Основные методы определения твердости?
Основными исторически сложившимися определениями твердости являются методы: Бринелля (HB, HBW), Роквелла (HRA, HRB, HRC), Супер-Роквелла (HRN и HRT), Виккерса (HV), Микро-Виккерса (HV) и Шора (HА, НD, НОО и др.).
Во всех перечисленных методах при внедрении индентора происходит пластическая деформация исследуемого образца. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем на меньшую глубину проникает индентор и тем выше твердость.
Какие исследуемые образцы подвергаются к испытанию методом Бринелля?
По методу Бринелля измеряют твердость более мягких материалов с максимальной твердостью до 650 HBW, например: стали, чугун (кроме белого), медь, мягкие сплавы, черные и цветные металлы, прессованная древесина и фанера при больших нагрузках.
Какие исследуемые образцы подвергаются к испытанию методом Роквелла?
По методу Роквелла измеряют твердость очень твердых и относительно мягких металлов, например: графит и пластмассы, металлы и сплавы после термической обработки при больших нагрузках.
Какие исследуемые образцы подвергаются к испытанию методом Супер-Роквелла?
Метод Супер-Роквелла в отличие от метода Роквелла подходит также для определения твердости алюминиевых сплавов, тонких металлических плит, подшипниковых сталей, толстых защитных покрытий при небольших нагрузках.
Какие исследуемые образцы подвергаются к испытанию методом Виккерса и Микро-Виккерса?
По методу Виккерса позволяют испытывать с высокой твердостью (благодаря использованию алмазного индентора) образцов из твердых сплавов, черных и цветных металлов, тонколистовых сталей, закаленных и не закаленных сталей, литья, полудрагоценных и драгоценных камней, цинкованных, хромированных и луженых покрытий поверхностей при больших нагрузках.
Метод Микро-Виккерса подходит для определения твердости малых образцов или металлической фольги, сталей, керамики, тонких пленок, покрытий, твердых сплавов, тонких закаленных слоев при малых нагрузках.
Какие исследуемые образцы подвергаются к испытанию методом Шора?
По методу Шору измеряют твердость резины и пластмасс, строительных утеплителей, ПВХ, продуктов из натурального каучука, твердых смол, полиэстера, печатных пластин, неопрена, и полиграфических валов.
Как измеряют твердость по методу Бринелля?
Метод измерения твердости по Бринелля описан в ГОСТ 9012-59 и основан на плавном внедрении твердосплавного стального шарика (определенного диаметра) в образец. После окончания испытания с помощью микроскопа измеряют диаметр отпечатка.
Применяют стальные или твердосплавные шарики с диаметрами 2,5 мм; 5 мм; 10 мм (также для определения твердости пластиков и твердых полимерных материалов применяются сферические шарики диаметрами 7,5 и 12 мм).
Как измеряют твердость по методам Роквелла и Супер-Роквелла?
Метод определения твердости по Роквеллу и Супер-Роквеллу в полном соответствии с ГОСТ 9013-59 проводится путем статического внедрения стального шарового индентора диаметром 1,5875 мм или алмазного индентора с углом при вершине 120 градусов с определенным усилием на поверхность исследуемого образца, и измерением глубины отпечатка во время испытания.
Преимущество метода Роквелла.
Преимуществом по Роквеллу является простота метода измерения твердости не требующего замера диаметра отпечатка и поиска твердости по таблице.
Характерная особенность метода заключается в том, что в качестве индентора выбирают стальной закаленный шарик (см. рис.4.1).
По этой причине по Бринеллю измеряют твердость не очень твердых металлов и сплавов: отожженных, высокоотпущенных или нормализованных сталей, чугунов с графитом, цветных металлов на основе меди и алюминия.
Число твердости по Бринеллю определяют по формуле
, (1)
где P – нагрузка [кгс]; F – площадь поверхности сферического отпечатка [мм 2 ]. F – простая и известная функция от значений D и d, где D – диаметр шарика; d – диаметр отпечатка (см. рис.4.1). Если измерить d, то по известным значениям P и D легко рассчитать величину НВ.
Вместе с тем, необходимо иметь в виду, что число твердости по Бринеллю НВ зависит от приложенной нагрузки: с увеличением P, например, в 2 раза, отношение P/F, т.е. величина НВ, не останется постоянной, т.к. при этом значение F увеличивается, но не пропорционально увеличению P, т.е. не в 2 раза. Это является следствием сферической формы индентора: с увеличением P, т.е. глубины отпечатка, площадь поверхности сферы увеличивается непропорционально глубине, т.к. сфера не оставляет подобных отпечатков.
