Что понимают под твердостью

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: Изучение методик и приобретение навыков определения твердости материалов.

Задача: Проведение испытаний на образцах различных конструкционных материалов и определение показателей их твердости заданными методами.

Оборудование: Твердомер Бринелля, твердомер Роквелла, отсчетный микроскоп, штангенциркуль.

Материалы: образцы металлов с различной твердостью.

Под твердостью понимается свойство поверхностного слоя материала сопротивляться упругой и пластической деформации или разрушению при местных контактных воздействиях со стороны другого, более твердого и не получающего остаточной деформации тела (индентора) определенной формы и размеров.

Испытания на твердость отличаются простотой, высокой производительностью, отсутствием разрушения образца, возможностью оценки свойств поверхностных слоев на малой площади, легко устанавливаемой связью результатов с данными других испытаний.

При испытании на твердость очень важно правильно подготовить поверхностный слой образца, все поверхностные дефекты (окалина, выбоины, вмятины, грубые риски и т.д.) должны быть удалены. Чем меньше глубина вдавливания индентора, тем выше требуется чистота испытуемой поверхности, тем более жесткие требования к технологии подготовки образцов.

Нагрузка прилагается по оси вдавливаемого индентора перпендикулярно к испытуемой поверхности, для чего эта поверхность должна быть строго параллельна опорной поверхности прибора. Неплоские образцы крепят на специальных опорных столиках, входящих в комплект твердомеров.

Определяя твердость всеми методами (кроме метода измерения микротвердости) измеряют суммарное сопротивление металла внедрению в него индентора, усредняющее твердость всех имеющихся структурных составляющих. Поэтому получающийся отпечаток должен быть по размерам значительно большим размеров зерен отдельных структурных составляющих испытуемого металла. Неизбежные различия в структуре различных участков образца приводят к разбросу получаемых значений твердости, который тем больше, чем меньше размер отпечатка.

Определение твердости по методу Бринелля

При стандартном (ГОСТ 9012-59) измерении твердости по Бринеллю стальной шарик диаметром D вдавливают в испытуемой образец под приложенной определенное время нагрузкой Р, после снятия нагрузки измеряют диаметр оставшегося на поверхности отпечатка (рис.1).

Рис.1. Схема измерения

твердости по методу Бринелля:

Диаметр отпечатка получается тем меньше, чем выше сопротивление материала образца деформации, производимой индентором. Число твердости по Бринеллю (НВ) есть отношение нагрузки Р, действующей на шаровой индентор диаметром D, к площади F шаровой поверхности отпечатка:

, (1)

, (2)

Отношение d/D поддерживают в пределах 0,2-0,6. Для получения отпечатка оптимальных размеров необходимо правильно подобрать соотношение между нагрузкой и диаметром шарика. Рекомендуемые нагрузки и диаметры шариков для определения НВ различных металлических материалов с учетом ГОСТ 9012-59 приведены в таблице 1.

Рекомендуемое время выдержки образца под нагрузкой для сталей 10 с, для цветных металлов и сплавов 30 с (при P/D2=10 и 30) или 60 с (при P/D2=2,5). Зная заданные при испытании Р или D и измерив с помощью отсчетного микроскопа d, находят число твердости НВ по стандартным таблицам.

При использовании шаровых инденторов диаметрами 2,5; 5 и 10 мм, выполняемых из сталей с твердостью не менее 8500 МПа, можно испытывать материалы с твердостью от НВ 8 до НВ 450. При большей твердости образца шарик-индентор остаточно деформируется на величину, превышающую стандартизованный допуск, и показания твердости искажаются.

