Твердость металлов

Одной из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность их применения в различных конструкциях и при различных условиях работы, является твердость. Испытания на твердость производятся чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.

Твёрдостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твёрдого тела. Твёрдость определяется как величина нагрузки необходимой для начала разрушения материала. Различают относительную и абсолютную твёрдость. Относительная — твёрдость одного материала относительно другого. Является важнейшим диагностическим свойством. Абсолютная, она же инструментальная — измеряется методами вдавливания.

Твёрдость зависит от:

• Межатомных расстояний.
• Координационного числа — чем выше число, тем выше твёрдость.
• Валентности.
• Природы химической связи
• От направления (например минерал дистен — его твёрдость вдоль кристалла 4, а поперёк — 7)
• Хрупкости и ковкости
• Гибкости — минерал легко гнётся, изгиб не выпрямляется (например, тальк)
• Упругости — минерал сгибается, но выпрямляется (например, слюды)
• Вязкости — минерал трудно сломать (например, жадеит)
• Спайности

Наиболее твёрдыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода — лонсдейлит, на 58 % превосходящий по твёрдости алмаз и фуллерит (примерно в 2 раза твёрже алмаза). Однако практическое применение этих веществ пока малораспостранено. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз.

Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения):

Метод Бринелля — твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части сферы, а не как площадь круга); размерность единиц твердости по Бринеллю кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твёрдость, англ.), B — Бринелль;

Метод Роквелла — твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA; 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.

Метод Виккерса — твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к пирамидке, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части поверхности пирамиды, а не как площадь ромба); размерность единиц твёрдости по Виккерсу кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV;

Рис.1 Методы определения твёрдости материала.

а) по Бринеллю; б) по Роквеллу; в) по Виккерсу

 

Методы Шора:

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 прибор именуется дюрометром. Обычно метод Шора используется для определения твердости низкомодульных материалов (полимеров). Метод Шора, описанный стандартом ASTM D2240, оговаривает 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 явным указанием метода. В качестве примера, резина в покрышке колеса легкового автомобиля имеет твердость примерно 70A, 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 (основная часть склероскопа — измерительного прибора для данного метода), 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 Аскер («Аскер» — это название японской компании, производящей измерители твердости — дурометры) — 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 С 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 в образец и эталон;

Шкала Мооса — определяется по тому, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый материал, и какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом.

В России стандартизированы четыре первые шкалы твёрдости. Первые три перечисленных метода относятся к методам вдавливания, методы Шора и Кузнецова — Герберта — Ребиндера — к динамическим методам определения твёрдости. Значения твёрдости, определённые по методам вдавливания, можно пересчитать из одной шкалы в другую. Конкретный способ определения твёрдости выбирается исходя из свойств материала, имеющейся аппаратуры и др.

Для инструментального определения твёрдости методом вдавливания используются твердомеры. Методы определения твердости, в зависимости от степени воздействия на объект, могут относиться как к неразрушающим, так и к разрущающим методам.

Механические характеристики связаны между собой, поэтому их конкретные значения могут быть найдены расчётным путём на основе данных о твёрдости с помощью формул, полученных для конкретного материала с определённой термообработкой. Так, например, предел выносливости на изгиб сталей с твёрдостью 180-350 НВ равен примерно 1,8 НВ, с твёрдостью 45-55 HRC - 18 HRC+150, связь предела выносливости   с пределом прочности   стали описывается соотношениями:

 

Конкретным образцам конструкционных материалов, а также выполненным из них изделиям, присуща индивидуальность прочностных и упругих характеристик. Разброс их значений для различных образцов, выполненных из одного и того же материала, обусловлен статистической природой прочности твёрдых тел, различием структур внешне одинаковых образцов. Из-за неопределённости реальных механических характеристик материала, неопределённости некоторых внешних нагрузок, действующих на технический объект, погрешности расчётов для обеспечения безопасной работы проектируемых конструкций должны быть приняты соответствующие проектному этапу обеспечения надёжности меры предосторожности. В качестве такой меры используется понижение в n раз относительно опасного напряжения материала (предела прочности, предела текучести, предела выносливости или предела пропорциональности) величины максимально допускаемых напряжений, используемых в условии прочности. Величина n получила название нормативного коэффициента запаса прочности, который выбирается по таблице или рассчитывается как произведение

n = n1 * n2 * n3,

где n1-учитывает среднюю точность определения напряжений, n2-учитывает неопределённость механических характеристик материала, n3-учитывает среднюю степень ответственности проектируемой детали.

