Что понимают под твердостью материала

Под твердостью конструкционных материалов понимают способность поверхностного слоя материала сопротивляться упругой и пластической деформациям или разрушению при внедрении в него другого более твердого тела (индентора). Индентор должен быть определенной формы и размеров и не получать остаточную деформацию от действия прикладываемых к нему статических или динамических нагрузок. Выбор метода onpеделения изучаемой характеристики зависит от различных факторов: твердости самого материала, размеров детали (образца), толщины слоя, твердость которого нужно замерить, и т. д. Условия определения твердости, требования к оборудованию, приборам и образцам и т. д. регламентируются государственными стандартами.

Характеристикой твердости материала является число твердости, которое может определяться различными методами (Бринелля, Роквелла и др.). Поэтому числа твердости для одного и того же материала, определяемые этими методами, получаются различными как по величине, так и по размерности. С помощью специальных таблиц, номограмм, эмпирических формул можно осуществлять пересчет чисел твердости.

Учитывая неизбежный разброс значений твердости по поверхности одного и того же материала, испытаниям подвергаются несколько образцов, а на каждом образце делают несколько вдавливаний. Затем проводят статистическую обработку результатов испытаний (см. раздел 2).

Испытание на твердость – простой метод неразрушающего контроля. Его данные хорошо коррелируют с результатами испытаний на статическое растяжение. Например, можно с достаточной для практики точностью косвенно определять предел прочности Что понимают под твердостью материалапо твердости.

Измерение твердости получило широкое распространение как в заводской практике, так и при выполнении научных исследований. Такие испытания используются в следующих целях:

· для оценки твердости как характеристики, косвенно отражающей механические свойства материала;

· для контроля за качеством упрочняющих обработок, вызывающих изменение свойств в поверхностном слое, например, цементации, поверхностной закалки, электромеханической обработки и т. д;

· для мониторинга механического состояния изделий в процессе эксплуатации (например, контроль за состоянием трубопроводов) и т. д.

Метод Бринелля[10]. Метод измерения твердости металлов по Бринеллю (ГОСТ 9012-59) заключается во вдавливании стального (или твердосплавного) шарика диаметром D в изделие или образец силой, действующей перпендикулярно его поверхности в течение определенного времени, и измерении диаметра отпечатка d после снятия нагрузки (рис. 3.1).

Число твердости по Бринеллю определяется как частное от деления нагрузки F(кгс), приложенной к шарику, на площадь А(мм 2 ) части сферы, оставшейся в материале в виде лунки после испытания:

Что понимают под твердостью материала. (3.1)

Стандартом предусмотрены следующие диаметры D шариков: 10; 5; 2,5; 2 и 1 мм.

Что понимают под твердостью материала

Рис. 3.1. Вид деформированного образца в процессе вдавливания шарика

Для получения одинаковых значений твердости при испытаниях одного и того же металла шариками разного диаметра необходимо, чтобы соблюдалось соотношение между размером шарика и действующей на него нагрузкой в форме K = F/D 2 . Отношение К подбирается из ряда значений, приводимых в ГОСТе, с учетом свойств металла так, чтобы соотношение между диаметрами шарика и отпечатка было в некотором диапазоне (d/D = 0,24…0,6). Например, для сталей и высокопрочных сплавов ГОСТ рекомендует принимать отношение К = 30, для цветных металлов и сплавов принимают К = 10, а для очень мягких металлов К = 2,5 (подшипниковые сплавы) или даже К = 1 (свинец, олово).

На практике по диаметру d отпечатка находят число твёрдости НВ, используя таблицы, составленные для каждого из рекомендуемых соотношений F и D. Современное оборудование также позволяет находить твердость, определяя не d, а глубину h внедрения шарика.

Пластическое деформирование (течение) объемов металла в окрестности внедряемого индентора связано с прохождением в нём структурных изменений. Длительность протекания этих процессов зависит от свойств металла. Для чёрных металлов достаточно 10…15 секунд выдержки под нагрузкой, для большинства цветных – 30 секунд. В некоторых случаях для завершения пластического течения устанавливают 180 секунд или особо оговаривают условия испытания.