Нагрузки (Р) и диаметры (D) шариков, рекомендуемые

для испытаний твердости по Бринеллю

	Значения Р при D, Н	Примечание
D=10 мм	D=5 мм	D=2,5 мм
30 000	1 500	1 875	Материалы с НВ 130-450 (стали, чугуны, высокопрочные сплавы на основе титана, никеля, меди, алюминия)
10 000	2 500	Материалы с НВ 35-130 (алюминиевые сплавы, латуни, бронзы)
5 000	1 250	312,5	Алюминий, магний, цинк, латуни
2,5	2 500	156,25	Подшипниковые сплавы
1,25	1 250	312,5	78,125	Свинец, олово, припои
0,5	31,25	Мягкие металлы при повышенных температурах

Значения коэффициента «х» для различных материалов

У малопластичных металлов и сплавов корреляция НВ и s_в может отсутствовать: высокая твердость часто сочетается с низким пределом прочности. Это вполне естественно, если учесть совершенно разный физический смысл этих характеристик для хрупких материалов. Предел прочности таких материалов близок к истинному сопротивлению разрушению, а НВ остается критерием сопротивляемости значительной пластической деформации в условиях более мягкой схемы напряженного состояния.

Для измерения твердости по методу Бринелля используют специальные приборы типа ТШ, принципиальная схема которого приведена на рис.2.

Прибор смонтирован в массивной станине. На подъемном винте 2, перемещающемся при вращении маховика 1, устанавливаются сменные опорные столики 5 для испытуемых образцов. В верхней части станины расположен шпиндель 6, в который вставляют сменные наконечники с шариками разных диаметров (см.табл.3). Шпиндель опирается на пружину 9, предназначенную для приложения к образцу предварительной нагрузки 1000 Н для устранения смещений образца во время испытаний. Основная нагрузка прилагается через систему рычагов. На длинном плече основного рычага 15 размещена подвеска, на которую накладываются сменные грузы 18. Комбинацией грузов можно задать нагрузки от 625 до 30 000 Н (см.табл.3). Вращение вала электродвигателя 21 посредством червячной передачи сообщается шатуну 19, он опускается, и нагрузка передается на шпиндель прибора.

Рис.2. Схема прибора ТШ-2 для определения твердости

Продолжительность испытания задается передвижным упором. Когда шатун доходит до него, срабатывает концевой переключатель и электродвигатель начинает вращаться в обратную сторону, шатун поднимается, и нагрузка снимается со шпинделя. По возращению шатуна в исходное положение электродвигатель автоматически выключается.

Порядок выполнения работы

1. По данному методическому пособию изучается методика определения твердости и производится знакомство с используемым оборудованием.

2. По материалу образца согласно ГОСТ 9012-59 из табл.1 выбирается диаметр шарика-индентора и коэффициент K (отношение нагрузки к квадрату диаметра шарика-индентора).

3. Производится проверка на минимальную толщину испытуемого образца (см.табл.3). При несоответствии меняются диаметр шарика и нагрузка.

4. Устанавливаются выбранные индентор и нагрузка.

5. Производится вдавливание шарика в испытуемый образец.

6. С помощью отсчетного микроскопа МПБ-2 определяется диаметр отпечатка.

7. По формулам 1 и 2 или из таблиц определяется значение твердости.

Минимальная толщина испытуемого образца, мм

8. Полученные в результате испытаний значения твердости оформляются в виде табл.4

Результаты замеров твердости

№

Материал

, кгс/мм 2

D, мм

Р, кгс

время выдержки под нагрузкой, с

толщина образца, мм

min допустимая толщина образца, мм

dср отпечатка, мм

НВ

sв

Определение твердости по методу Роквелла

Рис.3. Схема измерения твердости по Роквеллу

Сначала индентор вдавливается в поверхность образца под предварительной нагрузкой Р0=100 Н, которая не снимается до конца испытания, что позволяет повысить точность испытаний, т.к. исключает влияние вибраций и тонкого поверхностного слоя. Под нагрузкой Р0 индентор погружается в образец на глубину h0. Затем на образец подается полная нагрузка Р=Р0+Р1, глубина вдавливания увеличивается. Последняя после снятия основной нагрузки Р1 (на индентор вновь действует только предварительная нагрузка Р0) определяет число твердости по Роквеллу (HR). Чем больше глубина вдавливания h, тем меньше число твердости HR.

Существенное значение имеет толщина испытуемого образца. После замера твердости на обратной стороне образца не должно быть следов отпечатка. В табл.6 даны минимальные толщины образцов в зависимости от ожидаемой твердости.

Во всех случаях измерений значение предварительной нагрузки постоянно и равно Р0=100 Н.

Число твердости выражается формулами:

, (3)

, (4)

Таким образом, единица твердости по Роквеллу безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 0,002 мм.

Существует несколько типов приборов для измерения твердости по Роквеллу, но принципиальные схемы их работы аналогичны. На рис.4 приведена схема прибора типа ТК.

На станине 14 с одной стороны расположены две стойки 16, которые поддерживают поперечину 1. С другой стороны в направляющей втулке 13 со шпонкой 12 помещен подъемный винт 17, на котором устанавливают в зависимости от формы образца различные опорные столики 21-23 и 10. Винт со столиком и образцом поднимают вращением маховичка 11. Предварительную нагрузку к образцу прикладывают цилиндрической пружиной 19, действующей непосредственно на шпиндель 20. Грузовой рычаг второго рода 4, расположенный на поперечине 1, имеет опоры на призме 8. К длинному плечу рычага подвешивают грузы 15. В нерабочем положении прибора рычаг опирается на подвеску 2 и нагрузка на шпиндель не действует.

Для приложения основной нагрузки освобождают рукоятку 5. При этом подвеска 2 вместе с рычагом 4 плавно опускается и последний действует на шпиндель. Рычаг опускается плавно благодаря масляному амортизатору 18, позволяющему регулировать скорость приложения основной нагрузки вращением штока 3. Соотношение плеч у грузового рычага 1:20 и поэтому действительный вес сменных грузов в 20 раз меньше их условного веса.

Движение от шпинделя к стрелкам индикатора 9 передается рычагом 7 с соотношением плеч 1:5. Призма шпинделя упирается в винт 6 на рычажке. Винтом 6 регулируется натяжение пружины 19, создающей предварительную нагрузку.

Из рассмотренной методики определения твердости по Роквеллу видно, что это еще более условная характеристика, чем НВ. Наличие различных шкал твердости, определяемое без геометрического подобия отпечатков, условный и безразмерный численный результат испытания, сравнительно низкая чувствительность делают метод Роквелла лишь средством упрощенного технического контроля. В заводских условиях его ценность велика благодаря простоте, высокой производительности, отсчету чисел твердости прямо по шкале прибора, возможности полной автоматизации испытания.

Порядок проведения работы

1. По данному методическому пособию изучается методика определения твердости и производится знакомство с используемым оборудованием.

2. По материалу образца с указанием ориентировочной твердости по Бринеллю из табл.5 выбирается шкала.

3. По табл.6 уточняется толщина образца.

4. Перед началом проведения измерений проверяется исправность оборудования.

5. Проводятся измерения твердости и результаты оформляются в виде табл.7.

Результаты замеров твердости

Рис.4. Схема прибора типа ТК для измерения твердости по Роквеллу:

Определение твердости по методу Виккерса

При стандартном измерении твердости по Виккерсу (ГОСТ 2999-75) в поверхность образца вдавливается алмазный индентор в форме четырехгранной пирамиды с углом при вершине a»136°. После удаления нагрузки
P (10¸1000 Н), действовавшей определенное время (10-15 с), измеряют диагональ отпечатка d, оставшегося на поверхности образца.

Число твердости HV определяют по формуле:

(5)

Число твердости записывается без единиц измерения, например 230 HV. Если число твердости выражают в МПа, то после него указывают единицу измерения, например HV=3200 МПа.

Относительно небольшие нагрузки и малая глубина вдавливания индентора обуславливают необходимость более тщательной подготовки поверхности, чем при измерении твердости по Бринеллю. Образцы, как правило, полируют, с поверхности снимается наклеп.

