2.3 Загальні відомості

Твердість металів характеризує їх механічні властивості. Її вимірюють контактним впливом на поверхню металу накінечником з матеріалу, що мало деформується (тверда загартована сталь, твердий сплав, сапфір чи алмаз), що має форму кульки, конуса, піраміди чи голки. Існує декілька методів вимірювання твердості, що розрізняються характером впливу накінечника на метал.

Твердість можна вимірювати вдавлюванням накінечника під дією зусилля (спосіб вдавлення), дряпанням поверхні (спосіб дряпання), чи ударом – по відскоку накінечника. Твердість, визначена вдавлюванням, характеризує опір металу пластичній деформації; визначена царапанням – опір руйнуванню шляхом зрізу для більшості металів; визначена по відскоку – пружні властивості. Найбільше поширення одержав спосіб вимірювання твердості вдавлюванням за допомогою приладу Бринелля (рис.2.1).

Рисунок 2.1 – Схема приладу для вимірювання твердості

Методом Бринелля (вдавлюванням кульки):

1 – оправка з кулькою (індентор); 2 – кнопка вмикання електродвигуна;

3 – вантаж; 4 – таймер; 5 – електродвигун; 6 – станина; 7 – маховик;

8 – столик

Прилад складається з механізму привода, що включає в себе електродвигун і черв'ячний редуктор, механізму підйому столу, механізму вантажільного пристрою перемикача напрямку руху (реверсування), навантаження.

Для вимірювання твердості зразок (деталь), що досліджується, необхідно встановити на столику 8, шліфованою поверхнею догори.

Поворотом маховика 7 за годинниковою стрілкою плавно підняти столик приладу спочатку до контакту кінцевика з поверхнею випробовуваного зразка, а потім до упора в обмежувач; натиснути кнопку 2 для включення електродвигуна 5. За допомогою механізму навантаження забезпечується плавне прикладення зусилля Р, поки воно не досягне заданої величини. Це зусилля повинне діяти протягом деякого часу, що залежить від твердості випробовуваного матеріалу.

Після автоматичного вимикання електродвигуна поворотом маховика 7 проти годинникової стрілки опустити столик і зняти зразок.

П

ісля зняття зусилля на випробуваному металі залишається відбиток зі сферичною поверхнею (лунка), що утворився в результаті пластичного деформування поверхневого шару металу під накінечником і поблизу нього (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 – Схема визначення твердості металу методом Бринелля:

F – зусилля, Н; d – діаметр відбитка, мм; D – діаметр кульки, мм;

h – глибина відбитка, мм

Відповідно до ГОСТ 9012-89 твердість по Бринеллю позначають символом НВ (НВW), перед яким є числове значення твердості з трьох значущих цифр, а після символу вказується діаметр кульки (мм), значення прикладеної маси (кг), тривалість витримки, якщо вона відрізняється від 10-15 с.

Наприклад: 250 НВ 5/750 – твердість по Бринеллю 250, визначена при використанні сталевої кульки  5 мм, при зусиллі 7355 Н та тривалості витримки 10-15 с;

575 НВ W 2,5/187,5/30 – твердість по Бринеллю 575, визначена при застосуванні кульки з твердого сплаву  2,5 мм, при зусиллі 1839 Н та тривалості витримки 30 с.

При визначенні твердості сталевою кулькою чи кулькою з твердого сплаву  10 мм при зусиллі 29420 Н і тривалості витримки 10...15с твердість по Бринеллю позначають тільки числовим значенням твердості і символом НВ чи НВW: наприклад, 185 НВ, 600 НВW.

При вимірюванні твердості прилад повинен бути захищений від ударів і вібрації. Опорні поверхні столика і підставки, а також опорні і робочі поверхні зразка необхідно очистити від сторонніх речовин (окалини, змащення та ін.). Зразок потрібно установити на столик чи підставку, щоб уникнути його зсуву і прогину під час вимірювання твердості. Вимірювання виконують при температурі 20-25 °С.

Відстань між центром відбитка та краєм зразка повинна бути не менше ніж 2,5 діаметрів відбитка d; відстань між центрами двох суміжних відбитків – не менш 4d; для металів із твердістю до 35 НB (НВW) – відповідно 3d і 6d .

Після вимірювання твердості на зворотному боці зразка не повинно спостерігатися пластичної деформації від відбитка.

Товщина зразка S повинна не менш ніж у 8 разів перевищувати глибину відбитка h и визначається так

Мінімальну товщину зразка визначають відповідно до табл. 2.1

Таблиця 2.1 – Залежність мінімальної товщини зразка від діаметру кульки та розмірів відбитка

Діаметр відбитка, мм	Діаметр кульки, мм					Діаметр відбитка, мм	Діаметр кульки, мм
	1	2	2,5	5	10		1	2	2,5	5	10
0,2	0,08					2,40				1,46	1,17
0,3	0,18					2,46				2,92	1,38
0,4	0,33					2,80				3,43	1,60
0,5	0,54	0,25				3,00				4,00	1,84
0,6	0,80	0,37	0,29			3,20					2,10
0,7		0,51	0,40			3,40					2,38
0,8		0,67	0,53			3,60					2,68
0,9		0,86	0,67			3,80					3,00

Продовження таблиці 2.1

1,0		1,07	0,83			1,00					3,34
1,1		1,32	1,02			4,20					3,70
1,2		1,60	1,23	0,58		4,40					4,08
1,3			1,46	0,69		4,60					4,48
1,4			1,72	0,80		4,80					4,91
1,5			2,00	0,92		5,00					5,36
1,6				1,05		5,20					5,83
1,7				1,19		5,40					6,33
1,8				1,34		5,60					6,86
1,9				1,50		5,80					7,42
2,0				1,67		6,00					8,00
2,2				2,04

Діаметр d відбитка вимірюють за допомогою відлікового мікроскопа, на окулярі якого нанесена шкала з поділками, що відповідають десятим частинам міліметра. Діаметри відбитків d₁ і d₂ виміряються в двох взаємно перпендикулярних напрямках. За діаметр відбитка d приймається середнє арифметичне значення результатів вимірів. При цьому різниця вимірів діаметрів одного відбитка не повинна перевищувати 2  меншого з них. Кількість відбитків повинна бути не менше трьох.

При твердості металів менше 450 од. для вимірювання твердості використовують сталеві кульки чи кульки з твердого сплаву; при твердості металів більше 450 од. – кульки з твердого сплаву.

При вимірюванні твердості металів методом Бринелля враховують величину К – відношення зусилля до квадрата діаметра кульки, Н(мм²) :

Значення К вибирають в залежності від металу та його твердості (табл. 2.2).

Таблиця 2.2 – Залежність К від роду випробовуваного металу