Когда твердость испытуемого металла соизмерима с твердостью шарового индентора, из-за деформации шарика искажается форма отпечатка, что влияет на точность результатов. Во избежание существенных ошибок вследствие этого вводится ограничение на применение метода Бринелля: испытывают материалы с твердостью, не превышающей 450 НВ. Для испытаний весьма твердых материалов используют другие методы, например, Виккерса или Роквелла, где в качестве индентора применяют алмаз – самый твердый материал в природе.

Твердость по Бринеллю обозначают символом НВ (Hardness Brinell), (HBW):

НВ – при применении стального шарика (твердость детали менее 450 единиц);

HBW – при применении шарика из твердого сплава (твердость детали более 450 единиц). Символу НВ(HBW) предшествует числовое значение твердости (приводится три значащих разряда), а после символа указывают диаметр шарика, значение приложенной силы (в кгс), продолжительность выдержки, если она отличается от диапазона 10…15 секунд.

250 НВ 5/750– твердость по Бринеллю 250 единиц, измеренная стальным шариком диаметром 5 мм при нагрузке 750 кгс (7355 Н) и продолжительности выдержки 10…15 секунд;

Читать также:  Как выбрать строительный степлер советы профессионала

575 HBW 2,5/187,5/30– твердость по Бринеллю 575 единиц, измеренная шариком из твердого сплава диаметром 2,5 мм при нагрузке 187,5 кгс (1839 Н) и продолжительности выдержки под нагрузкой 30 секунд.

При определении твердости стальным шариком или шариком из твердого сплава диаметром 10 мм при нагрузке 3000 кгс (29420 Н) и продолжительности выдержки 10…15 секунд твердость по Бринеллю обозначают только числовым значением твердости и символом НВ или HBW (например, 300 НВ).

Метод Виккерса[11]. Метод измерения твердости черных и цветных металлов и сплавов (ГОСТ 2999-75) основан на вдавливании алмазного индентора 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 после снятия нагрузки.

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 методов 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/мм 2 ). 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(мм 2 ), т. е. к поверхности углубления в материале в форме пирамиды:

Что понимают под твердостью материала, (3.2)

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.

Пример обозначения: 220 HV 10/40 – твердость по Виккерсу, измеренная при силе 10 кгс (98,07 Н) и времени выдержки 40 секунд.

Замечание о размерностях чисел твердости по Бринеллю и Виккерсу. Согласно формулам (3.1) и (3.2) значения твердости вычисляются как отношение нагрузки в кгс к площади отпечатка в мм 2 , т. е. в кгс/мм 2 . Твердость же по Бринеллю указывается в единицах НВ, а по Виккерсу – в единицах HV без указания размерности(кгс/мм 2 ). Если усилие выражено в Ньютонах, то для вычисления значений твердости вместо вышеупомянутых выражений используются формулы:

Что понимают под твердостью материалаи Что понимают под твердостью материала. (3.3)

Метод Роквелла[12]. 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, С) или стального шарика диаметром 1,5875 мм (шкала В) под действием последовательно прилагаемых предварительной и основной сил и в определении глубины внедрения индентора после снятия основной нагрузки. Общая нагрузка – сумма предварительной и основной (табл. 3.1).

Что понимают под твердостью материала

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Что понимают под твердостью материала

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Что понимают под твердостью материала

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Что понимают под твердостью материала

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Твердость — свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твёрдого тела — индентора.

Твёрдость определяется как отношение величины нагрузки к площади поверхности, площади проекции или объему отпечатка.

Различают поверхностную, проекционную и объемную твёрдость:

— поверхностная твёрдость — отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка;

— проекционная твёрдость — отношение нагрузки к площади проекции отпечатка;

— объёмная твёрдость — отношение нагрузки к объёму отпечатка.

