Твердость это какое свойство
Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.
Это неразрушающий метод контроля, основной способ оценки качества термической обработки изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).
Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость. Схемы испытаний представлены на рис. 1.
Рис. 1. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу
В результате вдавливания с достаточно большой нагрузкой поверхностные слои материала, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически 5 деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Особенность происходящей при этом деформации заключается в том, что она протекает только в небольшом объеме, окруженном недеформированным материалом.
В таких условиях возникают главным образом касательные напряжения, а доля растягивающих напряжений незначительна по сравнению с получаемыми при других видах механических испытаний (на растяжение, изгиб, кручение, сжатие). Поэтому при измерении твердости вдавливанием пластическую деформацию испытывают не только пластичные, но также металлы (например, чугун), которые при обычных механических испытаниях (на растяжение, сжатие, кручение, изгиб) разрушаются практически без пластической деформации.
Таким образом, твердость характеризует сопротивление пластической деформации и представляет собой механическое свойство материала, отличающееся от других его механических свойств, способом измерения.
Преимущества измерения твердости следующие:
1. Между твердостью пластичных металлов, определяемой способом вдавливания, и другими механическими свойствами (главным образом пределом прочности), существует количественная зависимость. Так, сосредоточенная пластическая деформация металлов (при образовании шейки) аналогична деформации, создаваемой в поверхностных слоях металла при измерении твердости вдавливанием наконечника.
Подобная количественная зависимость не наблюдается для хрупких материалов, которые при испытаниях на растяжение (или сжатие, изгиб, кручение) разрушаются без заметной пластической деформации, а при измерении твердости получают пластическую деформацию. Однако в ряде случаев и для этих металлов (например, серых чугунов) наблюдается качественная зависимость между пределом прочности и твердостью; возрастанию твердости обычно соответствует увеличение предела прочности на сжатие.
По значениям твердости можно определять также и некоторые пластические свойства металлов. Твердость, определенная вдавливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в частности меди, дуралюмина и сталей в отожженном состоянии.
2. Измерение твердости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Испытания твердости не требуют изготовления специальных образцов и выполняются непосредственно на проверяемых деталях после зачистки на поверхности ровной горизонтальной площадки, а иногда даже и без такой подготовки.
Измерения твердости выполняются быстро.
3. Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения проверяемой детали, и после измерения её можно использовать по своему назначению, в то время как для определения прочности, пластичности и вязкости необходимо изготовление специальных образцов.
4. Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях, не превышающих (для некоторых способов измерения твердости) десятых долей миллиметра, или в микрообъемах металла; в последнем случае измерения проводят способом микротвердости. Поэтому многие способы измерения твердости пригодны для оценки различных по структуре и свойствам слоев металла, например поверхностного слоя цементованной, азотированной или закаленной стали, имеющей разную твердость по сечению детали. Методом определения микротвердости можно также измерять твердость отдельных составляющих в сплавах.
Следует различать два способа определения твердости вдавливанием: измерение макротвёрдости и измерение микротвердости.
Измерение макротвердости отличается тем, что в испытуемый материал вдавливается тело, проникающее на сравнительно большую глубину, ависящую от величины прилагаемой нагрузки и свойств металла. Кроме того, во многих испытаниях вдавливается тело значительных размеров, например стальной шарик диаметром 10 мм, в результате чего в деформируемом объёме оказываются представленными все фазы и структурные составляющие сплава. Измеренная твердость в этом случае характеризует твердость всего испытуемого материала.
Выбор формы, размеров наконечника и величины нагрузки зависит от целей испытания, структуры, ожидаемых свойств, состояния поверхности и размеров испытуемого образца. Если металл имеет гетерогенную структуру с крупными выделениями отдельных структурных составляющих, различных по свойствам (например, серый чугун, цветные подшипниковые сплавы), то для испытания твердости следует выбирать шарик большого диаметра.
Если же металл имеет сравнительно мелкую и однородную структуру, то малые по объёму участки испытуемого металла могут быть достаточно характерными для оценки его твёрдости. В этих случаях испытания можно проводить вдавливанием тела меньшего размера, например алмазного конуса или пирамиды, и на меньшую глубину, и, следовательно, при небольшой нагрузке.
