Что характеризует твердость металлов. Измерение твердости металлов

26.09.2019

Cтраница 1

Твердость металла характеризуется сопротивлением деформации, осуществляемой проникновением в деталь идентора - постороннего предмета определенной формы под действием приложенной силы.

Твердость металла, наплавленного электродами К-2-55, так же, как и у электродов У-340 п / б, зависит от скорости охлаждения.

Твердость металлов определяется также по методу вдавливания алмазного конуса (твердость по Роквеллу. В испытуемый образец вдавливается алмазный конус (или стальной шарик) под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок (PL и Р2; Р, 10 кг, Pf60, 100 или 150 кг. Разность предварительной и окончательной глубин внедрения конуса (или шарика) характеризует твердость металла.

Твердость металла может быть определена несколькими способами, из которых наиболее распространенным является способ вдавливания. Испытание по Бринеллю производят путем вдавливания в образец стального закаленного шарика на специальном прессе. В результате на поверхности образца остается отпечаток в форме шарового сегмента. Диаметр отпечатка измеряют специальной лупой с делениями. Это отношение называется числом твердости по Бринеллю и обозначается НВ. Способом Бринелля нельзя пользоваться для определения твердости очень прочных металлов, так как под значительной нагрузкой стальной шарик изменяет свою форму, дает неправильный отпечаток и может быть разрушен.

Твердость металла на участке неполной перекристаллизации при сварке термически упрочненной стали выше, чем в случае сварки горячекатаной и нормализованной сталей.

Твердость металла может быть измерена несколькими методами, из которых наиболее распространенными являются метод Бринелля и метод Роквелла.

Твердость металла не влияет существенно на стойкость образцов при испытании на коррозионно-эрозионный износ.

Твердость металла при этом возрастает до 95 - 96 HRB. Повышение содержания углерода до 0 5 % не ухудшает механических свойств и улучшает деформируемость.

Твердость металлов связана с их тугоплавкостью; она, как и последняя, обусловлена прочностью кристаллической решетки. Для металлов твердость изменяется в очень широких пределах и не является их характерным свойством.

Твердость металлов по этому методу определяют вдавливанием в образец правильной четырехгранной алмазной пирамиды с углом между противоположными гранями 136 и выражают числом твердости, полученным путем деления величины нагрузки Р в килограммах, приложенной в течение определенного времени, на поверхность отпечатка в квадратных миллиметрах. Поверхность отпечатка, имеющего форму пирамиды, вычисляют, исходя из средней величины обеих диагоналей его основания. Диагонали измеряют с помощью микроскопа или специальной масштабной линейкой, если отпечаток проектируется на экране в увеличенном виде.

Измерение твердости металлов

В промышленности, связанной с обработкой металлов, испытания на твердость являются наиболее распространенными из всех видов механических испытаний. Они производятся значительно чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.

Для определения твердости служат специальные приборы, называемые твердомерами. Рабочим органом каждого твердомера, входящим в контакт с поверхностью испытуемого металла, является наконечник (индентор). Наконечниками могут быть тела различной геометрической формы: шарик, конус, пирамида и др., изготовленные, из материала более твёрдого, чем испытуемый, например, из закаленной стали, алмаза, твёрдого сплава.

В зависимости от характера нагрузки, прикладываемой в процессе испытания, различают статическую и динамическую твердость. В первом случае к индентору нагрузка прикладывается плавно, во втором – ударом.

Наиболее распространено определение статической твердости на твердомерах Бринелля, Роквелла и Виккерса путем вдавливания в испытуемый металл соответственно шарика, конуса, пирамиды. Величина внедрения наконечника в поверхность испытуемого металла характеризует его твердость. Чем тверже металл, тем внедрение будет меньше, и наоборот. Таким образом, твердость - свойство металла сопротивляться внедрению другого более твердого тела. При внедрении наконечника происходит контактное (местное) приложение нагрузки, под действием которой испытуемый металл пластически деформируется в ограниченном объеме. При этом деформация тем меньше, чем тверже металл. Поэтому можно сказать и так: твердость - это сопротивление металла пластической деформации при контактном приложении нагрузки.

Примерами определения динамической твердости могут служить способы Польди и Шора. В первом случае стальной шарик ударом вдавливается одновременно в испытуемый металл и эталонный образец, твердость которого известна. Сравнение полученных отпечатков на эталоне и испытуемом металле позволяет определить твердость последнего. Во втором случае твердость оценивается высотой отскока от испытуемой поверхности бойка, падающего с постоянной высоты: чем выше отскочил боек, тем тверже испытуемый металл. Способ основан на упругих свойствах металла, поэтому его называют способом определения твердости методом упругой отдачи. Выполняется он на приборе, называемом склероскопом Шора. Шкала склероскопа имеет 140 делений. Отскоку в 100 делений соответствует твердость закаленной высокоуглеродистой стали. Вес бойка 2,5 г, его наконечник выполнен из алмаза или закаленной стали. В практике механических испытаний определение динамической твердости по Шору в настоящее время ограничено. Широкое распространение испытаний на твердость объясняется рядом причин. Испытания проводятся быстро, требуют мало времени на подготовку, просты по технике выполнения. При этом часто не требуется изготовление специальных образцов, так как испытания могут выполняться непосредственно на детали без ее разрушения. С помощью переводных таблиц можно сравнить твердость металла, измеренную разными методами (приложение 1).

