Твердостью называется сопротивление материала проникновению в него другого более твердого тела. Из всех видов механических испытаний твердость определяют чаще всего. Это объясняется простотой и высокой производительностью метода измерения твердости, а также тем, что испытание можно проводить на самом изделии (полуфабрикате или детали), не вызывая его повреждения.

Основными методами определения твердости являются методы внедрения в поверхность испытываемого металла стандартных наконечников из твердых недеформирующихся материалов под действием статических нагрузок: методы Бринелля, Роквелла и Виккерса.

Значения твердости выражаются числами твердости в различных шкалах. Кроме указанных методов измерения твердости массивных образцов, деталей и полуфабрикатов, используются методы измерения микротвердости, т. е. измерение твердости отдельных составляющих микроструктуры сплавов.

При измерении твердости любым способом поверхность испытываемого образца или детали должна быть плоской, так как при измерении твердости цилиндрических образцов наконечник вдавливается глубже, чем при испытании плоских образцов той же твердости, поэтому твердость получается заниженной.

Поверхность образца или изделия должна быть горизонтальной и не иметь таких дефектов, как окалина, забоины, грязь, различные покрытия. Все поверхностные дефекты должны быть удалены мелкозернистым наждачным кругом, напильником или наждачной бумагой. При обработке поверхности образца недопустимо изменение твердости вследствие нагрева или наклепа поверхности. При нанесении отпечатка на испытуемое изделие или образец расстояние между соседними отпечатками и до края образца должно быть не менее 3 мм.

Испытание по Бреннелю.

Прибор для испытания на твердость по Бринелю

Наиболее распространенным прибором для испытания на твердость по Бринелю является автоматический рычажный пресс.

Схема автоматического рычажного пресса показана на рис. 2,1. В верхней части станины 1 имеется шпиндель 2, в который вставляется наконечник с шариком 3. Может быть установлен один из трех наконечников -- с шариком диаметром 10,5 или 2,5 мм. Столик 4 служит для установки на нем испытываемого образца 5. Вращением по часовой стрелке рукоятки 6 приводят в движение винт 7, который, перемещаясь вверх, поднимает столик 4, и образец 5 прижимается к шарику 3. При вращении рукоятки 6 до тех пор, пока указатель 8 не станет против риски, пружина 9 сжимается до отказа и создается предварительная нагрузка в 100 кГ.

Электродвигатель 10, который включают нажатием кнопки, расположенной сбоку пресса, приводит во вращение эксцентрик 11. При вращении эксцентрика 11 шатун 12, перемещаясь вниз, опускает рычаг 13 и соединенную с ним подвеску 14 с грузами 15, создавая этим нагрузку на шарик, который вдавливается в образец. При дальнейшем вращении эксцентрика И шатун 12, перемещаясь вверх, поднимает рычаг 13 и подвеску 14 с грузами 15, снимая этим нагрузку с шарика. Когда рычаг и подвеска с грузами достигнут исходного положения, автоматически дается сигнал звонком и автоматически выключается электродвигатель. Вращением рукоятки 6 против часовой стрелки опускают столик 4. В зависимости от грузов, установленных на подвеске 14, создается различная нагрузка

Рисунок 2.1 Схема автоматического рычажного пресса для определения твёрдости.

Выбор диаметра шарика и нагрузки. Шарики различного диаметра (D = 10; 5 и 2,5 мм) применяют в зависимости от толщины испытываемого материала. Нагрузку выбирают в зависимости от качества испытываемого материала. В таблицах приведены данные по выбору диаметра шарика и нагрузки в зависимости от материала и толщины испытываемого образца (по ГОСТу 9012--59). При испытании шариками разных диаметров (10; 5 и 2,5 мм) применяют разные нагрузки; при испытании более мягких металлов нагрузка меньше.

С уменьшением толщины материала применяют шарик меньшего диаметра (5; 2,5 мм) и небольшую нагрузку. Условия испытания записывают следующим образом: например, НВ 10 (3000) 30 обозначает, что испытание проводили шариком диаметром 10 мм, под нагрузкой 3000 кГ, с выдержкой 30 сек.

Выбранные условия испытания (диаметр шарика и нагрузку) надо записать в графу 2 протокола испытания.