При испытании металлов с высокой твердостью, например закаленной или низкоотпущенной стали, приведенное условие является даже обязательным, поскольку вдавливание стального шарика или алмаза с большой нагрузкой может вызвать деформацию шарика или скалывание алмаза.
Однако значительное снижение нагрузки нежелательно, так как это приведет к резкому уменьшению деформируемого объёма и может дать значения, не характерные для основной массы металла. Поэтому величины нагрузок и размеры получаемых в материалах отпечатков не должны быть меньше некоторых определенных пределов.
Измерение микротвёрдости имеет целью определить твёрдость отдельных зерен, фаз и структурных составляющих сплава (а не «усредненную» твёрдость, как при измерении макротвёрдости). В данном случае объём, деформируемый вдавливанием, должен быть меньше объёма (площади) измеряемого зерна. Поэтому прилагаемая нагрузка выбирается небольшой. Кроме того, микротвёрдость измеряют для характеристики свойств очень малых по размерам деталей.
Значительное влияние на результаты испытаний твёрдости оказывает состояние поверхности измеряемого материала. Если поверхность неровная — криволинейная или с выступами, то отдельные участки в различной степени участвуют в сопротивлении вдавливанию и деформации, что приводит к ошибкам в измерении. Чем меньше нагрузка для вдавливания, тем более тщательно должна быть подготовлена поверхность. Она должна представлять шлифованную горизонтальную площадку, а для измерения микротвердости — полированную.
Измеряемая поверхность должна быть установлена горизонтально, т. е. перпендикулярно действию вдавливаемого тела. Противоположная сторона образца также должна быть зачищена, и не иметь окалины, так как последняя при нагружении образца сминается, что искажает результаты измерения.
Для приблизительнойердости удобно пользоваться шкалой Мооса – набором из 10 минералов, расположенных по возрастанию твердости:
Тальк – 1 Полевой шпат — 6
Гипс – 2 Кварц – 7
Кальцит – 3 Топаз – 8
Флюорит – 4 Корунд – 9
Апатит — 5 Алмаз — 10
Метод измерения твёрдости вдавливанием шарика (твердость по Бринеллю)
Этот способ универсальный и используется для определения твердости практически всех материалов.
В материал вдавливается стальной шарик, и значения твердости определяют по величине поверхности отпечатка, оставляемого шариком. Шарик вдавливают с помощью пресса.
Рис.2. Схема прибора для получения твердости вдавливанием шарика (измерение по Бринеллю): 1 — столик для центровки образца; 2 — маховик; 3 — грузы; 4 — шарик; 5 — электродвигатель.
Испытуемый образец устанавливают на столике 1 в нижней части неподвижной станины пресса (рис. 2), зашлифованной поверхностью кверху. Поворотом вручную маховика 2по часовой стрелке столик поднимают так, чтобы шарик мог вдавиться в испытуемую поверхность. В прессах с электродвигателем вращают маховик 2 до упора и нажатием кнопки включают двигатель 5.
Последний перемещает коромысло и постепенно вдавливает шарик под действием нагрузки, сообщаемой привешенным к коромыслу грузом. Эта нагрузка действует в течение определенного времени, обычно 10-60 с, в зависимости от твердости измеряемого материала, после чего вал двигателя, вращаясь в обратную сторону, соответственно перемещает коромысло и снимает нагрузку. После автоматического выключения двигателя, поворачивая маховик 2против часовой стрелки, опускают столик прибора и затем снимают образец.
В образце остается отпечаток со сферической поверхностью (лунка). Диаметр отпечатка измеряют лупой, на окуляре которой нанесена шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. Диаметр отпечатка змеряют с точностью до 0,05 мм (при вдавливании шарика диаметром 10 и 5 (мм) в двух взаимно перпендикулярных направлениях; для определения твердости следует принимать среднюю из полученных величин.
Число твердости по Бринеллю НВ вычисляют по уравнению:
где Р — нагрузка на шарик, кг · с (1кг · с – 0,1 Мпа); D — диаметр вдавливаемого шарика, мм; d — диаметр отпечатка, мм. Получаемое число твердости при прочих равных условиях тем выше, чем меньше диаметр отпечатка.
Однако получение постоянной и одинаковой зависимости между Р и d, необходимое для точного определения твердости, достигается только при соблюдении определенных условий. При вдавливании шарика на разную глубину, т. е. с разной нагрузкой для одного и того же материала, не соблюдается закон подобия между получаемыми диаметрами отпечатка.
