Методы измерения твердости при статическом нагружении

при статическом нагружении

Методы измерения твердости при статическом нагружении отличаются друг от друга формой индентора (шарик, пирамида, конус), его материалом (закаленная сталь, твердый сплав, алмаз) и величиной приложенной нагрузки (измерение макротвердости, твердости при малых нагрузках и микротвердости), а также способом выражения характеристик твердости.

К таким испытаниям относятся способы определения твердости по Бринеллю, Виккерсу и Роквеллу, а также некоторые специальные методы измерения твердости при вдавливании шарика. Нагрузки в последнем случае находятся в интервале 2...20 Н. Этот метод используют преимущественно для испытаний мелких деталей, тонких слоев и материалов с низкой твердостью. При определении микротвердости с использованием небольших и малых нагрузок (до 2 Н) удается получить характеристики твердости в специфических областях. Поскольку получаемые отпечатки очень малы, можно при использовании подобных методов провести локальное измерение твердости. Например, можно измерить твердость отдельных кристаллитов или включений, а также описать изменение твердости в лик- вационных зонах или в зоне диффузии.

Определение твердости по Бринеллю

При определении твердости по Бринеллю шарик в течение установленного времени вдавливается с определенной силой F в испытываемый образец. В результате на поверхности образца появляется отпечаток в виде полусферы диаметром d и глубиной h. Твердость по Бринеллю НВ рассчитывают как отношение приложенной нагрузки F к поверхности А образо- вавшегося отпечатка, мм (без указания размерности):

Поверхность отпечатка Ч, мм2, определяют по уравнению

где D - диаметр шарика, мм; h - глубина отпечатка, мм.

Коэффициент 0,102 введен для того, чтобы величина твердости не изменилась при переводе в Международную систему единиц (СИ).

Однако в процессе определения твердости фиксируется не глубина внедрения шарика /г, а диаметр отпечатка d. По равенству

можно рассчитать глубину внедрения h и получить таким образом формулу твердости по Бринеллю НВ:

Используемые в качестве индентора шарики из закаленной стали или твердого сплава имеют диаметр D = 10; 5; 2,5; 1,25 и 1 мм. Диаметр отпечатка d должен укладываться в интервал (0,2...0,7)/). Чтобы не выходить за эти пределы, необходимо изменять нагрузку, величину которой можно определить по таблице. Испытание материалов с использованием шариков различной величины следует проводить при постоянном отношении FID. Величины твердости, определенные с использованием шариков различного диаметра, даже при одинаковой величине этого соотношения можно сравнивать друг с другом только с некоторыми оговорками.

Условия испытания влияют на полученные результаты. Поэтому необходимо задать эти условия, чтобы параметры твердости можно было сравнивать и воспроизводить их, например:

Величина твердости......................................................................120

Обозначение твердости по Бринеллю.........................................НВ

Диаметр шарика, мм.....................................................................5

Усилие F, Н, умножение на коэффициент 0,102........................250

Длительность нагружения, с........................................................30

Стандартными условиями испытаний являются нагрузка 29 420 Н

(29 420 * 0,102 = 3 000) и длительность нагружения 10___15 с. Поверхность

образцов следует подготовить так, чтобы диаметр образующегося отпечатка можно было точно измерить. Образец должен иметь такую толщину, чтобы отпечаток не вызывал на обратной его стороне, контактирующей с подставкой, сколько-нибудь заметной деформации. Минимальная толщина образца Smm, мм, зависит от твердости материала и условий проведения испытаний. В диапазоне измерения твердости до НВ 450 справедливо равенство

Расстояние между центром отпечатка и краем образца должно составлять не меньше 2,5d для железа и его сплавов, меди и медных сплавов и 3d для легких металлов. В противном случае возможно искажение величины твердости из-за смещения материала на краю образца. Расстояние между центрами двух соседних отпечатков для железа и его сплавов, меди и медных сплавов должно не менее чем в четыре раза, а для легких сплавов в шесть раз превышать средний диаметр отпечатка. Диаметр образующегося отпечатка следует измерять в двух взаимно перпендикулярных направлениях и определять среднее двух измерений. В анизотропных материалах размеры взаимно перпендикулярных диаметров отпечатка могут отличаться друг от друга. Используемый для определения величины твердости диаметр отпечатка должен быть рассчитан как среднее минимум двух отпечатков.

