Методы измерения твердости

Одной из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность их применения в различных конструкциях и при различных условиях работы, является твердость. Испытания на твердость производятся чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.

Твердостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твердого тела. Для определения твердости в поверхность материала с определунной силой вдавливается тело (индентор), выполненное в виде стального шарика, алмазного конуса, пирамиды или иглы. По размерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твердости материала. Таким образом, под твердостью понимают сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела – индентора. В зависимости от способа измерения твердости материала, количественно ее характеризуют числами твердости по Бринеллю (НВ), Роквеллу (HRC) или Виккерсу (HV).

Существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерять вдавливанием индентора (способ вдавливания), ударом или же по отскоку наконечника – шарика. Твердость, определенная царапаньем, характеризует сопротивление разрушению, по отскоку – упругие свойства, вдавливанием - сопротивление пластической деформации. Перспективным и высокоточным методом является метод непрерывного вдавливания, при котором записывается диаграмма перемещения, возникающего при внедрении индентора, с одновременной регистрацией усилий. В зависимости от скорости приложения нагрузки на индентор твердость различают статическую (нагрузка прикладывается плавно) и динамическую (нагрузка прикладывается ударом).

Таблица 1 - Особенности различных методов измерени твердости

Способ измерения

Форма индентора

Нагружение F, H

Допустимая шероховатость поверхности Ra

Бринелля

по диаметру отпечатка

стальной шарик

статичиское

Роквелла

по глубине вдавливания

алмазный конусный наконечник или стальной шариковый

статическое

Супер-Роквелла

по глубине вдавливания

алмазный конус или стальной шарик

статическое

Виккерса

по глубине вдавливания или по диагонали отпечатка

алмазный наконечник в форме правильной черырехгранной пирамиды

статическое

по диаметру отпечатка

победитовый конус

статическое

Шора (Монотрон)

по заданной глубине отпечатка

алмазный или стальной наконеник

статическое

Мартенса

по ширине царапины

алмазный конус или пирамида

динамическое а

Широкое распространение испытаний на твердость объясняется рядом их преимуществ перед другими видами испытаний:

Простота измерений, которые не требуют специального образца и могут быть выполнены непосредственно на проверяемых деталях;

Высокая производительность;

Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению;

Возможность ориентировочно оценить по твердости другие характеристики металла (например предел прочности).

Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием в испытываемый металл индентора в виде шарика, конуса и пирамиды (соответственно методы Бринелля (рис.1, а)), Роквелла (рис.1, б)) и Виккерса (рис.1, в))). В результате вдавливания достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Величина внедрения наконечника в поверхность металла будет тем меньше, чем тверже испытываемый материал.

Рисунок 1 - Схемы испытаний на твердость: а - по Бринеллю; б - по Роквеллу; в - по Виккерсу.

КЛАССИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЛЮ

Рисунок 2 - Схема испытиний на твердость по Бринеллю

Твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012-59) измеряют вдавливанием в испытываемый образец стального шарика определенного диаметра D под действием заданной нагрузки P в течение определенного времени (рис. 2). В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка).

Число твердости по Бринеллю, обозначаемое HB (при применении стального шарика для металлов с твердостью не более 450 единиц) или HBW

(при применении шарика из твердого сплава для металлов с твердостью не более 650 единиц), представляет собой отношение нагрузки P к площади поверхности сферического отпечатка F и измеряется в кгс/мм2 или МПа:

Площадь шарового сегмента составит:

где D –диаметр шарика, (мм);

h – глубина отпечатка, (мм).

Так как глубину отпечатка измерить трудно, а проще измерить диаметр отпечатка d, выражают h через диаметр шарика D и отпечатка d:

Число твердости по Бринеллю определяется по формуле:

В практике при определении твердости не делают вычислений по формуле (5), а пользуются таблицами, составленными для установленных диаметров шариков, отпечатков и нагрузок. Шарики применяют диаметром 1,2; 2,5; 5; 10 мм. Диаметр шарика и нагрузка выбираются в соответствии с толщиной и твердостью образца. При этом для получения одинаковых чисел твердости одного материала при испытании шариками разных диаметров необходимо соблюдать закон подобия между получаемыми диаметрами отпечатков. Поэтому твердость измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки P и квадратом диаметра шарика D2. Это соотношение должно быть различным для металлов разной твердости.

Число твердости по Бринеллю, измеренное при стандартном испытании (D = 10 мм, P = 3000 кгс), записывается так: HB 350. Если испытания проведены при других условиях, то запись будет иметь следующий вид: HB 5/250/30-200 или 200 HB 5/250/30, что означает – число твердости 200 получено при испытании шариком диаметром 5 мм под нагрузкой 250 кгс и длительности нагрузки 30 с. При испытании на твёрдость шаром из карбида вольфрама обозначение НВ дополняется буквой W с сохранением указанных индексов.

