Твердість металевих матеріалів

Твердість металевих матеріалів означає здатність матеріалу чинити опір локальній деформації, зокрема пластичній деформації, вдавленню або подряпинам. Це показник м'якості або твердості матеріалу.

Твердість поділяється на три види залежно від методів тестування.

Стійкість до подряпин: Це в основному використовується для порівняння твердості різних мінералів. Метод передбачає використання стрижня з одним кінцем твердим, а інший м’яким, а потім перетягування стрижня по досліджуваному матеріалу. Місце появи подряпин визначає твердість матеріалу. Якісно більш твердий предмет залишає подряпину довшу, а більш м’який – коротшу.

Твердість вдавлення: в основному використовується для металевих матеріалів. Метод передбачає застосування певного навантаження для втиснення призначеного індентора в досліджуваний матеріал. Твердість матеріалу визначається ступенем локальної пластичної деформації на поверхні. Через варіації індентора, навантаження та тривалості навантаження існує кілька типів тестів на твердість вдавлення, зокрема твердість за Брінеллем, твердість за Роквеллом, твердість за Віккерсом та мікротвердість тощо.

Твердість відскоку: в основному використовується для металевих матеріалів. Метод полягає в тому, що спеціально сконструйований молоток вільно падає з певної висоти і вдаряє по зразку досліджуваного матеріалу. Твердість матеріалу визначається величиною енергії деформації, яку зразок поглинає (і потім вивільняє) під час удару, що вимірюється висотою, на яку відскакує молоток.

Найпоширеніші тести на твердість металевих матеріалів - твердість за Брінеллем, твердість за Роквеллом і твердість за Віккерсом - підпадають під категорію твердості вдавлення. Значення твердості являє собою здатність матеріалу чинити опір пластичній деформації, коли інший предмет вдавлюється в його поверхню. Тести на твердість відскоку (по Шору, Лібу) вимірюють твердість на основі ступеня пружної деформації металу, причому значення твердості вказує на здатність матеріалу до пружної деформації.

Твердість за Брінеллем

Індентор з діаметромDвиготовлена ​​із загартованої сталі або карбіду кулька вдавлюється в поверхню зразка з відповідним випробувальним зусиллямF. Після зазначеного часу витримки випробувальну силу знімають, залишаючи поглиблення діаметромd. Значення твердості за Брінеллем розраховується шляхом ділення випробувального зусилля на площу поверхні вдавлення. Отримане значення є твердістю за Брінеллем, позначається якHBSабоHBW.

Різниця міжHBSіHBWзалежить від типу використовуваного індентора.HBSвідноситься до випробування з використанням загартованої сталевої кульки як індентора, який зазвичай використовується для вимірювання значень твердості за Брінеллем у матеріалах з твердістю нижче 450, таких як м’які сталі, сірий чавун і кольорові метали.HBW, з іншого боку, використовує карбідну кульку як індентор і використовується для вимірювання значень твердості за Брінеллем у матеріалах з твердістю нижче 650.

Для того самого зразка та за ідентичних умов тестування результати обох методів відрізнятимутьсяHBWзначення часто вищі заHBSзначення. Однак фіксованого кількісного співвідношення між ними немає.

З 2003 року Китай прийняв міжнародний стандарт і замінив використання загартованих сталевих кульок на карбідні кульки для вимірювання твердості за Брінеллем. В результатіHBSбільше не використовується, іHBWстала стандартним позначенням твердості за Брінеллем. У багатьох випадкахНВвикористовується окремо для позначення твердості за Брінеллем, яка зазвичай відноситься доHBW. однак,HBSвсе ще можна побачити в деякій літературі та наукових статтях.

Тест на твердість за Брінеллем підходить для таких матеріалів, як чавун, кольорові сплави та різні відпалені або відпущені сталі. Він не підходить для тестування матеріалів, які є занадто твердими, занадто малими, занадто тонкими, або зразків, на поверхні яких не можуть бути великі поглиблення.

