Одной из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность их применения в различных конструкциях и в различных условиях работы, является тверость.
Твердость — свойство материала оказывать сопротивление упругой и пластической деформации или разрушению при внедрении в поверхностный слой материала другого, более твердого и не получающего остаточной деформации тела — индентора.
Твердость определяется как отношение величины нагрузки к площади поверхности, площади проекции или объему отпечатка. Различают поверхностную, проекционную и объемную твердость:
- поверхностная твердость — отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка;
- проекционная твердость — отношение нагрузки к площади проекции отпечатка;
- объемная твердость — отношение нагрузки к объему отпечатка.
Так же различают невосстановленную твердость. Она определяется как отношение силы сопротивления к площади поверхности, площади проекции или объему внедренной в материал части индентора.
Твердость измеряют в трех диапазонах: макро, микро, нано. Макродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор от 2 Н до 30кН. Микродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор до 2 Н и глубину внедрения индентора больше 0,2 мкм. Нанодиапазон регламентирует только глубину внедрения индентора, которая должна быть меньше 0,2 мкм.
Наиболее твердыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода: лонсдейлит, на 58 % превосходящий по твердости алмаз, и фуллерит (примерно в 2 раза тверже алмаза).
Однако практическое применение этих веществ пока маловероятно. Самым твердым из распространенных веществ является алмаз (10 единиц по шкале Мооса).
2. Методы измерения твердости
2.1 Твердость по Бринеллю
При практическом определении твердости разными методами нагрузку P по настоящее время принято задавать в кгс.
Метод измерения твердости по Бринеллю регламентирован ГОСТ 9012.
При определении твердости этим методом стальной шарик определенного диаметра D вдавливают в тестируемый образец под действием нагрузки Р, приложенной перпендикулярно к поверхности образца, в течение определенного времени (Рис. 1).
Методы измерения твердости
... на поверхности образца получается отпечаток (лунка). Число твердости по Бринеллю, обозначаемое HB, представляет собой отношение нагрузки P к площади поверхности сферического отпечатка ... скорости приложения нагрузки на индентор твердость различают статическую (нагрузка прикладывается плавно) и динамическую (нагрузка прикладывается ударом). Широкое распространение испытаний на твердость объясняется ...
После снятия нагрузки измеряют диаметр отпечатка d. Число твердости по Бринеллю обозначается буквами НВ, и его определяют путем деления нагрузки Р на площадь поверхности сферического отпечатка F.
Для удобства имеются таблицы чисел твердости по Бринеллю и зависимости от диаметра шарика D, диаметра отпечатка d и нагрузки Р.
Рис. 1. Схема измерения твердости по Бринеллю
В качестве инденторов используют полированные (Ra < 0,04 мкм) шарики из стали ШХ15 с номинальными диаметрами D = 1; 2; 2,5; 5 и 10 мм, последние считаются более предпочтительными, как обеспечивающие большую точность измерения твердости (особенно при измерении твердости чугуна или крупнозернистых сплавов).
Минимально допустимая толщина образца для корректного измерения твердости НВ должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка h.
Испытания проводят при комнатной температуре в отсутствие вибраций и ударов. Время выдержки под нагрузкой т для черных металлов составляет 10…15 с, а для цветных металлов и сплавов от 10 до 180 с. Нагрузку на индентор выбирают с учетом соотношения К = Р/D2:
Металлы и сплавы К, кгс/мм2
Сталь, чугун и другие высокопрочные сплавы — 30
Медь, никель и их сплавы — 10
Алюминий, магний и их сплавы — 5
Например, при испытании сталей и чугунов при диаметре шарика D = 10 мм нагрузка должна быть 3000 кгс, а время выдержки под нагрузкой 10…15 с. Число твердости в этом случае обозначается цифрами со стоящим после них символом НВ (например, 250 НВ).
Иногда после букв НВ указывают условия испытаний — НВ D/P/ф, например: 250 НВ 5/750/25 — твердость по Бринеллю 250, полученная при диаметре шарика D = 5 мм, нагрузке Р = 750 кгс и времени выдержки под нагрузкой т = 25 с.
Измерение твердости по Бринеллю не рекомендуется применять для стали с твердостью более 450 НВ, а для цветных металлов более 200 НВ.
2.2 Твердость по Викерсу
Метод измерения твердости по Виккерсу регламентируется ГОСТ 2999. Метод используют для определения твердости деталей и металлопродукции малой толщины, а также тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.
Твердость по Виккерсу измеряют путем вдавливания в образец (изделие) алмазного наконечника в форме правильной четырехгранной пирамиды под действием нагрузки Р в течение времени выдержки ф (Рис. 2).
После снятия нагруби измеряют диагонали оставшегося на поверхности материала отпечатка — d1, d2 и вычисляют их среднее арифметическое значение — d, мм.
Значения твердости по Виккерсу при стандартных нагрузках н зависимости от длины диагонали d (мм) даны в соответствующих таблицах.
При испытаниях применяют следующие нагрузки Р, кгc: 1; 2; 2,5; 3; 5; 10; 20; 30; 50; 100.
Число твердости по Виккерсу обозначают цифрами, характеризующими величину твердости со стоящим после них символом HV (например, 200 HV).
Иногда после символа HV указывают нагрузку и время выдержки, например: 200 HV 10/40 — твердость по Виккерсу, полученная при нагрузке Р= 10 кгс и времени выдержки под нагрузкой т = 40 с.
В ГОСТе сказано, что точного перевода чисел твердости по Виккерсу на числа твердости, полученные другими методами, или на механические свойства при растяжении не существует и таких переводов (за исключением частных случаев) следует избегать.
Рис 2. Схема измерения твердости по Виккерсу
2.3 Твердость по Роквеллу
Метод измерения твердости по Роквеллу регламентирован ГОСТ 9013. При определении твердости этим методом (Рис. 3) тестируемый образец (изделие) под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок — предварительной P0 (обычно Р0 = 10 кгс) и общей Р — вдавливают индентор (алмазный конус или стальной шарик).
При этом общая нагрузка равна сумме предварительной P0 и основной Р1 нагрузок: P = P0+P1
После выдержки под приложенной общей нагрузкой Р в течение 3…5 с основную нагрузку Р1 снимают и измеряют глубину проникновения индентора в материал А под действием общей нагрузки Р затем снимают оставшуюся предварительную нагрузку P0.
Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 0,002 мм. Число твердости определяется по шкале индикатора (как правило, часового типа).
Индикатор показывает результат вычитания разности глубин (h -h0), на которые вдавливается индентор под действием двух последовательно приложенных нагрузок, из некоторой константы. Величина h0 — глубина внедрения индентора в испытуемый образец под действием предварительной нагрузки P0 (см. Рис 3).
В зависимости от формы индентора и прилагаемой нагрузки введены три измерительные шкалы: А, В, С (Табл. 1).
Наиболее часто используемыми шкалами являются А и С.
Число твердости по Роквеллу обозначается цифрами, характеризующими величину твердости, со стоящим после них символомHIRA, HRB или HRC (в зависимости от используемой шкалы измерения), например: 25,5 HRC
Рис. 3. Схема измерения твердости по Роквеллу
Таблица 1. Шкалы, использующиеся при измерении твердости по Роквеллу
|
Шкала |
Применяемый индикатор |
Нагрузка, кгс |
Область применения |
|||
|
P — общая |
P0 — предварит. |
P1 — основная |
||||
|
А |
Алмазный конус |
60 |
10 |
50 |
Материалы с твердостью HRA 70 — 85 |
|
|
B |
Стальной шарик |
100 |
10 |
90 |
Низко- и среднеуглеродистые стали, латуни, бронзы и другие материалы с твердостью HRB 25 — 100 |
|
|
C |
Алмазный конус |
150 |
10 |
140 |
Стали и сплавы с твердостью HRC 20 — 67 |
|
2.4 Твердость по Шору
Метод измерения твердости по Шору регламентирован ГОСТ 23273. Это — основной метод определения твердости поверхности прокатных валков при их изготовлении, поставке на металлургическое предприятие, а также в процессе эксплуатации валков на прокатных станах.
При измерении твердости по Шору боек определенной массы с алмазным индентором на конце свободно надает по вертикали с определенной высоты h падения = 19,0 ± 0,5 мм на испытуемую но верхность материала (Рис. 4).
Индентор представляет собой алмазный наконечник в виде тела вращения с радиусом закруглений рабочего конца R = 1,0 ± 0,1 мм. Масса бойка вместе с алмазным индентором составляет 36,0 г.
За характеристику твердости принимается высота отскока бойка h (см. Рис. 4), измеряемая в условных единицах. За 100 единиц твердости по Шору принимается определенная величина отскока бойка h100 = 13,6 ± 0,5 мм. Такая твердость соответствует максимальной твердости стабилизированной после закалки на мартенсит углеродистой эвтектоидной инструментальной стали по ГОСТ 1435. Согласно стандарту твердость по Шору измеряют в диапазоне от 20 до 140 единиц (HSD).
Число твердости по Шору обозначается цифрами, характеризующими величину твердости, со стоящим после них символом HSD, например 95 HSD. Число твердости указывается с округлением до целого числа.
Величина твердости по Шору не имеет точного перевода на другие величины твердостей или на прочностные свойства, получаемые при механических испытаниях.
Рис. 4 Схема измерения твердости по Шору
3. Микротвердость
Метод измерения микротвердости регламентирован ГОСТ 9450. Определение микротвердости (твердости в микроскопически малых объемах) проводят при исследовании отдельных структурных составляющих сплавов, тонких покрытий, а также при измерении твердости мелких деталей. Прибор для определения микротвердости состоит из механизма для вдавливания алмазной пирамиды под небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа. В испытываемую поверхность вдавливают алмазную пирамиду под нагрузкой 0,05…5 Н.
Микротвердость измеряют путем вдавливания в образец (изделие) алмазного индентора под действием статической нагрузки Р н течение определенного времени выдержки т (см. Рис. 5).
Число твердости определяют (как и по Виккерсу) делением приложенной нагрузки в Н или кгс на условную площадь боковой поверхности полученного отпечатка в мм2.
Основным вариантом испытания является так называемый метод восстановленного отпечатка, когда размеры отпечатков определяются после снятия нагрузки. Для случая, когда требуется определение дополнительных характеристик материала (упругое восстановление, релаксация, ползучесть при комнатной температуре и др.) допускается проводить испытание по методу невосстановленного отпечатка. При этом размеры отпечатка определяют на глубине вдавливания индентора в процессе приложения нагрузки.
Практически микротвердость определяют по стандартным таблицам дня конкретной формы индентора, нагрузки Р и полученных в испытании размеров диагоналей отпечатка.
В качестве инденторов используют алмазные наконечники разных форм и размеров в зависимости от назначения испытании микротвердости. Основным и наиболее распространенным намниконечником является четырехгранная алмазная пирамида с квадратым основанием (по форме подобна индентору, применяющемуся при определении твердости по Виккерсу — см. Рис. 2).
Число микротвердости обозначают цифрами, характеризующими величину твердости со стоящим перед ними символом H с указанием индекса формы наконечника, например, Н = 3000. Допускается указывать после индекса формы наконечника величину прилагаемой нагрузки, например: Н? 0,196 = 3000 — число микротвердости 3000 Н/мм2, полученное при испытании с четырех гранной пирамидой при нагрузке 0,196 Н. Размерность микротвердости (Н/мм2 или кгс/мм2) обычно не указывают.
4. Нанотвердость
Определение универсальной и истинной нанотвердости деталей машин при использовании в качестве индентора пирамиды Берковича, универсальную твердость рассчитывают по формуле согласно и схеме индентирования, приведенной на рисунке:
- Рис. 5. Схема измерения универсальной и истинной нанотвердости пирамидой Берковича: F — сила сопротивления внедрению индентора, Н;
- h — глубина внедрения индентора, мм;
- V — объем внедренной части индентора, нм 3 ;
- S — площадь поверхности внедренной части индентора, нм2
5. Твердость как критерий износостойкости
Первые попытки исследования изнашивания были связаны с установлением зависимостей скорости изнашивания от общеизвестных механических характеристик: твердости, временного сопротивления разрыву, предела усталости, модуля нормальной упругости и т.д. Наиболее удачно феноменологический подход развивался при моделировании абразивного изнашивания. Как уже отмечалось, абразивное разрушение является наиболее опасным видом износа. Абразивный износ быстро выводит из строя рабочие органы горного, землеройного, строительного, сельскохозяйственного оборудования и ходовые части машин. Износ происходит в основном в режиме микрорезания. Абразивные частицы обладают разными размерами, структурой, прочностью и твердостью. Контактирование имеет нестационарный характер.
По характеру силового взаимодействия и кинематике различают скольжение детали по монолитному абразиву, свободному абразиву в насыпном состоянии, соударение с монолитным или свободным абразивом, гидро- и газообразивное изнашивание и различные взаимодействия контактирующих тел с попавшими в контакт частицами. Сложность и нестационарность процесса, его случайный характер не позволяют пока создать общую теорию абразивного изнашивания. Однако в целях решения практических задач накоплен большой экспериментальный материал по влиянию различных факторов на износостойкость.
Наиболее значимые результаты исследования абразивного изнашивания получены М.М. Хрущевым при испытаниях материалов скользящих по коррундовому полотну.
Исследования показали, что при истирании чистых металлов в отожженном состоянии (см. рис. 6 а) при скольжении по свободному абразиву наиболее вероятен многоцикловой износ, а относительная износостойкость пропорциональна твердости. Для термоотработанных сталей связь имеет линейный характер (рис. 6 б):
Uo = Uoc + K (HB — HBoc).
(Здесь Uoc — относительная износостойкость в отожженном состоянии; К — коэффициент; НВoc — твердость в отожженном состоянии.
а б
Рис. 6. Зависимость относительной износостойкости от твердости
Износостойкость зависит от соотношения твердостей материала и абразива: К Т = НМ /НА . Если КТ < 0,7, то происходит разрушение при однократном проходе (микрорезание).
Если КТ > 0,7, процесс переходит в многоцикловой.
Привлекательность механического подхода для описания процесса разрушения при трении связана с достаточной простотой получения этих характеристик и, в некоторых случаях, возможностью описания износостойкости e при помощи несложных эмпирических зависимостей вида U = f (М), где М — механическая характеристика.
Эмпирические модели разрабатывали М.М. Хрущев и М.А. Бабичев, В. Тонн, К.Д. Стрэнг, Д.Т. Барвелл и др. Они являются самыми ранними представителями расчетных моделей, в большинстве случаев предназначенных для оценки абразивного изнашивания деталей.
Однако формулы такого типа оказались непригодными для оценки износостойкости механически наклепанных металлов и сталей. Это объяснялось тем, что в процессе самого изнашивания перед разрушением материала наблюдается более высокий наклеп.
При изучении изнашивания металлов, сплавов и минералов о жестко закрепленное абразивное зерно В.Н. Кащеевым, В. Тонном и др. для большого числа испытанных материалов установлена нелинейная зависимость величины износа от модуля упругости Е:
Однако дальнейшее изучение этой зависимости показало, что авторами в опытах не было обеспечено постоянство влияния всех факторов на изнашивание материала. В ходе испытаний у них менялось соотношение значений твердости и абразива и материала.
Тем не менее, исследование соотношения твердости абразива и изнашиваемого материала позволило представить их функциональную связь отношением
где j — коэффициент; На — твердость абразивной частицы.
В дальнейшем с учетом влияния свойств среды и размеров зерен абразивных частиц износ был описан выражением более сложного вида:
- где u — массовый износ;
- m — коэффициент трения;
- p — номинальное давление;
- Аа — площадь контакта;
- L — путь трения;
- r — плотность изнашиваемого материала;
- b — коэффициент, показывающий влияние среднего размера зерна крупной фракции на величину износа материала;
- d — коэффициент, учитывающий влияние СОЖ на величину износа. С учетом того, что в процессе изнашивания распределение поверхностных сил не меняется во времени, а время работы превышает начальный период приработки, А.С. Проников получил выражение для расчета скорости изнашивания в виде степенной функции:
- где vcк — скорость скольжения;
- P — нормальная нагрузка;
- m, n — показатели степени.
Наиболее общее заключение трибологов, полученное на базе феноменологического подхода, состоит в том, что в общем случае:
- износ пропорционален нагрузке;
- износ обратно пропорционален твердости изнашиваемого материала;
- скорость износа коррелирует со скоростью скольжения.
Тем не менее, хотя эмпирические модели не имели развития в современной трибологии, из-за простоты полученных формул они до сих пор используются в конкретных случаях в инженерных расчетах, в частности, при расчетах изнашивания абразивного, бурильного инструмента, почвообрабатывающих машин и др.
Список используемых источников
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/metodyi-izmereniya-tverdosti-materialov/
1. Елагина О.Ю. «Технологические методы повышения износостойкости деталей машин» М.: Университетская книга; Логос, 2009 г.
2. Сорокин Г.М., Малышев В.Н., Куракин И.Б. «Трибология сталей и сплавов» М.: Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина, 2013 г.
3. ГОСТ 9012 — метод измерения твердости по Бринеллю.
4. ГОСТ 2999 — Метод измерения твердости по Виккерсу.
5. ГОСТ 9013 — Метод измерения твердости по Роквеллу.
6. ГОСТ 23273 — Метод измерения твердости по Шору.