При измерении твердости по методу Бринелля необходимо выполнять следующие условия:

Образцы с твердостью выше HB 450/650 кгс/мм2 испытывать запрещается;

Поверхность образца должна быть плоской и очищенной от окалины и других посторонних веществ;

Диаметры отпечатков должны находиться в пределах 0,2D

Образцы должны иметь толщину не менее 10-кратной глубины отпечатка (или менее диаметра шарика);

Расстояние между центрами соседних отпечатков и между центром отпечатка и краем образца должны быть не менее 4d;

Продолжительность выдержки под нагрузкой должна быть от 10 до 15 с для чёрных металлов, для цветных металлов и сплавов – от 10 до 180 с, в зависимости от материала и его твёрдости.

Диаметр отпечатка измеряют при помощи отсчетного микроскопа (лупы Бринелля), на окуляре которого имеется шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. Измерение проводят с точностью до 0,05 мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях; для определения твердости следует принимать среднюю из полученных величин.

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО РОКВЕЛЛУ

Твердость по Роквеллу - твердость, определяемая разностью между условной максимальной глубиной проникновения индентора и остаточной глубиной его внедрения под действием основной нагрузки F1, после снятия этой нагрузки, но при сохранении предварительной нагрузки Fo. При этом методе индентором является алмазный конус или стальной закаленный шарик. В отличие от измерений по методу Бринелля твердость определяют по глубине отпечатка, а не по его площади. Глубина отпечатка измеряется в самом процессе вдавливания, что значительно упрощает испытания. Нагрузка прилагается последовательно в две стадии (ГОСТ 9013-59): сначала предварительная, обычно равная 10 кгс (для устранения влияния упругой деформации и различной степени шероховатости), а затем основная (рис.1, б)).

После приложения предварительной нагрузки индикатор, измеряющий глубину отпечатка, устанавливается на нуль. Когда отпечаток получен приложением окончательной нагрузки, основную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения наконечника h.

Твердомер Роквелла измеряет разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной и предварительной нагрузок. Каждое давление (единица шкалы) индикатора соответствует глубине вдавливания 2 мкм. Однако условное число твердости по Роквеллу (HR) представляет собой не указанную глубину вдавливания h, а величину 100 – h по черной шкале при измерении конусом и величину 130 – h по красной шкале при измерении шариком. Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и того физического смысла, который имеют числа твердости по Бринеллю, однако можно найти соотношение между ними с помощью специальных таблиц.

HRA, HRC, HRD – твердость по Роквеллу измеренная при внедрении в поверхность образца алмазного конуса.

HRB, HRE, HRF, HRG, HRH, HRK - твердость по Роквеллу измеренная при внедрении в поверхность образца стального сферического наконечника.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

Определение твердости материалов

Методические указания к учебно-исследовательской лабораторной работе для студентов всех специальностей

дневной, вечерней и заочной форм обучения

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов 2009

Цель работы: ознакомить студентов с методами определения твердости материалов

Определение твердости является широко применяемым в лабораторных и заводских условиях способом испытаний для характеристики механических свойств материалов.

Твердость металлов измеряют при помощи воздействия на поверхность металла наконечника, изготовленного из малодеформирующего материала (твердая закаленная сталь, алмаз, сапфир, или твердый сплав). Наконечник может иметь форму шарика, конуса, пирамиды или иглы.

Существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника: вдавливание наконечника, царапание поверхности, удар наконечника-шарика.

Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием. В результате вдавливания поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Особенность происходящей при этом деформации в том, что она протекает только в небольшом объеме, окруженном недеформированным металлом. Таким образом, твердость характеризует сопротивление металла пластической деформации и представляет собой его механическое свойство.

Следует различать два способа определения твердости вдавливанием: измерение макротвердости и измерение микротвердости:

1. Измерение твердости (макротвердости) характерно тем, что в испытуемый металл вдавливается тело значительных размеров (например, стальной шарик диаметром 10 мм), проникающее на сравнительно большую глубину. В результате чего в деформируемом объеме оказываются представленными все фазы и структурные составляющие сплава. Измеренная твердость должна в этом случае характеризовать твердость всего испытуемого материала (“усредненная” твердость).

Выбор формы, размеров наконечника и величины нагрузки зависят от целей испытания, структуры, ожидаемых свойств, состояния поверхности и размеров испытуемого образца.

2. Измерение микротвердости имеет целью определить твердость отдельных зерен, фаз и структурных составляющих сплава. В этом случае объем, деформированный вдавливанием, должен быть меньше объема измеряемого зерна. Поэтому прилагаемая нагрузка выбирается небольшой.

Наиболее широко применяются следующие способы измерения твердости:

вдавливанием стального шарика (метод Бринелля);

вдавливанием алмазного конуса (метод Роквелла);

вдавливанием четырехгранной алмазной пирамиды (метод Виккерса).

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ВДАВЛИВАНИЕМ ШАРИКА

(ТВЕРДОСТЬ ПО БРИНЕЛЛЮ)

Этот способ используется для определения твердости как металлов, так и неметаллических материалов.

При измерении твердости металлов по Бринеллю в материал вдавливается стальной закаленный шарик под действием заданной нагрузки в течении определенного времени. В результате на поверхности образца образуется отпечаток, диаметр которого измеряют. Значение твердости определяют по величине поверхности отпечатка, оставляемого шариком. Шарик вдавливается с помощью пресса (рис. 1). Испытуемый образец (деталь) 3 устанавливается на столик 1, прошлифованной поверхностью кверху. Поворотом вручную маховика 2 по часовой стрелке столик поднимают вверх, и образец 3 прижимается к шарику 4. Нагрузка прилагается автоматически с помощью электродвигателя 5 при нажатии пусковой кнопки. Эта нагрузка, создаваемая грузом 6, действует обычно 10-60 с в зависимости от твердости измеряемого материала. После автоматического выключения двигателя, поворачивая маховик 2 против часовой стрелки, опускают столик прибора и снимают образец 3.

