Здесь обычно t = 10 ÷ 30 с. При измерении твердости в поверхностном слое образца под индентором возникает сложное напряженное состояние. Оно имеет схожесть с объемным сжатием, которое характеризуется отсутствием нормальных растягивающих напряжений при наличии значительных касательных напряжений. Это способствует возникновению пластического состояния и оценке твердости практически любых, в том числе и очень хрупких, материалов. В то же время напряженное состояние в приповерхностных слоях характеризуется значительной неоднородностью.
Сравнивать показатели твердости материалов можно только при условии, что они определены одинаковыми методиками. Среди стандартных методик испытания на твердость наибольшее практическое значение имеют статические испытания вдавливанием шарика (по Бринеллю — шкала В, по Роквеллу -шкалы В, F, G, E, H, K), конуса (по Роквеллу — шкалы А, С и D), пирамиды (по Виккерсу), пирамиды и бицилиндрического наконечника (по методу микротвердости). Измерение твердости перечисленными методами производится в соответствии с действующими ГОСТами. Общим обозначением численного результата определения твердости служит латинская буква Н [16−20]. Дополнительной буквой отмечается способ определения твердости:
НВ — твердость по Бринеллю;
HR — твердость по Роквеллу; HV — твердость по Виккерсу;
Н□, Н◊, HΔ, Н0 — микротвердость (в зависимости от формы алмазного наконечника).
Твердость по Бринеллю. ГОСТ 9012 устанавливает метод измерения твердости по Бринеллю металлов и сплавов с твердостью не более 450 ед. при использовании в качестве индентора стального шарика и 650 ед. при использовании в качестве индентора твердосплавного шарика.
Сущность метода заключается во вдавливании шарика в образец под действием нагрузки, приложенной перпендикулярно к поверхности образца, в течение определенного времени и измерении диаметра отпечатка после снятия нагрузки. Твердость по Бринеллю НВ (HBW — при использовании в качестве индентора твердосплавного шарика) выражается отношением приложенной нагрузки Р к площади поверхности сферического отпечатка F по формуле:
(3).
где D — диаметр шарика, мм;
d — диаметр отпечатка, мм.
При определении твердости по Бринеллю применяются шарики диаметром 10; 5; 2,5; 2; 1 мм с твердостью не менее 850 HV 10 для стального и 1500 HV 10 для твердосплавного. Форма отпечатка при различной глубине и соответствующих ей нагрузках не сохраняет геометрического подобия, и поэтому значение твердости зависит от величины приложенной нагрузки и времени ее приложения, особенно для пластичных материалов. Поэтому в ГОСТ 9012 оговорены уровни применяемых нагрузок, зависящих от соотношения К и D, приведенных в таблицах 2−3.
Таблица 2. Уровень нагрузки в зависимости от значения диаметра.
Диаметр шарика и соответствующую нагрузку надо выбирать так, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах 0,25−0,6D. Для выбора К (соотношение между нагрузкой и квадратом диаметра шарика) рекомендуется пользоваться данными таблицы 3.
Таблица 3. Рекомендуемые значения К.
Продолжительность выдержки под нагрузкой должна быть для черных металлов от 10 до 15 с, для цветных металлов и сплавов -от 10 до 180 с (в зависимости от материала и его твердости). Число твердости имеет размерность кгс/мм2, которая в соответствии со стандартом не пишется. Твердость, равная 185 ед. по Бринеллю при условии, что D = 10 мм, Р = 3000 кгс и продолжительность выдержки под нагрузкой от 10 до 15 с, обозначается цифрами, характеризующими величину твердости, и буквами НВ, например185 НВ, если использован стальной шарик.
При других условиях испытания после букв НВ (HBW) указываются условия испытания в следующем порядке: диаметр шарика, нагрузка и продолжительность выдержки под нагрузкой. Для получения правильных результатов необходимо соблюдать следующие условия:
-поверхность, подготовленная для испытания на твердость, должна быть плоской, параллельной опорной стороне, гладкой, сухой и свободной от посторонних веществ;
-наклеп и нагрев поверхности образца недопустимы;
-толщина испытуемого образца должна быть не меньше восьмикратной глубины отпечатка;
-твердость по Бринеллю определяется как среднее не менее чем из двух отпечатков на одном и том же материале; диаметр d каждого отпечатка измеряется в двух взаимно-перпендикулярных направлениях и берется его среднее значение.
