Твердость по роквеллу сталей в обычном состоянии. Лабораторные работы по курсу

На каждой выставке, независимо от места проведения, находится один или несколько посетителей, которые высказывают явное недовольство по поводу недостаточной твердости стали наших ножей. В качестве аргументов они приводят собственное мнение, слова других продавцов («а вот там нам сказали, что у них твердость – 90!»), мнение знакомых и собеседников на форумах. Время от времени встречаются, мягко говоря, оригиналы, заявляющие: «Докажите твердость своих изделий – ударьте сильно друг об друга лезвиями, а который останется без следа, тот нож я куплю!»

Определимся с терминами

Чаще всего, эти господа не представляют, о чем именно они говорят. В частности, плохо представляют значение термина твердость у металлов и сплавов, а также не ориентируются в единицах измерения твердости. Напомним себе и остальным, что такое твердость стали ножа, в чем и как измеряется твердость стали ножа, и на что значение твердости стали ножа влияет.

По данным Википедии, твердость - свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Твердость определяется как отношение величины нагрузки к площади или объему поверхности отпечатка. Различают поверхностную и объемную твердость:

• поверхностная твердость - отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка;
• объемная твердость - отношение нагрузки к объему отпечатка.

Различают также восстановленную и невосстановленную твердость. Восстановленная твердость определяется как отношение нагрузки к площади или объему отпечатка, а невосстановленная твердость определяется как отношение силы сопротивления внедрению более твердого материала к площади или объему внедренной в материал части более твердого тела.

Твердость измеряют в трех диапазонах: макро, микро, нано. Макродиапазон регламентирует величину нагрузки на внешнее, более твердое тело от 2 Н до 30 кН. Микродиапазон регламентирует величину нагрузки на более твердое тело до 2 Н и глубину внедрения более твердого тела больше 0,2 мкм. Нанодиапазон регламентирует только глубину внедрения более твердого тела, которая должна быть меньше 0,2 мкм.

Измеряемая твердость, прежде всего, зависит от нагрузки, прикладываемой к более твердому телу. Такая зависимость получила название размерного эффекта, в англоязычной литературе - indentation size effect. Характер зависимости твердости от нагрузки определяется формой более твердого тела (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).

Косвенно твердость также может зависеть от:

• Межатомных расстояний
• Координационного числа - чем выше число, тем выше твердость
• Валентности
• Природы химической связи
• От направления (например, минерал дистен - его твердость вдоль кристалла равна 4, а поперек - 7)
• Хрупкости и ковкости
• Гибкости - минерал легко гнется, изгиб не выпрямляется (например, тальк)
• Упругости - минерал сгибается, но выпрямляется (например, слюды)
• Вязкости - минерал трудно сломать (например, жадеит)
• Спайности

и ряда других физико-механических свойств материала.
Наиболее твердыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода - лонсдейлит, на 58 % превосходящий по твердости алмаз и фуллерит (примерно в 2 раза тверже алмаза). Однако практическое применение этих веществ пока маловероятно. Самым твердым из распространенных веществ является алмаз (10 единиц по шкале Мооса).

Чем измеряется твердость?

Твердость твердостью, но нам важнее понять, что означают заветные цифры, которые так ценятся любителями ножей! Дело в том, что для определения твердости применяются разные методы измерения. И для каждого метода измерения твердости существует своя шкала измерения твердости.

Методы определения твердости по способу приложения нагрузки делятся на статические и динамические (ударные).

Метод Бринелля - твердость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твердость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка (причем площадь отпечатка берется как площадь части сферы, а не как площадь круга (так измеряется твердость по Мейеру). Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012-59 записывают без единиц измерения. Твердость, определенная по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твердость, англ.), B - Бринелль;

Метод Роквелла - твердость определяется по относительной глубине вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твердость, определенная по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA; твердость вычисляется по формуле HR = 100 − kd, где d - глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k - коэффициент. Таким образом, максимальная твердость по Роквеллу соответствует HR 100.