Наибольшие отклонения наблюдаются, если шарик вдавливается с малой нагрузкой и оставляет отпечаток небольшого диаметра или вдавливается с очень большой нагрузкой и оставляет отпечаток с диаметром близким к диаметру шарика. Поэтому твердость материалов измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки Ри квадратом диаметра шарика D2. Это соотношение должно быть различным для материалов разной твердости.
В процессе вдавливания наряду с пластической деформацией измеряемого материала происходит также упругая деформация вдавливаемого шарика. Величина этой деформации, искажающей результаты определения, возрастает при измерении твердых материалов. Поэтому испытания вдавливанием шарика ограничивают измерением металлов небольшой и средней твердости (для стали с твердостью не более НВ = 450).
Известное влияние оказывает также длительность выдержки металла под нагрузкой. Легкоплавкие металлы (свинец, цинк, баббиты), имеющие низкую температуру рекристаллизации, испытывают пластическую деформацию не только в момент вдавливания, но и в течение некоторого времени после приложения нагрузки. С увеличением выдержки под нагрузкой пластическая деформация этих металлов практически стабилизируется.
Для металлов с высокими температурами плавления влияние продолжительности выдержки под нагрузкой незначительно, что позволяет применять более короткие выдержки (10-30 с).
При измерении твердости шариком определенного диаметра и с установленными нагрузками на практике пользуются заранее составленными таблицами, указывающими число НВ в зависимости от диаметра отпечатка и соотношения между нагрузкой Ри поверхностью отпечатка F. При указании твердости НВ иногда отмечают принятые нагрузку и диаметр шарика.
Между пределом прочности и числом твердости НВ различных металлов существует следующая зависимость:
Сталь с твердостью НВ:
— 120-175 sb » 0,34 HВ
— 175-450 sb » 0,35 HВ
Медь, латунь, бронза:
— отожженная sb » 0,55 HВ
— наклепанная sb » 0,40 HВ
Алюминий и алюминиевые сплавы с твердостью НВ:
— 20 — 45 sb » (0,33 — 0,36) НВ
Дуралюмин:
— отожженный sb » 0,36 HВ
— после закалки и старения sb » 0,35 HВ
Определение
твердости металлов
Твердость
— свойство материала оказывать сопротивление упругой и пластической деформации
или разрушению при внедрении в поверхностный слой материала другого, более
твердого и не получающего остаточной деформации тела — индентора.
Способы
определения твердости в зависимости от временного характера приложения нагрузки
и измерения сопротивления вдав- ливанию индентора подразделяют на
статические,
динамические
и
кинетические.
Наиболее распространенными являются
статические
методы,
при которых нагрузку к индентору прикладывают плавно и постепенно, а время
выдержки под нагрузкой регламентируется стандартами на соответствующие методы.
При
динамических
методах
определения твердости индентор подействует на образец с определенной
кинетической энергией, мтрачиваемой на упругую отдачу и/или формирование
отпечатка, динамическую твердость часто называют также твердостью материала при
ударе. Твердость при ударе характеризует сопротивление внедрению не только на
поверхности образца, но и в некотором объеме материала.
Кинетические
методы
определения твердости основываются на непрерывной регистрации процесса
вдавливания индентора с записью диаграммы «нагрузка на индентор — глубина
внедрения индентора. Особенность такого подхода заключается в регистрации всей
кинетики процесса упругопластического деформирования материала при вдавливании
индентора, а не только конечного результата испытаний, как при других методах.
По принципу
приложения нагрузки способы определения твердости можно подразделить на способы
вдавливания,
отскока, царапания
и
резания.
Способы
вдавливания
являются наиболее распространенными. Твердость в этом случае определяется как
сопротивление, которое оказывает испытуемое тело внедрению более твердого
индентора и отражает преимущественно сопротивление поверхностных слоев материала
пластической деформации. Способы
отскока
основаны на измерении твердости по высоте отскока бойка, падающего на испытуемую
поверхность. Твердость при этом отражает преимущественно сопротивление упругой
деформации. Измерение твердости способом отскока широко применяют для контроля
качества прокатных валков, больших изделий и конструкций с использованием
переносных приборов.
Способами
царапания
и
резания
твердость определяется соответственно как сопротивление материала царапанию или
резанию.
