользуясь специально изготовленными образцами, быстрота и простота испытания, а также возможность без разрушения изделия судить о его свойствах вследствие существования количественной зависимости между твёрдостью пластичных металлов и другими механическими свойствами (пределом прочности) делают испытания на твёрдость незаменимым производственным методом массового контроля металла.
Поверхность образца или испытуемого изделия для измерения твёрдости должна быть ровной, гладкой, свободной отокисной плёнки и представлять горизонтальную шлифованную площадку. Образцы должны быть устойчивыми, при испытании образцов неправильной формы необходимо использовать подставки клинообразной формы.
Измерение твердости методом Бринелля
Измерение твёрдости по Бринеллю регаментируется ГОСТ 9012-59 «Металлы. Метод измерения твёрдости по Бринеллю»
Испытания проводят на специальных прессах – твердомерах, развивающих строго определенное усилие вдавливания, являющееся стандартным с нагрузкой 3000, 1000, 750 и 250 кгс
В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметра 2,5; 5 или 10 мм. На поверхности шарика не должно быть царапин, коррозии, вмятин.
Испытания проводят при комнатной температуре. При измерении твёрдости прибор должен быть защищён от ударов и вибраций.
Диаметр отпечатка d измеряют с помощью отсчётного микроскопа (лупа Бринелля) МПБ-2 и переводят в единицы твёрдости по переводным таблицам.
Диаметры отпечатка d1 и d2 измеряются в двух взаимно перпендикулярных направлениях. За диаметр отпечатка принимается среднее арифметическое значение результатов измерений.
Расстояние между центром отпечатка и краем образца должен быть не менее 2,5 диаметров отпечатка, расстояние между центрами двух смежных отпечатков должно быть не менее 4 диаметров отпечатка.
Число твёрдости по Бринеллю определяется делением нагрузки Р кгс (Н) на площадь поверхности сферического отпечатка Fмм2 (м2) и может быть вычислена по формуле:
P – усилие вдавливания, D – диаметр шарика, d – диаметр полученного отпечатка, измеряемый после удаления индентора.
Получаемое число твёрдости НВ зависит от диаметра отпечатка d.
При измерении твёрдости шариком диаметром D =10мм, под нагрузкой Р=3000кгс с выдержкой t=10с число твёрдости по Бринеллю обозначается символом НВ, например НВ 398. Если испытание проводилось шариком диаметром D =5мм, под нагрузкой Р=750кгс с выдержкой t=30с, то число твёрдости по Бринеллю 200будет обозначено НВ 5/750/30-200.
Достоинства метода: высокая универсальность, то есть способность к измерению материалов с разной структурой. За счет изменения диаметра индентора, можно измерять твердость материалов в широком диапазоне.
Недостатки метода: можно измерять твердость только относительно мягких материалов, не высокая оперативность.
Измерение твердости методом Роквелла
Измерение твёрдости по Роквеллу регаментируется ГОСТ 9013-59 «Металлы. Метод измерения твёрдости по Роквеллу»
В методе Роквелла твердость определяется по глубине вдавливания индентора. В качестве индентора используется алмазный конус с углом при вершине 1200. Метод предназначен для определения твердости:
- закаленной и отпущенной стали (HRC);
- очень твердых материалов (HRА);
- твердость мягких материалов (HRВ).
Нагружение в три этапа: а) предварительное малое усилие P0 для обеспечения контакта с образцом; б) основное нагружение усилием P = P0 + Pраб; в) снятие рабочего усилия Pраб. Остается P0 для обеспечения контакта с образцом.
О твердости материала судят по глубине вдавливания h, измеряемого на 3-м этапе нагружения. Для метода Роквелла характерна высокая оперативность.
Для повышения универсальности существуют три шкалы:
| шкала | обозначение | Нагрузка, кг |
| А | HRA | |
| В | HRB | |
| С | HRC |
Разным шкалам соответствуют разные рабочие усилия, что позволяет измерять материалы с разными характеристиками твердости.
Измерение твердости методом Виккерса
Методы Бринеля и Роквелла малопроигодны для измерения твердости тонких образцов из-за высоких усилий 9,8 Н< Pраб < 1200 Н.
Твердость по Виккерсу измеряют в соответствии с ГОСТ 2999-75 «Металлы и сплавы. Метод измерения твёрдости по Викерсу
При измерении твердости по Виккерсу в качестве индентора используется четырехгранная пирамида с углом при вершине 1360. Нагрузка составляет: 1; 2; 2,5; 3; 5, 10, 20, 30, 50, 100 кг.
Для определения твердости черных металлов и сплавов используют нагрузки от 5 до 100 кгс, медных сплавов - от 2,5 до 50 кгс, алюминиевых сплавов - от 1 до 100 кгс. После снятия нагрузки с помощью микроскопа прибора находят длину диагонали отпечатка, а твердость HVрассчитывают по формуле:
, где
D – диагональ отпечатка, k – размерный коэффициент.
Имеется таблица зависимости твердости от величины нагрузки и длины диагонали. Поэтому на практике вычислений не производят, а пользуются готовой расчетной таблицей. Твердость по Виккерсу HV измеряется в кгс/мм2, Н/мм2 или МПа. Значение твердости по Виккерсу может изменяться от HV2060 до HV5 при нагрузке 1 кгс.
Достоинства метода: возможность измерять тонкие образцы.
Недостатки метода: дополнительные измерения и расчеты.
Домашнее задание:
1. Прочитайте конспект
2. Составьте таблицу:
| № п/п | Метод Бринелля | Метод Роквелла | Твердость по Викерсу |
| Сущность метода | Сущность метода | Сущность метода | |
| Определение твердости | Определение твердости | Определение твердости | |
| Обозначение твердости | Обозначение твердости | Обозначение твердости | |
| Достоинства метода | Достоинства метода | Достоинства метода | |
| Недостатки метода | Недостатки метода | Недостатки метода |