Подготовка образца для испытания. Перед испытанием поверхность образца, в которую будет вдавливаться шарик, обрабатывают наждачным камнем или напильником, чтобы она была ровной, гладкой и не было окалины или других дефектов. При обработке поверхности образец не должен нагреваться выше 100--150° С.

Подготовка поверхности образца необходима для получения правильного отпечатка и чтобы края его были отчетливо видны для измерения.

Порядок проведения испытания

Установить на подвеску 14 (см. рис. 2,1) грузы 15, соответствующие выбранной для испытания нагрузке.

Наконечник с шариком вставить в шпиндель 2 и укрепить.

На столик 4 поместить испытываемый образец 5. Образец должен плотно лежать на столике. Центр отпечатка должен находиться от края образца на расстоянии не менее диаметра шарика.

Вращением рукоятки 6 по часовой стрелке поднять столик и прижать образец 5 к шарику 3; продолжать вращать рукоятку 6 до тех пор, пока указатель 8 не станет против риски.

Нажатием кнопки включить электродвигатель.

После сигнала звонком вращением против часовой стрелки рукоятки 6 опустить столик 4 и снять с него образец с полученным отпечатком.

Измерить полученный отпечаток.

8. Определить твердость.

Испытание по Роквеллу.

Прибор типа Роквелла ТК-2

Общий вид и схема прибора ТК-2 показаны на рис. 2,2 и 2.3. Шпиндель 1 прибора (см. рис. 2.3) служит для закрепления на его конце с помощью винта 2 оправки 3 с шариком или алмазным (или из твердого сплава) конусом. Постоянный груз 4 создает нагрузку 50 кГ если на постоянный груз 4 установлен груз 5 (40 кГ), то создается нагрузка 90 кГ, если на постоянный груз 4 установлен груз 5 и груз 6 (50 кГ), то создается нагрузка 140 кГ. Стол 7 служит для установки на нем испытываемого образца 8. При вращении по часовой стрелке маховика 9 приводится во вращение винт 10, который, перемещаясь вверх, поднимает стол 7. и образец 8 подводится к оправке 3 с шариком или алмазным конусом. При дальнейшем вращении маховика 9 сжимается пружина 11, шарик, или алмазный конус, начинает внедряться в испытываемый образец 8, а стрелки поворачиваются по шкале индикатора 12. При вращении маховика 9 до тех пор, пока образец не упрется в ограничительный чехол 13, малая стрелка индикатора дойдет до красной точки , а большая стрелка установится приблизительно в вертикальном положении (с погрешностью ±5 делений) (, создается предварительная нагрузка 10 кГ. Точную установку шкалы индикатора на нуль производят при помощи барабана 14 (см. рис. 2.3) тросиком 15, закрепленным на ранте индикатора. Циферблат индикатора имеет две шкалы -- черную (С) и красную (В). Независимо от того, что вдавливается в испытываемый образец -- алмазный конус или шарик, с большой стрелкой индикатора всегда совмещается нуль черной шкалы со значком «С». Большую стрелку с нулевым штрихом красной шкалы со значком «В» не совмещают ни в каком случае.

Приведение в действие основной нагрузки осуществляется с помощью привода 16 от электродвигателя, работающего непрерывно и отключаемого с помощью тумблера 17 только при длительных перерывах в работе прибора.

Нажатием клавиши 18 приводят в действие кулачковый блок 19 механизма привода 16, передача от которого к грузовому рычагу 20 осуществляется с помощью штока 21. При этом подвеска 22 с грузами 4--6 опускается, и этим обеспечивается действие основной нагрузки и создается общая нагрузка (предварительная + основная).

Под действием основной нагрузки шарик, или алмазный конус, все глубже проникает в испытываемый образец, при этом большая стрелка индикатора поворачивается против часовой стрелки. После окончания вдавливания основная нагрузка, действовавшая на образец, автоматически снимается и остается предварительная нагрузка. При этом большая стрелка индикатора перемещается по часовой стрелке и указывает на шкале индикатора число твердости по Роквеллу . При испытании алмазным конусом под нагрузкой 150 или 60 кГ отсчет производят по черной шкале, а при испытании шариком под нагрузкой 100 кГ -- по красной шкале.