Способ царапания разработал Моос в начале XIX в.; им были предложена шкала
твердости минералов по способности одного наносить царапины на поверхности
другого. Эта десятибалльная шкала (от талька №
1
до алмаза № 10) используется в минералогии, а также для
оценки твердости технической керамики и моно» кристаллов.
При
определении твердости всеми методами (кроме микротвердости) измеряют
интегральное значение твердости материала (усредненное для всех структурных
составляющих). Поэтому получающийся после снятия нагрузки отпечаток должен быть
по размеру значительно больше размеров зерен и других структурных составляющих
тестируемого материала.
Значения
твердости нельзя однозначно переводить в значения других механических свойств
материала (см. ниже). Однако определение твердости является эффективным способом
сравнения друг с другом однотипных материалов и контроля их качества.
Металлопродукцию из меди и медных сплавов в состоянии поставки разделяют по
твердости на пять видов (см. ниже).
Твердость по Бринеллю
При практическом определении твердости разными методами нагрузку P
по настоящее время принято задавать в кгс.
Метод
измерения твердости по Бринеллю регламентирован ГОСТ 9012.
При
определении твердости этим методом стальной шарик определенного диаметра
D
вдавливают в тестируемый образец под действием нагрузки
Р,
приложенной перпендикулярно к поверхности образца, в течение определенного
времени (Рис. 1). После снятия нагрузки измеряют диаметр отпечатка
d.
Число твердости по Бринеллю обозначается буквами НВ, и его определяют путем
деления нагрузки
Р
на площадь поверхности сферического отпечатка
F.
Для удобства имеются таблицы чисел твердости по Бринеллю и зависимости от
диаметра шарика
D,
диаметра отпечатка
d
и нагрузки
Р.
Рис. 1. Схема измерения твердости по Бринеллю
В качестве
инденторов используют полированные
(Ra
<
0,04 мкм) шарики из стали ШХ15 с номинальными диаметрами D = 1; 2; 2,5; 5
и
10
мм,
последние считаются более предпочтительными, как обеспечивающие большую точность
измерения твердости (особенно при измерении твердости чугуна или крупнозернистых
сплавов).
Минимально
допустимая толщина образца для корректного измерения твердости НВ должна быть не
менее десятикратной глубины отпечатка h.
Испытания
проводят при комнатной температуре в отсутствие вибраций и ударов. Время
выдержки под нагрузкой т для черных металлов составляет 10…15 с, а для цветных
металлов и сплавов от 10 до 180 с. Нагрузку на индентор выбирают с учетом
соотношения
К = Р/D2:
Металлы и сплавы
К, кгс/мм2
Сталь, чугун и другие высокопрочные сплавы ………….30
Медь, никель и их сплавы………………………………….10
Алюминий, магний и их сплавы………………………….. 5
Например,
при испытании сталей и чугунов при диаметре шарика
D
= 10
мм нагрузка должна быть 3000 кгс, а время выдержки под нагрузкой 10…15 с.
Число твердости в этом случае обозначается цифрами со стоящим после них
символом НВ (например, 250 НВ). Иногда после букв НВ указывают условия испытаний
— НВ
D/P/τ,
например: 250 НВ 5/750/25 — твердость по Бринеллю 250, полученная при диаметре
шарика
D
= 5
мм, нагрузке
Р =
750 кгс и времени выдержки под нагрузкой т = 25 с.
Измерение
твердости по Бринеллю не рекомендуется применять для стали с твердостью более
450 НВ, а для цветных металлов более 200 НВ.
Твердость по Виккерсу
Метод измерения твердости по Виккерсу
регламентируется ГОСТ 2999. Метод используют для определения твердости деталей и
металлопродукции малой толщины, а также тонких поверхностных слоев, имеющих
высокую твердость.
Твердость по Виккерсу измеряют путем
вдавливания в образец (изделие) алмазного наконечника в форме правильной
четырехгранной пирамиды под действием нагрузки
Р
в течение времени выдержки τ (Рис. 2). После снятия нагруби измеряют диагонали
оставшегося на поверхности материала отпечатка –d1,
d2
и вычисляют их среднее арифметическое значение —
d,
мм.
Значения твердости по Виккерсу при стандартных
нагрузках н зависимости от длины диагонали
d
(мм) даны
в соответствующих таблицах.
При испытаниях применяют следующие нагрузки
Р,
кгc: 1; 2; 2,5; 3; 5; 10; 20; 30; 50; 100.
Число твердости по Виккерсу обозначают цифрами,
характеризующими величину твердости со стоящим после них символом
HV
(например, 200
HV).
Иногда после символа
HV указывают нагрузку и время выдержки, например: 200
HV 10/40 —
твердость по Виккерсу, полученная при нагрузке
Р=
10 кгс
и времени выдержки под нагрузкой т = 40 с.
В ГОСТе
сказано, что точного перевода чисел твердости по Виккерсу на числа твердости,
полученные другими методами, или на механические свойства при растяжении не
существует и таких переводов (за исключением частных случаев) следует избегать.
Рис 2. Схема измерения твердости по
Виккерсу
Твердость по Роквеллу
Метод измерения твердости по Роквеллу регламентирован ГОСТ 9013. При определении
твердости этим методом (Рис. 3) тестируемый образец (изделие) под действием двух
последовательно прилагаемых
нагрузок
— предварительной
P0
(обычно
Р0
= 10 кгс) и общей
Р
—
вдавливают
индентор (алмазный конус или стальной шарик). При этом общая нагрузка равна
сумме предварительной
P0
и
основной
Р1
нагрузок:
P
=
P0+P1
После выдержки под приложенной общей нагрузкой
Р
в течение 3…5 с основную нагрузку
Р1
снимают и измеряют глубину проникновения индентора в материал А под действием
общей нагрузки
Р
затем снимают оставшуюся предварительную нагрузку
P0.
Твердость по Роквеллу измеряют в условных
единицах. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому
перемещению индентора на 0,002 мм. Число твердости определяется по шкале
индикатора (как правило, часового типа). Индикатор показывает результат
вычитания разности глубин (h –h0), на которые вдавливается
индентор под действием двух последовательно приложенных нагрузок, из некоторой
константы. Величина h0 — глубина внедрения индентора в
испытуемый образец под действием предварительной нагрузки
P0
(см. Рис 3).
В зависимости от формы индентора и прилагаемой
нагрузки введены три измерительные шкалы:
А, В,
С (Табл. 1). Наиболее часто используемыми шкалами являются
А
и С.
Число твердости по Роквеллу обозначается цифрами, характеризующими величину
твердости, со стоящим после них символом
HIRA,
HRB
или
HRC
(в зависимости от используемой шкалы измерения), например: 25,5
HRC
Рис. 3. Схема измерения твердости по Роквеллу
| Шкала | Применяемый индикатор | Нагрузка, кгс | Область применения | ||
| P — общая | P0 — предварит. | P1 — основная | |||
| А | Алмазный конус | 60 | 10 | 50 | Материалы с твердостью HRA 70 — 85 |
| B | Стальной шарик | 100 | 10 | 90 | Низко- и среднеуглеродистые стали, латуни, бронзы и |
| C | Алмазный конус | 150 | 10 | 140 | Стали и сплавы с твердостью HRC 20 — 67 |
Таб.
1. Шкалы, использующиеся при измерении твердости по Роквеллу
Твердость по Шору
Метод измерения твердости по Шору
регламентирован ГОСТ 23273. Это — основной метод определения твердости
поверхности
прокатных валков при их изготовлении, поставке
на металлургическое предприятие, а также в процессе эксплуатации валков на
прокатных станах.
При измерении твердости по Шору боек
определенной массы
с
алмазным индентором на конце свободно
падает по вертикали с определенной высоты hпадения = 19,0 ± 0,5 мм на
испытуемую поверхность материала (Рис. 4). Индентор представляет собой алмазный
наконечник в виде тела вращения с радиусом
закруглений
рабочего конца
R
= 1,0 ± 0,1 мм. Масса бойка вместе с алмазным индентором составляет 36,0 г.
За характеристику твердости принимается высота
отскока бойка
h
(см. Рис. 4), измеряемая в условных единицах. За 100 единиц твердости по Шору
принимается определенная величина отскока бойка h100=
13,6 ± 0,5 мм. Такая твердость соответствует максимальной твердости
стабилизированной после закалки на мартенсит углеродистой эвтектоидной
инструментальной стали по ГОСТ 1435. Согласно стандарту твердость по Шору
измеряют в диапазоне от 20 до 140 единиц (HSD).