Метод Виккерса - твердость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырехгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твердость вычисляется как отношение нагрузки, приложенной к пирамидке, к площади отпечатка (причем площадь отпечатка берется как площадь части поверхности пирамиды, а не как площадь ромба). Твердость, определенная по этому методу, обозначается HV;

Твердость по Шору (Метод вдавливания) - твердость определяется по глубине проникновения в материал специальной закаленной стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины. В данном методе измерительный прибор именуется дюрометром. Обычно метод Шора используется для определения твердости низкомодульных материалов (полимеров). Метод Шора, описанный стандартом ASTM D2240, оговаривает 12 шкал измерения. Чаще всего используются варианты A (для мягких материалов) или D (для более твердых). Твердость, определенная по этому методу, обозначается буквой используемой шкалы, записываемой после числа с явным указанием метода.

Дюрометры и шкалы Аскер - по принципу измерения соответствует методу вдавливания (по Шору). Фирменная и национальная японская модификация метода. Используется для мягких и эластичных материалов. Отличается от классического метода Шора некоторыми параметрами измерительного прибора, фирменными наименованиями шкал и инденторами.

Отличие от традиционного твердомера - электронный экран динамометра

Твердость по Шору (Метод отскока) - метод определения твердости очень твердых (высокомодульных) материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боек (основная часть склероскопа - измерительного прибора для данного метода), падающий с определенной высоты. Твердость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка. Основные шкалы C и D. Обозначается HSx, где H - Hardness, S - Shore и x - латинская буква, обозначающая тип использованной при измерении шкалы.

Следует понимать, что хотя оба метода Шора являются методами измерения твердости, предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие названия и совпадающие обозначения шкал, это, все-таки, не версии одного метода, а два принципиально разных метода с разными значениями шкал, описываемых разными стандартами.

Метод Кузнецова - Герберта - Ребиндера - твердость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл;

Метод Польди (двойного отпечатка шарика) - твердость оценивается в сравнении с твердостью эталона, испытание производится путем ударного вдавливания стального шарика одновременно в образец и эталон;

Шкала Мооса - определяется по тому, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый материал, и какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом.

Метод Бухгольца - метод определения твердости при помощи прибора Бухгольца. Предназначен для испытания на твердость (твердость по Бухгольцу) полимерных лакокрасочных покрытий при вдавливании индентора Бухгольца. Метод регламентируют стандарты ISO 2815, DIN 53153, ГОСТ 22233.

Методы измерения твердости делятся на две основные категории: статические методы определения твердости и динамические методы определения твердости. Для инструментального определения твердости используются приборы, именуемые твердомерами. Методы определения твердости, в зависимости от степени воздействия на объект, могут относиться как к неразрушающим, так и к разрушающим методам.

Существующие методы определения твердости не отражают целиком какого-нибудь одного определенного фундаментального свойства материалов, поэтому не существует прямой взаимосвязи между разными шкалами и методами, но существуют приближенные таблицы, связывающие шкалы отдельных методов для определенных групп и категорий материалов. Данные таблицы построены только по результатам экспериментальных тестов и не существует теорий, позволяющих расчетным методом перейти от одного способа определения твердости к другому. Конкретный способ определения твердости выбирается исходя из свойств материала, задач измерения, условий его проведения, имеющейся аппаратуры и др.

В России стандартизированы не все шкалы твердости. В изготовлении ножей, а также при их продаже, применении и, конечно, в различных обсуждениях используется и, соответственно, чаще всего имеется в виду шкала Роквелла. А именно — HRC.

Шкалы твёрдости по Роквеллу

Существует целых одиннадцать шкал определения твердости по методу Роквелла, основанных на комбинации «индентор (наконечник) - нагрузка». Наиболее широко используются два типа индентеров: шарик из карбида вольфрама диаметром 1/16 дюйма (1,5875 мм) или такой же шарик из закаленной стали и конический алмазный наконечник с углом при вершине 120°. Возможные нагрузки - 60, 100 и 150 кгс. Величина твёрдости определяется как относительная разница в глубине проникновения индентора при приложении основной и предварительной (10 кгс) нагрузки.Для обозначения твёрдости, определённой по методу Роквелла, используется символ HR, к которому добавляется буква, указывающая на шкалу по которой проводились испытания (HRA, HRB, HRC).