Твёрдость определяется как отношение силы сопротивления к площади поверхности, площади проекции или объему внедренной в материал части индентора. Различают поверхностную, проекционную и объемную твёрдость:

— поверхностная твёрдость — отношение силы сопротивления к площади поверхности внедренной в материал части индентора;

Читать также:  Сварочная порошковая проволока для полуавтоматов

— проекционная твёрдость — отношение силы сопротивления к площади проекции внедренной в материал части индентора;

— объёмная твёрдость — отношение силы сопротивления к объёму внедренной в материал части индентора.

Твёрдость измеряют в трёх диапазонах: макро, микро, нано. Макродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор от 2Н до 30 кН. Микродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор до 2 Н и глубину внедрения индентора больше 0,2мкм. Нанодиапазон регламентирует только глубину внедрения индентора, которая должна быть меньше 0,2 мкм. Часто твердость в нанодиапазоне называют нанотвердостью (nanohardness).

Измеряемая твердость, прежде всего, зависит от нагрузки, прикладываемой к индентору. Такая зависимость получила название размерного эффекта, в англоязычной литературе — indentation size effect. Характер зависимости твердости от нагрузки определяется формой индентора:

— для сферического индентора — с увеличением нагрузки твердость увеличивается — обратный размерный эффект (reverse indentation size effect);

— для индентора в виде пирамиды Виккерса или Берковича — с увеличением нагрузки твердость уменьшается — прямой или просто размерный эффект (indentation size effect);

— для сфероконического — с увеличением нагрузки твердость сначала увеличивается, когда внедряется сферическая часть индентора, а затем начинает уменьшаться (для сфероконической части индентора).

Косвенно твердость также может зависеть от:

1. Межатомных расстояний.

2. Координационного числа — чем выше число, тем выше твёрдость.

4. Природы химической связи

5. От направления (например, минерал дистен — его твёрдость вдоль кристалла 4, а поперёк — 7)

6. Хрупкости и ковкости

7. Гибкости — минерал легко гнётся, изгиб не выпрямляется

8. Упругости — минерал сгибается, но выпрямляется

9. Вязкости — минерал трудно сломать (например, жадеит)

11. и ряда других физико-механических свойств материала.

Наиболее твёрдыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода — лонсдейлит, на 58 % превосходящий по твёрдости алмаз и фуллерит. Однако практическое применение этих веществ пока маловероятно. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз.

Методы определения твёрдости по способу приложения нагрузки делятся на: 1)статические и 2) динамические (ударные).

Для измерения твёрдости существует несколько шкал:

— 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 МПа (кг-с/ммІ). Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012-59 записывают без единиц измерения. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness, B — Бринелль;

— Метод Роквелла — твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического шарика 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 (130) ? kd, где d — глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k — коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу по шкалам A и C составляет 100 единиц, а по шкале B — 130 единиц.

— Метод Виккерса — твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение нагрузки, приложенной к пирамидке, к площади отпечатка; размерность единиц твёрдости по Виккерсу кг-с/ммІ. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV;

— Твёрдость по Шору (Метод вдавливания) — твёрдость определяется по глубине проникновения в материал специальной закаленной стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины. В данном методе измерительный 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.

— Дюрометры и шкалы Аскер — по принципу измерения соответствует методу вдавливания (по Шору). Фирменная и нац. японская модификация метода. Используется для мягких и эластичных материалов. Отличается от классического метода Шора некоторыми параметрами измерительного прибора, фирменными наименованиями шкал и инденторами.

— Твёрдость по Шору (Метод отскока) — метод определения твёрдости очень твёрдых (высокомодульных) 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. Основные шкалы C и D. Обозначается HSx, где H — Hardness, S — Shore и x — латинская буква, обозначающая тип использованной при измерении шкалы.

Читать также:  Ударная дрель шуруповерт dewalt

Следует понимать, что хотя оба этих метода являются методами измерения твёрдости, предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие названия и совпадающие обозначения шкал это — не версии одного метода, а два принципиально разных метода с разными значениями шкал, описываемых разными стандартами.

