Сформулируйте определение твердости. Методы определения твердости.

Твердость – свойство поверхности слоя оказывать сопротивление упругой и пластической деформации при местных контактных воздействиях со стороны другого, более твердого тела (индентора), имеющего определенную форму и размер. Государственный эталон твердости по шкалам Виккерса – ГЭТ 31-06.

Методы определения твердости:

· По Виккерсу – HV. Индентор представляет собой усечённую четырёхгранную алмазную пирамиду с квадратным основанием и с углом при вершине между противолежащими гранями, равными 136°.

· По Бринелю – HB. Индентор представляет собой шарик из закалённой стали, твердого сплава или алмаза, отличающихся высокой твёрдостью.

· По Роквеллу – HRC/HRB. HRC - индентор представляет собой алмазный или твердосплавный конус с углом при вершине 120° и радиусом скругления вершины, равным 0,2 мм. HRB – индентор представляет собой стальной или твердосплавный шарик с диаметром, равным 1/16 дюйма.

· Измерительно индентирование/наноиндентирование – осуществляется посредством индентора Берковича – трехгранной пирамиды с углом между осью и гранью в 65,3˚ (глубина индетирования до 100 нм).

 

Виды отпечатков:

Принципы индентирования:

1. Деформация должна быть однородной. Трещины = брак.

2. Должно сохраняться правило подобия отпечатков (их форма должна быть одинаковой).

3. Форма индентора не должна меняться при вдавливании.

12. Как определяют твердость в методе измерительного индентирования? В чем состоит метод Оливера-Фарра? Коэффициент упругого восстановления.

Испытание состоит в измерении и записи на жесткий диск управляющего компьютера кривой «нагружение-разгрузка», которая в дальнейшем математически обрабатывается.

В этом методе размер отпечатка определяют по максимальной глубине погружения индентора hm, принимая, что алмазный индентор совершенно не деформируется при индентировании. Таким образом, в методе ИИ твердость определяется исходя из глубины восстановленного отпечатка как в методе Роквелла, но без предварительного нагружения индентора. В этом состоит основное отличие ИИ от методов измерения твердости, предложенных Виккерсом и Бринелем, в которых визуально измеряются параметры восстановленного отпечатка: диагональ или диаметр, соответственно.

 

Метод Оливера-Фарра состоит в подборе параметров степенной функции,

описывающей экспериментальную зависимость глубины погружения индентора (h) и

площади контакта (A) от приложенной нагрузки (P), и расчете твердости (H) и модуля

Юнга (E) по этим данным. Значения твердости рассчитывают как отношение

максимальной нагрузки к площади проекции восстановленного отпечатка, а модуль

упругости определяют исходя из площади проекции отпечатка, контактной жесткости

S=dP/dh, рассчитываемой из наклона верхней трети кривой разгружения, задаваемого

коэффициента Пуассона, а также параметров индентора. Начальный участок разгрузочной

кривой аппроксимируют степенной функцией Pmax=B(h-hf)m, где Рmax – максимальная

нагрузка, h – глубина проникновения индентора, hf – глубина проникновения индентора

после снятия нагрузки, В и m – эмпирически определяемые параметры.

Коэффициент упругого восстановления – степень восстановления материала после снятия нагрузки с индентора. Восстанавливается та часть, которая приходилась на упругую деформацию.

Рассчитывается исходя из кривой нагружения – разгрузки:

13. Как определяют твердость в методе Виккерса, Бринеля, Роквелла? с чем связаны ограничения классических методов определения твердости?

Метод Виккерса заключается в воздействии на образец индентора определенной формы с определенной нагрузкой, каждая комбинация которых отражена в шкале, по которой измеряется твердость (A, B, C,.., всего 11). Для обозначения твёрдости, определённой по методу Роквелла, используется символ HR, к которому добавляется буква, указывающая на шкалу по которой проводились испытания (HRA, HRB, HRC). Твердость измеряется по глубине проникновения индентора в образец.

НАИБОЛЕЕ ШИРОКО ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ШКАЛЫ ТВЁРДОСТИ ПО РОКВЕЛЛУ

Шкала	Индентор	Нагрузка, кгс
А	Алмазный конус с углом 120° при вершине	60 кгс
В	Шарик диам. 1/16 дюйма из карбида вольфрама (или закалённой стали)	100 кгс
С	Алмазный конус с углом 120° при вершине	150 кгс

При испытании алмазным конусом предельная глубина внедрения составляет 0.2 мм, или 0.2 / 0.002 = 100 делений, при испытании шариком — 0.26 мм, или 0.26 / 0.002 = 130 делений. Таким образом формулы для вычисления значения твёрдости будут выглядеть следующим образом:

а) при измерении по шкале А (HRA) и С (HRC):

Разность представляет разность глубин погружения индентора (в миллиметрах) после снятия основной нагрузки и до её приложения (при предварительном нагружении).

б) при измерении по шкале B (HRB):

Метод Бринеля относится к методам вдавливания. Испытание проводится следующим образом: вначале подводят образец к индентору, затем вдавливают индентор в образец с плавно нарастающей нагрузкой в течение 2-8 с, после достижения максимальной величины, нагрузка на индентор выдерживается в определенном интервале времени (обычно 10-15 с для сталей). Затем снимают приложенную нагрузку, отводят образец от индентора и измеряют диаметр получившегося отпечатка. В качестве инденторов используются шарики из твердого сплава диаметром 1; 2,5; 5 и 10 мм. Величину нагрузки и диаметр шарика выбирают в зависимости от исследуемого материала, который разделен на 5 основных групп:

1 — сталь, никелевые и титановые сплавы;

2 — чугун;

3 — медь и сплавы меди;

4 — легкие металлы и их сплавы;

5 — свинец, олово.

Кроме этого, вышеприведенные группы могут разделяться на подгруппы в зависимости от твердости образцов. При выборе условий испытаний следят за тем, чтобы толщина образца, как минимум, в 8 раз превышала глубину вдавливания индентора. И еще важно контролировать диаметр отпечатка, который должен находиться в пределах от 0,24 D до 0,6 D.

Твёрдость по Бринеллю HBW рассчитывается как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка (метод восстановленного отпечатка):

,

где — приложенная нагрузка, Н;

— диаметр шарика, мм;

— диаметр отпечатка, мм,

или как отношение приложенной нагрузки к площади внедренной в материал части индентора (метод невосстановленного отпечатка):

,

где — глубина внедрения индентора, мм.

Метод Виккернеса заключается во вдавливании в испытуемый материал правильной етырёхгранной алмазной пирамиды с углом 136° между противоположными гранями.

Твёрдость по Виккерсу вычисляется путём деления нагрузки Р на площадь поверхности полученного пирамидального отпечатка. Метод Виккерса позволяет определять твёрдость азотированных и цементированных поверхностей, а также тонких листовых материалов. Твёрдость по Виккерсу во всех случаях обозначается буквами HV без указания размерности — МПа (кгс/мм²). Основными параметрами при измерении твёрдости по Виккерсу являются нагрузка Р до 980,7 Н (100 кгс) и время выдержки 10—15 с.

 

Ограничения классических методов измерения твердости:

1. Необходимость замерять отпечаток с помощью оптического микроскопа для определения твердости.

2. Невозможность правильного определения твердости для материалов с большим коэффициентом упругого восстановления.

3. Невозможность определения твердости для твердых керамических материалов – при больших нагрузках возникают трещины, при малых не виден отпечаток.

4. Искажение отпечатка из-за наплывов материала его краям или «вовлечения» материала вглубь отпечатка.

5. Невозможность определения твердости тонких пленок и отдельных структурных составляющих.