2.3.3. Измерения твердости

Твердость - свойство металлов сопротивляться проникновению в них других, более твердых тел. Твердость определяет многие эксплуатационные свойства металла: сопротивляемость истиранию, режущие свойства инструмента для обработки металлов, эрозионную стойкость и т.д. По твердости можно косвенным путем определить предел прочности и текучести металла, не вырезая образцов. Большинство методов определения твердости основано на принципе вдавливания в испытуемый металл более твердого шарика, конуса или пирамиды.

Испытания на твердость по Бринеллю проводят вдавливанием в испытуемый металл закаленного стального шарика силой . После снятия нагрузки на поверхности детали или образца остается отпечаток от шарика в виде шарового сегмента площадью . Твердость по Бринеллю обозначается НВ и равна отношению нагрузки на шарик к площади отпечатка:

Она измеряется, как и напряжение, в мегапаскалях.

Чем тверже металл, тем меньше площадь отпечатка при одной и той же нагрузке. Сначала измеряют диаметр отпечатка при помощи лупы с увеличением в 24 раза. Площадь отпечатка, имеющего форму шарового сегмента, может быть определена по формуле:

где - диаметр шарика, - диаметр отпечатка.

Чтобы избежать расчетов твердости, к прибору прилагают таблицы, по которым можно определить число твердости по диаметру отпечатка. В приборе Бринелля используют шарики диаметром 10,5 и 2,5 мм. Глубина отпечатка должна быть по крайней мере в десять раз меньше толщины испытываемой детали. Нагрузку на шарик выбирают пропорционально квадрату диаметра шарика. Для стали и чугуна принято брать нагрузку на шарик . По Бринеллю можно измерять твердость материалов от 80 до 4500 МПа. Если твердость детали более 4500 МПа, то возможна остаточная деформация самого шарика.

Испытание на твердость по Роквеллу проводят вдавливанием алмазного конуса или закаленного стального шарика. Затем измеряют глубину лунки после снятия нагрузки . Твердость по Роквеллу отсчитывается в отвлеченных безразмерных единицах по шкале прибора. Прибор имеет три шкалы: А, В, С. Твердость закаленной среднеуглеродистой стали, определенная по шкале С, равна приблизительно 62. При измерении твердости по шкалам С и А применяют алмазный конус с углом 120° при вершине. Нагрузка на конус при работе по шкале А составляет 600 Н, при работе по шкале С - 1470 Н. При измерении твердости по шкале В используют закаленный стальной шарик диаметром 1,588 мм. Нагрузка на шарик 1000 Н.

Шкалы А и С используют для определения твердости очень твердых металлов, шкалу В - для определения твердости мягких металлов. Метод Роквелла позволяет определять твердость тонких деталей. На поверхности детали остается отпечаток во много раз меньший, чем при испытании твердости по Бринеллю.

Для проверки механических свойств металла котлов, трубопроводов и сосудов в тех случаях, когда нет возможности вырезать образцы, пользуются переносными твердомерами, позволяющими определять твердость по Бринеллю и Роквеллу. Существуют также приборы и методики, с помощью которых можно косвенно определять предел прочности и предел текучести. Так, между пределом прочности и твердостью по Бринеллю низкоуглеродистой и низколегированных незакаленных сталей, применяемых в теплотехнике, существует эмпирическая зависимость = 0,36 НВ.

Измерение твердости сталей по Виккерсу происходит следующим образом: в поверхность образца или детали вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду с квадратным основанием. К пирамиде прикладывают вдавливающую нагрузку , равную 50, 100, 200, 300, 500 или 1000 Н в течение 10-15 с. Затем измеряют обе диагонали отпечатка. Число твердости по Виккерсу (МПа) представляет собой частное от деления нагрузки на площадь поверхности отпечатка, выраженную через среднюю арифметическую длину его диагоналей (мм):

На практике число твердости по Виккерсу после измерения диагоналей отпечатка находят по таблице, которая рассчитана по приведенной выше формуле для известных установленных нагрузок. Для приближенного перевода чисел твердости, определенных различными методами, можно пользоваться табл. 2.6.