По окончании цикла испытания кулачковый блок автоматически отключается и фиксируется в исходном положении. Нормальная - продолжительность цикла испытания 4 сек при положении рукоятки 23 (см. рис. 2.3) указателя против буквы Н.

Рисунок 2.2 Прибор ТК-2 (типа Роквелла)

Рисунок 2.3 Схема прибора ТК-2 (типа Роквелла)

Выбор нагрузки и наконечника. Нагрузку и наконечник выбирают в зависимости от твердости испытываемого металла.

Подготовка образца для испытания. Поверхности образца, как испытываемая, так и опорная, должны быть плоскими, параллельными друг другу и не должны иметь таких дефектов, как окалина, забоины, грязь, различные покрытия. Все дефекты поверхности образца должны быть удалены мелкозернистым наждачным кругом, напильником или наждачной бумагой. При обработке поверхности образец не должен нагреваться выше 100-- 150° С.

Контроль прибора. Перед испытанием на твердость по Роквеллу необходимо произвести контроль прибора с целью определения точности его показаний.

Контроль прибора производят при помощи контрольных брусков, твердость которых заранее известна. При проверке показания прибора должны находиться в пределах чисел твердости, обозначенных на контрольных брусках. Если твердость по прибору не соответствует твердости контрольных брусков, то к показаниям прибора при испытании образцов вводится соответствующая поправка. Порядок проведения контроля аналогичен порядку проведения испытания (см. далее).

Подготовка прибора и проведение испытания

В зависимости от твердости испытываемого образца выбрать наконечник и нагрузку

В конец шпинделя 1 (см. рис. 2.3) прибора закрепить оправку с алмазным (или из твердого сплава) конусом или шарик и установить необходимую нагрузку.

Обозначение шкалы записать в графу 2 протокола испытания.

Установить испытываемый образец S на стол 7 прибора.

Вращением маховика 9 по часовой стрелке стол осторожно поднимать до тех пор, пока образец не упрется в ограничительный чехол. При этом малая стрелка индикатора должна стать против красной точки, а большая, с погрешностью ±5 делений, на нуль шкалы индикатора. Если большая стрелка будет отклонена больше чем на ±5 делений относительно нулевого штриха шкалы, необходимо вращением маховика 9 против часовой стрелки опустить стол (снять предварительную нагрузку) и испытание провести вновь в другом месте образца.

Вращением барабана 14 установить нуль шкалы С (черного цвета) против конца большой стрелки индикатора.

Плавным нажатием руки на клавишу 18 включить в работу привод механизма нагружения.

После окончания цикла нагружения произвести отсчет по шкале индикатора.

Полученный результат твердости записать в графу 3 протокола испытания.

Вращением маховика 9 против часовой стрелки опустить стол (снять предварительную нагрузку), образец передвинуть и повторить испытание в другом месте образца. На каждом образце должно быть проведено не менее трех испытаний. Расстояние центра отпечатка от края образца или от центра другого отпечатка должно быть не менее 3 мм.

Числа твердости по Роквеллу перевести на числа твердости по Бринеллю.

Испытание по Виккерсу.

Прибор типа Виккерса.

Основной частью прибора (рис. 2,4) является поворотная головка 1, в которой смонтирована оправка с алмазной пирамидой 2, закрытой чехлом 3; специальный измерительный микроскоп 4 для измерения длины диагонали отпечатка и рабочий шпиндель 5.

При повороте рукояткой 6 головки 1 в крайнее левое положение прибор приводится в рабочее состояние, при котором ось рабочего шпинделя 5 совмещается с осью промежуточного шпинделя 7. При повороте рукояткой 6 головки 1 в крайнее правое положение прибор приводится в положение, при котором оптическая ось микроскопа 4 совмещается с центром отпечатка. При установке прибора в рабочее положение пружина 8 соединяет промежуточный шпиндель 7 с призмой 9 грузового рычага 10. На подвеске VI грузового рычага 10 устанавливают сменные грузы 12.

Столик 13 служит для установки на нем испытываемого образца 14. При вращении по часовой стрелке маховика 15 приводится во вращение винт 16, который, перемещаясь вверх, поднимает столик 13, и образец 14 прижимается к чехлу 3. В правой части прибора имется грузовой привод с масляным амортизатором 17 при помощи которого приложение нагрузки, выдержка под нагрузкой и снятие нагрузки осуществляются механически за счет энергии опускающегося груза 18. В связи с этим до прижима образца 14 к чехлу 3 грузовой привод должен быть взведен, что осуществляется нажимом рукоятки 19. При этом подъемный шток 20 удерживается во взведенном положении рычагом 21, жестко связанным с рукояткой 19 взвода, а рычаг 22 запирает всю систему привода во взведенном положении.

Рисунок 2.4 Кинематическая схема прибора типа Виккерса.

Привод включают нажимом на педаль 23 пускового механизма. При этом приводится в движение рычаг 22 и под действием груза 18 опускается втулка 24, опирающийся на нее подъемный шток 20 и поршень 25 масляного амортизатора 17. Одновременно опускается грузовой рычаг 10, который опирается на шток 20, при этом алмазная пирамида 2 вдавливается в поверхность образца 14. При опускании втулки 24, шарнирно связанной с рычагом 26, соединенным с тягой 27 происходит подъем рычага 28 навстречу штоку 20. Когда шток 20 опустится приблизительно на 16 мм, его нижний конец встречается с рычагом 28. При дальнейшем опускании втулки 24 продолжается подъем рычага 28, при этом поднимается шток 20 и грузовой рычаг 10. К концу хода поршня 25 масляного амортизатора 17 шток 20 придет в начальное положение и снимет нагрузку.

Продолжительность выдержки образца под нагрузкой регистрируется сигнальной лампочкой 29. В момент приложения нагрузки сигнальная лампочка зажигается и гаснет, когда нагрузка снята. Продолжительность выдержки образца под нагрузкой может быть от 10 до 60 сек, что достигается изменением скорости опускания штока амортизатора регулятором 30.

Выбор нагрузки. Нагрузку выбирают в зависимости от толщины испытываемого слоя металла, которая должна быть, по крайней мере, в 1,5 раза больше диагонали отпечатка.

На обратной стороне образца после его испытания не должно обнаруживаться место, где прилагалась нагрузка. Отношение глубины отпечатка к величине его диагонали равно приблизительно 1:7.

При испытании цементованных или других тонких слоев металла нагрузка должна быть тем меньше, чем тоньше слой. Если толщина испытываемого слоя неизвестна, рекомендуется произвести несколько испытаний при различных нагрузках (например, при 10, 20 и 50 кГ). Если основная масса (сердцевина) образца не влияет на результаты измерений, то числа твердости совпадут или будут близки друг к другу. Если числа твердости при возрастании нагрузки будут уменьшаться, необходимо применять меньшие нагрузки до тех пор, пока все смежные нагрузки не дадут совпадающих или близких друг к другу результатов.

Величину выбранной нагрузки записать в графу 2 протокола испытания.

Подготовка образцов для испытания. Поверхность образца должна быть плоской, гладкой и чистой; с поверхности должна быть удалена окалина, обезуглерожешшй слой и т. и. При подготовке поверхности образец подвергают обработке на наждачном круге и шлифовальной шкурке.

Контроль прибора. Перед испытанием на твердость по Виккерсу необходимо проконтролировать точность показаний прибора при помощи контрольных брусков, твердость которых заранее известна. При проверке показания прибора должны находиться в пределах чисел твердости, обозначенных на контрольных брусках. Если твердость по прибору не соответствует твердости контрольных брусков, то к показаниям прибора при испытании деталей вводится соответствующая поправка.

Порядок проведения контроля аналогичен порядку проведения испытания (см. далее).

Порядок проведения испытания.

1. На подвеску 11 (см. рис. 10.1) установить груз 12 нужной величины (5, 10, 20, 30, 50 или 100 кГ).

2. В нижней части микроскопа 4 установить объектив с увеличением 10 или втулку с объективом с увеличением 3,7х

3. На столик 13 установить испытываемый образец 14.

4. Рукояткой 6 повернуть головку 1 в крайнее левое положение.

5. Рукояткой 19 взвести механизм грузового привода.

6. Вращением маховика 15 поднять столик 13 и прижать образец 14 к чехлу 3.

7. Нажать спусковую педаль 23.

8. Сделать выдержку до момента потухания сигнальной лампочки 29.

