Способ определения твердости материалов вдавливанием

Механические методы определения твердости.

Твердость материала – это способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твердого материала. Она определяется величиной нагрузки необходимой для начала разрушения материала. Твердость делится на относительную и абсолютную. Относительная твердость – это твердость одного материала по отношению к другому. Абсолютная твердость определяется с помощью методов вдавливания.

Твёрдость зависит от множества факторов. Среди них: межатомные расстояния вещества, валентность, природа химической связи, хрупкости и ковкости материала, гибкости, упругости, вязкости и других качеств.

Наиболее твёрдыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода — лонсдейлит, который твёрже алмаза в полтора раза и фуллерит с превышением твёрдости алмаза в два раза. Однако среди распространённых веществ по-прежнему самым твёрдым является алмаз.

Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения). Для разных материалов они будут разными. Для измерения твердости металлов применяются методы:

Метод Бринелля — твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка.

Существуют два вида методов расчета твердости:

По методу восстановленного отпечатка твёрдость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка:

,

• — приложенная нагрузка, H;
• — диаметр шарика, мм;
• — диаметр отпечатка, мм.

По методу невосстановленного отпечатка твёрдость определяется как отношение приложенной нагрузки к площади внедрённой в материал части и ндентора :

,

где — глубина внедрения индентора, м м .

Единицами измерения являются кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твёрдость, англ.), B — Бринелль. Это одни из самых старых методов, применявшиеся еще в XIX веке.

Метод Роквелла — твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, обозначается HR, где H – hardness, а R — Rockwell. Твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 − kd, где d — глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k — коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу соответствует HR 100. 3-й буквой в обозначении идёт наименование типа шкалы, напр. HRA, HRB, HRC и т.д. Для ножей твердость определяется по шкале HRC, которая фактически заканчивается на 70 единицах, так как большая твердость ножа не позволяет им полноценно пользоваться из-за снижения ударной вязкости, повышения хрупкости и т.д. Эта система была самой распространенной в XX веке.

Твердость по методу Роквелла можно измерять:

1) Алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кгс. Твердость измеряется по шкале С и обозначается HRC (например, 62 HRC). Метод позволяет определять твердость закаленной и отпущенной сталей, материалов средней твердости, поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм;

2) Алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кгс. Твердость измеряется по шкале А, совпадающей со шкалой С, и обозначается HRA. Применяется для оценки твердости очень твердых материалов, тонких поверхностных слоев (0,3 … 0,5 мм) и тонколистового материала;

3) Стальным шариком с общей нагрузкой 100 кгс. Твердость обозначается HRB и измеряется по шкале B. Так определяют твердость мягкой (отожженной) стали и цветных сплавов.

При измерении твердости на приборе Роквелла необходимо, чтобы на поверхности образца не было окалины, трещин, выбоин и др. Необходимо контролировать перпендикулярность приложения нагрузки к поверхности образца и устойчивость его положения на столике прибора. Расстояние отпечатка должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и не менее 4 мм при вдавливании шарика. Твердость измеряется не менее 3 раз на одном образце, затем выводится среднее значение. Преимущество метода Роквелла по сравнению с методами Бринелля и Виккерса заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.

Метод Виккерса — самая широкая по охвату шкала, твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Обозначается HV, где H — Hardness (твёрдость, англ.), V — Vickers (Виккерс, англ.). При испытании твердости по методу Виккерса, в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом. После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка. Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки P и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм2) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой для сталей 10 – 15 с, а для цветных металлов – 30 с. Преимущества метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.

Твёрдость по Шору (Метод вдавливания) — твёрдость определяется по глубине проникновения в материал специальной закаленной стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины. В данном методе измерения используется прибор — дюрометр. Обычно метод Шора используется для определения твердости низкомодульных материалов (полимеров). Метод Шора, предполагает 12 шкал измерения. Чаще всего используются варианты A (для мягких материалов) или D (для более твердых). Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается буквой используемой шкалы, записываемой после числа с указанием метода. В качестве примера, можно привести резину в покрышке колеса легкового автомобиля, которая имеет твердость примерно 70A, а школьный ластик — примерно 50A.

