К вопросу о методах определения твердости материалов

№90-1,

технические науки

В данной статье будут рассмотрены основные методы определения твердости материалов. Также в статье упомянуты методы экспресс оценки твердости материалов по методу Мооса и Шора.

Похожие материалы

Надежность и долговечность машин и механизмов во многом зависит от ряда факторов: качества материала, из которого изготовлены детали; качества проведенной термической или химико-термической обработки поверхности трущихся деталей, качества смазочного материала и др.

Под твердостью понимают механическое свойство материалов, которое характеризует их способность сопротивляться проникновению в их поверхность другого более твердого стандартного тела (индентора). Высокая твердость поверхностного слоя играет важную роль в деталях машин, которые работают как пара трения — это подшипники качения, кулачки, клапана, зубчатые и червячные передачи и т.д. От твердости поверхностного слоя деталей машин во многом зависит надежность и долговечность механизма в целом. Одним из важнейших механических свойств для режущего инструмента, конечно же является твердость. Высокая твердость поверхности играет важную роль при изготовлении такого режущего инструмента как ножовочные полотна, напильники, зубила, топоры, ножи, сверла, фрезы, зенкеры, протяжки, резцы и многое другое.

На сегодняшний день существует целый ряд методов определения твердости, а именно метод Бринелля, Роквелла, Виккерса, Супер Роквелла, Шора, Мооса, Кузнецова-Герберта-Ребиндера, Польди, Бухгольца. Любой метод определения твердости материалов можно отнести к неразрушающему методу контроля механических свойств. Для того, чтобы определить твердость того или иного материала, оценить качество проведенной термической обработки, износостойкости поверхностей деталей машин не требуется изготавливать специальные образцы, испытания можно производить на готовом изделии. При этом изделие не разрушается.

Среди перечисленных методов определения твердости наибольшую популярность получили следующие методы: Бринелля, Роквелла и Виккерса. Эти методы получили признание во всем мире в силу того, что методика испытаний достаточно проста, высока точность измерений, не требуются подготовка специальных образцов, современные приборы Роквелла, Виккерса и Бринелля способны автоматически производить измерения и обрабатывать полученные данные. Следует отметить, что все выше перечисленные методы определения твердости материалов получили свое название в честь инженеров, разработавшеих данные методы и лишь один из них — метод Виккерса назван в честь английского военно-промышленного концерна «Vickers Limited». Схемы испытаний по методам Бринелля, Роквелла и Виккерса представлены на рисунке 1.

Схемы испытаний материалов на твердость: а — метод Бринелля: 1 — индентор; 2 — образец из испытуемого материала; 3 — опорный столик пресса Бринелля; б — метод Роквелла: <em>h</em><sub>0</sub> — углубление конуса под действием предварительной нагрузки <em>P</em><sub>0</sub> = 100 (Н); <em>h</em><sub>1</sub> — углубление конуса под действием общей нагрузки <em>P</em> = <em>P</em><sub>0</sub> + <em>P</em><sub>1</sub>; <em>h</em> — глубина остаточного вдавливания индентора после снятия нагрузки <em>Р</em>; <em>N</em> — сила реакции опоры от действия прикладываемой нагрузки <em>P</em>; 1 — индентор (алмазный конус); 2 — испытуемый образец; в — Метод Виккерса: Р — нагрузка (Н), <em>d</em><em><sub>0</sub></em><em>,d<sub>1</sub> — </em>размеры диагонали отпечатка (мм).
Рисунок 1. Схемы испытаний материалов на твердость: а — метод Бринелля: 1 — индентор; 2 — образец из испытуемого материала; 3 — опорный столик пресса Бринелля; б — метод Роквелла: h0 — углубление конуса под действием предварительной нагрузки P0 = 100 (Н); h1 — углубление конуса под действием общей нагрузки P = P0 + P1; h — глубина остаточного вдавливания индентора после снятия нагрузки Р; N — сила реакции опоры от действия прикладываемой нагрузки P; 1 — индентор (алмазный конус); 2 — испытуемый образец; в — Метод Виккерса: Р — нагрузка (Н), d0,d1размеры диагонали отпечатка (мм).

Сущность определения твёрдости по данным трем методам основан на вдавливании в поверхность образца с определенным нормированным усилием стандартного индентора (более твердого тела). На рисунке 1 видно, что по методу Бринелля в качестве индентора используется шарик. Шарик может быть изготовлен из твердого сплава или из закаленной стали. При испытании могут быть использованы шарики диаметром 2,5 мм, 5 мм или 10 мм. Диаметр шарика подбирают в зависимости от условий испытания и материала образца. По методу Роквелла в качестве индентора используется алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,588 мм. Выбор индентора по методу Роквелла зависит от твердости испытуемого материала. Для определения твердости закаленных сталей, твердых сплавов используют алмазный конус, а для определения твердости цветных металлов и сплавов стальной шарик. Это связано с тем, что при испытании материала с низкой твердостью, например меди, алюминия, вершина алмазного конуса может проникнуть в поверхность образца слишком глубоко, что приведет к весьма большой погрешности измерений. По методу Виккерса в качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине 136°. После вдавливания пирамиды в поверхность образца измеряются диагонали отпечатка на образце и рассчитывается твердость материала. Также необходимо упомянуть и о существовании методов экспресс оценки твердости материалов. К таким методам относится метод Мооса (метод царапания) и динамический метод Шора. Метод Мооса предназначен для определения относительной твердости материалов, заключающийся в царапании испытываемого образца эталонным карандашом с наконечником из природного минерала. Минералогическая шкала твердости Мооса включает в себя 10 природных минералов, расположенных по возрастанию их твердости от 1 до 10. Твердость равная 1 присвоена тальку, 2 — гипсу, 3 — кальциту, 4 — флюориту, 5 — апатиту; 6 — ортоклазу, 7 — кварцу, 8 — топазу, 9 — корунду, 10 — алмазу (см. рисунок 2)

Шкала твердости Мооса
Рисунок 2. Шкала твердости Мооса

Данный метод можно отнести к экспресс оценке твердости материалов и он может быть использован только как вспомогательный метод. Метод Мооса может быть использован в качестве самостоятельного метода, но только для определения твердости драгоценных и полудрагоценных камней и других минералов.

Динамический метод Шора для определения твердости материалов в принципе можно назвать эксклюзивным, он не похож ни на один другой метод. Этот метод основан на взаимосвязи твердости поверхности материалов и упругости. Шором была отмечена взаимосвязь твердости и упругости поверхности материала. А зависимость здесь следующая: чем выше твердость материала, тем выше его упругие свойства. Шор предложил ронять на поверхность образца с определенной высоты стальной боек и по высоте отскока бойка от поверхности образца судить о твердости материала (см. рисунок 3).

Данный метод позволяет получать очень приблизительные, примерные значения твердости материала, так как имеет очень высокую погрешность измерений.

Рисунок 3 — Аналоговый дюрометр Шора, установленный на штативе с устройством пригружения: а — внешний вид прибора; б — схема принципа работы прибора.

Список литературы

  1. Гуляев А.П. Металловедение. — М.: Металлургия, 1986. — 542 с.: ил.
  2. Лахтин Ю.М. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1993. — 448 с.
  3. Шульте Ю. А. Хладностойкие стали – М.: Металлургия, 1970. Ассонов А. Д. Технология термообработки деталей машин. – М.: Машиностроение 1969.
  4. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов: Учебник для вузов. — М.: Металлургия. 1979. — 495 с.