Связь твердости по Бринеллю с основными механическими характеристиками конструкционных материалов.

По известному числу твердости материала можно ориентировочно определить его механические характеристики. Так, например, как показывают результаты многочисленных экспериментов, между числом твердости по Бринеллю и временным сопротивлением s_в дляметаллов существуют приближенные зависимости, простейшая из которых имеет вид:

s_в = к HB,(3.2)

где к - коэффициент, определяемый опытным путем. Ниже приведены значения к для некоторых материалов.

Сталь (при НВ < 175) - 3,4.

Сталь (при НВ > 175) - 3,6.

Алюминий - 4,0.

Дюралюминий - 3,7.

Медь холоднокатаная - 3,5.

Медь отожженная - 4,6.

Для серого чугуна зависимость менее надежна и более сложна. Для цветных металлов обычно отношение предела прочности от твердости находится в широких пределах и существенно зависит от степе­ни предварительного наклепа.

3. Метод Виккерса (название от английского военно-промышленного концерна «Vickers Limited»).

Метод измерения твердости черных и цветных металлов и сплавов (ГОСТ 2999-75) основан на вдавливании алмазного наконечника в форме правильной четырехгранной пирамиды в образец (изделие) под действием силы, приложенной в течение определенного времени, и измерении длин обеих диагоналей отпечатка, оставшегося на поверхности образца после снятия нагрузки (рис. 3.2).

Угол между противоположными гранями пирамиды 136°. Значение нагрузки на индентор выбирают из диапазона от 1 до 100 кгс.

Метод Виккерса является одним из наиболее совершенных и очень распространенных в лабораторной практике способов определения твердости. Высокая твердость и несминаемость алмаза обеспечивает большую степень точности определения твердости методом Виккерса. Это особенно важно при испытании твердых материалов (более 500 кгс/мм²). Ценность метода состоит также в том, что вследствие малых нагрузок вдавливания удается испытывать очень тонкие образцы, а также определять твердость тонких поверхностных слоев (например, азотированной стали). Можно определять твердость мелких готовых изделий, не разрушая и не портя их вследствие малой величины отпечатка. Твердость по Виккерсу указывается в единицах HV (Hardness Vickers) и определяется как частное от деления нагрузки F (кгс), приложенной к пирамиде, на площадь поверхности отпечатка А (мм²), т. е. к поверхности углубления в форме пирамиды

HV = F/A = 1,854 F/d², (3.3)

где d - среднее арифметическое значение длин обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм.

Измерение диагоналей производят с помощью микроскопа. Число твердости находят по таблицам.

Твердость по Виккерсу при силовом воздействии 30 кгс(294,2 Н) и времени выдержки под нагрузкой 10 - 15 секунд обозначают цифрами, характеризующими величину твердости, и буквами HV.

Пример обозначения: 500 HV - твердость по Виккерсу, измеренная при силе 30 кгс и времени выдержки 10 - 15 секунд.

При других условиях испытания после букв HV указывают нагруз­ку и время выдержки. 220 HV 10/40- твердость по Виккерсу, измеренная при силе 10 кгс (98,07 Н) и времени выдержки 40 секунд.

Замечание о размерности чисел твердости по Бринеллю и Виккерсу. Согласно формулам (3.1) и (3.3) значения твердости вычисляются как отношение нагрузки, вычисленной в кгс, к площади отпечатка, выраженной в мм², т. е. в кгс/мм² - размерности напряжений. Твердость по Бринеллю указывается в единицах НВ, а по Виккерсу - в единицах HV без указания размерности. Если усилие выражено в Ньютонах то для вычисления значе­ний твердости вместо формул (3.1) и (3.2) используются формулы:

4. Метод Роквелла (назван по имени американского металлургаС.П. Роквелла(S. P. Rockwell).

Метод измерения твердости металлов и сплавов по Роквеллу (ГОСТ 9013-59) заключается во внедрении в поверхность образца (или изделия) алмазного конуса с углом при вершине 120° (шкалы А и С) или стального шарика диаметром 1/16² (1,5875 мм) (шкала В) под действием последовательно прилагаемых предварительной и основной сил и в определении глубины внедрения наконечника под действием основной нагрузки (таблица 3.1). Отсчет результатов измерения твердости производится по шкале индикатора при действии на индентор предварительной нагрузки F₁, то есть после снятия основной нагрузки F₂. Это позволяет исключить из рассмотрения упругую деформацию частей прибора и образца (рис. 3.3).

