7. Властивості металів – твердість

1.Охарактеризувати поняття твердості металів

Тве́рдість (англ. Hardness, фр. Dureté, нім. Härte) — властивість матеріалу опиратися проникненню до нього іншого, твердішого тіла.

За ДСТУ 2825-94: твердість — здатність матеріалу чинити опір деформуванню та руйнуванню під дією місцевих контактних зусиль^[1].

Найтвердішим із відомих матеріалів є ультратвердий фулерит (приблизно в 1,17—1,52 разів твердіший за алмаз). Однак, цей матеріал доступний лише у мікроскопічних кількостях. Найтвердішою з поширених речовин є алмаз (10 одиниць за шкалою Мооса

2.Які методи використовують для вимірювання твердості?

Для вимірювання твердості є кілька шкал (методів вимірювання):

• Метод Брінелля — твердість визначається за діаметром відбитка, який залишає металева кулька, що втискується у поверхню. Твердість обчислюється як відношення зусилля, прикладеного до кульки, до площі відбитка (причому площа відбитка береться як площа частини сфери, а не як площа кола); одиницею твердості служить кгс/мм². Твердість, визначена за цим методом, позначається HB, де H = hardness (твердість, анг.), B — найменування шкали.

• Метод Роквелла — твердість визначається за глибиною відбитка металевої кульки чи алмазного конуса у поверхні тестованого матеріалу. Твердість, визначена за цим методом, є безрозмірною і позначається HR, HRB, HRC і HRA; твердість обчислюється за такою формулою HR = 100 − kd, де d — глибина втиснення наконечника після зняття основного навантаження, а k — коефіцієнт. Отже, нескінченній твердості відповідає HR 100; м'які матеріали можуть мати негативні значення твердості.

• Метод Віккерса — твердість визначається за величиною відбитка, залишеного чотирикутною алмазною пірамідкою, яка втискується у поверхню. Твердість обчислюється як відношення зусилля, докладеного до пірамідки, до площі відбитка (причому площа відбитка береться як площа частини поверхні піраміди, а не як площа квадрата); одиницею твердості служить кгс/мм². Твердість, визначена за цим методом, позначається HV.

3.За яким принципом визначається твердість за методом Брінелля? Методика проведення випробувань та обрахунку твердості

Ручний твердомір Брінелля

Цей метод відноситься до способів оцінки твердості, що базуються на принципі вдавлювання індентора (полірованої загартованої сталевої кульки). Випробування проводиться таким чином: спочатку дають невелике попереднє навантаження для встановлення початкового положення інденторана зразку, потім додається основне навантаження, зразок витримують під дією навантаження протягом 10-30с, вимірюється глибина вдавлювання, після чого основне навантаження знімається. При визначенні твердості за методом Брінелля, на відміну від методу Роквелла, виміри проводять до пружного відновлення матеріалу. Індентор вдавлюють в поверхню випробовуваного зразка (завтовшки не менше 4 мм) з регламентованим зусиллям.

У іншому варіанті зусилля збільшується до досягнення регламентованої глибини впровадження.

Твердість за Брінеллем HB розраховується як «прикладене навантаження», розділене на «площу поверхні відбитку»:

,

де   — прикладене навантаження, кПа;

 — діаметр кульки, мм;

 — діаметр відбитку, мм,

або за формулою:

,

де   — глибина вдавлювання індентора.

Найпоширеніші діаметри кульки — 10, 5, 2,5 і 1 мм і навантаження 187,5 кгс, 250 кгс, 500 кгс, 1 000 кгс і 3 000 кгс. Для вибору діаметра кульки зазвичай використовують наступне правило: діаметр відбитку повинен лежати в межах 0,2-0,7 діаметру кульки. У методиках ISO і ASTM об'єднані метод з однією кулькою і різними навантаженнями і метод із застосуванням різних кульок, а також дана формула обчислення твердості, не залежної від навантаження.

Твердість за шкалою Брінелля виражають в кгс/мм².

Для визначення твердості по методу Брінелля використовують твердоміри, як автоматичні, так і ручні.