1.4 Твёрдость материалов. Испытания на твёрдость

Под твёрдостью понимают свойство поверхностного слоя материала оказывать сопротивление упругой и пластической деформации при локальном воздействии со стороны, более твёрдого тела (индентора) определённой формы и размеров.

По широте применения испытания на твёрдость, особенно при комнатной температуре, конкурируют с наиболее распространёнными испытаниями на статическое растяжение. Это объясняется простотой и высокой производительностью, возможностью оценки свойств отдельных структурных составляющих и тонких слоёв на малой площади, легко устанавливаемой связью результатов определения твёрдости с данными других испытаний.

Существующие методы измерения твёрдости отличаются друг от друга по форме применяемого индентора, условием приложения нагрузки и способу расчёта чисел твёрдости. Выбор метода измерения твёрдости зависит от различных факторов: твёрдости материала образца, его размеров, и т. д. Наиболее распространены методы определения твёрдости, в которых используют статическое вдавливание индентора нормально поверхности образца.

При измерении твёрдости по Бринеллю стальной закалённый шарик диаметром D вдавливается в исследуемый образец под нагрузкой Р, приложенной в течение определённого времени, и после снятия нагрузки измеряют диаметр d оставшегося на поверхности образца отпечатка.

Рис. 5. Схема измерения твёрдости методом Бринелля

Число твёрдости по Бринеллю (HB) есть отношение нагрузки Р к площади F шаровой поверхности отпечатка:

(18)

При определении твёрдости по Бринеллю используют шаровые инденторы одного из трёх диаметров: 2,5; 5,0; 10,0 мм.

Для достаточно пластичных материалов между НВ, σ_В и σ_Т существует линейная связь. В табл. 2 приведены формулы взаимосвязи между пределом прочности, пределом текучести и числом твёрдости по Бринеллю.

Таблица 2

Зависимость предела прочности и предела текучести от числа твёрдости по Бринеллю

Группа стали	Формулы	Интервал измерения
Углеродистые конструкционные стали		НВ 90-330
Углеродистые инструментальные и низколегированные стали		НВ 40-300
Высоколегированные стали и сплавы		НВ 40-360

При измерении твёрдости по Роквеллу индентор – алмазный конус с углом при вершине 120 ° или стальной шарик диаметром 1,588 мм – вдавливается в образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р₀ и общей Р. Число твёрдости по Роквеллу измеряют в условных единицах и оно является мерой глубины вдавливания индентора под определённой нагрузкой.

Рис. 6. Схема измерения твёрдость по Роквеллу

При использовании в качестве индентора алмазного конуса твёрдость по Роквеллу определяют по двум шкалам – А и С. При измерении по шкале А (HRA): P=60 кгс, по шкале С (HRC): Р=150 кгс. При использовании в качестве индентора стального шарика число твёрдости HRB определяют по шкале В: Р=100 кгс.

Измерение твёрдости методом Виккерса предусматривает вдавливание в поверхность образца алмазный индентор в форме четырёхгранной пирамиды с углом при вершине 136 °. Число твёрдости по Виккерсу HV определяют делением нагрузки на площадьбоковой поверхности полученного пирамидального отпечатка:

(19)

Физический смысл числа твёрдости по Виккерсу аналогичен НВ. Величина HV тоже является усреднённым условным напряжением в зоне контакта индентор-образец и характеризует обычно сопротивление материала пластической деформации.