Министерство образования Российской Федерации

Ивановский государственный университет

Кафедра экспериментальной и технической физики

Испытания на твердость

МЕТОДОМ БРИНЕЛЛЯ

Методические указания к лабораторному практикуму

по курсу «Механические свойства твердых тел» для студентов

физического факультета специализации 01.04.07

Иваново 2001

Печатается по решению методической комиссии

физического факультета

Ивановского государственного университета

Составители:

кандидат техн. наук В.В. Новиков

(Ивановский государственный университет),

Рецензент:

кандидат техн. наук С.А. Егоров

(Ивановская государственная текстильная академия)

1. Теоретические сведения

Под твердостью понимается свойство поверхностного слоя материала сопротивляться упругой и пластической деформации или разрушению при местных контактных воздействиях со сторо­ны другого, более твердого и не получающего остаточной дефор­мации тела (индентора) определенной формы и размера. Эта формулировка пригодна не для всех существующих методов оценки твердости. Разнообразие этих методов и разный физический смысл чисел твердости затрудняют выработку общего определения твер­дости как механического свойства. В разных методах и при раз­личных условиях проведения испытания числа твердости могут характеризовать упругие свойства, сопротивление малым или боль­шим пластическим деформациям, сопротивление материала раз­рушению.

Таблица 1

Шкала твердости минералов по Моссу

Минерал	Твердость	Минерал	Твердость
Тальк	1	Полевой шпат	6
Гипс	2	Кварц	7
Известковый шпат	3	Топаз	8
Плавиковый шпат	4	Корунд	9
Апатит	5	Алмаз	10

Понятие «твердость» очень распространено и часто встречается в по­вседневной жизни. Впервые твердость вещества была измерена в минералогии. В 1822 г. Моос составил шкалу твердости различных веществ. В качестве таких веществ были взяты минералы, причем при составлении шкалы более твердым считался минерал, которым можно нанести царапину на поверхность другого минерала (табл. 1). По этой шкале каждый предыдущий материал мягче, чем следующий за ним.

По широте применения испытания на твердость, особенно при комнатной температуре, конкурируют с наиболее распрост­раненными испытаниями на статическое растяжение. Это объяс­няется простотой, высокой производительностью, отсутствием разрушения образца, возможностью оценки свойств отдельных структурных составляющих и тонких слоев на малой площади, легко устанавливаемой связью результатов определения твердо­сти с данными других испытаний. При измерении твердости в поверхностном слое образца под индентором возникает сложное напряженное состояние, близкое к объемному сжатию, которое характеризуется наибольшим коэффициентом мягкости (>2) по сравнению с другими видами механических испытаний. Поэтому возможны получение «пластических» состояний, исключение раз­рушения и оценка твердости практически любых, в том числе и хрупких металлических материалов.

Способы определения твердости делят на статические и динамические — в зависимости от скорости приложения нагрузки, а по способу ее приложения — на методы вдавливания и царапания. Наиболее распространены методы, в которых используется статическое вдавливание индентора нормально поверхности образца. Во всех методах испытания на твердость очень важно правильно подготовить поверхностный слой образца. Он должен по возможности полно характеризовать материал, твердость которого необходимо определить. Все поверхностные дефекты (окалина, выбоины, вмятины, грубые риски и т. д.) должны быть удалены. Требования к качеству испытуемой поверхности зависят от типа применяемого индентора и величины прилагаемой нагрузки. Чем меньше глубина вдавливания индентора, тем выше требуется чистота поверхности и тем более строго нужно следить, чтобы свойства поверхностного слоя не изменились вследствие наклепа или ра­зогрева при шлифовании и полировке.

Нагрузка прилагается по оси вдавливаемого индентора пер­пендикулярно к испытуемой поверхности. Для соблюдения этого условия плоскость испытуемой поверхности образца должна быть строго параллельна опорной поверхности. Неплоские образцы крепят на специальных опорных столиках, входящих в комплект твердомеров.

