Розділ 5. Механічні та експлуатаційні властивості металів

5.1. Механічні властивості і способи визначення їх кількісних характеристик: твердість, в'язкість, втомна міцність

Твердість – це властивість матеріалу чинити опір проникненню в його поверхню стандартного тіла (індентора), що не деформується при випробуванні.

Широке розповсюдження пояснюється тим, що не потрібні спеціальні зразки.

Це неруйнівний метод контролю. Основний метод оцінки якості термічної обробки виробу. Твердість визначають або за глибиною проникнення індентора (метод Роквелла), або за величиною відбитку від втискання (методи Брінелля, Віккерса, мікротвердості).

Відбувається пластична деформація матеріалу. Чим більше опір матеріалу пластичній деформації, тим вища твердість.

Найбільшого поширення набули методи Брінелля, Роквелла, Віккерса і мікротвердості.

Схеми випробувань представлені на рис. 5.1.

Р

D

d

a) б) в)

Рис. 5.1. Схеми визначення твердості: а – за Брінеллем; б – за Роквеллом; в – за Віккерсом

Твердість за Брінеллем ( ГОСТ 9012)

 Випробування проводять на твердомірі Брінелля (рис. 5.1 а).

Як індентор використовується сталева загартована кулька діаметром D 2,5; 5; 10 мм, залежно від товщини виробу.

Навантаження Р, залежно від діаметру кульки і вимірюваної твердості: для термічно обробленої сталі і чавуну – , литої бронзи і латуні –, алюмінію й інших дуже м'яких металів –.

Тривалість витримки τ: для сталі і чавуну – 10 с, для латуні і бронзи – 30 с.

Отриманий відбиток вимірюється в двох напрямах за допомогою лупи Брінелля.

Твердість визначається як відношення прикладеного навантаження Р до сферичної поверхні відбитку F:

.

Стандартними умовами є: D = 10 мм; Р = 3000 кгс; τ = 10 с. У цьому випадку твердість за Брінеллем позначається НВ 250, в інших випадках вказуються умови: НВ D / P /τ /, НВ 5/ 250 /30 – 80.

Метод Роквелла (ГОСТ 9013) 

Заснований на втисканні в поверхню наконечника під певним навантаженням (рис. 5.1 б).

Індентор для м'яких матеріалів (до НВ 230) – сталева кулька діаметром 1/16” (Ø1,6 мм), для твердіших матеріалів – алмазний конус.

Навантаження здійснюється в два етапи.

Спочатку прикладається попереднє навантаження P_o (10 кгс) для щільного контакту наконечника зі зразком.

Потім прикладається основне навантаження Р₁, потягом деякого часу діє загальне робоче навантаження Р.

Після зняття основного навантаження визначають значення твердості за глибиною залишкового втискання наконечника h під навантаженням P_o.

Залежно від природи матеріалу використовують три шкали твердості (табл. 5.1).

Таблиця 5.1. Шкали для визначення твердості за Роквеллом

Шкала	Позначення	Індентор	Навантаження, кг			Застосування
			Ро	Р1	Р2
А	HRA	Алмазний конус	10	50	60	Для особливо твердих матеріалів
В	HRВ	Сталева кулька Ø1/16"	10	90	100	Для відносно м’яких матеріалів
С	HRС	Алмазний конус	10	140	150	Для відносно твердих матеріалів

Метод Віккерса

Твердість визначається за величиною відбитку (рис. 5.1 в).

Як індентор використовується алмазна чотиригранна піраміда з кутом при вершині 136^o.

Твердість розраховується як відношення прикладеного навантаження P до площі поверхні відбитку F:

Навантаження Р складає 5–100 кгс. Діагональ відбитку d вимірюється за допомогою мікроскопу, встановленого на приладі.

Перевага даного способу в тому, що можна вимірювати твердість будь-яких матеріалів (тонкі вироби, поверхні кульок), висока точність і чутливість методу.

Спосіб мікротвердості застосовується для визначення твердості окремих структурних складових і фаз сплаву, дуже тонких поверхневих шарів (соті долі міліметра).

Аналогічний способу Віккерса. Індентор – піраміда менших розмірів, навантаження під час втискання Р становить 5–500 гс.

.

Динамічний метод (за Шором)

Кульку кидають на поверхню із заданої висоти, вона відскакує на певну величину. Чим більше величина відскоку, тим твердіше матеріал.

У результаті проведення динамічних випробувань на ударний вигин спеціальних зразків із надрізом (ГОСТ 9454) оцінюється в'язкість матеріалів і встановлюється їх схильність до переходу з в'язкого стану в крихкий.

В'язкість – здатність матеріалу поглинати механічну енерґію зовнішніх сил за рахунок пластичної деформації.

Є енерґетичною характеристикою матеріалу, виражається в одиницях роботи. В'язкість металів і сплавів визначається їх хімічним складом, термічною обробкою й іншими внутрішніми чинниками.

Також в'язкість залежить від умов, у яких працює метал (температури, швидкості навантаження, наявність концентраторів напруги).

Вплив температури

Із підвищенням температури в'язкість збільшується (рис. 5.2).

Межа текучості S_т істотно змінюється зі зміною температури, а опір відриву S_от не залежить від температури. За температури вище Т_в межа текучості менша опору відриву. Якщо за навантаження спочатку має місце пластична деформація, а потім – руйнування, метал знаходиться у в'язкому стані.

За температури нижче Т_н опір відриву менший межі текучості. В цьому випадку метал руйнується без попередньої деформації, тобто знаходиться в крихкому стані. Перехід із в'язкого стану в крихкий відбувається в інтервалі температур Т_н –Т_в.

Холодокрихкістю називається схильність металу до переходу в крихкий стан зі зниженням температури.

Холодокрихкими є залізо, вольфрам, цинк й інші метали, об’ємноцентровані, що мають, кубічну і гексагональну щільноупаковану кристалічну решітку.

Рис. 5.2. Вплив температури на пластичний і крихкий стан