Методы определения твердости металлов

В настоящее время сложно выявить сферу деятельности, в которой не применяется оборудование, техника или инструменты без металлических элементов. Металл и его сплавы – материал, который актуален при производстве и усовершенствовании технологий изготовления автомобилей, компьютерной техники, бытовых приборов и инструментов. Металлы отличаются устойчивостью к перепадам температур и способностью восстанавливать свои геометрические и физические характеристики после снятия динамической или статической нагрузки.

Одним из основных свойств металлических изделий считается твердость, под которой понимается свойство материала, характеризующее способность сохранять свою геометрическую форму при взаимодействии с индентором (более твердым телом (предметом), внедряющимся в поверхностный слой). Для измерения твердости применяются различные неоднократно апробированные методики, которые различаются кардинально. Чтобы определить твердость можно измерить каверну, образовавшуюся после вдавливания индентора – упругого тела, изготовленного из алмаза. Стоит отметить, что иногда применяются инденторы из твердосплавных материалов. Также, чтобы определить твердость, измеряют высоту – расстояние, на которое отскочил шарик с определенными физическими и геометрическими характеристиками после удара о поверхность исследуемого предмета.

Как уже упоминалось выше, нагрузка, которая воздействует на материальное тело, изготовленное из металла или его сплавов, подразделяется на статическую и динамическую.

Описание особенностей внешних воздействий и нюансов приложения нагрузки во время проведения экспериментов можно прочитать в соответствующих ГОСТах:

• В госстандарте 1497-84 приводится способ определения параметров сопротивляемости материала, из которого изготовлен предмет, подвергающийся растяжению, а также рекомендуется обратить внимание на изготовление контрольных образцов и их геометрические параметры. Ознакомившись с документацией, становится понятным, что геометрические параметры должны быть минимальными, а производство образцов стоит осуществлять на металлорежущих станках.

• В госстандарте 25.503-97, который действует вместо ГОСТ 25.503-80, представлена информация о том, как необходимо проводить исследование при помощи сжимающей нагрузки; указаны нюансы определения нарушения целостности изучаемого образца.

• Госстандарт 14019-80 применяется во время экспериментов, при которых образец изгибается определенным образом.

Перед тем как изделие, состоящее из элементов из металла запускается в производство или осуществляется изготовление штучных образцов, в научно-исследовательских лабораториях экспериментально определяется твердость металла. Одной из наиболее известных методик испытаний считается способ Альберта Шора. Об альтернативных способах выявления твердости металла можно прочитать в данной статье.

В чем заключается методика выявления твердости по Бринеллю?

Экспериментальный способ, позволяющий выявить значение твердости разработал металлург из Швеции. В основе метода Юхана Августовича Бринелля – приложение к образцу статической нагрузки, превышающей 30 кН. При проведении эксперимента применяется стенд, а также используется индентор, представляющий собой шарик из сплава, твердость которого выше аналогичного параметра исследуемого образца.

Алгоритм определения твердости с использованием специального стенда состоит в следующем:

• заготовка аккуратно размещается и надежно фиксируется на рабочей поверхности;

• в определенный момент времени головка пресса опускается на стальной шарик, который затем 10-15 минут находится под постоянной нагрузкой;

• после снятия нагрузки осматривается заготовка и при помощи инструментов измеряется образовавшееся углубление.

• с учетом восстановленного отпечатка при помощи формулы, содержащей значения силы давления (F), диаметра шарика (D) и диаметра образовавшегося углубления (d) рассчитывается твердость материала, из которого изготовлен образец.

Как правило, при проведении экспериментов индентором служит шарик с диаметром 10 мм. Также в ходе экспериментов могут понадобиться шарики с диаметрами 0,1, 0,2, 0,25 и 0,5 см.

Определить твердость можно и по невосстановленному отпечатку. Чтобы определить изучаемую характеристику, используют формулу, в которую входят следующие параметры: диаметр шарика (D), нагрузка (F), глубина отпечатка (h).

Из записи «твердости металла по Бринеллю» 250 HWB 5/2000/10 можно получить 250 – значение числового показателя, измеряемое в кгс/мм2; 5 – диаметр шарика в мм; 2000 – сила в кгс, приложенная к образцу; 10 – время в секундах, в течение которого шарик находился под нагрузкой.

В чем заключается определение твердости металла по Роквеллу?

Представленный метод, как «испытание конусом», впервые был описан в книге «Die Kegelprobe». Применяемый при экспериментах твердомер, представляющий собой прибор с индентором, изготовленным или из стали, или из алмаза, изобретен Роквеллами. Изначально это оборудование использовалось для мониторинга состояния термообработки. Затем при помощи прибора Хью и Стэнли исследовали сталь, которая применялась при производстве подшипников.

Чтобы выявить твердость используются 11 шкал, которые идентифицируются при помощи букв от A до T латинского алфавита. Применяются инденторы сферической формы, изготовленные или из карбида вольфрама, или из инструментальной стали, а также используются наконечники конической формы из алмаза, обладающего головкой скругленной формы, расположенной под углом 120 градусов.

Образцы подвергаются стандартному нагружению давлением в 60, 100 или 150 кгс. Причем на материалы, твердость которых достаточно низкая, накладывается нагрузка меньшей интенсивности. Твердость, определенная по Роквеллу, обозначается буквами HSA, где третья буква соответствует идентификационной букве используемой шкалы, а А – свидетельствует о прилагаемой к образцу нагрузке, составляющей 60 кгс и используемый алмазный наконечник, имеющий сфероконическую форму. Если к образцу прилагается высокая нагрузка, составляющая 150 кгс, твердость обозначается HRC и HRG.

Как выявляется твердость по Виккерсу?

В качестве индентора используется алмазный наконечник в форме пирамиды с углом 136 градусов. Обозначается твердость HV и находится как прилагаемая нагрузка, деленная на площадь получившегося отпечатка. Время нагружения составляет более 5 секунд. Определять твердость по Виккерсу приходится при исследовании тонкостенных образцов из азотированных материалов. Также изучаемые предметы могут изготавливаться из цементированных материалов.

Нормативы методики описаны в ГОСТ 2999-75 (СТ СЭВ 470-77) и ISO 6507.

Особенности определения твердости материала по методу Шора.

Альберт Ф. Шор разработал динамический способ, позволяющий выявить твердость изучаемого материала. Для проведения экспериментов необходим дюрометр – прибор, посредством которого определяется высота отскока упругого шарика от твердой поверхности. Динамический способ изучения материала, описан в стандарте ISO 868.

Метод изучения твердости по Шору состоит в следующем: шарик из стали или стержень отпускают на определенном расстоянии от поверхности заготовки и проводят измерение отскока. Оборудование для проведения эксперимента включает в себя опоры с рабочей площадью от 1 кв. см, индентора, пружины, необходимой для приложения нагрузки, а также шкалы индикатора. Характеристика параметра мониторится по 2 шкалам A и D. Сплавы классифицируются по определенным шкалам A, B, C, D, O и OO.

Стоит отметить, что при определении твердости рекомендуется провести серию экспериментов и, воспользовавшись статистическими методами, обработать полученные результаты.