Указанное обстоятельство является существенным недостатком метода измерения твердости по Бринеллю. Для того чтобы его избежать, условились, что величина нагрузки P и диаметр шарика D при измерении твердости по Бринеллю стальных и чугунных изделий должны быть выбраны постоянными величинами: P=3000кгс; D=10мм.
Для этих известных величин, задавшись множеством значений d с шагом в 0,05мм, по формуле (1) рассчитали соответствующие значения НВ и составили из этих результатов таблицу. Таким образом, измерив диаметр отпечатка d с точностью 0,05мм, с помощью этой таблицы определяют число твердости по Бринеллю. Использование таблицы значительно ускоряет определение твердости по НВ.
Твердость по Бринеллю определяют на испытательной машине – прессе Бринелля. На одном конце рычага, который качается на треугольной призме, укреплен индентор (шарик D=10мм), а на другом – подвешен груз, который создает усилие P=3000кгс при соприкосновении шарика с поверхностью стального или чугунного изделия.
Величину d отпечатка измеряют с помощью лупы Бринелля, совмещая начало шкалы лупы с левым краем отпечатка и измеряя его диаметр d с точностью 0,05мм. Затем с помощью таблицы определяют число твердости НВ.
Особенно важно, что по числу твердости НВ возможно определить расчетные (для конструктора) основные характеристики стали: её предел прочности (sв) и предел текучести (sТ) с помощью простых формул, которые необходимо запомнить:
; (2)
. (3)
Так как размерность НВ сохраняется (временно) по ГОСТ 9012-59 в 
, а sв и sТ необходимо приводить в МПа, то результаты определения sв и sТ по (2) и (3) следует перевести в размерность СИ, имея в виду, что 
.
Ошибка определения значений sв и sТ по формулам (2) и (3) не превышает 10% и считается в этом случае вполне удовлетворительной для инженерных расчетов.
Однако, если твердость стального изделия больше 450НВ, то ошибка определения sв с помощью (2) становится больше допустимых пределов, и этой зависимостью нельзя пользоваться.
Рис. 4.2. Диаграммы «условное напряжение – относительная деформация» (схема): а – при растяжении образцов из сталей невысокой твердости (HB 450)
Таким образом, измерив достаточно быстро твердость НВ, оказывается возможным определить достаточно точно значения sв и sТ стали изделия, не изготовляя при этом специальных (гагаринских) образцов и не строя для них диаграмму условных напряжений, по которой в сопротивлении материалов определяют величины sв и sТ.
Отмеченное обстоятельство является наиболее важным преимуществом измерения твердости по Бринеллю. Соотношения (2) и (3) широко используются в инженерной практике. Поэтому необходимо знать причину, по которой между величинами НВ и sв существует столь простая зависимость (2) и почему она ограничена.
Дело в том, что пределу прочности sв стального образца на диаграмме условных напряжений (см. рис.4.2а) соответствует то напряжение, при котором в образце формируется «шейка», т.е. большая локальная пластическая деформация.
Таким образом, в этом случае предел прочности sв характеризует сопротивление стали не разрушению, а образованию (развитию) большой локальной пластической деформации («шейки»).
Если вспомнить определение твердости, то станет очевидным, что величины значений НВ и sв имеют одно и то же физическое содержание, т.к. характеризуют сопротивление материала большой локальной пластической деформации: sв – образованию «шейки», а НВ – лунки. Показательно, что при определении sв материалов повышенной твердости (НВ>450 у стали) образец разрушается без видимого образования шейки, т.е. хрупко (см. рис.4.2б).
По этой причине в таком случае физическое содержание значений НВ и sв различное и зависимость (2) не соблюдается.
В заключение следует обратить внимание на то, что материал под индентором в процессе измерения его твердости находится в условиях всестороннего сжатия, а при определении sв – в условиях одноосного растяжения.
В первом случае преобладают касательные напряжения t, которые вызывают, как известно, пластическое течение (сдвиг) материала, а при растяжении преобладают нормальные напряжения s, которые ответственны за хрупкое разрушение (отрыв) испытуемого материала.