Твердість по Роквеллу

У цьому методі в якості індентора використовується алмазний конічний індентор із кутом вершини 120 градусів або загартована сталева кулька в поєднанні з певною конфігурацією навантаження. Випробування починається з початкового навантаження 10 кгс, після чого додається загальне навантаження (яке є сумою початкового навантаження та основного навантаження) 60, 100 або 150 кгс. Під цими навантаженнями індентор послідовно вдавлюється в зразок. Після застосування загального навантаження твердість визначається різницею в глибині вдавлення між глибиною під початковим навантаженням і глибиною під загальним навантаженням, коли основне навантаження знято, а початкове навантаження залишається.

Цей метод зазвичай використовується вТвердість по Роквеллутестування. Глибина вдавлення під початковим навантаженням і загальне навантаження використовуються для розрахунку значення твердості, яке відображає стійкість матеріалу до вдавлення під обома навантаженнями.

Випробування на твердість за Роквеллом використовує три різні випробувальні сили та три типи інденторів, що призводить до дев’яти можливих комбінацій, кожна з яких відповідає одній із дев’яти шкал твердості за Роквеллом. Ці дев'ять шкал охоплюють майже всі металеві матеріали, які зазвичай використовуються. Найчастіше використовуються вагиHRA, ППЛ, іРПЛ, сРПЛє найбільш широко застосовуваним.

Загальна стандартна таблиця визначення твердості за Роквеллом

TheШкала HRCзазвичай використовується для значень твердості в діапазоні від 20 до 70 HRC. Коли значення твердості нижче 20 HRC, чутливість тесту знижується, оскільки конічний наконечник індентора надто глибоко проникає в матеріал. У цьому випадкуШкала HRBзамість нього слід використовувати, оскільки він більше підходить для м’яких матеріалів.

Коли твердість зразка перевищує 67 HRC, тиск на кінчику індентора стає занадто високим, що може пошкодити алмаз і значно скоротити термін служби індентора. Тому зазвичай рекомендується перейти наШкала HRAдля матеріалів з твердістю понад 67 HRC.

Тест на твердість за Роквеллом простий у використанні, швидкий і створює невеликі поглиблення, що робить його придатним для тестування поверхонь готових виробів, а також твердіших і тонших заготовок. Завдяки невеликому відступу значення твердості може значно коливатися для матеріалів з нерівною мікроструктурою або твердістю, що призводить до нижчої точності порівняно з тестом на твердість за Брінеллем. Тест на твердість за Роквеллом зазвичай використовується для вимірювання твердості сталей, кольорових металів, карбідних матеріалів та інших сплавів.

Твердість за Віккерсом

Принцип вимірювання твердості за Віккерсом подібний до твердості за Брінеллем. Використовується алмазний пірамідальний індентор із кутом 136 градусів і заданим випробувальним зусиллямFнаноситься на поверхню матеріалу. Після витримування навантаження протягом заданого часу випробувальне зусилля знімається. Значення твердості визначається середнім тиском, що чиниться на одиницю площі поверхні квадратної піраміди, і значення твердості позначається символомHV.

Тест на твердість за Віккерсом має широкий діапазон вимірювань, здатний вимірювати матеріали зі значеннями твердості в діапазоні від10 до 1000 HV. Відступ невеликий, що робить його особливо придатним для вимірювання більш тонких матеріалів і поверхнево-зміцнених шарів, таких як цементовані або азотовані поверхні.

Твердість Ліба

У випробуванні на твердість за Лібом ударне тіло з кульковим індентором з карбіду вольфраму використовується для удару по поверхні зразка під дією певної сили, викликаючи його відскок. Через різну твердість матеріалу швидкість відскоку відрізняється. Ударний пристрій оснащений постійним магнітом, і коли ударне тіло рухається вгору та вниз, навколишня котушка генерує електромагнітний сигнал, пропорційний швидкості відскоку. Потім цей сигнал перетворюється на значення твердості за Леебом через електронну схему, і значення позначається символомХЛ.

Для вимірювання твердості Leeb не потрібен верстак; його датчик твердості такий же малий, як ручка, і ним можна керувати безпосередньо вручну. Це дозволяє легко без труднощів випробовувати великі, важкі заготовки або геометрично складні зразки.

Ще однією перевагою твердоміра Leeb є те, що він завдає дуже мінімальних пошкоджень поверхні виробу, а в деяких випадках його можна використовувати длянеруйнівний контроль. Він особливо унікальний для вимірювання твердості в різних напрямках, у вузьких просторах і спеціалізованих областях, де інші методи можуть бути складними для застосування.