Твердость это свойство, характеризующее сопротивление материала сосредоточенной в малом объеме пластической деформации в условиях контактного воздействия на него другого более твердого тела определенной формы и размеров.

Определение твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012-59)

Метод основан на том, что в плоскую поверхность металла вдавливается под постоянным усилием F шарик из закаленной стали диаметром D, который может быть равен 2,5; 5 и 10 мм (рис. 1). После снятия усилия в испытуемом металле остается отпечаток (лунка), диаметр которого d измеряют.

Число твердости по Бринеллю определяют путем деления усилия F на площадь поверхности сферического отпечатка

При определении твердости шариком диаметром D = 10 мм при усилии F = 29430 Н (3000 кгc) с выдержкой  = 10 с число твердости по Бринеллю записывается так: 400 НВ, 250 НВ и т.п.

Определение твердости по Виккерсу (ГОСТ 2999-75)

Измерение твердости по Виккерсу основано на вдавливании в поверхность образца алмазного индентора в форме четырехгранной пирамиды с углом при вершине  = 136 град под действием усилия F. После снятия усилия и

змеряют диагональ отпечатка d, оставшегося на поверхности образца (рис. 4). Число твердости по Виккерсу НV определяют отношением усилия F к площади боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка

Определение твердости по Роквеллу (ГОСТ 9013-75)

В этом методе твердость определяют по глубине отпечатка. Индентор – алмазный конус с углом при вершине 120 град. и радиусом закругления 0,2 мм или шарик диаметром 1,588 мм (1/16 дюйма) вдавливается в образец под действием двух последовательно прикладываемых усилий –предварительного F0 и основного F1.. Общее усилие F = F0 + F1 .

Твердость измеряется в условных единицах НR. При определении твердости по Роквеллу с использованием алмазного конуса сначала индентор вдавливается в испытуемый материал под предварительным усилием F0 =100 Н, которое не снимается до конца испытания. Под этим усилием алмазный конус погружается в образец на глубину h0. Затем на индентор подается основное усилие либо 500 Н, либо 1400 Н, в зависимости от материала образца. При использовании в качестве основной нагрузки 500 Н определение твердости производится по шкале прибора А. Число твердости (считывается со шкалы прибора) записывается с буквенным обозначением НRА, например, 80 НRА. Эту шкалу применяют для особо твердых материалов, для тонких листовых материалов или тонких слоев (0,5 – 1,0 мм). Пределы измерения твердости по этой шкале – 70 – 85 HRA. Если основная нагрузка равна 1400 Н, то твердость определяется по шкале С и записывается с буквенным обозначением НRС, например, 50 НRС. Эту шкалу используют для твердых материалов ( 450 НВ), например, закаленных сталей. Пределы измерения твердости по этой шкале 20 – 67 НRC.

Для обеих шкал число твердости определяется по формуле HRС (НRА) = 100 - е, где е = h – h0 / 0,002 (0,002 мм - цена деления шкалы индентора твердомера Роквелла); h - глубина вдавливания под основной нагрузкой.

При использовании в качестве индентора стального шарика F0 = 100 Н, F1 = 900 Н и F = 1000 Н число твердости определяется по шкале В и записывается НRВ, например, 50 НRВ. В этом случае НRВ = 130 - е. По этой шкале определяют твердость сравнительно мягких материалов ( 400 НВ). Пределы измерения твердости по шкале В 25 – 100 НRВ. Ценность метода в том, что в заводских условиях достигается высокая производительность испытаний (число твердости считывается прямо со шкалы прибора). Этот метод наиболее универсален и наименее трудоемок.

МАКРОАНАЛИЗ

Макроструктурный анализ – изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольшом увеличении, с помощью лупы.

Макроанализ проводят путем изучения изломов, макрошлифов или внешних поверхностей заготовок и деталей.

Макроанализ позволяет выявить наличие в материале макродефектов, возникших на различных этапах производства литых, кованных, штампованных и катаных заготовок, а также причины и характер разрушения деталей.