Результаты испытаний на твердость зависят от продолжитель­ности приложения нагрузки Р к вдавливаемому индентору и выдержки под нагрузкой . При различных нагрузках линейный размер отпечатка и нагрузка связаны, как

Р = a dⁿ (1)

где а, п — коэф­фициенты, зависящие от свойств материала.

В зависимости от времени испытаний различают кратковременную и длительную твердость. В стандартных методах определяют кратковременную твердость при комнатной температуре. Здесь обычно  = 1030 с. Длительная твердость оценивается при повышенных температу­рах и используется как характеристика жаропрочности материа­ла.

Определяя твердость всеми методами (кроме микротвердос­ти), измеряют суммарное сопротивление металла внедрению в него индентора, усредняющее твердость всех имеющихся струк­турных составляющих. Поэтому получающийся после снятия на­грузки отпечаток должен быть по размеру значительно больше размеров зерен отдельных структурных составляющих (диаметр или длина диагонали отпечатков при измерении твердости меня­ется от 0,1 до нескольких миллиметров). Неизбежные разли­чия в структуре разных участков образца приводят к разбросу значений твердости, который тем больше, чем меньше размер отпечатка.

Твердость по Бринеллю. При стандартном (ГОСТ 9012—59) измерении твердости по Бринеллю (опубл. 1900 г.) стальной шарик диаметром D вдавливают в испытуе­мый образец под приложенной определенное время нагрузкой Р; после снятия нагрузки измеряют диаметр d оставшегося на по­верхности образца отпечатка (рис. 1).

В поверхностном слое под индентором идет интенсивная пла­стическая деформация и вытеснение материала из-под инденто­ра. Расчетные кривые распределения упругих напря­жений вдоль оси вдавливания показывают, что все нормальные напряжения (S₁, S₂ и S₃) плавно снижаются по мере удаления от индентора (рис. 2). Касательные напряжения t_max, достигают максимума на глубине, равной половине радиуса сферической поверхности касания индентора с образцом, а затем уменьшаются.

Распределение напряжений при пластической деформации под индентором не должно существенно меняться по сравнению с упругой деформацией. Пластически деформирующийся объем ок­ружен «твердым», упруго-напряженным материалом, в результа­те чего и возникает схема напряженного состояния, близкая к гидростатическому сжатию. При этом сопротивление пластичес­кой деформации оказывается примерно в четыре раза боль­ше сопротивления одноосному сжатию.

М

Рис.1. Схема напряженного состо­яния в зоне пластической деформа­ции

Рис. 2 Расчетные кривые распределения напряжений вдоль оси вдавливания шарового индентора

еталл, вытесненный индентором, оказывается над первона­чальной плоскостью образца (см. рис. 1) и может искажать фор­му отпечатка (при любой форме индентора). Чем выше пластич­ность испытываемого материала, тем больший объем участвует в пластической деформации, меньше высота образующегося около отпечатка гребня над первоначальной плоскостью и дальше этот гребень от края отпечатка.

Диаметр отпечатка получается тем меньше, чем выше сопро­тивление материала образца деформации, производимой инден­тором. Число твердости по Бринеллю (НВ) есть отношение на­грузки Р, действующей на шаровой индентор диаметром D, к плошади F₀ шаровой поверхности отпечатка:

(2)

Величина шаровой поверхности отпечатка может быть рассчитана по диаметру отпечатка d или по глубине вдавливания индентора h:

. (3)

Откуда:

. (4)

При определении твердости по Бринеллю шариком с D = 10 мм под нагрузкой Р =30 кН и времени выдержки  = 10 с число твердости записывают так: 400 НВ, 250 НВ, или НВ =  3000 МПа (Н/мм²). При использовании других условий испытания индекс НВ рекомендуется дополнять цифрами, указывающими диаметр использованного шарика, мм, нагрузку, кгс, и продолжитель­ность выдержки, с. Например, 350 НВ 5/750/30 — это число твер­дости по Бринеллю (350), полученное при вдавливании шарика с D = 5 мм, нагрузкой Р = 750 кгс (7500 H) в течение  = 30 с.

Твердость по Бринеллю определяют при помощи шарового индентора диаметром 1; 2; 3.5; 5 или 10 мм. Инденторы чаще всего изготавливают из стали с твердостью не менее 8500 МПа для испытания материалов с твердостью от 8 НВ до 450 НВ. При большей твердости образца стальной шарик–индентор остаточно деформируется на величину, превышающую стандартизованный допуск. Поэтому для измерения твердости по Бринеллю материа­лов с > 450 НВ используют шарики из твердого сплава с твердо­стью по Бринеллю — 15000 МПа. Число твердости по Бринеллю, определяемое с использованием таких инденторов, обозначают HBW.

Из формулы (4) следует, что для получения одинаковых зна­чений НВ одного и того же образца при использовании шариков разного диаметра необходимо постоянство отношений P/D² и d/D (условие геометрического подобия отпечатков при использо­вании шарового индентора). На практике такого постоянства добиться невозможно.

Отношение d/D поддерживают в пределах 0,20,6. Для получения отпечатка оптимальных размеров необходимо правильно подобрать соотношение между нагрузкой и ди­аметром шарика. Нагрузку назначают пропорционально квадрату диаметра шарика с учетом кратности нагрузки х по формуле:

Р = х D². (5)

Кратность нагрузки зависит от вида испытываемого материала. Диаметры шариков и величины нагрузок для различных материалов, приведены в таблице 2.

При испытаниях статическим вдавливанием время действия нагрузки должно быть достаточно большим. Это необходимо для того, чтобы процессы пластического течения и деформационного упрочнения успели произойти до того, как будет снята нагрузка. Рекомендуемое время выдержки образца под нагрузкой для сталей 10 с, для цветных металлов и сплавов 30 (при P/D² = 10 и 30) или 60 с (при P/D²= 2,5).

Твердость по Бринелю измеряют, когда имеется достаточно большой и не слишком тонкий образец. Ввиду того, что в непосредственной близости от отпечатка происходит наклеп материала и для исключения этого влияния, следует, чтобы минимальное расстояние между двумя соседними отпечатками было равно двум их диаметрам. Расстояние от отпечатка до края образца также должно составлять не менее двух диаметров отпечатка. Чтобы избежать влияния подложки, толщина образца должна не менее чем в десять раз превышать глубины отпечатка. Испытуемая поверхность должна быть строго перпендикулярна оси прилагаемой нагрузки.

К

Таблица 2

Нагрузки и диаметры шариков, рекомендуемые для испытаний

на твердость по Бринеллю

P,Н	D,мм			Примечание
	10	5	2,5
30 D2	30 000	7 500	1875	Материалы с 130—450НВ (стали, чугуны, высокопрочные сплавы на основе титана, никеля, меди, алюминия)
10 D2	10 000	2500	625	Материалы с 35—130НВ (алюминиевые сплавы, латуни, бронзы)
5D2	5 000	1 250	312,5	Алюминий, магнии, цинк, латуни
2,5D2	2500	625	156,25	Подшипниковые сплавы
l,25D2	1 250	312,5	78,125	Свинец, олово, припои
0,5 D2	.500	125	31,25	Мягкие металлы при повышенных температурах

огда твердость материала превышает 450 кг/мм² метод Бринеля не пригоден, поскольку твердость самого шарика составляет 600 кг/мм². В противном случае в процессе измерений шарик будет подвергаться упругой или даже пластической деформации, что приведет к искажению сферической формы отпечатка и, следовательно, к ошибкам измерения. Однако, если шарик изготовить из твердого сплава, то верхний предел измерений может быть увеличен до 600 кг/мм².

Хотя распределение напряжений при измерении твердости по Бринеллю отличается от распределения напряжений при одноосном растяжении, для пластичных металлов существует пропорциональная связь между пределом прочности _в и твердостью по Бринеллю НВ (табл. 3.): _в  k НВ.

У малопластичных металлов и сплавов корреляция НВ и _в может отсутствовать: высокая твердость часто сочетается с низким пре­делом прочности. Предел прочности таких материалов близок к истин­ному сопротивлению разрушению, а НВ остается критерием со­противляемости значительной пластической деформации в усло­виях более мягкой схемы напряженного состояния.