Рис. 1. Схема измерения твердости по Бринеллю

На образце остается отпечаток со сферической поверхностью (лунка). Диаметр отпечатка, измеряют обычно лупой, на окуляре которой нанесена шкала с делениями, соответствующими 0,1 мм. Схема испытания на твердость по методу Бринелля и отсчет по шкале показаны на рис. 1.

Число твердости по Бринеллю, обозначаемая НВ, определяется путем деления нагрузки на площадь поверхности сферического отпечатка, и может быть определено по формуле:

,

В этих выражениях

А – площадь поверхности отпечатка, мм;

D - диаметр вдавливаемого шарика, мм;

d - диаметр отпечатка, мм.

Диаметр шарика, нагрузку и продолжительность выдержки под нагрузкой выбирают в зависимости от твердости и толщины испытуемого изделия или образца. Для испытания используют образцы с чистой и гладкой поверхностью, а толщина образцов должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка.

Нормы испытания на твердость по Бринеллю приведены в табл. 1.

Таблица 1

Нормы испытания на твердость по Бринеллю

При измерении твердости шариком определенного диаметра и установленными нагрузками нет необходимости проводить расчет по указанной выше формуле. На практике используется заранее составленными таблицами, указывающими число НВ от диаметра отпечатка.

Измерение твердости по Бринеллю не является универсальным способом, поскольку не позволяет:

а) использовать материалы с твердостью более НВ4500Н, так как шарик будет деформироваться и показания будут не точны;

б) измерять твердость тонкого поверхностного слоя (толщиной 1-2 мм), так как шарик будет продавливать тонкий слой металла.

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ВДАВЛИВАНИЕМ

АЛМАЗНОГО КОНУСА ИЛИ СТАЛЬНОГО ШАРИКА

(ТВЕРДОСТЬ ПО РОКВЕЛЛУ)

Принципиальное отличие измерения твердости по способу Роквелла от измерения по способу Бринелля состоит в том, что ее измеряют не по диаметру, а по глубине отпечатка получаемого в результате вдавливания алмазного конуса с углом при вершине равным 120 о или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм. Конус или шарик вдавливают в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р 0 и основной будет равна: Р= Р 0 + Р 1 .

При испытании сначала прикладывают предварительную нагрузку Р 0 =100 Н, затем общую нагрузку Р , равную: при вдавливании шарика (шкала В) 1000 Н; при вдавливании алмазного конуса (шкала С) 1500 Н; при вдавливании алмазного конуса (шкала А) 600 Н (рис. 2).

Рис.2. Разновидность глубины проникновения наконечника под действием двух нагрузок

Твердость по Роквеллу обозначается цифрами и буквами HR с указанием шкалы твердости (А,В,С).

Число твердости по Роквеллу определяют по формуле

HR = (k-(h-h 0 )/c

где h 0 - глубина внедрения наконечника под действием силы Р 0 ;

h - глубина внедрения наконечника под действием общей

нагрузки Р ;

к - постоянная величина, для шарика 0,26; для конуса 0,2;

с - цена деления циферблата индикатора.

При измерении твердости нагрузка должна действовать строго перпендикулярно к поверхности образца. Нагрузки следует прилагать плавно.

Твердость измеряют на приборе, представленном на рис. 3.

Рис.3. Схема прибора для измерения твердости по Роквеллу

Стол 1 служит для установки на нем испытуемого образца 3. Вращая по часовой стрелке маховик 2, подводят образец до соприкосновения с наконечником 4. При дальнейшем вращении маховика наконечник начинает внедряться в образец, а на шкале индикатора наблюдают за поворотом малой стрелки. Предварительное нагружение производят до тех пор, пока малая стрелка индикатора не совпадет с красной точкой.

Когда образец получает предварительную нагрузку 100 Н (10 кГс), большая стрелка индикатора принимает вертикальное положение (или близкое к нему). Точную установку шкалы индикатора на ноль производят при помощи барабана 6. Затем нажимают на клавишу 7, при этом обеспечивается действие основной нагрузки и создается общая нагрузка (предварительная + основная).

При таком нагружении большая стрелка перемещается по циферблату индикатора против часовой стрелки. Время приложения общей нагрузки 5-7 с. Затем основная нагрузка снимается автоматически и остается только предварительная. Большая стрелка индикатора перемещается по часовой стрелке. Цифра, которую укажет на циферблате индикатора большая стрелка, представляет число твердости по Роквеллу. Далее поворачивают маховик 2 против часовой стрелки, опускают столик и снимают образец.