Между твердостью и другими механическими свойствами существует в ряде случаев зависимость. Например, зная твердость, можно судить о величине прочности на растяжение, пользуясь формулой

σ В = К ·НВ ,

где: σ В - предел прочности на растяжение (временное сопротивление), кгс/мм 2 ;

К - коэффициент;

НВ - число твердости по Бринеллю.

Значение К , по данным Н. А. Минкевича, И. А. Одинга, Н. В. Гевелинга, следующее:

сталь твердостью НВ 120-175 .............. 0,34

сталь твердостью НВ 175-450 . ……... 0,35

медь, латунь и бронза отожженные... .. 0,55

медь, латунь и бронза наклепанные. .…. 0,10

алюминий и его сплавы твердостью НВ 20-45 ...0,33-0,36

дуралюмин отожженный......………......... 0,36

дуралюмин после закалки и старения.….. 0,36.

Однако следует иметь в виду, что общего точного метода перевода чисел твердости, измеренных одним методом, на числа твердости по другим шкалам, а также на прочность при растяжении не существует. Такие переводы делаются, когда для них имеется надежная основа благодаря ранее выполненным сравнительным испытаниям.

Твердость металлов измеряют методами Бринелля, Роквелла, Виккерса, Польди и др.

Одной из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность их применения в различных конструкциях и при различных условиях работы, является твёрдость. Твёрдость - свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела — индентора. Обычно испытания на твердость производятся чаще, чем определение других механических характеристик металлов: деформации, прочности, относительного удлинения, пластичности и прочее.

Твердостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твердого тела. Для определения твердости в поверхность материала с определённой 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 измерения твердости.

Твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012-59) измеряют вдавливанием в испытываемый образец стального шарика определенного диаметра под действием заданной нагрузки в течение определенного времени. 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).
Для измерения твердости по методу Бринелля, в нашем каталоге представлен современный и - более улучшенный твердомер, может быть использован для определения твердости закаленных и незакаленных сталей, чугуна, цветных сплавов, мягких материалов для вкладышей подшипников. Все твердомеры сертифицированы в РФ и могут быть применены на производстве.

Твердость по методу Роквелла - твердость, определяемая разностью между условной максимальной глубиной проникновения индентора и остаточной глубиной его внедрения под действием основной нагрузки, после снятия этой нагрузки, но при сохранении предварительной нагрузки. 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.

Измеряет разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной и предварительной нагрузок.

При измерении твердости методом Роквелла необходимо, чтобы на поверхности образца не было окалины, трещин, выбоин и др. Необходимо контролировать перпендикулярность приложения нагрузки и поверхности образца и устойчивость его положения на столике прибора. Расстояние отпечатка должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и не менее 4мм при вдавливании шарика. Толщина образца должна не менее чем в 10 раз превышать глубину внедрения наконечника после снятия основной нагрузки. Твердость следует измерять не менее 3 раз на одном образце, усредняя полученные результаты.

Твердость по методу Виккерса в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине равным 136 градусов. После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка. Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки к измеренному значению диагонали отпечатка:
Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм2) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой принимают для сталей 10 - 15 с, а для цветных металлов - 30 с.

При измерении твердости по Виккерсу должны быть соблюдены следующие условия:
. плавное возрастание нагрузки до необходимого значения;
. обеспечение перпендикулярности приложения действующего усилия к испытуемой поверхности;
. поверхность испытуемого образца должна иметь шероховатость не более 0,16 мкм;
. поддержание постоянства приложенной нагрузки в течение установленного времени;
. расстояние между центром отпечатка и краем образца или соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длины диагонали отпечатка;
. минимальная толщина образца должна быть для стальных изделий больше диагонали отпечатка в 1,2 раза; для изделий из цветных металлов - в 1,5 раза.
Преимущество метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.

В нашем каталоге представлена целая линейка стационарных твердомеров по методу Виккерса: , и .
представляют собой механические твердомеры, обладающие высокой точностью и удобством в эксплуатации и обслуживании. Данные твердомеры широко применяются на производстве, в научно-исследовательских институтах и лабораториях. Уникальное устройство преобразования и микро окулярное устройство считывания измерений, позволяющие сочетать в приборе легкость использования и высокую точность измерений.

*Индентор (англ. indenter от indent — вдавливать) — изготовленный из алмаза, твёрдого сплава или закаленной стали наконечник прибора, используемого для измерения твёрдости. Иногда инденторами (Nanoindenter) называют сами приборы для измерения нанотвердости.

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):

Тальк.
Гипс.
Кальцит.
Флюорит.
Апатит.
Ортоклаз.
Кварц.
Топаз.
Корунд.
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!

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:

выражена в Ньютонах или

выражена в килограмм-силе.

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