Определение твердости

Твердостью называется способность металла сопротивляться внедрению в него инородного тела. Определение твердости является наиболее часто применяе­мым методом испытания металлов. Для определения твердости не требуется изготовления специальных образцов, т. е. испытание проводится без разрушения детали [9, 12, 17, 18].

Рис. 36. Схема испытания на твердость по Бринеллю

Существуют различные методы определения твердости – вдав­ливанием, царапанием, упругой отдачей, а также магнитный метод. Наиболее распространенным является метод вдавливания в металл стального шарика, алмазного конуса или алмазной пирамиды. Для испытания на твердость применяют специальные приборы, несложные по устройству и простые в обращении. Испытание на твердость вдавливанием шарика (твердость по Бринеллю). В поверхность испытываемого металла с определенной силой вдавливают сталь­ной закаленный шарик диаметром 10, 5 пли 2,5 мм (рис. 36). В результате на поверхности металла получается отпе­чаток (лунка). Диаметр отпечатка изме­ряют специальной лупой с делениями. Число твердости по Бринеллю НВ характеризуется отношением нагрузки, действующей на шарик, к поверхности отпечатка: где Р – нагрузка на шарик, Н (кгс); F – поверхность отпе­чатка, мм2; D – диаметр вдавливаемого шарика, мм; d – диа­метр отпечатка, мм.

Для того чтобы не вычислять твердость по приведенной выше формуле, на практике пользуются специальной таблицей, в кото­рой диаметру отпечатка соответствует определенное число твердо­сти НВ.

Для характеристики твердости часто пользуются диаметром отпечатка d_HB (мм) без перевода в число твердости. Диаметр шарика и нагрузку устанавливают в зависимости от испытываемого металла, твердости и его толщины. Например, при испытании стали и чугуна Р = 30D², меди и ее сплавов Р = 10D², баббитов Р = 2,5D².

Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов твердостью более 450 НВ, так как шарик может деформироваться и результат получится неправильным. Нельзя также испытывать тонкие материалы, которые при вдавливании шарика продавли­ваются.

Определение твердости по Роквеллу. В поверхность испытываемого металла вдавливают алмазный конус с углом 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм. Испытание шариком применяют при определении твердости мягких материалов, а алмазным конусом – при испытании твердых материалов.

Шарик и конус вдавливают в испытываемый образец под дей­ствием двух последовательно прилагаемых нагрузок – предвари­тельной Р₀ и основной P₁общая нагрузка Р равна их сумме (рис. 37)

P = P₀ + P₁.

Рис. 37. Схема испытания на твердость по Роквеллу

Предварительная нагрузка Р₀ во всех случаях равна 100 Н (10 кгс), а основная Р₁ и общая Р нагрузки составляют:

при вдавливании стального шарика (шкала В):

Р₁ = 900 Н (90 кгс); Р = 1000 Н (100 кгс);

при вдавливании алмазного конуса (шкала С):

Р₁= 1400 Н (140 кгс); Р= 1500 Н (150 кгс);

при вдавливании алмазного конуса (шкала А)

Р₁ = 500 Н (50 кгс); Р = 600 Н (60 кгс).

При нагрузке 600 Н (60 кгс) испытывают очень твердые, а также тонкие материалы (шкала А).

Твердость по Роквеллу – число отвлеченное и выражается в условных единицах; ее обозначают в зависимости от условий испытания HRA, HRB, HRC.

За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Число твердости по Роквеллу HR определяется по формулам:

при измерении по шкале В:

HR = 130 – е;

при измерении по шкалам С и A:

HR = 100 – е.

Величина е определяется по следующей формуле:

е = (h – h₀) / 0,002,

где А₀ – глубина внедрения наконечника в испытываемый мате­риал под действием предварительной нагрузки P_Q; h — глубина внедрения наконечника
в испытываемый материал под действием общей нагрузки Р, измеренная после снятия основной нагрузки Р_г с оставлением предварительной нагрузки Р₀ (см. рис. 37).

Рис. 38. Схема испыта­ния на твердость по Вик­керсу

Определение твердости по Роквеллу имеет широкое примене­ние, так как дает возможность испытывать твердые и мягкие мате­риалы; при этом отпечатки от конуса или шарика очень малы, поэтому можно испытывать готовые детали без их порчи; испытание выполняется легко и быстро (30 – 60 с); не требуется никаких изме­рений – число твердости читается прямо на шкале. Значения твердости по Роквеллу можно перевести в значения твердости по Бринеллю. Определение твердости по Виккерсу. В поверх­ность металла вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду (рис. 38). По нагрузке, приходящейся на единицу поверхности отпечатка, определяют число твердости, обозначаемое HV: где Р – нагрузка на пирамиду, Н (кгс); d – среднее арифметиче­ское длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм; α – угол между противоположными гранями пирамиды при вершине, рав­ный 136°. При испытании применяют нагруз­ки, равные 50, 100, 200, 300, 500, 1000 Н (соответственно 5, 10, 20, 30, 50, 100 кгс). Возможность применения малых нагрузок – 50, 100 Н (5, 10 кгс) позволяет испытывать материалы тонкого сечения и твердые поверхностные слои (напри­мер, цианированные, азотированные).

Для определения числа твердости HV по величине диагонали отпечатка используют специальную таблицу. Числа твердости до 400 HV единиц совпадают с числами твердости НВ (по Бри­неллю), а при твердости более 400 HV они превышают числа твер­дости НВ и тем больше, чем выше твердость.