Твердость испытываемого материала не должна превышать НВ 450, поскольку в противном случае деформация шарика не позволяет провести точные измерения. Если в качестве индентора используют не закаленную сталь, а твердый сплав, то начиная с твердости, равной НВ 350, получают завышенные значения. При твердости НВ 450 максимальное отклонение составляет ~2 %, поэтому в интервале НВ 350...450 не рекомендуется использовать шарики из твердого сплава.

Для определения твердости по Бринеллю при повышенных температурах (до ~700 К) используют специальное устройство. Для более равномерного и быстрого прогрева образца рекомендуется использовать ванночки с жидкостью (до 500 К - с маслом, для более высоких температур - с расплавами солей). Температура испытаний не должна отклоняться больше чем на ±3 °С. Диаметр шарика и прикладываемая нагрузка аналогичны используемым при комнатной температуре с той лишь разницей, что шарик должен быть выполнен из жаропрочной, устойчивой против отпуска стали. Нагрузку следует плавно и равномерно повышать, и конечное значение нагрузки выдерживать в течение 3 мин. Диаметр отпечатка рассчитывают обычным способом после охлаждения образца до комнатной температуры. Для материалов, свойства которых изменяются во времени при температуре испытаний (например, вследствие процессов выделения), горячие испытания пригодны только в тех случаях, когда материал перед этим подвергается отпуску и приводится в относительно стабильное структурное состояние при температуре испытаний.

Определение твердости по Виккерсу

Определение твердости по Виккерсу осуществляют таким же образом, как и по Бринеллю. Различие заключается в том, что в качестве индентора используют алмаз, в связи с чем появляется возможность испытывать даже самые твердые материалы, используемые в технике. Кроме того, оказалось целесообразным применять в качестве индентора не шарик, а четырехгранную пирамиду с углом при вершине 136°. Такой же угол образуют касательные, проведенные к шарику (или шаровому отпечатку) при испытаниях по Бринеллю, если d = 0,375D. Это соотношение находится в интервале, придерживаться которого целесообразно и при испытании твердости по Бринеллю; величины твердости до НВ 300, определенные по Виккерсу, совпадают с величинами твердости, определенными по Бринеллю.

Твердость по Виккерсу HV, как и твердость по Бринеллю, определяется отношением приложенной нагрузки F к поверхности А образующего- ся отпечатка, мм , и является безразмерной величиной:

где d-длина диагоналей, мм.

В результате получается выражение

Поскольку, строго говоря, поверхность отпечатка по Виккерсу часто не имеет формы квадрата, для расчета твердости используют среднее значение двух диагоналей. При определении твердости по Виккерсу приложенная нагрузка заметно меньше, чем при определении твердости по Бринеллю. Наиболее предпочтительны нагрузки 49, 98, 196, 294, 490 и 980 Н. В стандартном случае применяют нагрузку 294 Н.

Краткое обозначение складывается из следующих символов: индекса HV; величины приложенной нагрузки F в ньютонах, умноженной на коэффициент 0,102; указываемой через черточку длительности нагружения в секундах, например: 50-20 HV. Сама величина твердости ставится перед индексом. Если нагрузка составляет 294 Н, а продолжительность ее воздействия 10... 15 с, то приводят только индекс HV.

При использовании меньших нагрузок получается менее глубокий отпечаток, что позволяет применять образцы меньшей толщины и использовать этот метод для определения твердости относительно тонких поверхностных слоев.

Определение твердости по Роквеллу

При определении твердости по Бринеллю и Виккерсу требуется измерить величину получаемого в каждом случае отпечатка и по ней рассчитать величину твердости, использовав значения приложенной нагрузки. Операцию вычисления можно ускорить с помощью таблиц и других подсобных средств, однако испытания в целом остаются все еще довольно трудоемким процессом, который едва ли можно автоматизировать. Именно этим объясняется то, что метод определения твердости по Роквеллу в кратчайший срок стал наиболее часто используемым на практике методом измерения твердости.

При определении твердости по Роквеллу индентор вдавливается в испытываемый материал и глубина вдавливания t служит мерой твердости. Определение параметра твердости сводится, таким образом, к определению глубины вдавливания, поэтому само испытание проводится значительно быстрее и весь процесс измерения твердости может быть автоматизирован без больших затрат.