Твердость на приборе Роквелла можно измерять:

1) алмазным конусом с общей нагрузкой 1500 Н (150 кГс). В этом случае значение твердости определяют по черной шкале “С” индикатора и обозначают НRC. Эта шкала применяется при испытании закаленных сталей (до HRC 67);

2) алмазным конусом с общей нагрузкой 600 Н (60 кГс). В этом случае значения твердости также определяются по черной шкале “С”, но обозначают HRA. Числа HRA можно перевести на числа HRC по формуле: HRC = 2 HRA - 104. Эта шкала применяется для испытания сверхтвердых сплавов (например на основе карбидов вольфрама, обладающих твердостью HRC>68), тонкого листового материала и для измерения твердости тонких поверхностных слоев (0,3-0,5 мм);

3) стальным шариком с общей нагрузкой 1000 Н (100 кГс).

В этом случае значения твердости определяют по красной шкале “В” и обозначают HRB. Шкала В служит для испытания металлов средней твердости и для испытания изделия толщиной от 0,8 до 2 мм.

К достоинствам метода Роквелла следует отнести высокую производительность, простоту обслуживания, точность измерения и сохранение качественной поверхности после испытаний.

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ВДАВЛИВАНИЯ

АЛМАЗНОЙ ПИРАМИДЫ

(ТВЕРДОСТЬ ПО ВИККЕРСУ)

Этот способ используется для измерения твердости черных и цветных металлов и сплавов.

Твердость по методу Виккерса определяют путем вдавливания в испытуемую поверхность алмазной четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136 0 под нагрузкой 50, 100, 200, 300, 500, 1000 Н. По диагоналям h 1 и h 2 отпечатка, пирамиды и углу при вершине пирамиды определяют площадь поверхности отпечатка и рассчитывают по формуле:

HV = (2 P sin ( /2)/ d 2 ) = 1,854 (P / d 2 ),

 - угол между противоположными гранями пирамиды (136 0);

d – среднеарифметические значения длин обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм.

Испытания проводят на приборе (рис. 4), имеющем неподвижную станину, в нижней части которой установлен столик 1, перемещающийся по вертикали вращением маховика 2. Образец 3 устанавливают на столик испытуемой поверхностью кверху и поднимают столик почти до соприкосновения образца с алмазной пирамидой 4. Нажатием педали пускового рычага 5 приводят в действие нагружающий механизм, который через рычаг передает давление грузов 6. Продолжительность нагружения при испытании составляет от 10 до 60 с, что регистрируется сигнальной лампочкой на приборе. После снятия нагрузки столик опускают и подводят микроскоп 7, с помощью которого определяют длину диагонали отпечатка.

Рис.4. Схема прибора для измерения твердости по Виккерсу

В окуляре микроскопа (рис. 5,б) имеются подвижная шкала и три штриха - два основных 1 и 2, и один дополнительный 3 (рис. 5,б). Вращением винта 1 (рис. 5,а) подводят штрих 1 к левому углу отпечатка (рис. 5,б). Вращением микрометрического винта 2 (рис. 5,а) подводят штрих 2 к правому углу отпечатка. Полученную величину диагонали отпечатка записать в протокол испытания.

Рис.5. Схемы: а). микрометрического винта; б). определения величины отпечатка

Измерять необходимо обе диагонали отпечатка и принимать среднюю величину измерений. Полученный результат перевести в значение твердости HV, пользуясь таблицами. Возможность применения малых нагрузок 50, 100 Н позволяет определить твердость деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, например, цементированных, азотированных и других.

Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю для материалов твердостью до НВ 4500 практически совпадают. Вместе с тем, измерения пирамидой дают более точные значения для металлов с высокой твердостью, чем измерения шариком или конусом. Алмазная пирамида имеет большой угол в вершине (136 0) и диагональ его отпечатка примерно в 7 раз больше глубины отпечатка, что повышает точность измерения даже при проникновении пирамиды на небольшую глубину.

ИЗМЕРЕНИЕ МИКРОТВЕРДОСТИ

Для изучения свойств и превращений в сплавах необходимо знать не только «усредненную» твердость, представляющую твердость в результате суммарного влияния присутствующих в сплаве фаз и структурных составляющих. В некоторых случаях необходимо знать твердость отдельных фаз и структур. Микротвердость определяют вдавливанием алмазной пирамиды. Для этого используют прибор типа ПМТ-3 (рис.6), разработанный М.Н. Хрущевым и Е.С. Берковичем. Прибор состоит из штатива 8, вертикальной микроскопа с тубусом, который перемещается вверх и вниз с помощью макрометрического винта 6 и микрометрического винта 5. На верхний конец тубуса насажен окулярный микрометр 7, а в нижнем конце закреплены шток 2 с алмазной пирамидой, опакиллюминатор 9 и объективы 11. С помощью микрометрических винтов 13 перемещают столик в необходимом направлении. Ручка 1 служит для поворота столика на 90 о. Прибор снабжен двумя объективами для просмотра микрошлифа при увеличениях в 478 и 135 раз. Окуляр увеличивает в 15 раз. Окулярный микрометр имеет неподвижную сетку, отсчетный микрометрический барабанчик и каретку с подвижной сеткой. На неподвижной сетке нанесены штрихи с цифрами и угольник с прямым углом, вершина которого совпадает с цифрой 0. Для определения микротвердости применяют несколько типов наконечников: с квадратным основанием; с основанием в виде равностороннего треугольника; с ромбическим основанием; с бицилиндрическим основанием. Наиболее широко используют алмазный наконечник. Наконечник имеет угол между гранями на вершине 136 о (такой же как для измерения твердости по Виккерсу). Нагрузка для вдавливания создается грузами 3, которые устанавливаются на шток 2. В приборе применяются грузы от 1 до 500 граммов в зависимости от особенностей изучаемой структуры. Для измерения специально готовят образцы, которые шлифуют и полируют, а при необходимости подвергают травлению реактивами. Приготовленный микрошлиф устанавливают на столике 12, чтобы поверхность микрошлифа была обращена вверх. Установленный микрошлиф просматривают через окуляр. С помощью винтов столик перемещают и выбирают необходимый участок на микрошлифе. Этот участок размещают в середине поля зрения микроскопа точно в вершине угла неподвижной сетки. Затем устанавливают груз. После этого опускают шток с алмазной пирамидой, чтобы алмаз коснулся образца. В этом положении выдерживают 5 – 10 секунд, после чего шток поднимают. Столик 12 поворачивают на 180 о под объектив микроскопа и измеряют диагонали отпечатка. Длина диагонали указывается на микрометрическом барабанчике прибора. Определяют длину обеих диагоналей и вычисляют среднюю длину. Полученную среднюю длину переводят по таблице в число микротвердости. Измерения проводят не менее 2-3 раз. Числа твердости в таблице вычислены по формуле
и представляют числа твердости по Виккерсу. Прибор позволяет фотографировать микроструктуру сплава с полученными отпечатками.

