1. Определение твердости по Бринеллю

Метод Бринелля заключается во вдавливании стального закаленного (иногда твердосплавного) шарика диаметром D(10,0; 5,0; 2,5; 2,0 или 1,0 мм) в испытуемый материал под фиксированной нагрузкойР(3000, 1500, 1000, 750, 500, 250, … 1 кгс)¹²в течение заранее выбранного времени (10…180 с) – см. рис. 10.1.

Мерой твердости по Бринеллю является диаметр отпечатка d, который измеряется с помощью оптического устройства, входящего в комплект прибора.

Рис. 10.1. Схема определения твердости по Бринеллю

Твердость по Бринеллю обозначается НВ и может быть рассчитана по формуле:

гдеF– площадь поверхности отпечатка – шарового сегмента.

Метод Бринелля предназначен для измерения твердости особо мягких, мягких и средне твердых материалов (включая незакаленную сталь) с твердостью от 8 до 450 единиц НВ (кгс/мм²). Черные металлы имеют твердость выше 140 НВ; цветные металлы и сплавы – 8...130 НВ, в том числе алюминий, свинец и мягкие сплавы – 8...35 НВ.

2. Определение твердости по Роквеллу

Мерой твердости по Роквеллу является глубина вдавливания индентора, которая определяется с помощью индикатора часового типа, встроенного в прибор. Схема испытания показана на рис. 10.2.

Рис. 10.2. Схема определения твердости по Роквеллу:

а) по шкалам А и С; б) по шкале В

Измеренное значение твердости считывается непосредственно со шкалы индикатора. Современные приборы позволяют использовать 9 шкал:A, B, C, D, E, F, G, H, K,рассчитанных на применение разных нагрузок и инденторов. В отечественной практике обычно используют только три шкалы:А, BиС.

Шкала Аиспользуется при испытаниях особо твердых материалов – твердых сплавов и деталей, подвергнутых химико-термической обработке (цементации, азотированию, борированию и т. п.). Здесь в качестве индентора используется алмазный конус с углом при вершине 120^о, вдавливаемый под нагрузкой 60 кгс. Твердость, измеренная по этой шкале, обозначается HRA.

Шкала Виспользуется при испытаниях средне твердых материалов, включая цветные сплавы и незакаленную сталь. Здесь в качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром 1,588 мм (¹/₁₆дюйма¹³), вдавливаемый под нагрузкой 100 кгс. Твердость, измеренная по этой шкале, обозначается HRВ.

Шкала Сиспользуется при испытаниях средне твердых и твердых материалов, включая незакаленную и закаленную сталь. Здесь в качестве индентора используется алмазный конус (тот же, что по шкале А), вдавливаемый под нагрузкой 150 кгс. Твердость, измеренная по этой шкале, обозначается HRС. Например, твердость закаленной стали составляет 60…65 HRС.

Метод Роквелла отличается особой простотой и оперативностью, при его использовании меньше повреждается поверхность испытуемого материала и поэтому он широко применяется для контроля качества термической обработки в цехах и лабораториях машиностроительных предприятий.

3. Определение твердости по Виккерсу

В методе Виккерса в качестве индентора используется правильная четырехгранная алмазная пирамида с углом между гранями 136^о, которая вдавливается под нагрузкойРот 5 до 120 кгс.

Рис. 10.3. Схема определения твердости по Виккерсу

Мерой твердости является диагональ отпечатка, измеряемая с помощью микроскопа, встроенного в прибор. Схема определения твердости по Виккерсу показана на рис. 10.3.

Твердость по Виккерсу (HV) вычисляется по формуле:

гдеF– площадь отпечатка,d– диагональ отпечатка. Числа твердости по Виккерсу и Бринеллю имеют одинаковую размерность кгс/мм²(МПа) и для материалов с твердостью приблизительно до 340 НВ практически совпадают.

Метод Виккерса наиболее универсален и пригоден для измерения твердости любых металлов в лабораторных условиях, но отличается повышенной точностью при испытании высокотвердых материалов. При использовании небольших нагрузок (5…20 кгс) получаются микроскопические отпечатки, практически не повреждающие поверхность деталей.

Разновидностью прибора Виккерса является разработанный в нашей стране прибор для определения микротвердости ПМТ-3, в котором применен микроскоп с бóльшим увеличением (до 800), а для вдавливания алмазных инденторов используются очень малые нагрузки – 2…500 гс. Микротвердомер ПМТ-3 широко используется при изучении твердости деталей малых размеров и отдельных структурных составляющих сплавов¹⁴.