Но если рассматривать глубину вдавливания как непосредственную характеристику твердости, то получается, что мягкие материалы, благодаря большой глубине вдавливания, имеют высокую твердость, а твердые материалы, соответственно, низкую твердость. Но поскольку по Бринеллю и Виккерсу для твердых материалов установлены высокие, а для мягких материалов низкие значения твердости, то при определении твердости по Роквеллу выбирают какую-либо реперную точку и полученную величину глубины вдавливания 4 вычитают из произвольно выбранной максимальной глубины вдавливания /тах:

Для того чтобы исключить влияние шероховатости поверхности и ошибок, получающихся из-за локальных повреждений или сложной конфигурации образца (в большинстве случаев для определения глубины вдавливания используют стрелочные индикаторы), общую нагрузку прикладывают в два приема в виде предварительной и основной нагрузок.

В соответствии с этим принципом индентор сначала при предварительной нагрузке F0 вдавливается в испытуемый материал на глубину /0. От этой реперной точки t0 определяется уровень отсчета для измерения получающейся при определении твердости глубины вдавливания t0. При наложении основной нагрузки F в течение 2...8 с индентор вдавливается в материал на общую глубину t. Продолжительность процесса вдавливания при суммарной нагрузке F0 + F зависит от ползучести испытываемого материала. В общем случае она составляет:

  • • 2...3 с для материалов с не зависящей от времени пластической деформацией;
  • • 6...8 с для материалов с зависящей от времени пластической деформацией;
  • • 20...30 с для материалов с существенно зависящей от времени пластической деформацией.

По истечении времени вдавливания основную нагрузку F снимают, измеряют полученную глубину вдавливания 4 и по ней в соответствии с формулой рассчитывают твердость по Роквеллу. Большинство цифровых шкал стрелочных индикаторов, используемых для определения остаточной глубины вдавливания, рассчитано на непосредственное считывание величин твердости, так что отпадает необходимость в проведении арифметических расчетов. При нанесении поля допусков на цифровую шкалу можно произвести быструю сортировку исследуемых материалов, а при соединении с электронными приборами, осуществляющими такую сортировку, процесс испытаний может быть легко автоматизирован.

Для определения твердости по Роквеллу используют несколько вариантов этого метода. При изменении твердости по Роквеллу наиболее часто используют метод С, получаемая величина твердости указывается перед индексом использованного метода, например 47 HRC.

При измерении необходимо помнить, что величина твердости должна представлять собой среднее арифметическое не менее трех отдельных измерений. При определении твердости по Роквеллу методом С расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее 4 мм, расстояние центра отпечатков от края образца - не менее 3 мм. Испытываемый материал должен иметь достаточную толщину, чтобы отпечаток не вызывал на обратной стороне образца никакой видимой деформации. Для этого толщина испытываемого образца должна быть не менее чем в восемь раз больше глубины вдавливания 4. В общем случае поверхность образца, подвергаемая испытанию на твердость, должна быть плоской. При контроле цилиндрических образцов индентор вдавливается глубже, чем при испытании плоских образцов той же твердости, поэтому величина твердости получается заниженной.

Точный пересчет величины твердости по Роквеллу на значения твердости, полученные другими методами испытаний, невозможен; для отдельных групп - при тщательном проведении сравнительных исследований.

Определение твердости вдавливанием шарика

В то время как металлы при комнатной температуре обычно имеют малую зависимость форм изменения от времени, у полимеров это свойство выражено гораздо сильнее. К тому же доля упругих деформаций у этой группы материалов значительно больше, поэтому определение величины твердости исключительно с помощью оценки остающегося отпечатка, да еще, как правило, при кратковременном воздействии нагрузки имело бы мало смысла.

