4. Випробування на твердість

Твердістю називається здатність металу чинити опір впровадженню в нього іншого, більш твердішого тіла. Визначення твердості є досить розповсюдженим методом випробування металів. Для визначення твердості не вимагається виготовлення спеціальних зразків, тобто випробування проводиться без руйнування деталі.

Існують різні методи визначення твердості — вдавлюванням, дряпанням, пружною віддачею, а також магнітний метод. Найпоширенішим є метод вдавлювання в метал сталевої кульки, алмазного конуса або алмазної піраміди. Для випробування на твердість застосовують спеціальні прилади, нескладні по пристрою і прості в обігу.

4.1. Твердість по Брінеллю

В поверхню випробовуваного металу з певною силою вдавлюють стальну загартовану кульку діаметром 10, 5 або 2,5 мм (мал. 2.22). В результаті на поверхні металу виходить відбиток (лунка). Діаметр відбитку вимірюють спеціальною лупою з розподілами. Число твердості по Брінеллю НВ характеризується відношенням навантаження, діючого на кульку, до поверхні відбитку:

, (2.9)

де Р — навантаження на кульку, Н (кгс); F — поверхня відбитку, мм²; D — діаметр вдавлюваної кульки, мм; d — діаметр відбитку, мм.

Для того, щоб не обчислювати твердість по приведеній вище формулі, на практиці користуються спеціальною таблицею, в якій діаметру відбитку відповідає певне число твердості НВ.

Для характеристики твердості часто користуються діаметром відбитку d_HB (мм) без переведення в число твердості. Діаметр кульки і навантаження встановлюють залежно від випробовуваного металу, твердості і його товщини. Наприклад, при випробуванні стали і чавуну Р= 30D², міді і її сплавів Р = 10D², бабітів Р = 2,5D².

Метод Брінелля не рекомендується застосовувати для металів твердістю більш НВ450, оскільки кулька може деформуватися і результат вийде неправильним. Не можна також випробовувати тонкі матеріали, які при вдавлюванні кульки продавлюються.

4.2. Твердість по Роквеллу

В поверхню випробовуваного металу вдавлюють алмазний конус з кутом 120° або сталеву загартовану кульку діаметром 1,59 мм. Випробування кулькою застосовують при визначенні твердості м'яких матеріалів, а алмазним конусом — при випробуванні твердих матеріалів.

К ульку і конус вдавлюють у випробовуваний зразок під дією двох послідовно прикладених навантажень — попередньої Р₀ і основний Р₁. Загальне навантаження Р рівне їх сумі (мал. 2.23):

Р = Р₀ + Р₁, (2.10)

Попереднє навантаження Р₀ у всіх випадках рівне 100 Н (10 кгс), а основна Р₁ і загальна Р навантаження складають:

при вдавлюванні сталевої кульки (шкала В)

Р₁ = 900 Н (90 кгс); Р = 1000 Н (100 кгс);

при вдавлюванні алмазного конуса (шкала С)

Р₁ = 1400 Н (140 кгс); Р = 1500 Н (150 кгс);

при вдавлюванні алмазного конуса (шкала А)

Р₁ = 500 Н (50 кгс); Р = 600 Н (60 кгс).

При навантаженні 600 Н (60 кгс) випробовують дуже тверді, а також тонкі матеріали (шкала А).

Твердість по Роквеллу — число виражається в умовних одиницях; її позначають залежно від умов випробування HRA, HRB, HRC.

За одиницю твердості прийнята величина, відповідна осьовому переміщенню наконечника на 0,002 мм. Число твердості по Роквеллу HR визначається по формулах:

при вимірюванні за шкалою В:

HR = 130 – е;

при вимірюванні за шкалами С і А:

HR = 100 – е.

Величина е визначається по наступній формулі:

e = (h – h₀)/0,002,

де h₀ — глибина вдавлення наконечника у випробовуваний матеріал під дією попереднього навантаження P₀;

h — глибина вдавлювання наконечника у випробовуваний матеріал під дією загального навантаження Р, заміряна після зняття основного навантаження Р₁ із залишенням попереднього навантаження Р₀ (див. мал. 2.23).

Визначення твердості по Роквеллу має широке використання, оскільки дає можливість випробовувати тверді і м'які матеріали; при цьому відбитки від конуса або кульки дуже малі, тому можна випробовувати готові деталі без їх псування; випробування виконується легко і швидко (30—60 секунд); не вимагається ніяких вимірювань — число твердості читається прямо на шкалі. Значення твердості по Роквеллу можна перевести в значення твердості по Брінеллю.