Число твердости по Шору обозначается цифрами, характеризующими величину
твердости, со стоящим после них символом
HSD,
например 95
HSD.
Число твердости указывается с округлением до целого числа.
Величина твердости по Шору не имеет точного перевода на другие величины
твердостей или на прочностные свойства, получаемые при механических испытаниях.
Рис. 4 Схема измерения твердости по Шору
Микротвердость
Метод измерения микротвердости регламентирован
ГОСТ 9450. Определение микротвердости (твердости в микроскопически малых
объемах) проводят при исследовании отдельных структурных составляющих сплавов,
тонких покрытий, а также при измерении твердости мелких деталей. Прибор для
определения микротвердости состоит из механизма для вдавливания алмазной
пирамиды под небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа. В
испытываемую поверхность вдавливают алмазную пирамиду под нагрузкой 0,05…5 Н.
Микротвердость измеряют путем вдавливания в
образец (изделие) алмазного индентора под действием статической нагрузки
Р
н
течение определенного времени выдержки т (см. Рис. 5). Число твердости
определяют (как и по Виккерсу) делением приложенной нагрузки в Н или кгс на
условную площадь боковой поверхности полученного отпечатка в мм2.
Основным вариантом испытания является так называемый
метод
восстановленного отпечатка, когда размеры отпечатков определяются после снятия
нагрузки. Для случая, когда требуется определение дополнительных характеристик
материала (упругое восстановление, релаксация, ползучесть при комнатной
температуре и др.) допускается проводить испытание по методу
невосстановленного отпечатка. При этом размеры отпечатка определяют на глубине
вдавливания индентора в процессе приложения нагрузки.
Практически микротвердость определяют по
стандартным таблицам дня конкретной формы индентора, нагрузки
Р
и полученных в испытании размеров диагоналей отпечатка.
В качестве инденторов используют алмазные
наконечники разных форм и размеров в зависимости от назначения испытании
микротвердости. Основным и наиболее распространенным намниконечником является
четырехгранная алмазная пирамида с квадратым основанием (по форме подобна
индентору, применяющемуся при определении твердости по Виккерсу — см. Рис. 2).
Число микротвердости обозначают цифрами, характеризующими величину твердости со
стоящим перед ними символом H с указанием индекса формы наконечника, например, Н□
=
3000 Допускается указывать после индекса формы наконечника величину прилагаемой
нагрузки, например: Н□
0,196
= 3000 — число микротвердости 3000 Н/мм2, полученное при испытании с
четырех гранной пирамидой при нагрузке 0,196 Н. Размерность
микротвердости
(Н/мм2 или кгс/мм2) обычно не указывают.
Если микротвердость определяли по методу невосстановленного отпечанка, то к
индексу формы наконечника добавляют букву
h
(Н□h).
Соотношение значений твердости
При сопоставлении значений твердости,
полученных разными методами, между собой и с механическими свойствами материалов
необходимо помнить, что приводимые в литературных источниках таблицы или
зависимости для такого сопоставительного перевода являются чисто эмпирическими.
Физического смысла такой перевод лишен, так как при вдавливании
paзличных
по форме и размерам инденторов и с разной нагрузкой твердость определяется при
совершенно различных напряженных состояниях материала.
Даже при одном и том же способе измерения твердости значение сильно зависит от
нагрузки: при меньших нагрузках значения твердости получаются более высокими
(Рис. 5).
Рис. 5. Зависимость твердости по Виккерсу (HV)
от испытательной нагрузки
То же самое справедливо и для сопоставления
значений твердости с механическими свойствами материала, определяемыми при
растяжении или других формах нагружения. Кроме того, традиционные механические
характеристики материала (предел пропорциональности, предел текучести, предел
прочности, относительное удлинение и др.) являются интегральными
характеристиками всего испытуемого образца материала и зависят от формы образца
и условий испытаний. Они, в частности, отражают различие в протекании процессов
структурной самоорганизации во внутренних и приповерхностных слоях материала,
поэтому на них оказывают сильное влияние состояние и структура поверхностных
слоев материала, в том числе поверхностная обработка, наличие покрытий,
топографическая структура поверхности и т. д. Например, в зависимости от
состояния поверхности предел текучести для одного и того же материала может
различаться на 50% и более. Значения же твердости, напротив, отражают свойства
материала при локальном нагружении вдавливанием индентора. Естественно, что
интегральные свойства материала в принципе нельзя полностью вынести из
локальных.