При испытании полимерных материалов хорошо зарекомендовал себя метод определения твердости вдавливанием шарика (обозначаемый как НК) с использованием в качестве индентора шарика диаметром 5 мм. Аналогично определению твердости по Бринеллю и Виккерсу, величину твердости НК рассчитывают как отношение приложенной нагрузки F к поверхности А полусферы, образующейся при вдавливании шарика. Поскольку возникает необходимость измерять упругую деформацию, приходится определять поверхность полусферы под воздействием нагрузки F. Для таких условий она может быть рассчитана по формуле при измерении глубины вдавливания шарика. Чтобы тщательным образом исключить влияние шероховатости поверхности при измерении глубины вдавливания /?, используют, как и при испытании твердости по Роквеллу, предварительное нагружение силой F0. Величина этой нагрузки зависит от используемого прибора и составляет 4,9 Н для приборов, в которых глубину вдавливания замеряют от поверхности индентора, и 9,8 Н - для приборов, в которых глубину вдавливания замеряют от опорного столика, затем прикладывают в пределах 0,13 < h < 0,36 см. Для того чтобы можно было выполнить эти требования, основная нагрузка F варьируется, и величина ее составляет 49; 132,5; 960 Н. Если оговоренные условия выполняются при нескольких значениях 7д, то следует брать минимальную нагрузку. Твердость, определяемую вдавливанием шарика, рассчитывают по формуле

где F - основная нагрузка, Н; D - диаметр шарика (обычно 10 мм); h - глубина вдавливания, см.

Определение микротвердости

Определение твердости при малой нагрузке отличается от методов определения макротвердости только величиной прикладываемой нагрузки, которая в большинстве случаев находится в пределах 2...20 Н. Основная область использования этого метода - измерение твердости мелких деталей и тонких слоев (например, после цементации или азотирования стали). Кроме этого, данный способ применяют для испытания материалов с низкой твердостью (например, свинца, алюминия, олова).

Измерения твердости при малой нагрузке можно проводить на стандартных приборах для испытания твердости по Бринеллю и Виккерсу. При испытании по Бринеллю используют шарик диаметром 1 мм; необходимое при этом усилие определяют по таблице, а величину твердости рассчитывают по формуле. При испытаниях с использованием малой нагрузки в качестве индентора обычно применяют пирамиду Виккерса. Величину твердости при этом рассчитывают по формуле, измеряя длину диагоналей и приложенную нагрузку. В интервале макротвердости значения HV в первом приближении не зависят от приложенной нагрузки; при усилиях же меньше 10 Н по величине нагрузки путем экстраполяции определяют значение макротвердости, которое можно сравнивать с данными, рассчитанными при одинаковой нагрузке. При определении твердости по Кнупу в качестве индентора используют алмазную пирамиду с ромбическим основанием. Угол пересечения выступающих продольных ребер этой пирамиды составляет 172°30', а поперечных - 130°. Благодаря этому получается отпечаток, продольная диагональ которого примерно в семь раз больше, чем поперечная. Продольную диагональ можно измерить относительно точно. В отличие от значений твердости по Бринеллю и Виккерсу величина твердости по Кнупу Hh рассчитывается как соотношение нагрузки F к проекции поверхности отпечатка:

Глубина вдавливания очень маленькая (-1/30 продольной диагонали d). Благодаря такой глубине вдавливания метод определения твердости по Кнупу наиболее пригоден для измерения твердости тонких слоев (например, гальванических покрытий).

В общем случае при определении макротвердости и при измерении твердости с использованием малой нагрузки получают отпечатки на сравнительно большом участке поверхности, соответствующие средним значениям твердости, на которые влияет большое число отдельных зерен. Если необходимо узнать твердость отдельных структурных составляющих, то приложенную нагрузку уменьшают, чтобы получаемый отпечаток относи лея только к исследуемой структурной составляющей. Поэтому при измерении микротвердости прикладывают нагрузку в пределах 0.002...2 Н, а в качестве индентора обычно применяют пирамиду Виккерса. Ее помещают в приспособление для сверления фронтальной линзы микроскопа; при этом окружающая кольцеобразная часть линзы остается свободной. Для получения наибольшей точности измерения следует давать как можно большую нагрузку. Верхний предел ее определяется прежде всего величиной исследуемой структурной составляющей, поскольку она должна в несколько раз превышать размер отпечатка. Это требование, в частности, относится к испытанию твердых частиц в мягкой массе основы, так как в противном случае большие по сравнению с размером твердых частиц отпечатки продавливают их. При измерении твердых частиц поверхностных слоев толщина их должна в 10 раз превышать глубину вдавливания или в полтора раза длину продольной диагонали.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >