2.6.3. Определение твёрдости

Очень распространённым механико-технологическим испытанием является определение твёрдости. Это обусловлено быстротой и простотой таких испытаний и ценностью получаемой информации: твёрдостью характеризует состояние поверхности детали до и после технологической обработки (закалки, азотирования и т.п.), по ней можно косвенно судить о величине предела прочности.

Твёрдостью материала называется способность оказывать сопротивление механическому проникновению в него другого, более твёрдого тела. Величины, характеризующие твёрдость, называют числами твёрдости. Определяемые разными методами, они различны по величине и по размерности и всегда сопровождаются указанием способа их определения.

Наиболее распространённый метод – по Бринелю. Испытание заключается в том, что в образец вдавливают стальной закалённый шарик диаметра D (рис.2.22,а). Шарик выдерживается некоторое время под нагрузкой P, в результате чего на поверхности остается отпечаток (лунка) диаметром d. Отношение нагрузки в кН к площади поверхности отпечатка в см² называется числом твёрдости по Бринелю

. (2.30)

Для определения числа твёрдости по Бринелю используют специальные испытательные приборы, диаметр отпечатка измеряется портативным микроскопом. Обычно HB не считают по формуле (2.30) , а находят из таблиц.

а б

Рис.2.22

Пользуясь числом твёрдости HB, можно без разрушения образца получить приближённое значение предела прочности некоторых металлов, т.к. существует линейная связь между σ_пч и HB: σ_пч = k ∙ HB (для малоуглеродистой стали k = 0,36, для высокопрочной стали k = 0,33, для чугуна k = 0,15, для алюминиевых сплавов k = 0,38, для титановых сплавов k = 0,3).

Весьма удобен и широко распространён метод определения твердости по Роквеллу. В этом способе в качестве индентора, вдавливаемого в образец, используется алмазный конус с углом при вершине 120 градусов и радиусом закругления 0,2 мм, или стальной шарик диаметром 1,5875 мм (1/16 дюйма). Испытание происходит по схеме, приведённой на рис. 2.22,б. Сначала конус вдавливается предварительной нагрузкой P₀ = 100 H, которая не снимается до конца испытания. При этой нагрузке конус погружается на глубину h₀. Затем на конус подается полная нагрузка P = P₀ + P₁ (два варианта: A – P₁ = 500 H и C – P₁ = 1400 H), при этом глубина вдавливания увеличивается. После снятия основной нагрузки P₁ остается глубина h₁. Глубина отпечатка, полученная за счёт основной нагрузки P₁, равная h = h₁ – h₀, характеризует твердость по Роквеллу. Число твёрдости определяется по формуле

, (2.31)

где 0,002 – цена деления шкалы индикатора твердомера.

Существуют и другие методы определения твёрдости (по Виккерсу, по Шору, микротвёрдость), которые здесь не рассматриваются.

2.6.4. Сравнение свойств различных материалов

М ы уже подробно рассмотрели свойства пластичного и хрупкого материалов – малоуглеродистой стали и серого чугуна - при растяжении и сжатии. Продолжим это сравнение – рассмотрим диаграммы растяжения некоторых металлов (рис.2.23).

Рис.2.23

Все показанные на рисунке стали –40, Ст6, 25ХНВА, марганцовистая – имеют гораздо более высокие характеристики прочности, чем малоуглеродистая сталь Ст3. Площадка текучести у высокопрочных сталей отсутствует, относительное удлинение при разрыве δ значительно меньше. За повышение прочности приходится платить понижением пластичности. Хорошей пластичностью обладают алюминиевый и титановый сплавы. При этом прочность алюминиевого сплава выше, чем у Ст3, а объёмный вес почти в три раза меньше. А титановый сплав имеет прочность на уровне высокопрочной легированной стали при почти в два раза меньшем объемном весе. В табл.2.4 приведены механические характеристики некоторых современных материалов.

Таблица 2.4

Материал	Марка	Предел текучести, σт	Предел прочности, σпч	Относит. удлинение при разрыве, δ5	Относит сужение при разрыве, ψ	Объёмный вес, γ	Модуль Юнга, E
		кН/см2	кН/см2	%	%	г/см3	кН/см2
Сталь углеродистая горячекатаная	Ст3	24	34-42	38	55	7,85	2·104
Сталь углеродистая горячекатаная	СТ6	30	60-72	15		7,85	2·104
Сталь углеродистая качественная	40	32	57	17	45	7,85	2·104
Сталь легированная хромникельвольфрамовая	25ХНВА	95	100	10	45	7,85	2,1·104
Сталь легированная кремнехроммарганцовистая	35ХГСА	130	155	7	40	7,85	2,1·104
Чугун	СЧ24-44	-		-	-	7,85	1,5·104
Алюминиевый сплав	Д16Т	38	50	20	-	2,8	0,7·104
Бронза кремнистая	БрК-3	-	25	30	-	7,85	1,1·104
Титановый сплав	ВТ4	80	90	20	-	4,5
Стеклопластик	СВАМ	-	50	2	-	1,9	0,4·104
Углепластик	КЕВЛАР		300	-	-	1,7	3·104

В последних двух строчках таблицы приведены характеристики полимерных композиционных материалов, отличающихся малым весом и высокой прочностью. Особо выдающимися свойствами отличаются композиты на основе суперпрочных углеродных волокон – прочность их примерно в два раза выше прочности самой лучшей легированной стали и на порядок – малоуглеродистой стали. Они жестче стали в полтора раза и легче почти в пять раз. Применяются, конечно, в военной технике – авиа- и ракетостроении. В последние годы начинают применяться и в гражданских областях – автомобилестроении (кузова, тормозные диски, выхлопные трубы гоночных и дорогих спортивных машин), судостроении (корпуса катеров и малых судов), медицине (инвалидные коляски, детали протезов), машиностроении для спорта (рамы и колеса гоночных велосипедов и другой спортивный инвентарь). Широкому применению этого материала пока препятствует его высокая стоимость и низкая технологичность.

Резюмируя все вышесказанное о механических свойствах различных материалов, можно сформулировать основные особенности свойств пластичных и хрупких материалов.

1. Хрупкие материалы, в отличие от пластичных, разрушаются при незначительных остаточных деформациях.

2. Пластичные материалы одинаково сопротивляются растяжению и сжатию, хрупкие – хорошо сжатию и плохо растяжению.

3. Пластичные материалы хорошо сопротивляются ударным нагрузкам, хрупкие – плохо.

4. Хрупкие материалы очень чувствительные к так называемой концентрации напряжений (локальным всплескам напряжений вблизи мест резкого изменения формы деталей). На прочность деталей из пластичного материала концентрация напряжений влияет в гораздо меньшей степени. Более подробно об этом – чуть ниже.

5. Хрупкие материалы не поддаются технологической обработке, связанной с пластической деформацией – штамповке, ковке, волочению и т.п.

Деление материалов на пластичные и хрупкие носит условный характер, так как при некоторых условиях хрупкие материалы получают пластические свойства (например, при большом всестороннем сжатии) и, наоборот, пластичные материалы приобретают хрупкие свойства (например, мягкая сталь при низкой температуре). Поэтому правильнее говорить не о пластичном и хрупком материалах, а об их пластическом и хрупком разрушении.