Таблица 2.6

Таблица перевода чисел твердости, замеренных различными методами

#G0 Твердость по Бринеллю, МПа	Твердость по Роквеллу по шкале			Твердость по Виккерсу, МПа
	А	В	С
1049	-	60	-	-
1078	-	62	-	-
1117	-	64	-	-
1148	-	66	-	-
1187	-	68	-	-
1226	-	70	-	-
1275	-	72	-	-
1324	-	74	-	-
1344	-	75	-	-
1364	-	76	-	-
1384	-	77	-	-
1413	-	78	-	-
1442	-	79	-	-
1472	-	80	-	-
1501	-	81	-	-
1530	-	82	-	-
1560	-	83	-	-
1590	-	84	-	-
1619	-	85	-	-
1658	-	86	-	-
1687	-	87	-	-
1727	-	88	-	-
1766	-	89	-	-
1815	-	90	-	-
1864	-	91	-	-
1913	-	92	-	-
1962	-	93	-	-
2011	-	94	-	-
2060	-	95	-	-
2119	-	96	-	-
2178	-	97	-	-
2237	-	98	-	-
2295	-	99	-	-
2354	-	100	22	2354
2452	-	-	24	2521
2550	-	-	26	2658
2452	-	-	24	2521
2550	-	-	26	2658
2648	-	-	28	2797
2776	-	-	30	2974
2914	-	-	32	3110
3070	-	-	34	3276
3257	-	-	36	3469
3453	-	-	38	3659
3649	-	-	40	3853
3853	-	-	42	4051
4071	-	-	44	4267
4169	73	-	45	4375
4287	73,5	-	46	4493
4395	74	-	47	4620
-	74,5	-	48	4758
-	75,5	-	49	4885
-	76	-	50	5032
-	76,5	-	51	5179
-	77	-	52	5345
-	77,5	-	53	5513
-	78	-	54	5690
-	78,5	-	55	5866
-	79	-	56	6053
-	79,5	-	57	6239
-	80	-	58	6425
-	80,5	-	59	6622
-	81	-	60	6818
-	81,5	-	61	7014
-	82,5	-	62	7249
-	83	-	63	7485
-	83,5	-	64	7740
-	84	-	65	8044
-	84,5	-	66	8377
-	85,5	-	67	8770
-	85,5	-	68	9241
-	86	-	69	9849
-	86,5		70	1056

В лабораториях металлов электростанций и ремонтных предприятий районных энергетических управлений применяются стационарные приборы для измерения твердости на образцах, вырезанных из деталей. Но часто бывает удобно произвести измерение твердости непосредственно на детали или на наплавленном металле сварного соединения (в частности, при контроле твердости наплавленного металла сварных соединений паропроводов, выполняемого с целью проверки состояния металла после отпуска). Для этого применяют переносные приборы, выпускаемые отечественной промышленностью. С помощью таких приборов типов ТШП-4, ТКП-1ц и ТПП-2 можно измерять твердость прямо на изделиях. Эти приборы закрепляются на деталях с помощью специальных захватов или струбцин. Приборы имеют массу от 5 до 11 кг.

Широкое распространение на электростанциях получило измерение твердости с помощью простейшего переносного прибора Польди-Хютте с ударным нагружением и определением твердости по методу сравнения площадей отпечатков (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема измерения твердости прибором Польди-Хютте:

1 - шариковый индентор; 2 - эталон твердости; 3 - контролируемая деталь

На предварительно подготовленную ровную гладкую поверхность контролируемой детали плотно прижимают шарик - индентор прибора. Диаметр шарика - 10 мм. К шарику прижимается эталон пружиной, находящейся внутри корпуса - держателя прибора. Прибор придерживают за держатель левой рукой и наносят удар молотком по бойку. При этом шарик-индентор вдавливается одновременно в контролируемую деталь и в брусок-эталон. В основу метода положено допущение, что отношение твердостей, определенных по площадям отпечатков в детали и эталоне, одинаково при статическом и ударно-динамическом нагружении. Твердость контролируемой детали определяют по формуле:

где - известная твердость эталонного бруска; - диаметр индентора, равный 10 мм; - диаметр шарового сегментного отпечатка на эталоне, мм; - диаметр аналогичного отпечатка на контролируемой детали, мм. Эталоном служит стальной шлифованный брусок сечением 10х10 мм или 12х12 мм и длиной 120-150 мм. Отпечатки должны располагаться с шагом около 10 мм; их диаметр должен быть от 2 до 4 мм.

Для удобства определения твердости можно пользоваться табл. 2.7, с помощью которой по известным величинам и находим:

и . Точность измерения твердости стационарными и переносными твердомерами статического действия составляет ±1%, тогда как точность измерения твердости с помощью прибора Польди-Хютте ±5-7%.

Для измерения диаметров отпечатков удобно применять измерительный переносной микроскоп МПБ-2, дающий увеличение х24 и прилагаемый к прибору Бринелля.

Таблица 2.7