3. Твердість металів

Твердістю металу називають властивість матеріалу чинити опір пластичної деформації при контактному впливі (упровадженні) індентору на поверхневі шари матеріалу. Вимір твердості унаслідок швидкості і простоти здійснення, а також можливості без руйнування виробу судити про його властивості набув широкого застосування для контролю якості металу в металевих виробах і деталях. Визначення твердості по Бринелю ДСТ 9012–59 (СТСЕВ468–77). Сутність методу полягає у вдавленні сталевої кульки діаметром D (мм) у зразок (виріб) під дією навантаження F(P), H (кгс) у вимірі діаметра відбитка d (мм) після зняття випробного навантаження (рис. 3, а). Якщо поверхня відбитка виразити через діаметр кульки і діаметр відбитка, то твердість по Бринелю визначається по формулі

, коли навантаження F виражене в Н коли Р виражена в кгс.

При іспиту сталі і чавуну звичайно приймають D = 10 мм і F(P) = 2943(3000)Н (кгс), при іспиту алюмінію, міді, нікелю і їхніх сплавів D = 10 мм і F(Р) = 9800(1000)Н (кгс), а при іспиті м'яких металів (свинець, олово і їхні сплави) D=10 мм і F (Р) =2540 (250) Н (кгс).

Твердість по Бринелю позначається цифрами, що характеризують величину твердості, і буквами НВ, наприклад 185 НВ (при D = 10 мм і P = 3000 кгс). Твердість визначають або по приведених формулах, або по спеціальних таблицях виходячи з діаметра відбитка d.

Чим менше діаметр відбитка, тим вище твердість.

Між тимчасовим опором і числом твердості НВ існує наступна залежність: для сталі σ_в = 0,345 НВ, для мідних сплавів σ_в = 0,45 НВ і для алюмінієвих сплавів σ_в = 0,35 НВ. Метод Бринеля не рекомендується застосовувати для сталі з твердістю >450 НВ, а кольорових металів >200 НВ.

Визначення твердості по Роквелу ДСТ 9013–59 (СТСЕВ469–77). Сутність методу полягає у вдавленні наконечника з алмазним конусом з кутом у вершини 120° (шкали А и С) або зі сталевою кулькою діаметром 1,5875 мм (шкала В) у випробуваний зразок (виріб) під дією послідовно прикладених попереднього та основного навантажень. Потім виміряють залишкове збільшення глибини впровадження наконечника після зняття основного навантаження і збереження попереднього навантаження в одиницях виміру 0,002 мм (рис. 3, б).

Рис. 3. Схеми визначення твердості: а – по Бринелю; б – Роквелу;

в – Викерсу

Схема визначення твердості по Роквелу приведена на рис. 3, б. Під навантаженням F₀(P₀) індикатор приладу вдавлюється в зразок на глибину h₀. Після цього на випробуваний зразок подається повне навантаження F=F₀+F₁(P=P₀ + P_l) і глибина занурення наконечника зростає. Після зняття основного навантаження F₁(P₁) прилад показує число твердості по Роквелу HR: чим менше глибина вдавлення h, тим вище твердість випробуваного матеріалу (рис. 3, б).

Одиниця твердості по Роквелу – безрозмірна величина, що відповідає осьовому переміщенню індикатора на 0,002 мм. Межі виміру твердості по шкалах А, В и С установлюються наступні: шкала А 70 – 85 од, шкала С 22 – 68 од, шкала В 25 – 100 од. Твердість по Роквелу позначається цифрами, що характеризують величину твердості, і буквами HR із указівкою шкали твердості. Наприклад, 61HRC (твердість 61 по шкалі С). По шкалі С визначають твердість матеріалів з високою твердістю (>450 НВ), коли сталева кулька може деформуватися. Шкала А використовується для визначення твердості тонких (0,5 – 1,0 мм) поверхневих шарів і дуже твердих матеріалів. По шкалі В визначають твердість порівняно м'яких матеріалів (<400 НВ). Величина твердості по Роквелу не має точного методу перекладу в інші величини твердості або міцності при розтяганні.

Твердість по Викерсу ДСТ 2999–75 (СТСЕВ470–77). Метод полягає у вдавленні алмазного наконечника, що має форму правильної чотиригранної піраміди, у зразок (виріб) під дією навантаження F(P) і вимірі діагоналі відбитка d, що залишився після зняття навантаження (рис. 3, в).

Навантаження F(P) може мінятися від 9,8(1) до 980 Н (100 кгс). Твердість по Викерсу HV = 0,189 , якщо F виражена в Н, і HV= 1,854 , якщо Р виражена в кгс.

Метод використовують для визначення твердості деталей малої товщини і тонких поверхневих шарів, що мають високу твердість. Ніж тонше матеріал, тим менше повинна бути навантаження. Число твердості по Викерсу (HV) визначають по спеціальних таблицях по обмірюваній величині d (діагоналі відбитка в міліметрах).

Мікротвердість ДСТ 9450–75. Визначення мікротвердості (твердості в мікроскопічно малих обсягах) необхідно для тонких захисних покрить, окремих структурних складових сплавів, а також при вимірі твердості дрібних деталей. Прилад для визначення мікротвердості складається з механізму для вдавлення алмазної піраміди під невеликим навантаженням і металографічним мікроскопом. У випробовувану поверхню вдавлюють алмазну піраміду під навантаженням 0,05 – 5 Н. Твердість Н визначають по тій же формулі, що і твердість по Викерсу: Н = 0,189 Н.