Лабораторная работа №4

МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ НА ТВЕРДОСТЬ ВДАВЛИВАНИЕМ

Целью настоящей лабораторной работы является приобретение навыков проведения испытаний на твердость вдавливанием и анализа полученных результатов для нахождения взаимосвязи структуры и свойств исследуемых материалов.

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 (рис. 1).

Рис. 1. Измерение твердости вдавливанием индентора.

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 возможна оценка твердости 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 приложения – на методы вдавливания и царапания. Наиболее распространены методы, в которых используется статическое вдавливание индентора нормально поверхности образца. При испытаниях на твердость могут быть измерены:

1. упругие свойства металла, например, при упругом отскоке шарика;

2. сопротивление малым пластическим деформациям, т.е. свойства аналогичные пределу текучести;

3. сопротивление значительным пластическим деформациям, т.е. свойство аналогичное временному сопротивлению;

4. сопротивление разрушению путем среза, например, при испытании на твердость царапанием.

Во всех методиках испытания на твердость важно правильно подготовить поверхностный слой образца. Все поверхностные дефекты (окалина, выбоины, вмятины, грубые риски и т.д.) должны быть удалены. Чем меньше глубина вдавливания индентора, тем выше требуется чистота поверхности. Кроме того, для соблюдения перпендикулярности оси прилагаемой нагрузки к поверхности образца требуется, чтобы плоскость поверхности была строго параллельна опорной поверхности.

Результаты испытаний на твердость зависят от продолжительности приложения нагрузки к вдавливаемому индентору и выдержки под нагрузкой. Различают кратковременную и длительную твердость. В стандартных испытаниях определяют кратковременную твердость при комнатной температуре (=10-30 с). Длительная твердость оценивается при повышенных температурах и используется в качестве жаропрочной характеристики материала.

При статических испытаниях на твердость применяют следующие виды инденторов:

а) шарик - твердость по Бринеллю и по Роквеллу, шкала В;

б) конус - твердость по Роквеллу, шкала С;

в) пирамида - твердость по Виккерсу.

Определение твердости по Бринеллю

При cтандартном (ГОСТ 9012 - 59) измерении твердости по Бринеллю стальной шарик диаметром D вдавливается в испытуемый образец под нагрузкой P, приложенной в течение определенного времени. После снятия нагрузки измеряют диаметр оставшегося на поверхности образца отпечатка (рис. 2).

Рис. 2. Схема напряженного состояния в зоне пластической деформации

при определении твердости по Бринеллю

При нагружении в поверхностном слое под индентором идет пласти­ческая деформация (рис. 2), а диаметр отпечатка получается тем меньше, чем выше сопротивление материала деформации.

Число твердости по Бринеллю (HB) определяется как отношение нагрузки P, действующей на шаровой индентор диаметром D, к площади шаровой поверхности отпечатки:

. (1)

Площадь отпечатка может быть определена и по глубине вдавли­вания индентора:

. (2)

Число твердости по Бринеллю имеет размерность МПа или Н/мм².

Для устранения опасности продавливания образца насквозь или выпучивания краев испытуемые образцы для измерения твердости по Бринеллю должны иметь толщину не менее десятикратной глубины отпечатка, а расстояние от центра отпечатка до края образца – не менее 2,5d. Расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее 4,0d.

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

Диаметры D применяемых шариков для определения твердости: 1, 2, 2,5, 5, 10 мм. Инденторы чаще всего изготавливают из стали твердостью не менее 8500 МПа для испытания материалов с твердостью 8 НВ до 450 НВ. При большей твердости образца шарик–индентор получает остаточную деформацию, превышающую стандартизованный допуск.

Из условия геометрического подобия отпечатков следует, что для получения на одном том же материале сравнимых результатов при измерении HB необходимо, чтобы сохранялось постоянным отношение (где D - диаметр шарика). Рекомендуемые нагрузки и диаметры шариков для определения HB различных металлических материалах с учетом ГОСТ 9012-59 приведены в табл. 1. Этим отношением определяется выбор нагрузок при переходе к другому диаметру шарика. В зависимости от твердости материала величина при HB > 130, при HB=130-35 и при НВ  35.

Рекомендуемое время выдержки образца под нагрузкой для сталей 10 с, для цветных металлов и сплавов 30 (при и 30) или 60 с (при ).

Нагрузки (P) и диаметры (D) шариков, рекомендуемых для испытания твердости по Бринеллю

Таблица 1

P, Н	D, мм			Примечание
	10	5	2,5
30 D2	30000	7500	1875	Материалы с 130-450 HB (стали, чугуны, высокопрочные сплавы на основе Ti, Ni, Cu, Al)
10 D2	10000	2500	625	Материалы с 35-130 HB (алюминиевые сплавы, латуни, бронзы)
5 D2	5000	1250	312,5	Алюминий, магний, цинк, латуни
2,5 D2	2500	625	156,25	Подшипниковые сплавы
1,25 D2	1250	312,5	78,125	Свинец, олово, припои
1 D2	500	125	31,25	Мягкие металлы при повышенных температурах

Диаметр отпечатка, как правило, измеряется с помощью переносного микроскопа (компаратора) с небольшим увеличением в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Чтобы ускорить и упростить измерения для различных значений диаметра отпечатка d и нагрузки P, в специальных таблицах заранее подсчитаны величины твердости по Бринеллю. В последнее время выпускают усовершенствованные приборы, в которых диаметр отпечатка и соответствующее ему число твердости сразу же указываются на специаль­ной шкале.