Випробування на твердість

1. Спосіб вимірювання твердості методом дряпання
2. Вимірювання твердості по Бринеллю
3. Вимірювання твердості по Віккерсу
4. Вимірювання твердості по Роквеллу
5. Вимірювання твердості по Шору
6. Вимірювання мікротвердості
7. Співвідношення значень твердості

ЗМІСТ

1. Спосіб вимірювання твердості методом дряпання
2. Вимірювання твердості по Бринеллю
3. Вимірювання твердості по Віккерсу
4. Вимірювання твердості по Роквеллу
5. Вимірювання твердості по Шору
6. Вимірювання мікротвердості
7. Співвідношення значень твердості

Твердість - властивість матеріалу чинити опір пружною і пластичної деформації або руйнуванню при впровадженні в поверхневий шар матеріалу іншого, більш твердого і не одержує залишкової деформації тіла - індентора.

Способи визначення твердості в залежності від тимчасового характеру прикладання навантаження і вимірювання опору вдавленням індентора поділяють на:

• статичні
• динамічні
• кінетичні

Найбільш поширеними є статичні методи, при яких навантаження до індентора прикладають плавно і поступово, а час витримки під навантаженням регламентується стандартами на відповідні методи.

При динамічних методах визначення твердості индентор подіє на зразок з певною кінетичної енергією, що витрачається на пружну віддачу і / або формування відбитка, динамічну твердість часто називають також твердістю матеріалу при ударі. Твердість при ударі характеризує опір впровадженню не тільки на поверхні зразка, а й в деякому об'ємі матеріалу.

Кінетичні методи визначення твердості ґрунтуються на безперервної реєстрації процесу вдавлювання індентора із записом діаграми «навантаження на индентор - глибина впровадження індентора. Особливість такого підходу полягає в реєстрації всієї кінетики процесу пружно-пластичного деформування матеріалу при вдавливании индентора, а не тільки кінцевого результату випробувань, як при інших методах.

За принципом програми навантаження способи визначення твердості можна поділити на способи вдавлення, відскоку, дряпання і різання.

Способи вдавлення є найбільш поширеними. Твердість у цьому випадку визначається як опір, який чинить випробувані тіло впровадження більш твердого индентора і відображає переважно опір поверхневих шарів матеріалу пластичної деформації.

Способи відскоку засновані на вимірі твердості по висоті відскоку бойка, що падає на випробувану поверхню. Твердість при цьому відображає переважно опір пружною деформації. Вимірювання твердості способом відскоку широко застосовують для контролю якості прокатних валків, великих виробів і конструкцій з використанням переносних приладів.

Спосіб вимірювання твердості методом дряпання

Способами дряпання і різання твердість визначається відповідно як опір матеріалу дряпання або різання. Спосіб дряпання розробив Моос на початку XIX ст .; їм були запропонована шкала твердості мінералів по здатності одного наносити подряпини на поверхні іншого. Ця десятибальна шкала (від тальку № 1 до алмазу № 10) використовується в мінералогії, а також для оцінки твердості технічної кераміки і монокристалів.

При визначенні твердості усіма методами (крім мікротвердості) вимірюють інтегральне значення твердості матеріалу (усереднене для всіх структурних складових).

Значення твердості можна однозначно переводити в значення інших механічних властивостей матеріалу. Однак визначення твердості є ефективним способом порівняння один з одним однотипних матеріалів і контролю їх якості.

Вимірювання твердості по Бринеллю

Метод вимірювання твердості по Бринеллю регламентований ГОСТ 9012 .

При визначенні твердості цим методом сталева кулька певного діаметра D вдавлюють в тестований зразок під дією навантаження Р, прикладеної перпендикулярно до поверхні зразка, протягом певного часу. Після зняття навантаження вимірюють діаметр відбитка d. Число твердості по Бринеллю позначається буквами НВ, і його визначають шляхом ділення навантаження Р на площу поверхні сферичного відбитка F.

Для зручності є таблиці чисел твердості по Брінеллю і залежно від діаметра кульки D, діаметра відбитка d і навантаження Р.

Як індентора використовують поліровані (Ra <0,04 мкм) кульки зі сталі ШХ15 з номінальними діаметрами D = 1; 2; 2,5; 5 і 10 мм, останні вважаються кращими, як забезпечують більшу точність вимірювання твердості.

Мінімально допустима товщина зразка для коректного вимірювання твердості НВ повинна бути не менше десятиразової глибини відбитка h.

Випробування проводять при кімнатній температурі за відсутності вібрацій і ударів. Час витримки під навантаженням т для чорних металів становить 10 ... 15 с, а для кольорових металів і сплавів від 10 до 180 с. Навантаження на индентор вибирають з урахуванням співвідношення К = Р / D2:

Метали і сплави К, кгс / мм2

Сталь, чавун та інші високоміцні сплави ......... ..30

Мідь, нікель і їх сплави ............................................ ... 10

Алюміній, магній та їх сплави ....................................... 5

Наприклад, при випробуванні сталей і чавунів при діаметрі кульки D = 10 мм навантаження повинна бути 3000 кгс, а час витримки під навантаженням 10 ... 15 с. Число твердості в цьому випадку позначається цифрами з стоячою після них символом НВ (наприклад, 250 НВ). Іноді після букв НВ вказують умови випробувань - НВ D / P / τ, наприклад: 250 НВ 5/750/25 - твердість по Брінеллю 250, отримана при діаметрі кульки D = 5 мм, навантаженні Р = 750 кгс і часу витримки під навантаженням т = 25 с.

Вимірювання твердості по Бринеллю не рекомендується застосовувати для сталі з твердістю більше 450 НВ, а для кольорових металів понад 200 НВ

Вимірювання твердості по Віккерсу

Метод вимірювання твердості по Віккерсу регламентується ГОСТ 2999 . Метод використовують для визначення твердості деталей і металопродукції малої товщини, а також тонких поверхневих шарів, що мають високу твердість.

Твердість по Віккерсу вимірюють шляхом вдавлення в зразок алмазного наконечника у формі правильної чотиригранної піраміди під дією навантаження Р протягом часу витримки τ. Після зняття навантаження вимірюють діагоналі залишився на поверхні матеріалу відбитка -d1, d2 і обчислюють їх середнє арифметичне значення - d, мм.

Значення твердості по Віккерсу при стандартних навантаженнях н залежно від довжини діагоналі d (мм) дані у відповідних таблицях.

При випробуваннях застосовують такі навантаження Р, кгc: 1; 2; 2,5; 3; 5; 10; 20; 30; 50; 100. Число твердості по Віккерсу позначають цифрами, що характеризують величину твердості з стоячою після них символом HV (наприклад, 200 HV). Іноді після символу HV вказують навантаження і час витримки, наприклад: 200 HV 10/40 - твердість по Віккерсу, отримана при навантаженні Р = 10 кгс і часу витримки під навантаженням т = 40 с.

У ГОСТ сказано, що точного перекладу чисел твердості по Віккерсу на числа твердості, отримані іншими методами, або на механічні властивості при розтягуванні не існує і таких перекладів (за винятком окремих випадків) слід уникати.

Вимірювання твердості по Роквеллу

Метод вимірювання твердості по Роквеллу регламентований ГОСТ 9013 . При визначенні твердості цим методом тестований зразок під дією двох послідовно додаються навантажень - попередньої P0 (зазвичай Р0 = 10 кгс) і загальної Р - вдавлюють индентор (алмазний конус або сталева кулька). При цьому загальне навантаження дорівнює сумі попередньої P0 і основний Р1 навантажень:

P = P0 + P1

Після витримки під прикладеної загальним навантаженням Р протягом 3 ... 5 с основне навантаження Р1 знімають і вимірюють глибину проникнення індентора в матеріал А під дією загального навантаження Р потім знімають залишилася попередню навантаження P0.

Твердість по Роквеллу вимірюють в умовних одиницях. За одиницю твердості прийнята величина, відповідна осьовому переміщенню індентора на 0,002 мм. Число твердості визначається за шкалою індикатора (як правило, з вставками). Індикатор показує результат вирахування різниці глибин (h -h0), на які вдавлюється индентор під дією двох послідовно прикладених навантажень, з деякою константи. Величина h0 - глибина впровадження індентора в випробуваний зразок під дією попереднього навантаження P0.

Залежно від форми індентора і додається навантаження введені три вимірювальні шкали: А, В, С. Найбільш часто використовуваними шкалами є А і С.

Число твердості по Роквеллу позначається цифрами, що характеризують величину твердості, з стоячою після них символом HRA, HRB або HRC (в залежності від використовуваної шкали вимірювання), наприклад: 28 HRC

Шкали, що використовуються при вимірюванні твердості по Роквеллу

Вимірювання твердості по Шору

Метод вимірювання твердості по Шору регламентований ГОСТ 23273 . Це - основний метод визначення твердості поверхні прокатних валків при їх виготовленні, постачанні на металургійне підприємство, а також в процесі експлуатації валків на прокатних станах.