Рис.6. Схема прибора ПМТ-3

ЗАДАНИЕ 1

Изучить работу прибора для измерения твердости по Бринеллю.

Определить твердость образцов из углеродистых конструкционных и инструментальных сталей, и сравнить полученные результаты.

Перевести числа твердости по Бринеллю в числа твердости по Роквеллу.

Сделать вывод о влиянии состава сплава на его твердость.

Протокол испытаний на твердость по методу Бринелля

Таблица 1

ЗАДАНИЕ 2

Изучить работу прибора для измерения твердости по методу Роквелла.

Определить твердость образцов стали в оттоженном состоянии и закаленном состоянии, сплавов цветных металлов и твердых сплавов.

Результаты измерений внести в протокол испытаний.

Сделать вывод о влиянии состава материала на его твердость.

ЗАДАНИЕ 3

Изучить работу прибора для измерения твердости по методу Виккерса.

Определить твердость образцов из малоуглеродистой стали после цементации, азотирования.

Результаты измерений записать в протокол испытаний.

1. Цель работы.

2. Задание.

3. Описание методики проведения испытаний.

4. Протокол испытания на твердость.

5. Выводы по работе.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

Что такое твердость материалов?

Как измеряется твердость материалов?

Определение твердости по Бринеллю; по Роквеллу; по Виккерсу.

Обозначения твердости.

Область применения методов определения твердости по Бринеллю; по Роквеллу и по Виккерсу.

ЛИТЕРАТУРА

Геллер Ю. А. , Рахштадт Л. Г. Материаловедение. М.: Металлургия. 1975.- 345с.

Самоходний А. И., Кунявский М. Н. Лабораторные работы по металловедению и термической обработки металлов. М.: Машиностроение. 1981.

Советова Л.В., Гусев В.И. Руководство к лабораторной работе «Определение твердости материалов». Саратов, СПИ, 1982г.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Методические указания к учебно-исследовательской лабораторной работе для студентов всех специальностей

дневной, вечерней и заочной форм обучения

Составил:

Федоров Юлий Степанович

Все мы знаем, что каждый материал на земле обладает разными свойствами: физическими, химическими, механическими, технологическими, эксплуатационными и многими другими. Также сюда можно отнести и твердость. Все они вместе позволяют предопределить их применение в той или иной сфере человеческой жизнедеятельности. Но что такое твердость металлов, сплавов или любых других материалов? Среди прочих свойств это наиболее интересно, поскольку нет четкого его определения.

Что представляет собой твердость?

Твердость любого материала является его важной характеристикой, поскольку от этого зависит стойкость и долговечность изготавливаемых конструкций. А так как четкого определения нет, то сам термин можно «расшифровать» так - это свойство материала оказывать сопротивление проникновению в него другого тела (инструмента). Эта характеристика позволяет оценить качество многих объектов:

• металла (сплавы);
• керамики;
• древесины;
• пластика;
• камня;
• графита.

Помимо этого, твердость влияет на степень обработки того или иного материала. То есть чем он тверже, тем труднее с ним работать. Справедливо и обратное. Поэтому с деревом приятно иметь дело при изготовлении различных поделок.

У разных специалистов свое понятие твердости. К примеру, в области минералогии под этим определением понимается сопротивление одного материала к появлению царапин при воздействии другого объекта.

В металлургии несколько иначе понимают, что такое твердость - сопротивляемость пластической деформации. Но основное определение, на которое ссылается большинство специалистов любой профессии, уже приведено в самом начале раздела.

Тем не менее твердость может проявляться по-разному:

• жесткость;
• сопротивляемость:
• царапанию;
• истиранию;
• резанию;
• деформация:
• изгиб;
• излом;
• изменение формы.