С помощью макроанализа устанавливают вид излома (вязкий, хрупкий); величину, форму и расположение зерен литого металла; дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную пористость, газовые пузыри, раковины, трещины); химическую неоднородность металла, вызванную процессами кристаллизации или созданную термической и химико-термической обработкой; волокна в деформированном металле.

Методы испытаний и оценки макроструктуры стальных изделий установлены ГОСТ 10243-75.

1. Изучение изломов.

Изломом называется поверхность, образующаяся вследствие разрушения металла. В зависимости от состава, строения металла, наличия дефектов, условий обработки и эксплуатации изделий изломы могут иметь вязкий, хрупкий и усталостный характер.

Хрупкое разрушение протекает без заметной предшествующей пластической деформации. Форма зерна не искажается и на изломе виден исходный размер зерен металла. Поверхность хрупкого излома (рис. 1, а) блестящая, кристаллическая. Разрушение может происходить через зерна (транскристаллический излом), либо по границам зерен (интеркристаллический или межкристаллический излом). Разрушение по границам зерен имеет место при наличии на границах неметаллических включений (фосфиды, сульфиды, оксиды) или других выделений, снижающих прочность границ зерна. Хрупкое разрушение наиболее опасно, так как происходит чаще всего при напряжениях ниже предела текучести материала.

Вязкий (волокнистый) излом имеет бугристо-сглаженный рельеф и свидетельствует о значительной пластической деформации, предшествующей разрушению. Поверхность излома матовая, с мелким, неразличимым глазом, зерном. По виду вязкого излома нельзя судить о форме и размерах зерен металла.

Усталостный излом образуется в результате длительного воздействия на металл циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций. Разрушение начинается на поверхности (или вблизи нее) локально, в местах концентрации напряжений (деформации). Усталостная трещина возникает в местах, где имеются концентраторы напряжений или дефекты (шлаковое включение, поры и т.п.). Излом состоит из очага разрушения (места образования микротрещин) и двух зон – усталости и долома.

Очаг разрушения примыкает к поверхности и имеет небольшие размеры и гладкую поверхность. Зону усталости формирует последовательное развитие трещины усталости. Зона усталости развивается до тех пор, пока в уменьшающемся рабочем сечении напряжения возрастут настолько, что вызовут его мгновенное разрушение. Эту последнюю стадию разрушения характеризует зона долома.

Метод визуального (или при небольших увеличениях) наблюдения изломов называют фрактографией. На изломах макроструктуру оценивают путем сравнения с нормативными макроструктурами, приведенными в ГОСТ 10243-75, по 25 параметрам. Определение вида, формы и цвета излома позволяет характеризовать многие особенности строения и обработки материала.

2. Изучение макрошлифов.

Макрошлиф – это образец с плоской шлифованной и протравленной поверхностью, вырезанный из исследуемого участка детали или заготовки. Его получают следующим образом. На металлорежущем станке или ножовкой вырезают образец, одну из плоских поверхностей которого ровняют напильником или на плоскошлифовальном станке. Затем образец шлифуют вручную или на шлифовально-полировальном станке шлифовальной шкуркой разной зернистости. Шлифование одной шкуркой нужно проводить в одном направлении, после чего следует смыть остатки абразива водой. Переходя на более мелкую шкурку, поворачивают образец на 90о и проводят обработку до полного исчезновения рисок, образованных предыдущей шкуркой. Образец промывают водой, просушивают и подвергают глубокому или поверхностному травлению. Состав некоторых реактивов для травления приведен в Приложении 1.

Перед травлением образец обезжиривают и очищают, как правило, этиловым спиртом. Травление большинством реактивов осуществляют, погружая в них образец. При этом следует строго соблюдать правила техники безопасности. Реактив, активно взаимодействуя с участками, где имеются дефекты и неметаллические включения, протравливает их более сильно и глубоко. Поверхность макрошлифа получается рельефной. Такое травление называется глубоким.

Поверхностное травление, проводимое менее агрессивными реактивами, позволяет выявить в сталях, чугунах и цветных сплавах ликвацию, т.е. химическую неоднородность материала, возникающую при его производстве, макроструктуру литого или деформированного металла, структурную неоднородность материала, подвергнутого термической или химико-термической обработке.