Методы измерения твердости и микротвердости

Твердость материала и способы определения твердости

Твердость материала — характеристика материала, отражающая его прочность и пластичность. Твердость характеризует меру сопротивления пластической деформации [31]. Прочностью твердого тела называется сила, приходящаяся на единицу площади, необходимая для достижения разрушения [20].

Измерение твердости широко используется в науке и технике, хотя до сих пор ведется дискуссия о физическом смысле этой величины и корректных способах ее оценки [32].

Таким образом, твердость является технической характеристикой и не может быть определена однозначно, так как она зависит от целого ряда физических свойств, внешних условий и метода испытания. Поэтому и в понятие твердости различные авторы вкладывают различный смысл в зависимости от метода измерения твердости. В отличие от таких характеристик вещества, как модуль упругости, коэффициент теплового расширения, температура плавления, твердость нс является физической постоянной. Это сложная характеристика материала, зависящая от его упругих свойств, предела текучести, хрупкости и т. п.

В то же время твердость — характеристика, отражающая энергию связи и симметрию структуры. Твердость химических соединений связана с типом и характером распределения связей, она растет с ростом энергии решетки, теплоты образования и энергии атомизации, большей величине энергии межатомного взаимодействия соответствует большая твердость. Для соединений с более высоким модулем упругости характерна и большая твердость, как отмечается в работе [22]. В этой же работе предлагается оценку различных материалов проводить по отношению Н/Е (предполагается, что твердость Н — это мера сопротивления сдвигу, а модуль нормальной упругости Е — мера сопротивления отрыву).

Твердость керамики — это самостоятельный служебный параметр лишь в особых случаях ее использования (например, при оценке сопротивляемости истиранию). Однако этот параметр представляется одним из наиболее удобных и простых методов нсразрушающего контроля керамики.

В лабораторных и заводских условиях применяют различные способы определения твердости материалов для характеристики их механических свойств.

Разнообразные способы определения твердости можно классифицировать следующим образом [1].

1. Методы, основанные на вдавливании жесткого наконечника в виде шара, конуса, пирамиды, цилиндра, лезвия в испытуемое тело, обычно с плоской поверхностью. Им родственны методы, базирующиеся на взаимном сдавливании двух цилиндрических образцов, изготовленных из испытуемого материала.

По скорости приложения нагрузки методы вдавливания разделяются на статические и динамические.

• 2. Методы, основанные на царапании испытуемого тела: а) набором эталонных образцов различной твердости; б) жестким наконечником в виде шара, конуса, пирамиды, иглы, лезвия.
• 3. Методы, основанные на колебании маятника, опирающегося жестким наконечником той или иной формы на испытуемое тело. По принципу действия они являются динамическими и рассматриваются обычно вместе с последними.

Твердость, определенная царапанием, характеризует сопротивление разрушению.

Твердость, определенная по отскоку, — упругие свойства; твердость, определенная вдавливанием, — сопротивление пластической деформа-ции [31].

Наиболее удобными с практической точки зрения оказались способы Бринелля, Роквелла, Виккерса, это способы вдавливания (методы индентирования).

Индентировапие остается наиболее простым, быстрым, чувствительным и универсальным методом исследования механических свойств различных материалов, покрытий, тонких пленок и т. д., не требующим изготовления специальных образцов и эталонов [32].

В подавляющем большинстве случаев его можно считать неразрушающим методом испытания или контроля, допускающим последующую эксплуатацию контролируемого материала или изделия. В простейших случаях по результатам внедрения жесткого индентора определяют твердость материала Н.

В результате вдавливания достаточно большой нагрузкой поверхностные слои материала, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Особенность происходящей при этом деформации заключается в том, что она протекает только в небольшом объеме, окруженном недеформированным материалом. В таких условиях испытания, близких к всестороннему неравномерному сжатию, возникают главным образом касательные напряжения, а доля растягивающих напряжений незначительна по сравнению с получаемыми при других видах механических испытаний (на растяжение, изгиб, кручение, сжатие). При измерении твердости вдавливанием пластическую деформацию испытывают не только пластичные сплавы, но и металлы, которые при обычных механических испытаниях (на растяжение, изгиб, кручение, сжатие) разрушаются хрупко, почти без макроскопической заметной пластической деформации [31]. Таким образом, при внедрении индентора вблизи области контакта создается сложное напряженное состояние, близкое к всестороннему сжатию, а деформация, распространяющаяся вглубь материала, имеет как упругую (обратимую), так и пластическую (необратимую) составляющую [32].

