12. Методы определения твердости металлов

Под твердостью понимают свойство поверхностного слоя сопротивляться упругой и пластической деформации или разрушению под действием контактных воздействий со стороны другого более твердого и не получающего остаточной пластической деформации тела (индентора) определенной формы и размера.

Учитывая то, что при большинстве методов испытания твердости не происходит разрушения и что существует связь между твердостью и другими характеристиками механических свойств, испытания на твердость могут использоваться как экспрессные методы испытания для контроля качества конструкционных материалов.

Все существующие методы определения твердости подразделяют на статические и динамические по скорости приложения нагрузки, а по способу приложения нагрузки на методы вдавливания и царапания.

Статические методы испытания твердости получили наибольшее распространение и базируются на принципе вдавливания индентора в поверхность образца. К таким методам относятся: метод Бринелля, метод Роквелла, метод Виккерса, метод Мейера.

Динамические методы испытания твердости отличаются от статических тем, что в них нагрузка прикладывается при большой скорости и отсутствует выдержка под нагрузкой. К таким методам относится метод Шора и метод Польди.

В зависимости от времени выдержки под нагрузкой различают кратковременную и длительную твердость. В стандартных методах испытания твердости время выдержки под нагрузкой принимается равным 10÷30 сек. Длительная твердость оценивается при повышенных температурах и используется как характеристика жаропрочности материалов.

12.1 Метод Бринелля

Метод Бринелля основан на принципе вдавливания стального закаленного шарика в поверхность и определение площади отпечатка. ГОСТ 9012 – 59 предусматривается использование шариков диаметром 2,5, 5,0 и 10,0 мм. Каждому диаметру шарика соответствует своя нагрузка: 187,5; 750 и 3000 кгс. Время выдержки под нагрузкой принимается от 10 до 30 сек. Наиболее часто используют время выдержки 30 сек.

Под действием прикладываемых нагрузок в поверхности образца образуется сферический отпечаток, рис. 86.

Пластически деформируемый объем под индентором окружен упруго-напряженным материалом, в результате чего и возникает схема напряженного состояния, близкая к гидростатическому сжатию.

Диаметр отпечатка d получается тем меньше, чем выше сопротивление материала деформации. Зная диаметр шарика – D, величину нагрузки Р, представляется возможным рассчитать значение твердости:

;

Твердость по Бринеллю в случае использования шарика D=10 мм, нагрузки 3000 кгс и времени выдержки 10 сек обозначается: НВ 300, НВ 400. При использовании других параметров они должны указываться. Например: НВ 5/750/30 – 350 это число твердости по Бринеллю (350), полученное при вдавливании шарика D=5 мм, величине нагрузки 750 кгс и времени выдержки под нагрузкой 30 сек.

Метод Бринелля используется в основном для материалов с твердостью от НВ 8 до НВ 450, так как при больших значениях твердости шарик будет испытывать остаточную деформацию, превышающую стандартизованный допуск.

Для сталей по ГОСТ 9012 – 59 рекомендуется время выдержки 10 сек, диаметр шарика 10 мм и нагрузка 3000 кгс.