НАИБОЛЕЕ ШИРОКО ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ШКАЛЫ ТВЁРДОСТИ ПО РОКВЕЛЛУ

Шкала	Индентор
	Алмазный конус с углом 120° при вершине	60 кгс
	Шарик диам. 1/16 дюйма из карбида вольфрама (или закаленной стали)	100 кгс
	Алмазный конус с углом 120 ° при вершине	150 кгс

Чем твёрже материал, тем меньше будет глубина проникновения наконечника в него. Чтобы при большей твёрдости материала получалось большее число твёрдости по Роквеллу, вводят условную шкалу глубин, принимая за одно её деление глубину, равную 0.002 мм. При испытании алмазным конусом предельная глубина внедрения составляет 0.2 мм, или 0.2 / 0.002 = 100 делений, при испытании шариком - 0.26 мм, или 0.26 / 0.002 = 130 делений. Таким образом формулы для вычисления значения твёрдости будут выглядеть следующим образом:

а) при измерении по шкале А (HRA) и С (HRC):

H=100-(H-h)/0.002

Разность H − h представляет разность глубин погружения индентора (в миллиметрах) после снятия основной нагрузки и до её приложения (при предварительном нагружении)

б) при измерени по шкале B (HRB):

H=130-(H-h)/0.002

Связь между результатами проверки на твёрдость и прочностными характеристиками материалов исследовались такими учёными-материаловедами, как Н. Н. Давиденков, М. П. Марковец и др. Используются методы определения предела текучести по результатам проверки на твёрдость вдавливанием. Такая связь была найдена, например, для высокохромистых нержавеющих сталей после различных режимов термообработки. Среднее отклонение для конического алмазного индентора составляло всего +0,9 %. Были проведены исследования по нахождению связи между значениями твёрдости и другими характеристиками, определяемыми при растяжении, как предел прочности (временное сопротивление, сужение в шейке и истинное сопротивление разрушению).

Применительно к твердости сталей, из которых изготавливаются ножи, установлены следующие величины, зависящие также от способа термической обработки:

Марки стали	Термообработка	Твердость (сердцевина-поверхность)
	нормализация	163-192 HB
	улучшение	192-228 HB
	нормализация	179-207 HB
	улучшение	235-262 HB
	закалка и высокий отпуск	212-248 HB
	закалка и высокий отпуск	217-255 HB
	закалка и высокий отпуск	229-269 HB
	закалка и высокий отпуск	269-302 HB
У9	отжиг	192 HB
У9	закалка	50-58 HRC
У10	отжиг	197 HB
У10	закалка	62-63 HRC
40 Х	улучшение	235-262 HB
40 Х		45-50 HRC; 269-302 HB
40 ХН	улучшение	235-262 HB
40 ХН	улучшение+закалка токами высокой частоты	48-53 HRC; 269-302 HB
35 ХМ	улучшение	235-262 HB
35 ХМ	улучшение+закалка токами высокой частоты	48-53 HRC; 269-302 HB
35 Л	нормализация	163-207 HB
40 Л	нормализация	147 HB
40 ГЛ	улучшение	235-262 HB
45 Л	улучшение	207-235 HB

Сравнивая показатели разных шкал разных методов измерения твердости стали, легко можно запутаться. Чтобы этого не случилось, следует знать о таблицах соответствия значений твердости разных шкал. Глядя на нее, становится понятно, откуда могут возникнуть причины заблуждений относительно максимальной твердости стали ножа и нелепые требования предоставить нож твердостью в 90, а то и больше, единиц!

Твердость по Роквеллу			Твердость по Шору	Твердость по Бринелю	Твердость по Виккерсу
HRC	HRB	HRA	HSh	HB	HV
		86.5 86.0 85.5 85.0	102		1076 1004 942 894
		84.5 84.0 83.5 83.0			854 820 789 763
		82.5 81.5 81.0 80.5			739 715 695 675
	<-	80.0 79.5 78.5			655 636 617 598
		78.0 77.5 77.0 76.5			580 562 545 528
		76.0 75.5 74.5 74.0			513 498 485 471
		73.5 73.0		444 437 429 426	458 446
		71.5		415 401 393 388	435 413
				375 372 352 341	393 <- 373
				332 321 312 302	353 334
				297 293 290 283	317 301
				277 270 260 255	285 271
	100			250 248 241 240	257 446
				235 234 230 229	236

На деле же, как видно из таблицы, ножевых сталей с твердостью свыше 70HRC не существует. А на практике не встречается ножей из стали твердостью свыше 65HRC. Самыми распространенными и прекрасно используемыми являются ножи из дамасской стали с твердостью 56-62HRC.

Рабочие ножи компании «Русский булат» изготавливаются в основном из дамасской стали, гарантированно имеющей твердость в этом диапазоне. Заготовки изготавливаются из стали, выкованной в собственной кузне. После завершения процесса производства ножи «Русского булата» выборочно проходят проверку на соответствие заявленным параметрам. В том числе и твердости материала .

При желании Вы можете самостоятельно провести эксперимент по измерению твердости материала, руководствуясь, например, .

Тем же ценителям ножей, которые желают выбирать нож с помощью краш-тестов, рекомендуем попытаться купить себе таким способом автомобиль в автосалоне.

По материалам интернет-ресурсов

«Материаловедение »

для студентов физического факультета и

факультета «Технология, предпринимательство, экономика»

Лабораторные работы по курсу «Материаловедение» для студентов физического факультета и факультета «Технология предпринимательство, экономика» разработаны проф., к.т.н. Ростовцевым Н.М., проф., д.т.н. Сергеевым Н.Н., доц., к.т.н. Абрамовой В.И.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Измерение твердости металлов по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу

Цель работы : ознакомиться с методикой определения твердости металлов по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу

Твердость – это свойство металлов оказывать сопротивление пластической деформации или хрупкому разрушению в поверхностном слое при местных контактных воздействиях в определенных условиях испытания. Эта формулировка пригодна для методов внедрения и для методов царапания.

Разнообразие методов измерения твердости и разный физический смысл чисел твердости затрудняет выработку общего определения твердости как механического свойства. В разных методах и при различных условиях проведения испытаний числа твердости могут характеризовать упругие свойства, сопротивление малым или большим пластическим деформациям, сопротивление материала разрушению.

Измерение твердости отличается простотой и высокой производительностью, отсутствием разрушения образца, возможностью оценки свойств отдельных структурных составляющих и тонких слоев на малой площади.

Существующие методы измерения твердости отличаются друг от друга по форме применяемого индентора, условиям приложения нагрузки и способу расчета чисел твердости. Выбор метода определения твердости зависит от различных факторов: твердости образца (детали), его размеров, толщины слоя, твердость которого надо измерить.

Во всех методах испытания на твердость очень важно правильно подготовить поверхностный слой образца. Он должен наиболее полно характеризовать материал, твердость которого необходимо определить. Все поверхностные дефекты (окалина, выбоины, вмятины, грубые риски) должны быть удалены. Требования к качеству испытуемой поверхности зависят от применяемого индентора и величины прилагаемой нагрузки. Чем меньше глубина вдавливаемости индентора, тем меньше должна быть шероховатость поверхности и тем более строго нужно следить за тем, чтобы свойства поверхностного слоя не изменялись вследствие наклепа или разогрева при шлифовании и полировке.

Нагрузка должна прилагаться по оси вдавливаемого индентора перпендикулярно к испытуемой поверхности. Для соблюдения этого условия плоскость испытуемой поверхности образца должна быть строго параллельна опорной поверхности.

При определении твердости всеми методами (кроме микротвердости) измеряют сопротивление металла внедрению в него индентора, усредняющее твердость всех имеющихся структурных составляющих.

Твердость по Бринеллю

При стандартном (ГОСТ 9012-59) измерении твердости по Бринеллю стальной шарик диаметром D вдавливается в испытуемый образец под нагрузкой Р, приложенной в течение определенного времени.

После снятия нагрузки измеряют диаметр d оставшегося на поверхности образца отпечатка (рис.1). В поверхностном слое под инден-тором идет интенсивная пластическая деформация, а диаметр отпечатка получается тем меньше, чем выше сопротивление металла образца деформации, производимой индентором. Число твердости по Бринеллю (НВ) есть отношение нагрузки Р, действующей на шаровой индентор диаметром D и площади F шаровой поверхности отпечатка:

(1)

Размерность H/мм 2 ;1H/мм 2 =1МПа0,1кгс/мм 2

Площадь отпечатка определяется по глубине вдавливаемого индентора:

F =  Dh (2)

Число твердости имеет размерность напряжения (кгс/мм 2 , Н/ мм 2), но в соответствии со стандартом оно не пишется. При определении твердости НВ шариком с D=10мм под нагрузкой Р=3 000 кгс и времени выдержки =10 сек число твердости записывают так: НВ 400, НВ 250, НВ 230 и так далее. При использовании других условий испытания индекс НВ дополняют цифрами, указывающими диаметр использованного шарика (мм), нагрузку (кгс) и продолжительность выдержки (с). Например, НВ 5(750)30=350 – означает: число твердости по Бринеллю 350, полученное при выдавливании шарика D=5мм, нагрузкой Р=750кгс в течение =30 сек.

При определении твердости по Бринеллю используют инденторы с завальцованными в них шариками следующих диаметров – 2,5; 5 или 10 мм. Шарики имеют твердость не менее 850 кгс/мм 2 .

С помощью метода Бринелля можно испытывать металлы с твердостью от НВ 8 до НВ 450, при большой твердости образца шарик индентора претерпевает остаточную деформацию на величину, превышающую стандартный допуск.

Минимальная толщина испытуемого образца должна быть не меньше 10-кратной глубины отпечатка. При известной величине НВ глубина отпечатка:

, мм

Поверхность образца должна быть тщательно отшлифована, чтобы края отпечатка были достаточно отчетливы для измерения его диаметра с требуемой точностью (0,01-0,05 мм). Эти измерения проводят на инструментальных микроскопах или с помощью измерительной лупы. Величина отпечатка d весьма велика по сравнению с размерами отпечатка при других методах определения твердости, что позволяет получать достоверные средние значения НВ по 3-5 отпечаткам.

Расстояния от центра отпечатки до края образца должно быть не менее 2,5d, а расстояние между центрами двух соседних отпечатков – не менее 4d (для металлов НВ 35 соответственно 3d и 6d).

Из формулы (1) следует, что для получения одинаковых значений одного и того же образца при использовании шарика разного диаметра необходимо постоянство отношений P/D 2 и d/D. Это условие геометрического подобия отпечатков при использовании шарового индентора. На практике такого постоянства добиться невозможно. Отношение d/D поддерживается в пределах 0,2-0,6. Для получения отпечатков оптимальных размеров необходимо правильно подобрать соотношение между нагрузкой и диаметром шарика. В зависимости от твердости материала величина P/D 2 должна быть равной 30 (при НВ>130), 10(HB 35-130) и 2,5 (НВ<35). Рекомендуемое время выдержки образца под нагрузкой для сталей 10с, для цветных металлов и сплавов 30с (при P/D 2 = 10 и 30) или 60с (при P/D 2 = 2,5). Зная данные при испытании Р и D и измерив d, находят число твердости НВ по стандартным таблицам.

Для определения твердости по Бринеллю применяют специальные приборы. На рис. 2. представлена схема прибора ТШ-2, широко используемого в лабораторной практике.

Прибор смонтирован в массивной станине. На подъемном винте 2, перемещающемся при вращении маховика 1, устанавливаются сменные спорные столики 5 для испытуемых образцов. В верхней части станины расположен шпиндель 6, в который вставляют сменные наконечники с шариками разных диаметров. Шпиндель опирается на пружину 9, предназначенную для приложения к образцу предварительной нагрузки 1000 МПа для устранения смещения образца во время испытания. 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 0,62 до 300Н. Вращение вала электродвигателя 21 с помощью червячной передачи сообщается кривошипу 19, он опускается и нагрузка передается на шпиндель прибора. Продолжительность испытания задается передвижным упором. Когда шатун доходит до него, срабатывает концевой переключатель, и электродвигатель начинает вращаться в обратную сторону, вследствие чего шатун вновь подключается, и нагрузка снимается со шпинделя. По возвращении шатуна в исходное положение электродвигатель автоматически выключается.

Порядок работы на приборе

Сначала выбирают диаметр шарика и величину нагрузки. Закрепляют наконечник с нужным шариком в шпинделе установочным винтом.

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

по Бринеллю

1 – маховик; 2 – подъемный винт; 3 – шкала для задании времени выдержки под нагрузкой; 4 – кнопка-выключатель; 5 – опорный столик; 6 – шпиндель для индентора; 7 – упорный чехол; 8 – втулка; 9 – пружина; 10 – шпиндель; 11 – сигнальная лампа; 12,15 – рычаги; 13 – серьга; 14 – микропереключатель; 16 – вилка; 17 – шатун; 18– грузы; 19– кривошип; 20– редуктор; 21- электродвигатель.

На подвеску накладывают требуемое количество сменных грузов. Затем испытуемый образец устанавливают на столик и, вращая маховик, поднимают и прижимают его к индентору до смещения рисок на наконечнике, в который вставлен шарик. Нажав кнопку, приводят в движение электродвигатель. По окончании испытания вращением маховика в обратную сторону опускают столик, снимают образец, измеряют диаметр отпечатка и определяют число твердости.

Основной недостаток метода Бринелля – отсутствие геометрического подобия отпечатков, что делает не строгим количественное сопоставление чисел твердости разных материалов, полученных при разных значениях отношения d/D.

Величина НВ все-таки остается основной характеристикой твердости при статическом вдавливании шарового индентора. Для достаточно пластичных материалов ее физический смысл соответствует условному пределу прочности при растяжении. Для многих металлов и сплавов между НВ и  в существует линейная связь  в = КНВ. Коэффициент пропорциональности К тем больше, чем меньше степень равномерности деформации. Он зависит также от других констант материала. Величина К для большинства деформируемых алюминиевых сплавов примерно постоянна и близка к 0,25, для стали К0,35, для меди 0,48 и так далее.

Твердость по Роквеллу

При измерении твердости по Роквеллу индентор - алмазный конус с углом при вершине 120° и радиусом закругления 0,2 мм или стальной ша­рик диаметром 1,5875 мм (1/16 дюйма) - вдавливается в образец под дейст­вием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р 0 и общей Р

Ч

исло твердости по Роквеллу измеряют в условных единицах, и оно является мерой глуби­ны вдавливания индентора под определенной нагрузкой.

Рис.3.Схема измерения твердости по Роквеллу

Схема определения твердости по Роквеллу при вдавливании алмаз­ного конуса приведена на рис.3.

Сначала индентор вдавливается в поверхность образца под предва­рительной нагрузкой Р 0 = 1Н, которая не снимается до конца испытания. Это обеспечивает повышенную точность испытания, так как исключает влияние вибраций и тонкого поверхностного слоя. Под нагрузкой Р 0 индентор погружается в образец на глубину h 0 . Затем на образец подается полная нагрузка P=P 0 +P 1 , и глубина вдавливания увеличивается. Глубина вдавливания h после снятия основной нагрузки P 1 , когда на индентор вновь действует только предварительная нагрузка Р 0 , определяет число твердо­сти по Роквеллу (HR). Чем больше глубина вдавливания h, тем меньше число твердости HR.

При использовании в качестве индентора алмазного конуса твер­дость по Роквеллу определяют по двум «шкалам» - А и С. При измерении по шкале А: Р 0 = 1Н, P 1 = 5Н, Р= 6Н, по шкале С: Р 0 =1Н, Р 1 =14Н, Р = 15Н. Число твердости выражается формулой HRC или HRA=100-l,

где

(0,002мм – цена деления шкалы индентора твердости Роквелла).

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

Числа твердости по Роквеллу записываются так же как НВ: HRC 65, HRB 30, HRA 80 и так далее. Пределы измерения твердости по указанным шкалам приведены в таблице 1.

Таблица 1

Поверхность образцов должна быть тщательно отполирована и свободна от наклепа. Расстояние между центрами двух со­седних отпечатков или от центра какого-либо отпечатка до края образца должно быть не менее 3 мм. Минимальная толщина образцов зависит от твердости материала и должна быть не менее восьмикратной глубины вдавливания h.

Н

а рис. 4а приведена схема прибора марки ТК для измерения твер­дости по Роквеллу. 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 столики 21-23 и 10. Подъем винта со столиком к образцам производят вращением маховичка 11. Приложение предварительной нагрузки к образцу осущест­вляется цилиндрической пружиной 19, действующей непосредственно на шпиндель 20. Грузовой рычаг второго рода 4, расположенный на поперечнике 1, имеет точку опоры на призме 8. К длинному плечу рычага 4 под­вешивают грузы 15. В нерабочем положении прибора рычаг 4 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. Плавное опускание рычага достигается благодаря масляному амортизатору 18, по­зволяющему регулировать скорость приложения основной нагрузки вра­щением штока 3. Соотношение плеч у грузового рычага 1:20 и поэтому действующий вес сменных грузов в 20 раз меньше их условного ве­са.

Рис.4. Приборы ТК-2 для измерения твердость по Роквеллу: 1 - качающая игла, обеспечивающая контакт рейки индикатора с рычагом; 2 - подвеска верхнего шпинделя; 3 - чехол для индентора; 4 - кольцо для перемещения шкалы индикатора; 5 - пусковая педаль; 6 -электромотор; 7 - редуктор; 8 - рукоятка для перемещения кулачков, задающих продолжительность испытания; 9 - шток, управляющий работой механизма нагружения.

Передача движения от шпинделя к стрелкам индентора 9 производит­ся посредством рычага 7 с соотношением плеч 1:5. Призма шпинде­ля упирается на винт 6 на рычаге 7. С помощью винта 6 регулируется натяжение пружины 19, создаю­щей предварительную нагрузку.

Порядок работы на приборе

В зависимости от материала и формы образца выбирают и устанав­ливают соответствующий индентор, опорный столик и необходимую на­грузку. Укладывают образец на столик и вращением маховичка 11 плавно поднимают винт 17 до тех пор пока индентор не окажется вдавленным в образец предварительной нагрузкой Р 0 = 10 кгс. Этот момент будет дос­тигнут, когда маленькая стрелка на вспомогательном лимбе индикатора 9 совпадает с красной точкой на шкале. Затем, если в качестве индикатора используют алмазный конус (по шкале А и С), необходимо повернуть обо­док индикатора, чтобы ноль черной шкалы совместился с большой стрел­кой. Если испытание проводят по шкале В (индикатор - стальной шарик), большую стрелку устанавливают на деление 30 красной шкалы. После это­го, слегка нажимают рукоятку 5 и рычаг с грузом в течение 3-6 с плавно опускается вниз, передавая на шпиндель основную нагрузку. Через 1-3 с после остановки большой стрелки снимают основную нагрузку, плавно возвращая рукоятку 5 в начальное положение, и читают число твердости с точностью до половины деления шкалы. На каждом образце твердость из­меряют не менее чем в 3-5 точках, подсчитывают среднее значение. Более новая модификация твердомера Роквелла - прибор ТК-2 (рис.4) по прин­ципу действия не отличается от ТК. Он снабжен электромеханическим приводом 6-7, который производит приложение, выдержку и снятие ос­новной нагрузки.

Из рассмотренной методики определения твердости по Роквеллу видно, что это еще более условная характеристика, чем НВ. Наличие раз­личных шкал твердости, определяемой без геометрического подобия отпе­чатков, условный и безразмерный численный результат испытания, срав­нительно низкая чувствительность делают метод Роквелла лишь средством быстрого упрощенного технического контроля.

Взаводских и лабораторных условиях его ценность велика именно благодаря простоте, высокой производительности, отсчету чисел твердо­сти прямо по шкале прибора, возможности полной автоматизации испыта­ния.

Числа твердости, полученные разными методами статического вдавливания индентора, связаны между собой. Зная, например, значение твердости по Бринеллю, можно перевести его с некоторым приближением в число твердости по Роквеллу или по Виккерсу. Приближенный пересчет чисел твердости производят с помощью таблицы 2.

Твердость по Виккерсу

При стандартном измерении твердости по Виккерсу (ГОСТ 2999-59) в поверхность образца вдавливают алмазный индентор в форме четырех­гранной пирамиды с углом при вершине = 136°. После удаления нагруз­ки Р, действующей определенное время (10-15 с для черных или 30 с для цветных металлов), измеряют диагональ отпечатка d, оставшегося на по­верхности образца.

Число твердости HV (записывается без размерности, например HV 230) определяют делением нагрузки в килограммах на площадь боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка:

; МПа (3)

Таким образом, в результате испытания измеряют только диагональ восстановленного отпечатка. Зная использованную нагрузку, можно найти число твердости по специальным таблицам, составленным с использовани­ем формулы (3).

Относительно небольшие нагрузки и малая глубина вдавливания индентора обуславливают необходимость более тщательной подготовки поверхности, чем в случае измерения твердости по Бринеллю. Образцы для замера твердости должны быть, как правило, отполированы и их по­верхность свободна от наклепа.

Минимальная толщина испытуемого образца должна превышать диагональ отпечатка в 1,2 (для сталей) или в 1,5 раза (для цветных метал­лов и сплавов). Расстояние между центром отпечатка и краем образца или краем соседнего отпечатка принимают не менее 2,5 d. Обычно d

Таблица 2

Таблица перевода чисел твердости

При грубой обработке образца это может вызывать большой разброс значений в разных точках образца по сравне­нию с разбросом НВ. Для получения достоверных средних значений HV приходится делать на каждом образце не менее 5-10 замеров.

Схема прибора марки ТП для измерения твердости по Виккерсу по­казана на рис. 5.

П

рибор смонтирован на станине 1. Образец помещают на опорный столик 5. Нагрузка прилагается к индентору 6 через установлен­ный на призмах 11 рычаг 12 (с отношением плеч 1:25) и промежуточный шпиндель 9, постоянно прижатый двумя пружинами к призме рычага. В спокойном состоянии рычаг 12 опирается на штырь 13. На данном плече рычага имеется подвеска 14 для установки сменных грузов 15. Рычаг с подвеской без сменных грузов дает минимальную нагрузку 5 кгс. Шпин­дель 8 с индентором и измерительный микроскоп 10 смонтированы на по­воротной головке. Ее поворот производится рукояткой 7. После установки образца на стол твердомера совмещают перекрестие окуляра микроскопа с тем местом на образце, твердость которого необходимо измерить. Наводка на резкость производится перемещением подъемного винта 4 маховичком 3. Затем рукояткой 7 поворотную головку устанавливают так, чтобы индентор оказался над образцом. При этом ось шпинделя 8 совмещается с осью промежуточного шпинделя 9. Подъемный винт 4 поднимают вверх до упора в торец защитного колпачка индентора.

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

Затем с помощью руко­ятки 23 вводится меха­низм грузового привода и произво­дится его включение нажатием на пе­даль 2. При этом ломаный рычаг 17 выводит из мертвого положения и пустотельный шпиндель 16 связанный с маслинным амортизатором 19, опус­кается вниз. Движение поршня амор­тизатора с укрепленным на нем гру­зом 20 вызывает опускание подъем­ного штыря 13, на котором лежит гру­зовой рычаг прибора.

После того, как штырь опустится, рычаги 21, 22 вновь поднимут его, снимая, таким образом, приложенную нагрузку. Продолжительность выдержки под нагрузкой регулируется в пределах 10-30 с винтом 18 на крыше масляного амортизатора. Пока образец находится под нагрузкой, горит сигнальная лампочка, расположенная в верхней части передней панели твердомера.

После снятия нагрузки поворотную головку вновь переводят в такое положение, чтобы полученный отпечаток оказался в поле зрения микро­скопа. Затем с помощью барабанчика окуляр -микрометра производят за­мер длины диагонали отпечатка.

Физический смысл числа твердости по Виккерсу аналогичен НВ. Ве­личина HV тоже является усредненным условным напряжением в зоне контакта индентор - образец и характеризует обычно сопротивление мате­риала значительной пластической деформации.

Числа HV и НВ близки по абсолютной величине. Это обусловлено равенством угла при вершине пирамиды, угла между касательными к ша­рику. Для случая "идеального" отпечатка с d = 0,375 D. Однако HBHV только до НВ = 400 - 450. Выше этих значений метод Бринелля дает иска­женные результаты из-за остаточной деформации стального шарика.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с методиками измерения твердости металлов по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу.

2. Измерить твердость трех образцов по Бринеллю, Роквеллу, Вик­керсу.

3. С помощью таблицы 2 найти соотношение между показателями твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу.

4. Найденные показатели твердости занести в таблицу отчета по ра­боте.

Контрольные вопросы

1. Что такое твердость?

2. Как определяется твердость?

3. В чем преимущество определения предела прочности материала, исходя из определения твердости, перед непосредственным измерением прочности при растяжении?

4. Как производится испытание на твердость по Бринеллю?

5. Что такое число твердости по Бринеллю, и какова его размерность?

6. Чем и как измеряется диаметр отпечатка?

7. Какова связь между диаметром отпечатка и числом твердости по Бринеллю?

8. Как выбрать диаметр шарика и величину нагрузки при испытаниях на твердость по Бринеллю?

9. Как производится испытание на твердость по Роквеллу?

10. В зависимости от чего выбирается форма вдавливаемого тела при испытаниях на твердость по Роквеллу?

11. Опишите порядок испытания твердости по Роквеллу.

12. Опишите порядок испытания твердости по Виккерсу.

13. Сравнить методы измерения твердости по Бринеллю и Роквеллу, их достоинства и недостатки.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2