 

	Таблица 3.1
Шкалы Роквелла	Нагрузка на индентор, кгс	Диапазоны
Предварительная	Основная	Общая	измерений
А				70-85 HRA
В				25-100 HRB
С				20-67 HRC

К преимуществам метода Роквелла можно отнести большую производительность при определении твердости, так как отсчет чисел производится здесь непосредственно по шкале индикатора. Весь процесс измерения твердости занимает всего несколько секунд.

Измерение твердости по шкале С. Если индентор внедрится на глубину h₀ = 0,2 мм, то твердость такого материала условно считается равной нулю. Если же под действием той же нагрузки F индентор не внедряется в материал (пластическая деформация равна нулю), то твердость такого ма­териала принято считать равной 100 единицам Роквелла. Таким образом, за единицу твердости принята величина, соответствующая перемещению наконечника на 0,002 мм. Применение такой «перевернутой» шкалы (рис. 3.3) обосновано тем, что глубина внедрения индентора обратно пропорциональна твердости материала. Поэтому твердость материала будет характе­ризоваться величиной (h₀ - h) в мм и определяется по формуле:

Практически невозможно измерить глубину внедрения, начиная с поверхности образца, так как будут возникать большие инструментальные ошибки, связанные с невозможностью точного определения момента касания индентора поверхности образца и неконтролируемым смятием материала в зоне контакта, особенно если имеется шероховатость поверхности. Поэтому дается предварительная нагрузка F₁,принятая равной 10 кгс, которой будет соответствовать неконтролируемое внедрение индентора в испытуемый материал, и измерение величины (h₀ – h) начинается после приложения этой предварительной нагрузки (см. рис. 3.3). Показания индикатора при приложении нагрузки F₁ условно принимают за нулевой отсчет. Величина (h₀ – h) измеряется, следовательно, от действия основной нагрузки.

Измерение твердости по шкале А. Шкалу А (идентична шкале С) применяют для измерения твёрдости преимущественно листовых материалов. Из-за снижения общей нагрузки на индентор в 2,5 раза (см. табл. 1.3) и уменьшения вследствие этого глубины проникновения наконечника минимальную толщину испытуемого образца или изделия удалось снизить до 0,4 - 0,7 мм.

Измерение твёрдости по шкале В. Для многих мягких металлов и сплавов внедрение алмазного конуса может оказаться большим, чем 0,2 мм. В этом случае число твердости, вычисляемое по формуле (4), станет отрицательным, что лишено физического смысла и не может характеризовать твердость материала. В этих случаях применяют следующие меры:

· заменяют конический индентор на сферический;

· снижают нагрузку на индентор в 1,5 раза (со 150 кгс до 100 кгс);

· смещают шкалу на 30 единиц (шкала В красного цвета). Число твердости определяется по формуле:

Твердость указывается в единицах HR (Hardness Rockwell) с добавле­нием обозначения шкалы (HRA, HRB, HRC),которому предшествует чи­словое значение твердости из трех значащих цифр. Твердость по Роквеллу - величина безразмерная.

Пример обозначения: 61 HRC - твердость 61 единиц Роквелла по шкале С.

5. Метод Шора (упругого отскока). Метод назван по имени американского промышленника А. Шора (A. Shore). Предложен в 1906 г.

Мерой твердости явля­ется высота отскока бойка, падающего с определенной высоты. На испытуемый образец 1 (рис. 3.4) с высоты Н падает боёк 2 весом Q с шариком 3 на конце. Диаметр шарика D = 2,5 мм. Если при ударе бойка по испытуемому образцу возникла бы только упругая деформация, то он отскочил бы на ту же высоту, с которой падал (если, конечно, не учитывать потери части энергии на вредное сопротивление - трение, сопротивление воздуха, колебание прибора и др). Смысл числа твердости по Шору будет понятен из следующих данных. Высота отскока h бойка от высокоуглеродистой стали, закаленной на мартенсит принята равной за 100, и твердость такой стали условно считается равной 100 единицам по Шору (шкала прибора имеет 140 равных делений). Отсутствие отскока соответствует твердости, равной нулю.

Между твердостями при упругом отскоке (HSh) и при статическом вдавливании шарика (НВ) наблюдается достаточно устойчивая зависимость, близкая к линейной, а именно для стали:

HB = 7HSh. (3.4)