— 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.

— Метод Бухгольца — метод определения твердости при помощи прибора «Бухгольца». Предназначен для испытания на твердость (твердость по Бухгольцу) полимерных лакокрасочных покрытий при вдавливании индентора «Бухгольца». Метод регламентируют стандарты ISO 2815, DIN 53153, ГОСТ 22233.

Методы измерения твёрдости делятся на две основные категории: статические методы определения твёрдости и динамические методы определения твёрдости. Для инструментального определения твёрдости используются приборы, именуемые твердомерами. Методы определения твердости, в зависимости от степени воздействия на объект, могут относиться как к неразрушающим, так и к разрушающим методам. Существующие методы определения твёрдости не отражают целиком какого-нибудь одного определённого фундаментального свойства материалов, поэтому не существует прямой взаимосвязи между разными шкалами и методами, но существуют приближенные таблицы, связывающие шкалы отдельных методов для определённых групп и категорий материалов. Данные таблицы построены только по результатам экспериментальных тестов и не существует теорий, позволяющих расчетным методом перейти от одного способа определения твердости к другому. Конкретный способ определения твёрдости выбирается исходя из свойств материала, задач измерения, условий его проведения, имеющейся аппаратуры и др.

В СНГ стандартизированы не все шкалы твёрдости.

Твердость – свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела, например инструмента. От твердости зависит область применения материалов, поведение их в процессе эксплуатации и сохранение внешнего вида. По этой характеристике оценивают качество металлов, пластических масс, керамики, древесины, каменных и других материалов.

Она существенно влияет на характер и трудоемкость обработки материала.

Существует несколько способов определения твердости материалов: царапание, вдавливание, прокол стандартной иглой, испытания с помощью бойка и колебаний маятника. Все они основаны на внедрении в испытываемый образец минерала, шарика, пирамиды, пуансона под определенным давлением: чем меньше усилие и больше глубина внедрения, тем ниже твердость материала, и наоборот.

Наиболее простым и распространенным на практике способом определения твердости природных каменных материалов является царапание их другими минералами шкалы твердости. Предложенная в прошлом столетии немецким ученым Ф.

Моосом указанная шкала содержит 10 минералов от самого мягкого (талька) до самого твердого (алмаза), причем порядковый номер минерала в шкале соответствует его твердости и каждый следующий по порядку минерал оставляет черту (царапину) на предыдущем, а сам им не прочерчивается.

Твердость других материалов определяют различными способами, обычно на специальных приборах. Твердость металлов, бетона, древесины и пластмасс (кроме пористых) оценивают, вдавливая в образцы стальной шарик или алмазный конус. О величине твердости судят либо по глубине вдавливания шарика или конуса, либо по диаметру полученного отпечатка.

Числовыми характеристиками твердости материалов служат числа твердости, которые сведены в различные шкалы, соответствующие разным методам ее измерения. Числа твердости указываются в единицах HB (метод Бринелля), HV (метод Виккерса), HR (метод Роквелла), где H – первая буква английского слова харднесс – твердость.

При определении твердости методом Роквелла вводятся дополнительные обозначения: В (шарик), С и А (конус, при разных грузах).

Поясним сказанное на примере определения твердости металлов: для незакаленных деталей применяют стальной закаленный шарик и груз массой 100 кг, твердость отсчитывают по красной шкале В и обозначают HRB для закаленных деталей высокой твердости используют алмазный конус и груз массой 150 кг, твердость отсчитывают по черной шкале С и обозначают HRC; для особо твердых или тонких, деталей применяют также алмазный конус, но груз 60 кг, твердость отсчитывают по шкале А специального прибора и обозначают HRA.

Следует отметить, что твердость материала не всегда соответствует его прочности. Например, древесина, значительно уступая бетону по твердости, имеет одинаковую с ним прочность.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *