Поняття про твердість матеріалу
Твердість матеріалу – це одна з найважливіших характеристик, яка визначає його здатність протистояти деформації та руйнуванню. Це здатність поверхневого шару матеріалу протистояти пружній і пластичній деформації або руйнуванню при впливі більш твердого тіла (індентора).
Індентор — це тверде тіло, яке мало деформується (наприклад, алмаз, твердий сплав або загартована сталь) і має певну геометричну форму (куля, піраміда, конус, голка), яке втискується в поверхню зразка чи виробу.
Випробування на твердість відрізняється від інших методів. Твердість визначається через створення контактних напружень, які виникають при тиску тіл один на одного на невеликій площі контакту.
Оцінка твердості здійснюється за величиною отриманої деформації. Залежно від методу випробування, властивостей наконечника і матеріалу, твердість може бути визначена різними критеріями.
Вимірювання твердості може проводитися різними способами: шляхом втискування наконечника під статичним чи динамічним навантаженням, дряпанням поверхні або вимірюванням відскоку вільно падаючого наконечника.
В залежності від методів і умов випробування, показники твердості можуть характеризувати як пружні властивості, так і опір до малих або великих пластичних деформацій, а також здатність матеріалу до руйнування.
Для оцінки твердості використовують різні методи, серед яких найбільш поширені методи Роквелла і Брінелля. Обидва методи мають свої особливості та сфери застосування, тому розуміння їхніх відмінностей є важливим для правильного вибору методу вимірювання твердості та подальшої класифікації зокрема марок сталі. Більш детально про марки нержавіючої сталі читайте в статті.
Методи вимірювання твердості
Існуючі методи вимірювання твердості значно відрізняються за формою індентора, умовами навантаження та способами розрахунку твердості. Вибір методу визначається багатьма факторами, такими як твердість матеріалу зразка, його розміри, товщина шарів, які потрібно виміряти, та інші.
Способи визначення твердості поділяються на статичні та динамічні в залежності від швидкості навантаження, а за способом додатка — на методи втискування і дряпання. Найпоширенішими є методи, що використовують статичне втискування індентора в поверхню зразка.
До основних (статичних) методів випробування на твердість відносяться три стандартні методи, названі на честь їхніх винахідників:
- метод Брінелля,
- метод Віккерса,
- метод Роквелла.
Під час втискування з великим навантаженням поверхневі шари металу під наконечником піддаються пластичній деформації. Після зняття навантаження на зразку залишається відбиток. Ця деформація обмежена невеликим об'ємом металу, оточеним недеформованою частиною. При вимірюванні твердості пластичній деформації піддаються не лише пластичні метали, але й малопластичні.
Малий об'єм деформованого металу, можливість проведення випробувань на поверхнях різних форм і розмірів, а також на тонких шарах без спеціально виготовлених зразків, роблять ці випробування швидкими і простими. Вони дозволяють без руйнування виробів оцінити їх властивості, адже існує кількісна залежність між твердістю пластичних матеріалів і їх механічними властивостями, зокрема границею міцності. Це робить випробування на твердість важливим методом масового контролю матеріалів.
Значення твердості, як і інших механічних властивостей, залежить від хімічного складу та структури матеріалу. Тому вимірювання твердості широко застосовуються в промисловості для оцінки властивостей деталей та якості термічної обробки.
Оскільки вимірювання твердості не руйнує деталі, їх часто використовують для безперервного контролю, в той час як визначення характеристик міцності та пластичності проводять вибірково.
Існує два способи визначення твердості втискуванням:
- Вимірювання макротвердості.
- Вимірювання мікротвердості.
При вимірюванні макротвердості індентора втискається в матеріал на значну глибину, яка залежить від навантаження. Наприклад, у деяких методах використовується сталева кулька діаметром до 10 мм, що дозволяє оцінити "усереднену" твердість матеріалу.
Вибір форми, розміру індентора і величини навантаження залежить від мети випробування, структури матеріалу, очікуваних властивостей, стану поверхні та розмірів зразка. Для матеріалів з неоднорідною структурою доцільно використовувати більші наконечники, тоді як для дрібнозернистих і однорідних — менші.
При вимірюванні мікротвердості визначається твердість окремих зерен та структурних складових, тому навантаження має бути невеликим.
У всіх методах випробування важливо правильно підготувати поверхневий шар зразка, щоб він точно характеризував матеріал. Всі поверхневі дефекти, такі як окалина чи вм'ятини, мають бути усунуті. Вимоги до якості поверхні залежать від індентора та навантаження: чим менша глибина втискування, тим вищою має бути чистота поверхні. Також слід контролювати, щоб властивості поверхневого шару не змінилися через наклеп або нагрів під час шліфування та полірування.
Результати випробувань на твердість залежать від тривалості додатка навантаження і тривалості витримки під навантаженням. При постійному навантаженні Р лінійний розмір відбитка дорівнює:
d = b×tn,
де t - час витримки індентора під навантаженням; b, n - коефіцієнти, що залежать від властивостей матеріалу і величини Р.
Залежно від t розрізняють короткочасну і тривалу твердість. В стандартних методах визначають короткочасну твердість при кімнатній температурі. Тут звичайно t =10 - 30 с. Тривала твердість оцінюється при підвищених температурах і використовується як характеристика жароміцності матеріалу. При визначенні твердості всіма методами (крім мікротвердості) вимірюють сумарний опір металу впровадженню в нього індентора, і отримують середню твердість всіх наявних структурних складових. Тому відбиток, що залишається після зняття навантаження, повинен бути за розмірами значно більше розмірів зерен окремих структурних складових (діаметр або довжина діагоналі відбитків при вимірюванні твердості змінюється від 0,1 - 0,2 до декількох міліметрів).
Метод Брінелля
Метод Брінелля полягає у вдавлюванні в матеріал сталевої кульки під певним навантаженням. Після зняття навантаження вимірюють діаметр відбитка. Твердість за Брінеллем визначається за формулою, яка враховує діаметр відбитка, прикладене навантаження і діаметр кульки.
Переваги методу Брінелля:
- Універсальність: метод Брінелля можна застосовувати для вимірювання твердості широкого спектра матеріалів, від м'яких до твердих.
- Простота обчислень: твердість за Брінеллем обчислюється за простою формулою.
При вимірюванні твердості за Брінеллем сталеву кульку діаметром D втискають у зразок під навантаженням P протягом певного часу і після зняття навантаження вимірюють діаметр d відбитка, що залишився на поверхні. В поверхневому шарі під індентором іде інтенсивна пластична деформація (рис.1), а діаметр відбитка виходить тим менше, чим вище опір матеріалу зразка деформації. Число твердості за Брінеллем (НВ) є відношення навантаження Р, що діє на індентор діаметром D, до площі S відбитка:
 |
Площа відбитка може бути визначена і за глибиною втискування індентора h: S = p×D×h Число твердості позначається НВ, а розмірність (кгс/мм2) або МПа у відповідності зі стандартом не пишеться. |
Рис.1 Схема напряженного состояния в зоне пластической деформации (заштрихованная) при определении жесткости по Бринеллю
 |
При визначенні твердості за Брінеллем використовують індентори одного із трьох діаметрів – 2,5, 5 і 10 мм. Їх виготовляють зі сталі твердістю не менш 850 кгс/мм2. За допомогою методу Брінелля можна випробовувати матеріали із твердістю від НВ8 до НВ450. При більшій твердості зразка кулька-індентор остаточно деформується на величину, що перевищує стандартизований допуск. Для вимірювання твердостіметалів і сплавів за Брінеллем застосовують спеціальні прилади - твердоміри. |
Рис 2. Прилад Брінелля з механічним приводом.
Метод Роквелла
При визначенні твердості за методами Брінелля та Віккерса потрібно виміряти розмір відбитка, отриманого в результаті індентування, і зафіксувати прикладене навантаження. Ці дані дозволяють розрахувати твердість, проте сам процес залишається досить трудомістким, навіть з використанням таблиць для спрощення обчислень.
Метод Роквелла, навпаки, базується на вимірюванні глибини втискування індентора в матеріал, що значно спрощує процес. Тут визначення твердості зводиться до вимірювання цієї глибини, що дозволяє автоматизувати весь процес і швидше отримувати результати. Це робить метод Роквелла одним з найбільш популярних у практиці.
Проте, якщо розглядати глибину втискування як прямий показник твердості, виникає парадокс: м’які матеріали, які мають велику глибину втискування, виглядають більш твердими, тоді як тверді матеріали, відповідно, виглядають м'якими.
Метод Роквелла заснований на вимірюванні глибини проникнення індентора (вістря або кульки) під дією двох послідовних навантажень. Перше навантаження (попереднє) створює постійну умову для подальшого вимірювання, а друге (головне) – визначає глибину проникнення.
Переваги методу Роквелла:
- Швидкість вимірювання: метод Роквелла відносно швидкий, що дозволяє проводити велику кількість вимірювань за короткий час.
- Точність: метод забезпечує високу точність вимірювань, особливо для твердих матеріалів.
- Невеликий відбиток: розмір відбитка від індентора невеликий, що дозволяє вимірювати твердість тонких деталей і покриттів.
- Простота використання: обладнання для вимірювання твердості за Роквеллом відносно просте в експлуатації.
Порівняння методів Роквелла і Брінелля. Шкала твердості.
|
Характеристика |
Метод Роквелла |
Метод Брінелля |
|
Принцип вимірювання |
Вимірювання глибини проникнення |
Вимірювання діаметра відбитка |
|
Індектор |
Вістря або кулька |
Сталева кулька |
|
Шкали |
Різноманітні шкали (A, B, C та ін.) |
Одна шкала |
|
Швидкість вимірювання |
Висока |
Відносно низька |
|
Точність |
Висока для твердих матеріалів |
Висока для м'яких матеріалів |
|
Розмір відбитка |
Невеликий |
Великий |
|
Сфера застосування |
Тверді матеріали, тонкі деталі, покриття |
Широкий спектр матеріалів |
Зазвичай використовується порівняльна таблиця твердості HV, HB, HRC
| Міцність на розрив (Н / мм2) |
Твердість за Віккерсом HV |
Твердість за Брінеллем HB |
Твердість Роквелла HRC |
| 255 | 80 | 76.0 | - |
| 270 | 85 | 80.7 | - |
| 285 | 90 | 85.2 | - |
| 305 | 95 | 90.2 | - |
| 320 | 100 | 95.0 | - |
| 335 | 105 | 99.8 | - |
| 350 | 110 | 105 | - |
| 370 | 115 | 109 | - |
| 380 | 120 | 114 | - |
| 400 | 125 | 119 | - |
| 415 | 130 | 124 | - |
| 430 | 135 | 128 | - |
| 450 | 140 | 133 | - |
| 465 | 145 | 138 | - |
| 480 | 150 | 143 | - |
| 490 | 155 | 147 | - |
| 510 | 160 | 152 | - |
| 530 | 165 | 156 | - |
| 545 | 170 | 162 | - |
| 560 | 175 | 166 | - |
| 575 | 180 | 171 | - |
| 595 | 185 | 176 | - |
| 610 | 190 | 181 | - |
| 625 | 195 | 185 | - |
| 640 | 200 | 190 | - |
| 660 | 205 | 195 | - |
| 675 | 210 | 199 | - |
| 690 | 215 | 204 | - |
| 705 | 220 | 209 | - |
| 720 | 225 | 214 | - |
| 740 | 230 | 219 | - |
| 755 | 235 | 223 | - |
| 770 | 240 | 228 | 20.3 |
| 785 | 245 | 233 | 21.3 |
| 800 | 250 | 238 | 22.2 |
| 820 | 255 | 242 | 23.1 |
| 835 | 260 | 247 | 24.0 |
| 850 | 265 | 252 | 24.8 |
| 865 | 270 | 257 | 25.6 |
| 880 | 275 | 261 | 26.4 |
| 900 | 280 | 266 | 27.1 |
| 915 | 285 | 271 | 27.8 |
| 930 | 290 | 276 | 28.5 |
| 950 | 295 | 280 | 29.2 |
| 965 | 300 | 285 | 29.8 |
| 995 | 310 | 295 | 31.0 |
| 1030 | 320 | 304 | 32.2 |
| 1060 | 330 | 314 | 33.3 |
| 1095 | 340 | 323 | 34.4 |
| 1125 | 350 | 333 | 35.5 |
| 1115 | 360 | 342 | 36.6 |
| 1190 | 370 | 352 | 37.7 |
| 1220 | 380 | 361 | 38.8 |
| 1255 | 390 | 371 | 39.8 |
| 1290 | 400 | 380 | 40.8 |
| 1320 | 410 | 390 | 41.8 |
| 1350 | 420 | 399 | 42.7 |
| 1385 | 430 | 409 | 43.6 |
| 1420 | 440 | 418 | 44.5 |
| 1455 | 450 | 428 | 45.3 |
| 1485 | 460 | 437 | 46.1 |
| 1520 | 470 | 447 | 46.9 |
| 1555 | 480 | -456 | 47.7 |
| 1595 | 490 | -466 | 48.4 |
| 1630 | 500 | -475 | 49.1 |
| 1665 | 510 | -485 | 49.8 |
| 1700 | 520 | -494 | 50.5 |
| 1740 | 530 | -504 | 51.1 |
| 1775 | 540 | -513 | 51.7 |
| 1810 | 550 | -523 | 52.3 |
| 1845 | 560 | -532 | 53.0 |
| 1880 | 570 | -542 | 53.6 |
| 1920 | 580 | -551 | 54.1 |
| 1955 | 590 | -561 | 54.7 |
| 1995 | 600 | -570 | 55.2 |
| 2030 | 610 | -580 | 55.7 |
| 2070 | 620 | -589 | 56.3 |
| 2105 | 630 | -599 | 56.8 |
| 2145 | 640 | -608 | 57.3 |
| 2180 | 650 | -618 | 57.8 |
| 660 | 58.3 | ||
| 670 | 58.8 | ||
| 680 | 59.2 | ||
| 690 | 59.7 | ||
| 700 | 60.1 | ||
| 720 | 61.0 | ||
| 740 | 61.8 | ||
| 760 | 62.5 | ||
| 780 | 63.3 | ||
| 800 | 64.0 | ||
| 820 | 64.7 | ||
| 840 | 65.3 | ||
| 860 | 65.9 | ||
| 880 | 66.4 | ||
| 900 | 67.0 | ||
| 920 | 67.5 | ||
| 940 | 68.0 |
Рис.3 Дані в цій таблиці взяті з німецького стандарту DIN 50150
Примітка: Таблиця переведення є приблизною і може відрізнятися для різних матеріалів. Для точних значень слід звертатися до довідкової літератури.
|
Твердість за Роквеллом (HRC) |
Твердість за Брінеллем (HB) |
|
20 |
180 |
|
30 |
255 |
|
40 |
350 |
|
50 |
450 |
|
60 |
600 |
В Євросоюзі широке поширення останнім часом одержав метод визначення універсальної твердості, заснований на втискуванні в матеріал індентора у вигляді піраміди Берковича або Віккерса.
Висновок
Обидва методи, Роквелла і Брінелля, мають свої переваги і недоліки. Вибір методу вимірювання твердості залежить від конкретних умов, таких як тип матеріалу, точність, що вимагається, розмір зразка та ін. В деяких випадках може бути доцільно використовувати обидва методи для отримання більш повної картини про твердість матеріалу.
Розуміння відмінностей між методами Роквелла і Брінелля дозволяє зробити обґрунтований вибір методу вимірювання твердості для конкретної задачі. Правильне визначення твердості матеріалу є важливим для забезпечення якості виробів і конструкцій.