Чем выше величина твердости, тем большая степень сопротивляемости у материала. Исходя из такого многообразия проявления такого свойства, существуют разные способы по его измерению.

Способы измерения твердости

Что характерно, испытание на твердость проводится чаще, чем определение всех остальных свойств материалов - прочности, относительного удлинения и прочих. Способов узнать, насколько тверда сталь или любой другой минерал, несколько. Но все они основываются на общем принципе: на испытываемый образец воздействуют другим объектом, прилагая определенное давление. Это может быть шарик, пирамида, пуансон.

Определение твердости производится по глубине внедрения и показателям давления. Минимальные усилия и большая глубина говорят о низких свойствах материала. Равносильно и наоборот, большие усилия и малая глубина - твердость высокая.

При этом испытания могут быть двух основных видов:

• Статические.
• Динамические.

Если контакт исследуемого образца и объекта происходит в течение определенного промежутка времени, то испытание носит статичный характер. В ином случае речь идет о динамичном способе определения твердости.

В настоящее время для определения твердости материалов применяют:

• Метод Виккерса (ГОСТ 2999-75).
• Метод Бринелля (ГОСТ 9012-59).
• Метод Роквелла (ГОСТ 9013-59).
• Метод Шора.
• Метод Мооса.

Выбор того или иного испытания зависит от специфики применения деталей, необходимой точности результата, а также способности воспроизвести исследования при различных условиях.

Способ Виккерса

Что такое твердость по Виккерсу? Суть данной методики заключается во вдавливании пирамиды, изготовленной из алмаза, в образец. У пирамидального индентора соотношение сторон должно быть строго определенным. В результате проведения испытания на исследуемом образце остается ромбовидный отпечаток, причем иногда он может быть неправильной формы.

Твердость обознается двумя латинскими буквами - HV - и устанавливается в зависимости от значения диагонали полученного ромба. Иногда используется среднее арифметическое значение обеих диагоналей.

Оборудование, с помощью которого измеряется твердость по Виккерсу, относится к статичному типу и может быть стационарным либо переносным. При этом сама процедура выполняется следующим образом:

• Образец помещается на рабочий стол оборудования исследуемой поверхностью кверху. Затем она вместе со столом поднимается вверх до легкого соприкосновения с рабочим наконечником.
• При помощи реле времени задается определенный час воздействия, после чего остается опустить рычаг, который приводит в действие нагружающий механизм. По окончании времени испытания нагрузка с детали снимается и наконечник возвращается в прежнее положение.
• Оборудование оснащено отсчетным микроскопом, поэтому после завершения операции нужно развернуть стол с образцом к нему и измерить диагонали отпечатка.

В некоторых случаях твердость стали или любого другого материала по данной методике указывается со значением нагрузки. К примеру, такое обозначение HV 50 940 говорит о том, что твердость равна 940 единиц при воздействии нагрузки, равной 50 кг.

Достоинствами данного способа испытания являются:

• Можно измерять детали практически с любой толщиной за счет малой площади поверхности, которую занимает индентор (самое крайнее положение).
• Высокая точность результата, что обусловлено идеальной степенью твердости алмазного наконечника. Как следствие, сам он не подвержен деформации.
• Диапазон измерений довольно широкий и способен охватывать как относительно непрочные металлы наподобие алюминия и меди, так и высокопрочные стали, сплавы.
• Есть возможность определения твердости отдельно взятого слоя металлов. К примеру, образец прошел процесс цементации либо у детали изменен химический состав вследствие поверхностного упрочнения или легирования.

Как показывает практика, диапазон измерений твердости составляет от 145 до 1000 HV. Чтобы измерить твердость большой партии образцов, существует автоматизированное оборудование компании Reicherter из Германии, имеющее гидравлический или электромеханический привод. Расчет результата проводится автоматизировано, после чего выводится на монитор.

Твердость по Бринеллю

Твердость по этому методу обозначается тоже двумя, но уже другими буквами - HB - и тоже является статичным испытанием. Температура при исследовании должна быть в пределе 20±10 °С. Его суть в следующем - образец сдавливается стальным закаленным шариком. Также в комплекте к оборудованию имеется еще один шарик, который изготовлен из вольфрамокобальтового твердого сплава. Это позволяет увеличить диапазон измерения твердости.

Согласно стандарту, определены некоторые условия в отношении того, что такое твердость по Бринеллю:

• Нагружать образец стоит в пределах от 12,25 до 29420 Н.
• Размер шариков составляет 1-10 мм.
• Длительность воздействия не должна превышать 10-15 с.
• Отпечаток на образце не должен выходит за пределы: 0,2-0,7 D (D - диаметр шарика.)

Процесс измерения проходит так:

• Образец помещается на стол и закрепляется по упору.
• На приводе ставится необходимое значение нагрузки, после чего задействуется шпиндель.
• По окончании процедуры рабочий наконечник принимает первоначальное положение. На экране можно увидеть стрелочный индикатор, который укажет величину диаметра отпечатка. Сама твердость устанавливается с помощью таблицы, расположенной на станине оборудования. Если необходимо поменять нагрузку, то для этого есть комплект переустанавливаемых штырей.

Существуют переносные инструменты, которые хорошо использовать в полевых условиях. Они оснащены струбциной, к которой крепится образец, а нагрузка создается рукояткой.