Как мы выяснили выше, существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерять вдавливанием индентора (способ вдавливания), ударом или же по отскоку наконечника – шарика. Твердость, определенная царапаньем, характеризует сопротивление разрушению, по отскоку – упругие свойства, вдавливанием сопротивление пластической деформации. В зависимости от скорости приложения нагрузки на индентор твердость различают статическую (нагрузка прикладывается плавно) и динамическую (нагрузка прикладывается ударом).

Широкое распространение испытаний на твердость объясняется рядом их преимуществ перед другими видами испытаний:

• простота измерений, которые не требуют специального образца и могут быть выполнены непосредственно на проверяемых деталях;
• высокая производительность;
• измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению;
• возможность ориентировочно оценить по твердости другие характеристики металла, в первую очередь предел прочности.

Так, например, зная твердость по Бринеллю (HB), можно определить предел прочности на растяжение (временное сопротивление).

,

где k – коэффициент, зависящий от материала;

k = 0,34 – сталь HB 120 … 175;

k = 0,35 – сталь HB 175 … 450;

k = 0,55 – медь, латунь и бронза отоженные;

k = 0,33 … 0,36 – алюминий и его сплавы.

Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием в испытываемый металл индентора в виде шарика, конуса и пирамиды (соответственно методы Бринелля, Роквелла и Виккерса). В результате вдавливания достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Величина внедрения наконечника в поверхность металла будет тем меньше, чем тверже испытываемый материал.

Таким образом под твердостью понимают сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела – индентора.

Рис. 2. Схема испытаний на твердость по Бринеллю

 

Твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012-59) измеряют вдавливанием в испытываемый образец стального шарика определенного диаметра D под действием заданной нагрузки P в течение определенного времени (Рис. 2). В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка). Число твердости по Бринеллю, обозначаемое HB, представляет собой отношение нагрузки P к площади поверхности сферического отпечатка F и измеряется в кгс/мм2 или МПа:

 (1)

Площадь шарового сегмента составит:

, мм2 (2)

где D –диаметр шарика, (мм);

h – глубина отпечатка, (мм).

Так как глубину отпечатка измерить трудно, а проще измерить диаметр отпечатка d, выражают h через диаметр шарика D и отпечатка d:

, (мм) (3)

Тогда  , (мм2) (4)

Число твердости по Бринеллю определяется по формуле:

, (кгс/мм2) (5)

Для перевода твердости по Бринеллю в единицы СИ необходимо умножить число твердости в кгс/мм2 на 9,81, т.е. HB=9,81*HB (МПа).

Для получения сопоставимых результатов при определении твердости HB шариками различного диаметра необходимо соблюдать условие подобия.

Подобие отпечатков при разных D и P будет обеспечено, если угол j остается постоянным (Рис. 2.1). Подставив в формулу (5) , получим следующее выражение:

Рис. 2.1 Схемы испытаний на твердость:

а – по Бринеллю, б – по Виккерсу, в – по Роквеллу

Из этой формулы видно, что значение HB будет оставаться постоянным, если   и  .

В практике при определении твердости не делают вычислений по формуле (5), а пользуются таблицами, составленными для установленных диаметров шариков, отпечатков и нагрузок. Шарики применяют диаметром 10,5 и 2,5 мм. Диаметр шарика и нагрузка выбираются в соответствии с толщиной и твердостью образца (табл. 1). При этом для получения одинаковых чисел твердости одного материала при испытании шариками разных диаметров необходимо соблюдать закон подобия между получаемыми диаметрами отпечатков. Поэтому твердость измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки P и квадратом диаметра шарика D2. Это соотношение должно быть различным для металлов разной твердости.

Метод Бринелля не рекомендуется применять для материалов с твердостью более 450 HB, так, как стальной шарик может заметно деформироваться, что внесет погрешность в результаты испытаний.

Таблица 1

Условия испытания металлов на твердость по Бринеллю

 

Число твердости по Бринеллю, измеренное при стандартном испытании (D = 10 мм, P = 3000 кгс), записывается так: HB 350. Если испытания проведены при других условиях, то запись будет иметь следующий вид: HB 5/250/30-200, что означает – число твердости 200 получено при испытании шариком диаметром 5 мм под нагрузкой 250 кгс и длительности нагрузки 30 с.

При измерении твердости по методу бринелля необходимо выполнять следующие условия: