Понятие о жесткости материала
Твердость материала – это одна из важнейших характеристик, определяющая его способность противостоять деформации и разрушению. Это способность поверхностного слоя материала противостоять упругой и пластической деформации или разрушению при воздействии более твердого тела (индентора).
Индентор — это твердое, мало деформируемое тело (например, алмаз, твердый сплав или закаленная сталь) и имеет определенную геометрическую форму (шар, пирамида, конус, игла), которое вдавливается в поверхность образца или изделия.
Испытание на жесткость отличается от других методов. Твердость определяется через создание контактных напряжений, возникающих при давлении тел друг на друга на небольшой площади контакта.
Оценка жесткости осуществляется по величине полученной деформации. В зависимости от метода испытания, свойств наконечника и материала, твердость может быть определена разными критериями.
Измерение твердости может производиться разными способами: путем вдавливания наконечника под статическую или динамическую нагрузку, царапание поверхности или измерение отскока свободно падающего наконечника.
В зависимости от методов и условий испытания, показатели твердости могут характеризовать как упругие свойства, так и сопротивление малым или большим пластическим деформациям, а также способность материала к разрушению.
Для оценки твердости используют различные методы, среди которых наиболее распространены методы Роквелла и Бринелля и последующей класификации в частности марок стали. Более подробно о марках нержавеющей стали читайте в статье.
Методы измерения жесткости
Существующие методы измерения твердости значительно отличаются по форме индентора, условиям нагрузки и способам расчета твердости.
Способы определения твердости делятся на статические и динамические в зависимости от скорости нагрузки, а по способу приложения — на методы вдавливания и царапания.
К основным (статическим) методам испытания на твердость относятся три стандартных метода, названные в честь их изобретателей:
- метод Бринелля,
- метод Виккерса,
- метод Роквелла.
Во время вдавливания с большой нагрузкой поверхностные слои под наконечником подвергаются пластической деформации. После снятия нагрузки на образце остается отпечаток. .
Малый объем деформированного металла, возможность проведения испытаний на поверхностях различных форм и размеров, а также на тонких слоях без специально изготовленных образцов, делают эти испытания быстрыми и простыми. материалов и их механическими свойствами, в частности пределом прочности. контроля материалов.
Значение жесткости, как и других механических свойств, зависит от химического состава и структуры материала. Поэтому измерения жесткости широко применяются в промышленности для оценки свойств деталей и качества термической обработки.
Поскольку измерение жесткости не разрушает детали, их часто используют для непрерывного контроля, в то время как определение прочностных и пластичных характеристик проводят выборочно.
Существует два способа определения жесткости вдавливанием:
1. Измерение макротвердости.
2. Измерение микротвердости.
При измерении макротвердости индентора вдавливается в материал на значительную глубину, которая зависит от нагрузки. Например, в некоторых методах используется стальной шарик диаметром до 10 мм, что позволяет оценить "усредненную" жесткость материала.
Выбор формы, размера индентора и величины нагрузки зависит от цели испытания, структуры материала, ожидаемых свойств, состояния поверхности и размеров образца.
При измерении микротвердости определяется жесткость отдельных зерен и структурных составляющих, поэтому нагрузка должна быть небольшой.
Во всех методах испытания важно правильно подготовить поверхностный слой образца, чтобы он точно характеризовал материал. Все поверхностные дефекты, такие как окалина или вмятины, должны быть устранены. должна быть чистота поверхности. Также следует контролировать, чтобы свойства поверхностного слоя не изменились из-за клеветы или нагрев во время шлифования и полировки.
Результаты испытаний на жесткость зависят от длительности приложения нагрузки и длительности выдержки под нагрузкой.
При постоянной нагрузке Р линейный размер оттиска равен:
d = b×tn,
где t – время выдержки индентора под нагрузкой;b, n – коэффициенты, зависящие от свойств материала и величины Р.
В зависимости от t различают кратковременную и длительную жесткость. В стандартных методах определяют кратковременную жесткость при комнатной температуре. Здесь обычно t =10 – 30 с. Длительная жесткость оценивается при повышенных температурах и используется как характеристика жаропрочности материала. При определении жесткости всеми методами (кроме микротвердости) измеряют суммарное сопротивление металла внедрению в него индентора, и получают среднюю жесткость всех имеющихся структурных составляющих. Поэтому оставшийся после снятия нагрузки отпечаток должен быть по размерам значительно больше размеров зерен отдельных структурных составляющих (диаметр или длина диагонали отпечатков при измерении твердости изменяется от 0,1 - 0,2 до нескольких миллиметров).
Метод Бринелля
Метод Бринелля заключается в вдавливании в материал стального шарика под определенной нагрузкой. После снятия нагрузки измеряют диаметр оттиска. Твердость по Бринеллю определяется по формуле, учитывающей диаметр отпечатка, приложенную нагрузку и диаметр шарика.
Преимущества метода Бринелля:
- Универсальность: метод Бринелля можно применять для измерения жесткости широкого спектра материалов, от мягких до твердых.
- Простота вычислений: жесткость по Бринеллю вычисляется по простой формуле.
При измерении твердости по Бринеллю стальной шарик диаметром D вдавливают в образец под нагрузкой P в течение определенного времени и после снятия нагрузки измеряют оставшийся на поверхности диаметр d отпечатка. В поверхностном слое под индентором идет интенсивная пластическая деформация (рис.1), а диаметр отпечатка выходит тем меньше, чем выше сопротивление материала образца деформации. Число твердости по Бринеллю (НВ) является отношением нагрузки Р, действующей на индентор диаметром D, к площади S отпечатка:
 |
Площадь отпечатка может быть определена и по глубине вдавливания индентора h: S = p×D×h Число жесткости обозначается НВ, а размерность (кгс/мм2) или МПа в соответствии со стандартом не пишется. |
Рис.1 Схема напруженого стану в зоні пластичної деформації (заштрихована) при визначенні твердості за Брінеллем
 |
При определении жесткости по Бринеллю используют инденторы одного из трех диаметров – 2,5, 5 и 10 мм. Их изготовляют из стали твердостью не менее 850 кгс/мм2. С помощью метода Бринелля можно испытывать материалы с твердостью от НВ8 до НВ450. Для измерения твердости металлов и сплавов по Бринеллю применяют специальные приборы – твердомеры. |
Рис 2. Прибор Бринелли с механическим приводом.
Метод Роквелла
При определении жесткости по методам Бринелля и Виккерса нужно измерить размер отпечатка, полученного в результате индентиро- вания, и зафиксировать приложенную нагрузку. Эти данные позволяют рассчитать жесткость, однако сам процесс остается достаточно трудоемким, даже с использованием таблиц для упрощения вычислений.
Метод Роквелла, напротив, базируется на измерении глубины вдавливания индентора в материал, что значительно упрощает процесс. Здесь определение жесткости сводится к измерению этой глубины, что позволяет автоматизировать весь процесс и быстрее получать результаты. Это делает метод Роквелла одним из самых популярных в практике.
Однако, если рассматривать глубину вдавливания как прямой показатель жесткости, возникает парадокс: мягкие материалы, имеющие большую глубину вдавливания, выглядят более жесткими, тогда как жесткие материалы, соответственно, выглядят мягкими.
Метод Роквелла основан на измерении глубины проникновения индентора (острия или шарика) под действием двух последовательных нагрузок. Первая нагрузка (предварительная) создает постоянное условие для дальнейшего измерения, а вторая (главная) – определяет глубину проникновения.
Преимущества метода Роквелла:
- Скорость измерения: метод Роквелла относительно быстрый, что позволяет производить большое количество измерений за короткое время.
- Точность: метод обеспечивает высокую точность измерений, особенно для жестких материалов.
- Небольшой отпечаток: размер отпечатка от индентора невелик, что позволяет измерять жесткость тонких деталей и покрытий.
- Простота использования: оборудование для измерения жесткости по Роквеллу относительно простое в эксплуатации.
Сравнение методов Роквелла и Бринелля. Шкала твердости.
|
Характеристика |
Метод Роквелла |
Метод Бринелля |
| Принцип измерения |
Измерение глубины проникновения |
Измерение диаметра оттиска |
|
Индектор |
Острие или шарик |
Стальной шарик |
|
Шкала |
Различные шкалы (A, B, C и др.) |
Одна шкала |
|
Скорость |
Высокая |
Относительно низкая |
|
Точность |
Высокая для твердых материалов |
Высокая для мягких материалов |
|
Размер отпечатка |
Небольшой |
Большой |
|
Сфера применения |
Твердые материалы, тонкие детали, покрытие |
Широкий спектр материалов |
Обычно используется сравнительная таблица твердости HV, HB, HRC
| Прочность на разрыв (Н/мм2) |
Твердость по Виккерсу HV |
Твердость по Бринеллю HB |
Твердость 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 Данные в этой таблице взяты из немецкого стандарта DIN 50150
Примечание: Таблица перевода приблизительна и может отличаться для различных материалов. Для точных значений следует обращаться в справочную литературу.
|
Твердость за Роквеллом (HRC) |
Твердость за Бринеллом (HB) |
|
20 |
180 |
|
30 |
255 |
|
40 |
350 |
|
50 |
450 |
|
60 |
600 |
В Евросоюзе широкое распространение в последнее время получил метод определения универсальной жесткости, основанный на вдавливании в материал индентора в виде пирамиды Берковича или Виккерса.
Вывод
Оба метода, Роквелла и Бринелля, имеют свои преимущества и недостатки. Выбор метода измерения твердости зависит от конкретных условий, таких как тип материала, требуемая точность, размер образца и т.п. В некоторых случаях может быть целесообразно использовать оба метода для получения более полной картины о жесткости материала.
Понимание различий между методами Роквелла и Бринелля позволяет сделать обоснованный выбор метода измерения жесткости для конкретной задачи. Правильное определение твердости материала важно для обеспечения качества изделий и конструкций.