Рабочий диапазон по измерению твердости сплавов составляет 8-450 HB, что соответствует большинству марок сталей и сплавов, которые используются в производстве разных металлоконструкций. Но стоит только превысить верхний предел измерений, как точность уже не соответствует действительности, что обусловлено деформацией индентора. Не рекомендуется использовать твердосплавные шарики, если ожидаемая твердость 350-450 HB.

Главным преимуществом метода Бринелля можно считать возможность определять твердость горячих образцов. В то же время нельзя определить ее на кромках или краях деталей либо у тонких образцов.

Метод Роквелла

Буквы, обозначающие твердость по Роквеллу, - это HR. При этом методе в образец вдавливается стальной шарик либо алмазный конус.

Испытание проводится при следующих условиях:

• Предварительно образец нагружается, что позволяет избежать влияния ряда поверхностных факторов: шероховатость, температура, скорость внедрения индентора.
• Производится основная нагрузка, по которой проводится расчет результата.
• Процедура завершается снятием нагрузки.

Если данный метод сравнивать с предыдущими способами определения твердости, то здесь фигурируют три шкалы.

• A - обозначается HRA, индентор - алмазный конус, диапазон измерений: 60-80 HRA. Применима к высокоуглеродистым легированным инструментальным сталям, а также твердым сплавам.
• B - обозначается HRB, индентор - закаленный шарик, диапазон измерений: 35-100 HRB. Это уже стали средней твердости и сплавы цветных металлов.
• C - обозначается HRC, индентор - алмазный конус, диапазон измерений: 20-90 HRC. Для сталей средней твердости.

Если речь заходит про специфические условия вычисления твердости, к примеру, холоднокатаная тонколистовая сталь, то используется методика Супер-Роквелла с обозначением твердости HRN и HRT.

Оборудование тоже может быть как стационарным, так и переносным. При этом первый тип управляется при помощи электромеханического либо гидравлического привода.

Измерения по Роквеллу проводить сложнее, поскольку необходимо задавать первичную, а потом вторичную скорость перемещения индентора. К тому же алмазный рабочий наконечник имеет форму конуса, что отражается на получении результата. И определить размеры полученного отпечатка здесь гораздо сложнее.

Твердость по Шору

Метод Шора обладает главной отличительной чертой. Все описанные выше способы определения твердости металлов и прочих материалов обладали общим недостатком - на поверхности исследуемого образца появляется отпечаток. В этом случае при необходимости испытываемую деталь невозможно обратно установить в узел либо конструкцию. Методика Шора полностью исключает такую деформацию.

К тому же замер, к примеру, твердости стали, относится уже к испытанию динамического типа, и его суть сводится к следующему. К поверхности исследуемого образца подводится склероскоп (портативный твердомер), внутри которого находится стальной баек с наконечником из алмаза. Твердость определяется так: чем мягче материал, тем меньшим будет расстояние отскока, вследствие поглощения удара самим материалом. А чем тверже образец, тем большим будет отскок.

Диапазон измерений составляет от 30 до 140 HS. Закаленная высокоуглеродистая сталь соответствует значению 100 HS. А поскольку оборудование не повреждает поверхность изделий, то оно актуально для испытаний тех деталей, которые входят в конструкцию действующего узла или агрегата.

Методика проста в реализации, оценка производится довольно быстро и деталь можно снова установить в узел. Все это можно считать главными преимуществами. Тем не менее есть некоторые ограничения.

Шкала твердости HS не имеет стандарта, но есть таблицы и графики, которые позволяют перевести единицы по ШОРу в значения HV, HR или HB. На расстояние отскока бойка влияет такая характеристика, как модуль Юнга. Поэтому невозможно сопоставить единицы HS разных материалов.

К тому же твердость по ШОРу - это всего лишь сравнительное значение. Вдобавок точность результатов заметно ниже, чем у всех перечисленных выше аналогов.

Шкала Мооса

Немецкий ученый Фридрих Моос еще в далеком 1811 году предложил свой способ определения твердости разных материалов. При этом его шкала содержит значения от 1 до 10, что соответствует самым распространенным минералам, начиная с талька (самый мягкий камень) и заканчивая алмазом (самый твердый).

Сама методика очень проста и основывается на сопротивляемости исследуемого образца царапанию. К примеру, объект B может поцарапать тело C, но никак не воздействует на деталь A. Или, напротив, материал A только слегка царапает деталь B, но может сильно повредить объект C.

Несмотря на то что способ определения твердости по шкале Мооса был предложен чуть более двух веков назад, он успешно применяется по сей день. Только полученный результат дает далеко не полную информацию, поскольку здесь нет абсолютных значений и невозможно определить соотношение по твердости. Иными словами, нельзя сказать, во сколько раз один из материалов тверже либо мягче другого.

Эталоны твердости Мооса

В качестве эталона по определению твердости по методу Мооса берутся эти 10 минералов (далее в скобках будет указан присвоенноезначение):

1. Тальк.
2. Гипс.
3. Кальцит.
4. Флюорит.
5. Апатит.
6. Ортоклаз.
7. Кварц.
8. Топаз.
9. Корунд.
10. Алмаз.

Что же представляют собой эти минералы? Опишем их все вкратце ниже.

