Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

индекс НВ дополняют цифрами, указывающими диаметр использованного шарика, мм, нагрузку, кгс, и продолжительность выдержки, с. Например, НВ 5/750/30-350 - это число твердости по Бринеллю (350), полученное при вдавливании шарика с D = 5 мм нагрузкой P = 750 кгс (7500 Н) в течение

= 30 с.

Твердость по Бринеллю определяют при помощи шарового индентора диаметром 2,5; 5 или 10 мм. Инденторы изготавливают из стали с твердостью не менее 8500 МПа. Методом Бринелля можно испытывать материалы с твердостью от НВ 8 до НВ 450. При большей твердости образца шарик-индентор остаточно деформируется на величину, превышающую стандартизованный допуск.

Из формулы (4.18) следует, что для получения одинаковых значений НВ одного и того же образца при использовании шариков разного диаметра необходимо постоянство отношений P/D2 и d/D (условие геометрического подобия отпечатков при использовании шарового индентора). Но на практике такого постоянства добиться невозможно. 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 приведены в табл. 4.2.

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

Для многих металлов и сплавов между НВ и B существует линейная связь: B = x НВ. В табл. 4.3 приведены значения коэффициента х для различных материалов. Там же приведено значение d/D и средняя степень деформации в лунке вд, соответствующая этому отношению, а также величина равномер-

206

< 0,33, а если вд < равн, тo x > 0,33. Коэффициент пропорциональности х тем больше, чем меньше степень равно-

мерной деформации. Он зависит также от упругих констант материала. Величина х для большинства деформируемых алюминиевых сплавов примерно постоянна и близка к 0,25, для сталей x 0,35, для меди ~ 0,48 и т. д.

Таблица 4.3

У малопластичных металлов и сплавов корреляция НВ и 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.

208

4.12.2. Твердость по Виккерсу

Этот метод второй по распространенности после метода Бринелля. При стандартном измерении твердости по Виккерсу в поверхность образца вдавливают алмазный индентор в форме четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136°. После удаления нагрузки Р = 10 - 1000 Н, действовавшей определенное время (10 – 15 с), измеряют диагональ отпечатка d, оставшегося на поверхности образца. Число твердости HV (записываемое по ГОСТу без единиц измерения, например 230 HV) определяют делением нагрузки в килограммах на площадь боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка

F = (d2/2) (1/sin /2), мм2:

Если число твердости выражают в МПа, то после него указывают единицу измерения (например, HV = 3200 МПа).

Измерив диагональ d восстановленного отпечатка и зная использованную нагрузку Р, можно найти число твердости по специальным таблицам, составленным с использованием фор-

мулы (4.19).

Относительно небольшие нагрузки и малая глубина вдавливания индентора обусловливают необходимость более тщательной подготовки поверхности, чем при измерении твердости по Бринеллю. Образцы для замера твердости HV, как правило, отполированы, и их поверхность свободна от наклепа.

Обычно d<l мм, т. е. размеры отпечатка при определении твердости по Виккерсу, как правило, значительно меньше, чем в методе Бринелля. При грубой структуре образца это может вызвать больший разброс значений HV в разных точках образца по сравнению с разбросом НВ. Для получения достоверных средних значений HV приходится делать на каждом образце не менее пяти - десяти замеров.

209

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 углу между касательными к шарику для случая «идеального» отпечатка с d=0,375 D. Однако HB HV только до 400 - 450 HV. Выше этих значений метод Бринелля дает искаженные результаты из-за остаточной деформации стального шарика. Алмазная же пирамида в методе Виккерса позволяет определять твердость практически любых металлических материалов. Еще более важное преимущество этого метода – геометрическое подобие отпечатков при любых нагрузках. Поэтому возможно строгое количественное сопоставление чисел твердости HV любых материалов, испытанных при различных нагрузках.

4.12.3. 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 (1/18 дюйма) - вдавливается в образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Ро и общей P = P0 + P1, где Р1 — основная нагрузка. Число твердости по Роквеллу измеряют в условных единицах, оно является мерой глубины вдавливания индентора под определенной нагрузкой.

испытания. Это обеспечивает повышенную точность испытания, так как исключает влияние вибраций и тонкого поверхностного слоя. Под нагрузкой Р0 индентор погружается в обра-

210