Как отмечалось выше, статическим методом измерения твердости называется такой, при котором индентор медленно и непрерывно вдавливается в испытуемый материал с определенным усилием. К статическим методам относят следующие наиболее известные способы измерения твердости: измерение твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу (рис. 2.1) [23].

Рис. 2. 1. Схема измерений микротвердости: а) по Бринеллю, 6) по Роквеллу, в) по Виккерсу.

Твердость по Бринеллю — это способ измерения твердости вдавливанием стального шарика в испытуемый материал (в основном металлы и сплавы). Используется стальной шарик диаметром 10; 5 или 2,5 мм при действии нагрузки от 5000 Н до 30 000 Н. После снятия нагрузки на поверхности образуется отпечаток в виде сферической лунки диаметром d. Твердость по Бринеллю является отношением нагрузки Р к площади поверхности отпечатка (формула для расчета приведена ниже).

Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012–59 записывают без единиц измерений [23].

Способ измерения по Бринеллю не является универсальным. Его используют для материалов с малой и средней твердостью.

Для расчета твердости по Бринеллю (НВ) стандартизованы формулы (2.1) и (2.2) [33].

где Р — нагрузка на индентор, Н, F — площадь поверхности отпечатка, d — диаметр отпечатка, мм, D — диаметр вдавливаемого шарика, мм, h — глубина погружения.

Согласно формуле (2.1) твердость по Бринеллю (IIВ) является отношением нагрузки Р к площади поверхности отпечатка. Поскольку после снятия нагрузки на поверхности образуется отпечаток в виде сферической лунки диаметром d, формула (2.2) одинаково применяется вместе с формулой (2.1). Число твердости по Бринеллю (НВ) по ГОСТ 9012–59 записывают без единиц измерений [23], например НВ 210 или НВ = 210 МПа (Н/ мм²).

Твердость по Виккерсу. При стандартном методе измерения твердости по Виккерсу (ГОСТ 2999−75) в поверхность образца вдавливают алмазную четырехгранную пирамиду с углом при вершине 136°. Отпечаток получается в виде квадрата (рис. 2.1, в). Диагональ отпечатка измеряют после снятия нагрузки. Число твердости вычисляют по формуле (2.9). Алмазный конус применяется для испытания твердых материалов (закаленных сталей), а стальной шарик для более мягких материалов.

Твердость по Роквеллу. Этот метод измерения твердости (ГОСТ 9013−59) наименее трудоемок. Число твердости отсчитывают непосредственно, но шкале твердомера. Число твердости определяют, но глубине отпечатка, получаемого в результате вдавливания алмазного конуса с углом при вершине 120 градусов или стального шарика диаметром 1,5875 мм [23, 31].

Процесс испытания заключается в предварительном приложении небольшой нагрузки для создания надежного контакта индентора с образцом, при этом глубину отпечатка принимают равной нулю. Затем прикладывают и снимают основную нагрузку. Глубину отпечатка измеряют после снятия основной нагрузки, когда предварительная нагрузка еще приложена к образцу. Твердость выражается в условных единицах.

В зависимости от комбинации «индентор-нагрузка» различают 11 шкал определения твердости по методу Роквелла (А, В, С, D, Е, F, G, Н, К, N, Т) [34]. Однако наиболее широкое распространение получили шкалы А, В, С (табл. 2.1), в основе которых используются два типа инденторов: конический алмазный наконечник с углом при вершине 120 ° и шарик из карбида вольфрама или закаленной стали диаметром 1/16 дюйма (1,5875 мм). Возможные нагрузки — 60, 100 и 150 кгс.

Таблица 2.1.

Основные шкалы твердости по Роквеллу

По шкале А измеряют твердость в пределах 70−85, чему приблизительно соответствуют числа твердости HV 390−900, по шкале В — 25−100 (ЯК 60−240), по шкале С -20−67 (ЯК 240−900).

Твердость по Роквеллу выражается в условных единицах и записывается как НВ и ЯК: HRC 65, HRA 80 и т. д. [35].

При использовании в качестве индентора алмазного конуса твердость по Роквеллу определяют по трем «шкалам» — А, С и D. (Шкалы отличаются значениями последовательно прилагаемых нагрузок.) Единица твердости по Роквеллу — безразмерная величина.