Первая пятерка

Тальк настолько мягок, что можно царапнуть ногтем. Такая же твердость у карандашей (точнее графита). По шкале соответствует единице. Многим людям он хорошо известен, так как из него изготавливается детская присыпка.

Следующий по твердости - это гипс (2), который тоже легко царапается и имеет особенное свойство. Стоит его измельчить в порошок и смешать с водой - получится пластинчатая масса, которой можно придать любую форму. Помимо белого цвета, есть оригинальные варианты желтого оттенка.

На третьем месте кальцит не случайно (3). Ногтем его уже не поцарапать, зато это можно сделать медной монетой. Такая же степень твердости у золота и серебра. Его второе название - биоминерал, и именно из него состоят раковины.

Флюорит по-другому именуется как плавиковый шпат и переводится как «текучий». Ни ногтем, ни монетой он не царапается, чего нельзя сказать про стекло или обычный нож. Его твердость, как можно понять, - 4.

На пятом месте располагается апатит (5), который еще поддается царапанию при помощи ножа или стекла (такой же характеристикой может похвастать лазурит). При помощи этого минерала добывается фосфор либо фосфорная кислота.

Вторая пятерка

Шестым в списке идет ортоклаз, который уже не берет стекло, но напильнику он противостоять не сможет. Для промышленности он ценен как источник для производства электрокерамики и фарфора. Аналогичная твердость у опала, только его нельзя использовать в качестве эталона, поскольку есть много его разновидностей и у всех свои прочностные характеристики.

На седьмом месте в нашем «рейтинге» свойств твердости располагается всем известный кварц, что соответствует его показателю - 7. Многие знают его как обычный песок. Однако он может быть и в прочих формах: в виде горного хрусталя, агата, аметиста.

Среди рассмотренных минералов самым твердым является топаз (8). Он с трудом поддается обработке, и в большинстве случаев для этого используется алмаз. Впервые он был обнаружен на острове Топазиос, что расположен в Красном море. Отсюда и пошло его название.

Корунд вроде бы идентичен по твердости алмазу, тем не менее при помощи других методик были определены его характеристики. И как итог - алмаз гораздо тверже корунда (в 90-180 раз). Рубины и сапфиры тоже приравниваются к этому минералу, а за счет своей твердости он идеально подходит для изготовления абразивных инструментов.

Замыкает всю десятку алмаз, которому из всех существующих минералов нет равных по части прочности, и его показатель по шкале твердости - заслуженная 10!

Твердость металла. Определение твердости металла. Метод Бринелля, Роквелла.

Твердость — это способность материала сопротивляться вдавливанию в него другого, более твердого тела: режущего инструмента, бойков молота, штампа и т. п.

Твердость характеризует возможность обработки металла на станках, в штампах, ручным инструментом. Определяется она несколькими способами.

Твердость сырых незакаленных сталей, чугуна и цветных металлов определяется на прессе Бринелля. Деталь с небольшой, предварительно зачищенной поверхностью устанавливается на подъемный столик пресса. В эту поверхность с определенным усилием вдавливается стальной закаленный шарик. На образце или детали остается отпечаток. Чем тверже металл, тем меньшими будут глубина и диаметр отпечатка, и наоборот. Разделив величину усилия, с которым вдавливался шарик, на площадь поверхности отпечатка, получим значение твердости по Бринеллю. Она измеряется в килограммсиле на квадратный миллиметр (кгс/мм 2) и обозначается буквами НВ.

Величина усилия и диаметр шарика выбираются в зависимости от толщины и вида испытуемого металла. Для деталей из толстого листового материала или образцов из прочных материалов (сталь, чугун) применяется шарик наибольшего диаметра— 10 мм и максимальная нагрузка — 3000 кгс. Толщина образцов во всех случаях должна быть не меньше 10-кратной глубины отпечатка.

Между пределом прочности при растяжении и твердостью по Бринеллю существуют следующие приблизительные соотношения: для кованой и катаной стали σ в = 0,36 НВ, для серого чугуна , для стального литья σ b =(0,3 — 0,4) НВ. Например, для стали твердостью НВ = 200 предел прочности будет равен: σ b = 200х0,36 = 72 кгс/мм 2 .

Твердость закаленных сталей определять на прессе Бринелля нельзя, так как ввиду малого размера отпечатка его трудно измерить. Если же увеличить нагрузку, то можно раздавить шарик. Поэтому твердость закаленных сталей определяется на приборе Роквелла путем вдавливания в металл алмазного конуса.

Твердость по Роквеллу характеризуется разницей между глубиной вдавливания конуса при двух определенных нагрузках. Глубина вдавливания измеряется автоматически, стрелка на циферблате прибора показывает значение твердости.

Твердость по Роквеллу выражается отвлеченными числами и обозначается буквами HRC. Твердость по Роквеллу можно пересчитать на твердость по Бринеллю.

При повышенных температурах твердость определяется также по методу отпечатка на прессе Бринелля. При этом необходимо учитывать изменение показаний в зависимости от времени испытаний. Чем меньше время, тем выше показатели твердости.

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.

• 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.

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:

Н □ 0,195 = 2800, где

□ — форма наконечника;

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.

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),

• 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 .

Скачать ГОСТ 9012-59