Твёрдость по Шору (Метод отскока) — метод определения твёрдости очень твёрдых материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боёк, падающий с определённой высоты. Твердость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка. Обозначается HSx, где H — Hardness, S — Shore и x — латинская буква, обозначающая тип использованной при измерении шкалы.

Метод Либу (твердомеры)

Это самый широко применяемый на сегодня метод в мире, твёрдость определяется как отношение скоростей до и после отскока бойка от поверхности. Обозначается HL, где H — Hardness (твёрдость, англ.), L — Leeb (Либ, англ.), а 3-й буквой идёт обозначение типа датчика, напр. HLD, HLC и т.д. При использовании данного метода падающий нормально к поверхности исследуемого материала боек сталкивается с поверхностью и отскакивает. Скорость бойка измеряют до и после отскакивания. Предполагается, что боек не подвергается необратимой деформации.

Метод Аскер — твёрдость определяется по глубине введения стальной полусферы под действием пружины. Используется для мягких резин. По принципу измерения соответствует методу Шора, но отличается формой поверхности щупа. Аскер использует полусферу диаметром 2.54 мм.

Метод Кузнецова — Герберта — Ребиндера — твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл.

Метод Польди (двойного отпечатка шарика) — твердость оценивается в сравнении с твердостью эталона, испытание производится путем ударного вдавливания стального шарика одновременно и в образец, и в эталон.

Шкала твёрдости минералов Мооса (склерометры царапающие) – метод определения твёрдости минералов путём царапания одного минерала другим, для сравнительной диагностики твёрдости минералов между собой по системе мягче-твёрже. Испытываемый минерал либо не царапается другим минералом (эталоном Мооса или склерометром) и тогда его твёрдость по Моосу выше, либо царапается — и тогда его твёрдость по Моосу ниже. Шкала Мооса — опредедяет, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый материал, и какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом.

Источник

Способ определения твердости материалов вдавливанием

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

Метод измерения твердости на пределе текучести вдавливанием шара

Metals and alloys.
Yield point hardness test by ball indentation

Срок действия с 01.01.1979
до 01.01.1984*
________________
* Ограничение срока действия снято
по протоколу N 3-93 Межгосударственного Совета
по стандартизации, метрологии и сертификации.
(ИУС N 5/6, 1993 год). — Примечание «КОДЕКС».

РАЗРАБОТАН Московским ордена Ленина энергетическим институтом

ВНЕСЕН Министерством высшего и среднего специального образования СССР

Член Коллегии Д.И.Рыжонков

ПОДГОТОВЛЕН К УТВЕРЖДЕНИЮ Всесоюзным научно-исследовательским институтом стандартизации (ВНИИС)

УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 31 октября 1977 г. N 2555

Настоящий стандарт распространяется на черные и цветные металлы и сплавы и устанавливает метод измерения твердости на пределе текучести от 78,5 до 3285 МПа (8-335 кгс/мм ) путем вдавливания шара при температуре от 0 до плюс 40 °С.

Твердость на пределе текучести характеризуется средним напряжением в лунке при вдавливании шара, когда в ней появляется средняя остаточная деформация, близкая к 0,2%, возникающая при отношении диаметра лунки к диаметру шара, равном 0,09.

1. АППАРАТУРА

1.1. В качестве испытательной аппаратуры применяют приборы статического действия или испытательное оборудование, дающее возможность:

плавного возрастания нагрузки;

обеспечения постоянства приложенной нагрузки в течение требуемого времени;

приостановления нагружения с точностью до одного наименьшего деления шкалы силоизмерителя. Цена деления шкалы силоизмерителя должна быть не более 1% значения нагрузки на пределе текучести. Допускаемая относительная погрешность нагрузки не должна превышать ±1%;

приложения действующего усилия перпендикулярно к поверхности испытуемого изделия (образца).

1.2. Применяемые при измерении твердости на пределе текучести шары должны соответствовать следующим требованиям:

материал для шаров — термически обработанная сталь с твердостью не менее 850 единиц по Виккерсу;

диаметр применяемых шаров — 10, 20, 30, 40 и 50 мм;

предельные отклонения по диаметру шара должны соответствовать ГОСТ 3722-60, в группе В;

параметр шероховатости Ra поверхности шара должен быть не более 0,040 мкм по ГОСТ 2789-73.