При вимірі твердості по Шору бойок певної маси з алмазним індентором на кінці вільно падає по вертикалі з певної висоти h падіння = 19,0 ± 0,5 мм на випробувану поверхню. Индентор є алмазний наконечник у вигляді тіла обертання з радіусом заокруглень робочого кінця R = 1,0 ± 0,1 мм. Маса бойка разом з алмазним індентором становить 36,0 м За характеристику твердості приймається висота відскоку бойка h. За 100 одиниць твердості по Шору приймається певна величина відскоку бойка h100 = 13,6 ± 0,5 мм. Така твердість відповідає максимальній твердості стабілізованою після гарту на мартенсит вуглецевої евтектоїдной інструментальної сталі по ГОСТ 1435. Відповідно до стандарту, твердість по Шору вимірюють в діапазоні від 20 до 140 одиниць (HSD). Число твердості по Шору позначається цифрами, що характеризують величину твердості, з вартими після них символом HSD, наприклад 95 HSD. Число твердості вказується з округленням до цілого числа.

Вимірювання мікротвердості

Метод вимірювання мікротвердості регламентований ГОСТ 9450 . Визначення мікротвердості (твердості в мікроскопічно малих обсягах) проводять при дослідженні окремих структурних складових сплавів, тонких покриттів, а також при вимірюванні твердості дрібних деталей. Прилад для визначення мікротвердості складається з механізму для вдавлення алмазної піраміди під невеликим навантаженням і металографічного мікроскопа. У випробовувану поверхню вдавлюють алмазну піраміду під навантаженням 0,05 ... 5 Н.

Мікротвердість вимірюють шляхом вдавлення в зразок (виріб) алмазного індентора під дією статичного навантаження Р протягом певного часу витримки т. Число твердості визначають (як і по Віккерсу) розподілом прикладеного навантаження в Н або кгс на умовну площу бічної поверхні отриманого відбитка в мм2.

Основним варіантом випробування є так званий метод відновленого відбитка, коли розміри відбитків визначаються після зняття навантаження. Для випадку, коли потрібно визначення додаткових характеристик матеріалу (пружне відновлення, релаксація, повзучість при кімнатній температурі і ін.) Допускається проводити випробування за методом непоновлення відбитка. При цьому розміри відбитка визначають на глибині вдавлення індентора в процесі прикладання навантаження.

Практично мікротвердість визначають за стандартними таблицями дня конкретної форми індентора, навантаження Р і отриманих в випробуванні розмірів діагоналей відбитка.

Як індентора використовують алмазні наконечники різних форм і розмірів в залежності від призначення випробування мікротвердості. Основним і найбільш поширеним нконечніком є ​​чотиригранна алмазна піраміда з квадратів підставою (за формою подібна до індентора, що застосовується при визначенні твердості за Віккерсом).

Число мікротвердості позначають цифрами, що характеризують величину твердості з стоячою перед ними символом H із зазначенням індексу форми наконечника, наприклад, Н □ = 3000. Допускається вказувати після індексу форми наконечника величину додається навантаження, наприклад: Н □ 0,196 = 3000 - число мікротвердості 3000 Н / мм2, отримане при випробуванні з чотирьох гранной пірамідою при навантаженні 0,196 Н. Розмірність мікротвердості (Н / мм2 або кгс / мм2) зазвичай не вказують. Якщо мікротвердість визначали за методом непоновлення отпечанка, то до індексу форми наконечника додають букву h (Н □ h).

Співвідношення значень твердості

При зіставленні значень твердості, отриманих різними методами, між собою і з механічними властивостями матеріалів необхідно пам'ятати, що наведені в літературних джерелах таблиці або залежності для такого порівняльного перекладу є чисто емпіричними. Фізичного змісту таке переведення позбавлений, так як при вдавливании paзлічних за формою і розмірами індентора і з різним навантаженням твердість визначається при абсолютно різних напружених станах матеріалу. Навіть при одному і тому ж способі вимірювання твердості значення сильно залежить від навантаження: при менших навантаженнях значення твердості виходять більш високими.

Вище були розглянуті основні методи контролю твердості. Існують и інші методики контролю, Які засновані на непрямих вимірах значень механічніх властівостей. Например електричної, магнітні, Акустичні и т.д. Всі ці методи засновані на складанні експериментальних кореляційних таблиць "вимірюваний параметр - параметр механічних властивостей", де всі параметри постійні (хімічний склад металу, номер плавки, кількість забруднень), а змінюються лише табличні параметри. Такі методи на виробництві практично не працюють, тому що наприклад хімічний склад металів за ГОСТами потрібно в СЕЛЕКТА, тобто може бути в заданому межі і змінюватися від плавки до плавки. Складання градуювальних таблиць на кожну партію металу - дуже трудомістка робота.