Определение твёрдости

Определение твердости производится быстро и не требует специальных образцов. Кроме того, сведения о твердости позволяют в некоторых случаях судить о других механических свойствах металлов, например, о прочности. Поэтому испытания на твердость широко применяют в практике. Наибольшее распространение имеют методы вдавливания твердого наконечника.

Рисунок 4 - Схема определения твёрдости материала

По методу Бринелля стальной закаленный шарик диаметром D (10; 5; 2,5; 2 или 1 мм) вдавливают в испытуемый образец силой Р (рисунок 4). В результате на поверхности образца остается отпечаток в форме шарового сегмента диаметром d. Размер отпечатка будет тем меньше, чем тверже металл. Твердость по Бринеллю НВ, Па (кгс/мм²), вычисляют по формуле

НВ = P/F,

где Р — нагрузка на шарик, кгс; F — площадь поверхности отпечатка, м² (мм²).

Для испытания с использованием того или иного шарика установлен определенный интервал нагрузок, так, для шарика c D = 1 мм установлен интервал от 9,8 Н (1 кгс) до 294 Н (30 кгс); для шарика с D = 10 мм — от 980 Н (100 кгс) до 29 430 Н (3000 кгс).

В ГОСТах и справочниках число твердости по Бринеллю при испытании шариком с D = 10 мм и нагрузкой 29430 Н обозначается цифрами, характеризующими значение твердости (кгс/мм²), и буквами НВ, например, 185 НВ или при других условиях после букв НВ указываются эти условия в следующем порядке; диаметр шарика (мм), нагрузка (кгс) и продолжительность выдержки под нагрузкой (с), например, 175НВ5/750/20. По этому методу можно испытывать материалы твердостью не более 450 НВ.

По методу Роквелла твердость определяют при вдавливании алмазного конуса с углом 120° или стального шарика диаметром D = 1,58 мм (1/16 дюйма). Стальной шарик применяют для нетвердых металлов (до 220 НВ) при нагрузке 981 Н (100 кгс). Образец помещают на столик 2 прибора Роквелла (рисунок 5) и вращением маховичка 1 поднимают его до соприкосновения с алмазным конусом 3 или стальным шариком. Вращение маховичка продолжают до достижения давления на образец 98 Н (10 кгс) (предварительная нагрузка), что показывает малая стрелка индикатора 4. Далее включают основную нагрузку рукояткой 5. Вдавливание длится 5-6 с, затем нагрузка снимается. Циферблат имеет две шкалы: красную В — для испытаний шариком и черную С — для испытания алмазным конусом. Твердость по Роквеллу является величиной условной, характеризующей разность глубин отпечатков. Одно деление шкалы, прибора соответствует 2 мкм глубины проникновения алмазного конуса или шарика в образец. Число твердости по Роквеллу обозначается HR с добавлением индекса шкалы, по которой проводилось испытание, например HRB или HRC₃. Для испытания очень твердых материалов применяют алмазный конус при нагрузке 588 Н (60 кгс), отсчеты производят по шкале С, число твердости обозначают HRA.

Рисунок 5 - Твердомер для измерения по методу Роквелла

Метод Виккерса позволяет измерять твердость как мягких, так и очень твердых металлов и сплавов (например, после химико-термической обработки). По этому методу в образец вдавливается четырехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 136°. Замер отпечатка по диагонали производят с помощью микроскопа, находящегося при приборе. Число твердости HV определяют по формуле

HV = l,854P/d²,

где Р — нагрузка, кгс; d — среднее арифметическое значение длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм.

Испытания на микротвердость производят вдавливанием алмазной пирамиды с углом при вершине 136° под нагрузкой от 0,049 до 4,905 Н (гири массой от 5 до 500 г); число твердости Н выражается в Н/мм² (кгс/мм²). По этому методу можно определять твердость структурных составляющих сплавов, мелких деталей механизмов, металлических нитей, искусственных оксидных пленок, стекол и т. д. На рисунке 6 показан прибор для испытания на микротвердость.

Место испытания на детали выбирают с помощью микроскопа, который используется также при замере диагонали отпечатка после испытания. По диагонали определяют площадь отпечатка (рисунок 7) и твердость аналогично с методом Виккерса.

Рисунок 6 - Общий вид прибора для измерения твёрдости мо Виккерсу

Рисунок 7 – Изображение измерения диагонали отпечатка