Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

зец на глубину h0. Затем на образец подается полная нагрузка P = P0 + P1 и увеличивается глубина вдавливания. Последняя после снятия основной нагрузки Р1 (когда на индентор вновь действует только предварительная нагрузка Р0) определяет число твердости по Роквеллу (HR). Чем больше глубина вдавливания h, тем меньше число твердости HR.

Рис. 4.31. Схема измерения твердости по Роквеллу

При использовании в качестве индентора алмазного конуса твердость по Роквеллу определяют по двум «шкалам» - А и С. При измерении по шкале А: Р0 = 100 Н, Р1 = 500 Н, Р = 600 Н; по шкале С: Р0 = 100 Н, Р1 = 1400 Н, Р = 1500 Н. Число твердости выражается формулой

где е = (h—ho)/0,002 (0,002 мм - цена деления шкалы индикатора твердомера Роквелла).

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

211

При использовании в качестве индентора стального шарика число твердости HR определяют по шкале В, т.е. при Р0=100Н,

P1 = 900 H, Р = 1000 Н, по формуле

Числа твердости по Роквеллу записываются так же, как НВ и HV: HRC 65, HRA 80 и т. д.

По шкале А измеряют твердость в пределах 70 - 85, чему приблизительно соответствуют числа твердости HV 390 - 900,

по шкале В – 25 - 100 (HV 60 - 240), по шкале С – 20 - 67 (HV 240 - 900).

Для определения твердости по Роквеллу тонких образцов или слоев используют специальный прибор Супер-Роквелл. Он отличается от обычных твердомеров меньшей величиной прилагаемой нагрузки и более точным индикатором. Предварительная нагрузка у этого прибора 30 Н, а общая 150, 350 или 450 Н. По ГОСТ 2295—78 на этом приборе измеряют числа твердости HRN (индентор — алмазный конус, нагрузка 150 Н) и HRT (индентор — стальной шарик, нагрузка 450 Н). Одно деление индикатора соответствует здесь глубине вдавливания 0,001 мм. Супер-Роквелл используют для оценки твердости тонких листов, очень малых образцов, поверхностных слоев, изделий, которые могут продавливаться насквозь или разрушаться под действием большой 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. В заводских условиях его ценность велика благодаря простоте, высокой про-

212

изводительности, 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 Виккерсу или Роквеллу.

Числа твердости по разным методам можно определить на одном приборе. Например, универсальный твердомер УПТ-1 позволяет измерять твердость всеми тремя рассмотренными методами. Переход от одного метода к другому требует лишь смены индентора и грузов.

4.12.4. Микротвердость

Метод определения микротвердости предназначен для оценки твердости очень малых (микроскопических) объемов материалов. Его применяют для измерения твердости мелких деталей, тонкой проволоки или ленты, тонких поверхностных слоев, покрытий и т. д. Главное назначение - оценка твердости отдельных фаз или структурных составляющих сплавов, а также разницы в твердости отдельных участков этих составляющих.

Метод стандартизован. В качестве индентора при измерении микротвердости чаще всего, как и в случае определения твердости по Виккерсу, используют правильную четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136°. Эта пирамида плавно вдавливается в образец при нагрузках 0,05—5 Н. Число микротвердости H , МПа, определяется по формуле

где Р — нагрузка, Н; d - диагональ отпечатка, обычно 7-50 мкм; d2/l,854 - площадь боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка.

213

По ГОСТу число микротвердости, МПа, записывают без единицы измерения, например H -1050.

Микротвердость массивных образцов измеряют на металлографических шлифах, приготовленных специальным образом. Глубина вдавливания индентора при определении микротвердости составляет несколько микрометров и соизмерима с глубиной получаемого в результате механической шлифовки и полировки наклепанного поверхностного слоя. Поэтому методика удаления этого слоя имеет особенно важное значение.

Наклепанный слой удаляют обычно одним из трех методов: электрополировкой, отжигом готовых шлифов в вакууме или инертной атмосфере и глубоким химическим травлением. При использовании любого метода экспериментально устанавливают режим (время электрополировки или травления, плотность тока и концентрацию реактива, температуру и время отжига и т. д.), при котором полностью снимается наклеп в поверхностном слое образца. Для этого строят зависимость H от параметра, изменяемого при подборе режима снятия наклепанного слоя. Момент выхода на горизонталь величины H соответствует оптимальному режиму, который затем используется при подготовке аналогичных образцов.

При измерении микротвердости расстояние между центрами соседних отпечатков должно быть не менее двух длин диагонали большего отпечатка. Таким же должно быть расстояние от центра отпечатка до края образца, длина диагонали отпечатка — не более полуторной толщины образца.

Для определения числа микротвердости по длине диагонали при разных нагрузках Р существуют специальные таблицы и номограммы.

Фактически метод микротвердости — это разновидность метода Виккерса и отличается от него только использованием меньших нагрузок и соответственно меньшим размером отпечатка. Поэтому физический смысл числа микротвердости аналогичен HV. Для гомогенных однофазных материалов с круп-

214

ным зерном Н HV. Часто наблюдаемые отклонения от этого равенства, особенно в области Р < 0,05-0,1 Н, объясняются в основном большими погрешностями измерения микротвердости. Источники этих погрешностей - вибрации, инструментальные ошибки в измерении длины диагонали отпечатка, неидентичность условий ручного нагружения, искажения структуры поверхностного слоя и др. По мере уменьшения нагрузки все погрешности возрастают. Поэтому не рекомендуется работать с нагрузками, которые дают отпечатки с d<8—9 мкм. Использование приставок для автоматического нагружения, всемерное устранение вибраций, тщательная отработка методики приготовления шлифов позволяют свести ошибки в определении числа микротвердости к минимуму.

Как уже отмечалось, главная ценность метода микротвердости - это возможность оценки твердости отдельных фаз и структурных составляющих, что очень важно при решении многих металловедческих задач и чего нельзя сделать другими методами.

4.12.5. Наноиндентирование

Впервые метод непрерывного вдавливания индентора с одновременной регистрацией глубины отпечатка и величины нагрузки был впервые реализован более полувека назад П. Гродзинским. Непрерывно продолжающаяся миниатюризация изделий электронной техникиповысила интерес к изучению механических свойств материалов в нанометровом масштабе размеров. Поэтому, в настоящее время метод непрерывной регистрации сил вдавливания и глубины отпечатка в этом диапазоне все чаще стали квалифицировать как наноиндентирование.

Современные наноинденторы содержат силовую ячейку, с помощью которой выполняется программируемое нагружение, прецизионный датчик перемещений, непрерывно регистри-

215