Измерения осуществляют на приборах марки ТП, принципиальная схема которого приведена на рис.5. Прибор смонтирован на станине 1. Образец помещают на опорный столик 5. Нагрузка прилагается к индентору 6 через установленный на призмах рычаг. Рычаг с подвеской 14 без сменных грузов 15 обеспечивает минимальную нагрузку 50 Н.

Рис.5. Схема прибора ТП для определения твердости по Виккерсу:

После установки образца на столик 5 совмещают перекрестие окуляра микроскопа 10 с тем местом на образце, твердость которого необходимо измерить. Наводят на резкость, устанавливают индентор над образцом, включают механизм грузового привода. Пока образец находится под нагрузкой, горит сигнальная лампочка, расположенная в верхней части передней панели твердомера.

После снятия нагрузки поворотную головку переводят в такое положение, чтобы полученный отпечаток вновь был виден в микроскоп. Затем с помощью барабанчика окуляр-микрометра замеряют длину диагонали отпечатка.

При стандартном методе измерения микротвердости (ГОСТ 9450-76) используют чаще всего, как и в случае определения твердости по Виккерсу, правильную четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136°. Эта пирамида плавно вдавливается в образец при нагрузках 0,05-5 Н. Число микротвердости Н_m, МПа, определяется по формуле:

Н_m , (6)

Микротвердость массивных образцов измеряют на металлографических шлифах, приготовленных специальным образом. Глубина вдавливания индентора при определении микротвердости (d/7) составляет несколько микрометров и соизмерима с глубиной получаемого в результате механической шлифовки и полировки наклепанного поверхностного слоя. Поэтому методика удаления этого слоя, проводимая по одному из трех методов (электрополировка, отжиг готовых шлифов в вакууме или инертной атмосфере и глубокое химическое травление), имеет особенно важное значение.

На основании прибора установлен предметный столик 11, который может перемещаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях при помощи микрометрических винтов 12 и 13. Кроме того, столик можно поворачивать рукояткой 2 вокруг своей оси на 180°. Для нанесения отпечатка испытуемый образец устанавливают под микроскопом и выбирают на нем место, в котором необходимо измерить микротвердость. Затем перемещают образец так, чтобы выбранное место оказалось под острием алмазной пирамиды (поворотом предметного столика на 180° до упора). После вдавливания индентора и снятия нагрузки с образца последний вновь переводят под микроскоп и измеряют длину диагонали отпечатка.

Требования к отчету

1. Отчет выполняется на листах белой бумаги форматом А4 (297´210 мм) с рамкой и соответствующими штампами.

2. В водной части указываются: цель работы, применяемое оборудование, краткие теоретические сведения по теме.

3. Приводятся сведения по выполнению указаний методики: обоснования выбора вида индентора, шкалы, нагрузки и т.д.

4. Приводятся результаты замеров в виде таблиц и краткие выводы.

5. Приводится список использованной литературы.

Рис.6. Прибор ПМТ-3 для измерения микротвердости:

1. Что понимают под твердостью материала.

2. Назвать достоинства испытаний на твердость.

3. Назвать основные способы определения твердости материалов.

4. Что такое индентор, из каких материалов они выполняются.

5. Назвать требования, предъявляемые к испытуемой поверхности образца и к его толщине.

Источник

Значение слова «твёрдость»

1. Физ. Сопротивление твердого тела изменению формы или нарушению целостности его поверхностного слоя.

2. Свойство по прил. твердый (во всех знач., кроме 1). Твердость древесины. Твердость духа. Твердость руки. □ — Не узнали меня? — Да где тебя сразу-то узнаешь, — отозвалась добродушно старушка, видимо, еще сомневаясь в твердости своей памяти. Мамин-Сибиряк, «В худых душах…»

Источник (печатная версия): Словарь русского языка: В 4-х т. / РАН, Ин-т лингвистич. исследований; Под ред. А. П. Евгеньевой. — 4-е изд., стер. — М.: Рус. яз.; Полиграфресурсы, 1999; (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека

Метод определения восстановленной твёрдости.