1.3. Шар, показавший после измерения твердости остаточную деформацию, превышающую указанный допуск по размеру в соответствии с группой В ГОСТ 3722-60 или какой-либо поверхностный дефект, должен быть заменен другим, а соответствующее измерение должно считаться недействительным.

1.4. Для измерения диаметра отпечатка должны применяться микроскопы, обеспечивающие измерение с погрешностью, не превышающей:

1.5. Периодическая поверка приборов для определения твердости на пределе текучести производится в соответствии с ГОСТ 8.043-72.

2. ПОДГОТОВКА К КОНТРОЛЮ

2.1. Параметр шероховатости Ra поверхности изделия (образца) в месте испытания должен быть не более 0,32 мкм по ГОСТ 2789-73.

2.2. При подготовке поверхности испытуемого изделия (образца) необходимо принять меры предосторожности, предотвращающие изменение твердости испытуемого изделия (образца) вследствие нагрева или наклепа поверхности при механической обработке.

2.3. Испытуемое изделие (образец) не должно смещаться при измерении твердости.

2.4. Минимальная толщина изделия (образца) должна быть не менее 8-кратной глубины отпечатка.

2.5. Расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 1,5 диаметра отпечатка, а расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее двух диаметров отпечатка.

2.6. При измерении твердости на изделиях (образцах) с выпуклой цилиндрической поверхностью минимальный радиус кривизны изделия (образца) должен быть не менее пяти диаметров шара. В этом случае испытание должно проводиться без подготовки плоской поверхности.

При измерении твердости на изделиях (образцах) с цилиндрической поверхностью, у которых радиус кривизны менее пяти диаметров шара, ширина и длина подготовленной плоской поверхности должны быть не менее пяти диаметров отпечатка соответственно. Расстояние от центра отпечатка до границы между плоской и цилиндрической поверхностями должно быть не менее чем 1,5 диаметра отпечатка.

3. ПРОВЕДЕНИЕ КОНТРОЛЯ

3.1. При определении твердости на пределе текучести шар вдавливают в поверхность испытуемого образца изделия нагрузкой таким образом, чтобы измеренный диаметр отпечатка был меньше 0,09 не более чем на 5%, с выдержкой под нагрузкой 1 с.

3.2. После снятия нагрузки измеряют диаметр отпечатка, который должен измеряться в двух взаимно перпендикулярных направлениях и определяться как среднее арифметическое результатов двух измерений.

Разность измерений диаметров отпечатка не должна превышать 2% от меньшего из них. Для анизотропных материалов и изделий с выпуклыми цилиндрическими поверхностями разность измерений диаметров отпечатка должна быть указана в нормативно-технической документации на металлопродукцию.

3.3. Производят последующее вдавливание нагрузкой таким образом, чтобы измеренный диаметр отпечатка был больше 0,09 не более чем на 5%.

По значениям и методом интерполяции определяют нагрузку на пределе текучести .

4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1. Твердость на пределе текучести ( ) в МПа (кгс/мм ) определяют по табл.1 и 2, приведенным в обязательном приложении, или вычисляют по формуле

,

где — нагрузка в Н, соответствующая диаметру отпечатка ;

— диаметр шара, мм;

— диаметр отпечатка, мм.

4.2. При обозначении твердости на пределе текучести вычисленное значение дополняется символом с указанием размерности, например: 250 , МПа.

4.3. При вдавливании шара диаметром 20, 30, 40, 50 мм нагрузку надо разделить соответственно на 4; 9; 16; 25 и по полученному от деления результату определить искомое значение твердости .

Например: при вдавливании шара диаметром 40 мм до диаметра отпечатка 3,6 мм нагрузка на пределе текучести получилась равной 3200 Н. Тогда для определения величины твердости необходимо нагрузку в 3200 Н разделить на и по табл.1 для значения нагрузки 200 Н найти соответствующую величину твердости на пределе текучести , равную 314 МПа.

4.4. По значениям твердости на пределе текучести можно определить предел текучести при растяжении в месте испытания. Соотношение между нагрузкой на пределе текучести , твердостью на пределе текучести и пределом текучести для легированных сталей при испытании шаром диаметром 10 мм приведено в таблице.

Источник