9. Вращением маховика 15 опустить столик 13 с образцом 14.

10. Рукояткой 6 повернуть головку 1 в крайнее правое положение,

11. Вращением маховика 15 поднять столик 13 с образцом 14 настолько, чтобы при наблюдении в окуляр микроскопа 4 был ясно виден полученный отпечаток.

12. Измерить диагональ отпечатка.

13. После первого измерения диагонали отпечатка образец повернуть на 90° и вторично измерить вторую диагональ.

14. Вычислить среднее арифметическое длины обеих диагоналей

15. Определить число твердости HV, пользуясь для этого специальными таблицами .

16. Определить твердость данного образца второй раз и полученный результат записать в протокол испытания.

2. Схемы испытаний

По Бреннелю.

Испытание на твердость по Бринелю производится вдавливанием в испытываемый образец стального шарика определенного диаметра под действием заданной нагрузки в течение определенного времени.

Схема испытания на твердость по Бринелю дана на рис. 1. В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка). Отношение давления Р к поверхности полученного отпечатка (шарового сегмента) F дает число твердости, обозначаемое НВ

Рисунок 2.5 Схема испытания на твердость по способу Бринелля.

Схема испытания по Роквеллу

Испытание на твердость по Роквеллу производят вдавливанием в испытываемый образец (деталь) алмазного конуса с углом 120° или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм. Шарик и конус вдавливают в испытываемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок -- предварительной Р0 и основной Р1. Общая нагрузка Р будет равна сумме предварительной Ро и основной Р1 нагрузок : Р = Ро + Рг. Предварительная нагрузка P0 во всех случаях равна 10 кг

Рисунок 2.6 Схема определения твердости вдавливанием алмазного конуса.

Схема испытания по Виккерсу.

Испытание на твердость по Виккерсу производят вдавливанием в испытываемый образец четырехгранной алмазной пирамиды с углом при вершине 1360 .

3. Расчет определения твёрдости

По Бреннелю.

Отношение давления Р к поверхности полученного отпечатка F дает число твердости, обозначаемое HB

(2.1)

Поверхность F шарового сегмента

(2.2)

где D-диаметр вдавливаемого шарика в мм, h-глубина отпечатка в мм .

Так как глубину отпечатка h измерить трудно, а гораздо проще измерить диаметр отпечатка d, то целесообразно величину h выразить через диаметры шарика D и отпечатка d:

(2.3)

Тогда поверхность F шарового сегмента

(2.4)

Число твердости по Бринеллю будет характеризоваться формулой

(2.5)

По Роквеллу.

Число твердости по Роквеллу -- число отвлеченное и выражается в условных единицах.

За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Число твердости по Роквеллу HR определяется по формулам: при измерении по шкале В: HR = 130 - еч при измерении по шкалам С и A: HR = 100-е.

Величина е определяется по следующей формуле:

(2.6)

где h0 -- глубина внедрения наконечника в испытываемый материал под действием предварительной нагрузки Р0

h-глубина внедрения наконечника в испытываемый материал под действием общей нагрузки Р , измеренная после снятия основной нагрузки Р1 с оставлением предварительной нагрузки Р0.

По Виккерсу

Твёрдость по Виккерсу определяется по формуле:

(2.7)

где Р- нагрузка на пирамиду в кГ

d- среднее арифметическое длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки в мм

б- угол между противоположными гранями пирамиды при вершине, равный 136о

4. Перевод твёрдости по Бреннелю в твёрдость по Роквеллу и Виккерсу

Перевод твёрдости по Бреннелю в твёрдость по Роквеллу и Виккерсу производиться с помощью специальных таблиц.

Таблица 2.1 Протокол испытаний на твердость.

материал	Диаметр шара	Диаметр отпечатка	Нагрузка	HB	HRA	HRC	HV
1	2	3	4	5	6	8	9
Сталь	10 мм	3,02 мм	3000 кг	409 кг/мм2	72	43.5	430 кг/мм2

кг/мм2

Полученный результат по Бреннелю переводим с помощью таблицы в Роквелл и Виккерс.

Вывод: твердость определяется различными способами: по Бреннелю, Роквеллу, Виккерсу. Твердость показывает сопротивление материала проникновению в него другого более твердого тела.