Твёрдость определяется как отношение величины нагрузки к площади поверхности, площади проекции или объёму отпечатка. Различают поверхностную, проекционную и объемную твёрдость:

поверхностная твёрдость — отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка;

проекционная твёрдость — отношение нагрузки к площади проекции отпечатка;

объёмная твёрдость — отношение нагрузки к объёму отпечатка.

Метод определения невосстановленной твёрдости.

Твёрдость определяется как отношение силы сопротивления к площади поверхности, площади проекции или объёму внедрённой в материал части индентора. Различают поверхностную, проекционную и объёмную твёрдость:

поверхностная твёрдость — отношение силы сопротивления к площади поверхности внедренной в материал части индентора;

проекционная твёрдость — отношение силы сопротивления к площади проекции внедрённой в материал части индентора;

объёмная твёрдость — отношение силы сопротивления к объёму внедрённой в материал части индентора.

Твёрдость измеряют в трёх диапазонах: макро, микро, нано. Макродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор от 2 Н до 30 кН. Микродиапазон (см. микротвёрдость) регламентирует величину нагрузки на индентор до 2 Н и глубину внедрения индентора больше 0,2 мкм. Нанодиапазон регламентирует только глубину внедрения индентора, которая должна быть меньше 0,2 мкм. Часто твердость в нанодиапазоне называют нанотвердостью (nanohardness).

Измеряемая твердость, прежде всего, зависит от нагрузки, прикладываемой к индентору. Такая зависимость получила название размерного эффекта, в англоязычной литературе — indentation size effect. Характер зависимости твердости от нагрузки определяется формой индентора:

для сферического индентора — с увеличением нагрузки твердость увеличивается — обратный размерный эффект (reverse indentation size effect);

для индентора в виде пирамиды Виккерса или Берковича — с увеличением нагрузки твердость уменьшается — прямой или просто размерный эффект (indentation size effect);

для сфероконического индентора (типа конуса для твердомера Роквелла) — с увеличением нагрузки твердость сначала увеличивается, когда внедряется сферическая часть индентора, а затем начинает уменьшаться (для сфероконической части индентора).

Наиболее твёрдыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода: лонсдейлит, на 58 % превосходящий по твёрдости алмаз, и фуллерит (примерно в 2 раза твёрже алмаза). Однако практическое применение этих веществ пока маловероятно. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз (10 единиц по шкале Мооса, см. ниже).

ТВЁРДОСТЬ, и, мн. нет, ж. 1. Отвлеч. сущ. к твердый. Т. духа. Он лишился обыкновенной своей твердости. Пушкин. 2. Способность тела сопротивляться изменению его формы и размер (физ.). Шкала твердости.

Источник: «Толковый словарь русского языка» под редакцией Д. Н. Ушакова (1935-1940); (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека

твёрдость

1. свойство по значению прилагательного твёрдый; способность сохранять форму, размер и целостность под механическим воздействием

2. перен. способность сохранять свои взгляды, позиции и т. п. ◆ Со всей твёрдостью советское правительство будет продолжать вести политику мира, но одновременно, опираясь на непреклонную волю трудящихся СССР, поддержку трудящихся всех стран и нашу мощную Красную армию, оно будет давать сокрушительный отпор всякой попытке напасть на советское государство. Приказ Революционного Военного Совета ССС Республики № 39/2, 7 ноября 1930 г. // «Известия» (цитата из НКРЯ)

Делаем Карту слов лучше вместе

Привет! Меня зовут Лампобот, я компьютерная программа, которая помогает делать Карту слов. Я отлично умею считать, но пока плохо понимаю, как устроен ваш мир. Помоги мне разобраться!

Спасибо! Я обязательно научусь отличать широко распространённые слова от узкоспециальных.

Насколько понятно значение слова мормоны (существительное):

Источник