По этой причине один и тот же материал при изменении твердости оказывается в более пластичном состоянии, чем при определении sв.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
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 Fмм 2 (м 2 ) 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 измрения твёрдости по Роквеллу»
В методе Роквелла твердость определяется по глубине вдавливания индентора. В качестве индентора используется алмазный конус с углом при вершине 120 0 . 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 | 150 |
| В | HRB | 100 |
| С | HRC | 60 |
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 0 . 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 HVизмеряется в кгс/мм 2 , Н/мм 2 или МПа. Значение твердости по Виккерсу может изменяться от HV2060 до HV5 при нагрузке 1 кгс.
Достоинстваметода: возможность измерять тонкие образцы.
Недостатки метода: дополнительные измерения и расчеты.
Лекция 4 Метод испытания на ударный изгиб при комнатной и пониженной температурах и после механического старения.
Вязкость – способность материалов поглощать энергию развиваемых в нем трещин.
Ударная вязкость – способность металлов оказывать сопротивление действию ударных нагрузок.
Ударная вязкость характеризует удельную работу, затрачиваемую на разрушение при ударе образца с надрезом.
Ударная вязкость испытывается на маятниковом копре с постоянным запасом работы маятника по ГОСТ 9454-78 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах».
Стандарт распространяется на черные и цветные металлы и сплавы и устанавливает метод испытания при температурах от -100 до +1000 °С.
Метод основан на разрушении ударом маятникового копра образца с концентратором напряжений. В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе К, или ударную вязкость КС.
Используют образцы прямоугольной формы с концентратором типа U, V, Т (усталостная трещина). Наиболее распространенными образцами являются образцы размерами 55x10x10 мм с U-концентратом 2×2 мм (рис. 6).Образец должен быть строго прямоугольным. Не допускаются к испытаниям образцы со следами обработки на поверхности надреза, с искревлениями, с трещинами и с заусенцами
Рис. 6. Стандартный образец с U-образным надрезом для испытаний на ударный изгиб
Испытания проводят на образцах разного типа с разными надрезами. КС при испытаниях на разных образцах различно. Это необходимо для определения значения КС материала. Используются три вида образца, чтобы зафиксировать место разрушения.
На разрушение ударом образца затрачивается только часть энергии маятника, в связи с чем маятник после разрушения образца продолжает двигаться, отклоняясь на определенный угол. Чем больше величина работы, затрачиваемой на разрушение образца, тем на меньший угол он отклоняется от вертикали после разрушения.
По величине этого угла и определяют работу удара К или работу, затраченную на разрушение образца. Работу разрушения К относят к площади поперечного сечения образца So в месте излома и тем самым находят КС — ударную вязкость:
где Kизмеряется в Дж (кгс*м), S0— в м 2 (см 2 ).
В зависимости от вида концентратора ударная вязкость обозначается
KCU, KCV, КСТ и имеет размерность МДж/м 2 (МДж/см 2 ) или кгс*м/см 2 .
Значение КС сильно зависит от температуры. Для большинства конструкционных материалов существует пороговое значение температуры, при которой характер разрушения скачкообразно меняется: ниже – хрупкое разрушение, малая энергия поглощения; выше – вязкое разрушение, трещины распространяются с трудом. 
Tхл – порог хладноломкости. Рабочие температуры выбирают выше значения Tхл
Склонность к механическому старению проводят по ГОСТ 7268-82 «Сталь. Метод определения склонности к механическому старению по испытанию на ударный изгиб.»
Старением называют изменение свойств металлов с течением времени. В результате старения изменяются физико-механические свойства. Прочность и твёрдость повышается, а пластичность и вязкость понижаются. Старение бывает естественное и искуственное.
Процесс изменения свойств, происходящие во времени при комнатной температуре или при атмосферной называется естественным старением.
Процесс изменения свойств с течением времени при нагреве до невысоких температур называется искуственным старением.
Вырезанную из пробы заготовку, с нанесённой на ней длиной 120мм подвергают дефомации растяжения из расчёта получения 10±0,5% остаточного удлинения -12мм.
Из деформированной заготовки вырезают образцы для испытаний на ударный изгиб и подвергают нагреву (искусственное старение) при температуре 250±10 0 С с выдержкой 1час с последующим охлаждением на воздухе и проводят испытание на ударный изгиб на маятниковом копре при необходимой температуре.
Факторы влияющие на ударную вязкость:
1. Структура металла (крупнозернистый и мелкозернистый излом)