2. Випробування на твердість

Твердість - це властивість металу чинити опір пластичній деформації під час проникання в нього іншого більш твердого тіла певної форми і розмірів. Визначення твердості проводиться без руйнування виробів, крім того, методи визначення твердості прсті, доступні, високопродуктивні і можуть застосовуватись безпосередньо в цеху, на робочому місці. Випробування на твердість завжди проводиться з метою контролю якості металу. Характеристики твердості тісно зв'язані з границею міцності, тому в деяких випадках проводять випробування тільки на твердість (для пластичних металів), і по ній судять про міцність металу (о_в ~ 0,36НВ).

Найбільш поширені слідуючі способи вимірювання твердості:

1. вдавлюванням стальної кульки (метод Бринеля);

2. вдавлюванням алмазного конуса або стальної кульки (метод Роквела);

3. вдавлюванням чотиригранної піраміди (метод Вікерса).

В

Рис. 68. Схема вимірювання твердості за Бринелем.

наукових дослідженнях використовуються

прилади для визначення мікротвердості (твердості металу в малих об'ємах) шляхом вдавлювання чотиригранної алмазної піраміди при невеликих навантаженнях (метод Хрущова- Берковича).

Вимірювання твердості вдавлюванням стальної кульки (метод Бринеля) виконується відповідно до ГОСТ 9012-59. Для цього існують спеціальні машини - твердоміри типу ТШ, на яких проводиться вдавлювання стальної загартованої кульки діаметром 10,5 або 2,5 мм в плоску поверхню зразка або деталі під значним навантаженням на^протязі певного часу (рис.68). Вибір діаметру кульки, навантаження і часу витримки залежить від матеріалу і товщини виробу або зразка. Число твердості за Бринелем визначається як відношення тиску Р до площі (р) сферичної поверхні відбитка кульки у металі і позначається літерами НВ :.

Чим твердіше метал, тим менший діаметр відбитку і тим вище буде число твердості за Бринелем. Діаметр відбитку визначається за допомогою спеціальної бінокулярної лупи, яка має шкалу з ціною ділень 0,1 мм.

На практиці, щоб уникнути складних розрахунків чисел твердості для кожного відбитка, використовуються спеціальні готові таблиці, в яких вказуються числа твердості в залежності від діаметрів відбитків. Найбільш поширеними стандартними умовами при випробуванні твердості являються: навантаження Р - 3000кг, діаметр кульки - 10 мм і тривалість часу витримки - 10с.

До недоліків методу Бринеля відносяться:

• неможливість випробування металів, які мають високу твердість (НВ>4500 МПа); в такому разі кулька деформується, і результати стають неточними;

• неможливість випробування твердості тонкого поверхневого шару (<1-2 мм), бо кулька буде його руйнувати наскрізь;

• після випробування залишаються помітні сліди на поверхні виробу.

Вимірювання твердості втисканням алмазного конусу або стальної кульки по методу Роквела відповідає ГОСТ 9013-59. Випробування проводяться на спеціальних машинах (приладах ТК). Твердість визначають за глибиною втискання в поверхню зразка або виробу стальної кульки діаметром 1,588 мм при навантаженні 100 кг або алмазного конуса з кутом у вершині а=120° при навантаженні 60 і 150 кг.

Під час випробування спочатку прикладають попереднє навантаження Р₀, рівне 10 кг., а потім основне Р. Різниця глибин проникнення кульки або алмазу під навантаженнями Р₀ і Р ~ (Ь- Ь₀) характеризує твердість (рис. 69а). Чим менша ця різниця, тим твердіший випробуваний матеріал, і, навпаки, чим більше ця різниця, тим м'якіший цей матеріал.

Ч

І

НК =

исло твердості за Роквелом визначається за формулою:

к-(Ь-Ь₀)

С

де: 1і₀ - глибина проникнення наконечника під діянням сили Р₀ в мм;

Ь - глибина проникнення наконечника під діянням загального навантаження в мм;

к - постійна величина: для кульки к = 0,26; для конуса к = 0,2;

С - ціна ділення циферблату індикатора.

На приладах ТК число твердості визначається по індикатору, який має три шкали - А,В,С, що вказують твердість в безрозмірних величинах. Орієнтовний вибір наконечника і навантаження під час випробувань можна проводити за даними таблиці 3. Якщо вимірювання твердості проводять алмазним конусом із загальним навантаженням 150 кг (попереднє 10 кг, основне - 140 кг), то в цьому випадку значення твердості визначається за чорною шкалою С і позначається НК.С. Ця шкала використовується при випробуванні загартованих сталей, які відзначаються високою твердістю, і для визначення і вердості зміцнених поверхневих шарів товщиною більше 0,5 мм.

Коли вимірювання твердості на приладі ТК проводять алмазним конусом із загальним навантаженням 60 кг (10 + 50 кг), то значення твердості також визначають за чорною шкалою С, але позначають НКА. Число НКА можна перевести на число НКС відповідно: І ІКС = 2НКА-104. Ця шкала застосовується для випробувань дуже

твердих сплавів, наприклад, карбідів вольфраму, які мають твердість НКС> 68, тонкого листового матеріалу і для вимірювань твердості тонких поверхневих шарів (0,3-0,5 мм) або тонких пластинок.

При випробуванні твердості на приладі ТК стальною кулькою із загальним навантаженням 100 кг (10+90 кг) значення твердості визначають за червоною шкалою В і позначають НКВ. Шкала В служить для випробування металів середньої твердості і для випробування виробів товщиною від 0,8 до 2 мм, коли метод Бринеля неможливо використати.

Таблиця 3. Вибір наконечника і навантаження при випробуваннях на приладі тину ТК (ТОСТ 9013-59)

Шкала	Позна чення твердості	Границі вимірювання в одиницях твердості за Роквелом	Форма наконеч ника	Навантаження, кг	Приблизні значення чисел твердості за Ві- керсом, МПа
В	НКВ	25- 100	кулька стальна	100	600- 2400
С	нкс	20-67	алмазний конус	150	2400- 9000
А	НКА	70- 85	—..—	60	3900- 9000

Завдяки проведеним дослідженням встановлено зв'язок між числами твердості за Роквелом і за Бринелем, який дозволяє здійснити переведення одних чисел в інші. Для цього в довідниках існують спеціальні переводні таблиці. Метод Роквела має великі переваги перед іншими методами, а саме: висока продуктивність, простота обслуговування, точність вимірювання і збереження якісної поверхні після випробувань.

Не рекомендується використовувати цей метод для визначення твердості неоднорідних за структурою сплавів (чавунів), для випробувань криволінійних поверхонь з радіусом кривини менше 5 мм і для випробувань деталей, котрі під впливом навантаження можуть деформуватись.

Вимірювання твердості втисканням алмазної піраміди (метод Вікерса) здійснюється за ГОСТ 2999-75. Твердість за методом Нікерса визначають шляхом втискання в поверхню зразка або вироби алмазної чотиригранної піраміди з кутом при вершині в 136° під навантаженням 1-120 кг (рис. 696).

Число твердості за Вікерсом (НУ) представляє собою навантаження, яке приходиться на одиницю поверхні відбитка, і визначається за формулою:

2Р а Р

НУ=—г -зіп —=1,8544—,

д² 2 й²

де: Р - навантаження піраміди в кг;

сі - середнє арифметичне обох діагоналей відбитка після зняття навантаження в мм;

а - кут поміж протилежними гранями піраміди (а = 136°).

Числа твердості НУ, визначені за вказаною вище формулою, в залежності від довжини діагоналі і величини прикладеного навантаження приводяться в спеціальних таблицях. їх використовують, коли знають величини діагоналей відбитків на випробуваних зразках.

Для вимірювання твердості застосовують твердоміри типу ТП, обладнані мікроскопом, який дозволяє за допомогою мікрометричної шкали окуляра визначити довжину діагоналей відбитка.

Твердість за Вікерсом для сталі з твердістю НВ до 4000 МПа (400 кг/мм²) приблизно відповідає значенням твердості за Бринелем. При більш високій твердості її значення за Вікерсом стають більшими, ніж за Бринелем.

Перевага приладу типу ТП перед приладами типу ТК і ТШ полягає в тому, що на ньому може бути виміряна твердість тонких зразків, а також "Твердість тонких поверхневих шарів металу. Пристосування мікроскопа дозволяє при невеликих збільшеннях точно встановити, в якій зоні (на макро- або мікрошліфах) відбувається вимірювання твердості. Це дуже важливо тоді, коли структура неоднорідна, наприклад, в зварних швах.

Вимірювання мікротвердості втисканням алмазної піраміди (метод Хрущова - Берковича) проводиться на приладі ПМТ-3. Для цього приготовляють мікрошліф і травленням виявляють його структуру. Потім цей мікрошліф прилаштовують на предметний стілець приладу і вивчають його структуру за допомогою мікроскопа, вибираючи ділянку мікроструктури, де необхідно визначити твердість (інколи виміряють твердість окремих фаз). В центрі вибраної ділянки встановлюють перехрестя рисок окуляра і повертають предметний стілець на 180°. В такому положенні проводять втискання в поверхню шліфа алмазної чотиригранної піраміди з кутом при вершині 136° під навантаженням від 2 до 200 г. Потім предметний стілець повертають на попереднє місце, знаходять відбиток за допомогою мікроскопа і вимірюють його діагоналі окулярним мікрометром. *

Метод визначення мікротвердості широко використовується для оцінки твердості окремих структурних складових сплавів і дуже тонких шарів різного виду покриттів. Число мікротвердості визначають за формулою:

Н=1,854-^-, сі^-

де: Р - навантаження в г;

сі - діагональ відбитка в мкм.

На практиці мікротвердість не рахують, а визначають, використовуючи спеціальні таблиці, якщо відомі результати вимірювань діагоналей відбитку. Вірогідність одержаних даних вимагає проведення багаторазових вимірювань і статистичної обробки результатів дослідження.