В связи с отмеченным пользоваться переводом
чисел твердости, полученных разными методами, следует очень осторожно и
преимущественно для предварительной оценки относительного изменения свойств
материала. Тем не менее, в ряде конкретных случаев и для одного и того же или
очень близких по свойствам и структуре материалов такой перевод может оказаться
достаточно точным и может служить основой оперативных методов неразрушающего
контроля. Ориентировочный перевод значений твердости, определяемый различными
методами, приведен в табл. 2.
| Твердость по Бринеллю (D= 10 мм, Р= 3000 кгс), НВ | Твердость по Роквеллу (шкала С, Р = 150 кгс), HRC | Твердость по Виккерсу, HV | Твердость по Шору, HSD |
| 143 | — | 143 | 23 |
| 149 | — | 149 | 24 |
| 156 | — | 155 | 26 |
| 163 | 2 | 162 | 27 |
| 170 | 4 | 171 | 28 |
| 179 | 7 | 178 | 29 |
| 187 | 9 | 186 | 30 |
| 197 | 12 | 197 | 31 |
| 207 | 14 | 208 | 33 |
| 217 | 17 | 217 | 34 |
| 229 | 20 | 228 | 36 |
| 241 | 23 | 240 | 38 |
| 255 | 25 | 255 | 40 |
| 269 | 27 | 270 | 42 |
| 285 | 29 | 285 | 44 |
| 302 | 31 | 303 | 46 |
| 321 | 33 | 320 | 49 |
| 341 | 36 | 344 | 51 |
| 363 | 39 | 380 | 54 |
| 388 | 41 | 401 | 57 |
| 143 | — | 143 | 23 |
| 149 | — | 149 | 24 |
| 156 | — | 155 | 26 |
| 163 | 2 | 162 | 27 |
| 170 | 4 | 171 | 28 |
| 179 | 7 | 178 | 29 |
| 187 | 9 | 186 | 30 |
| 197 | 12 | 197 | 31 |
| 207 | 14 | 208 | 33 |
| 217 | 17 | 217 | 34 |
| 229 | 20 | 228 | 36 |
| 241 | 23 | 240 | 38 |
| 255 | 25 | 255 | 40 |
| 269 | 27 | 270 | 42 |
| 285 | 29 | 285 | 44 |
| 302 | 31 | 303 | 46 |
| 321 | 33 | 320 | 49 |
| 341 | 36 | 344 | 51 |
| 363 | 39 | 380 | 54 |
| 388 | 41 | 401 | 57 |
| 415 | 43 | 435 | 61 |
| 444 | 46 | 474 | 64 |
| 477 | 49 | 534 | 68 |
| 514 | 52 | 587 | 73 |
| 555 | 56 | 650 | 78 |
| 600 | 60 | 746 | 84 |
| 653 | 64 | 868 | 91 |
| 682 | 66 | 941 | 94 |
| 712 | 68 | 1022 | 98 |
| 745 | 70 | 1116 | 102 |
| 780 | 72 | 1220 | 106 |
Табл.
2. Ориентировочный перевод чисел твердости, определяемых различными методами (по
М.Л. Бернштейну, А.Г. Рахштадту и др.)
По твердости в состоянии поставки металлопрокат
тяжелых цветных металлов и сплавов отечественных заводов ОЦМ разделяют на
следующие виды в зависимости от степени холодной деформации после отжига: мягкий
(М) — ε = 0, четвертьтвердый (Ч) — ε = 5… 10%, полутвердый (ПТ) — ε =
15…25%, твердый (Т) — ε = 35…50%, особотвердый (ОТ) — ε > 50
Поскольку твердость косвенно связана с другими
показателями механических свойств, то прокат определенной твердости имеет но
многих случаях и вполне определенные для данного состояния прочность,
пластичность или упругость.
Однако, как было показано выше, в явном виде
связи между твердостью и другими механическими свойствами не существует.
Поэтому готовый прокат подвергают различным механическим испытаниям (например,
на растяжение), выполняют технологические пробы на выдавливание лунки, на
перегиб и др.