Твердость по Роквеллу (ГОСТ 9013) и Роквеллу при малых нагрузках (Супер-Роквелл — ГОСТ 22 975). Стандарты устанавливают методы измерения твердости по Роквеллу (шкалы A, B, C, D, E, F, G, H, K) и по Супер-Роквеллу (шкалы N и T) при температуре 20ºС. Сущность методов заключается во внедрении в поверхность образца алмазного конусного (шкалы A, C, D, N) или стального сферического (шкалы B, E, F, G, H, K, T) наконечников под действием последовательно прикладываемых усилий предварительного Р0 и основного Р1 и в определении глубины внедрения наконечника после снятия основного усилия Р1. Твердость по Роквеллу выражается в условных отвлеченных единицах. Наконечник алмазный конусный типа НК по ГОСТ 9377 имеет угол при вершине 120° и радиус сферической части 0,2 мм.
Наконечники шариковые стальные по ГОСТ 3722 диаметром 1,588 мм- шкалы B, F, G, T, и диаметром 3,175 мм — шкалы E, H, K. Выбор индентора и нагрузки связан в основном с твердостью и толщиной испытываемого материала.
При измерении твердости по Роквеллу (ГОСТ 9013) предварительная нагрузка Р0 равна 10 кгс, а полная изменяется от 60 до 150кгс. При измерении твердости при малых нагрузках (ГОСТ 22 975) предварительная нагрузка равна 3 кгс, а полная изменяется от 15 до 45 кгс. Время выдержки под нагрузкой составляет 2−8 с. Число твердости по шкалам A, C, D, N, T выражается формулой.
HR (A, C, D, N, T) = 100 — e, (4).
а по всем другим шкалам -.
HR (B, E, F, G, H, K) = I30 — e, (5).
где е представляет собой остаточное увеличение глубины внедрения наконечника (после снятия основной Р1, при сохранении предварительной нагрузки Р0), которое выражается в условных единицахшкалы индикатора с ценой деления 0,002 мм (по шкалам А, В, С, D, E, F, G, H, K) и 0,001 мм (по шкалам N и Т).
Твердость по Роквеллу по ГОСТ 9013 обозначается цифрами, характеризующими величину твердости, и буквами HR с указанием шкалы твердости. Например, 60 HRC (твердость 60, шкала С) или 25 HRB (твердость 25, шкала В). В соответствии с ГОСТ 22 975 при обозначении твердости указывается использованная нагрузка: например, 75 HRN 15 (твердость 75, шкала N, нагрузка 15кгс). Существует несколько типов приборов для измерения твердости по Роквеллу: ТК, ТК-2 и Супер-Роквеллу:
ТКС-14−250. Последний от обычных твердомеров типа ТК отличается меньшим значением прилагаемой нагрузки и более точным индикатором с ценой деления 0,001 мм.
3.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Изучена и проанализирована современная нормативно-техническая документация на оборудование по определению механических свойств материалов. Описаны стандартизированные методики определения характеристик механических свойств материалов при нормальных температурах.
ЛИТЕРАТУРА
Федеральный Закон «О техническом регулировании» от 27.
12.2002 № 184-ФЗ. М.: ГД ФС РФ.
Гольцев В. Ю. Методы механических испытаний и механические свойства материалов: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2012. — 228 с.
ГОСТ 25.503−97. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов.
ГОСТ 28 840–90. Машины для испытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб. Общие технические требования ГОСТ 14 019–2003.
Материалы металлические. Метод испытания на изгиб ГОСТ 2789–73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики ГОСТ 7564–97 Прокат. Общие правила отбора проб, заготовок и образцов для механических и технологических испытаний ГОСТ 30 893.
1−2002 (ИСО 2768−1-89) Основные нормы взаимозаменяемости. Общие допуски. Предельные отклонения линейных и угловых размеров с неуказанными допусками ГОСТ 25.503−97. Расчеты и испытания на прочность. Метод испытания на сжатие.
ГОСТ 25.
506. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении.
ГОСТ 1497–84. Металлы. Методы испытания на растяжение.
ГОСТ 2999–75. Метод измерения твердости по Виккерсу.
ГОСТ 3565–80. Металлы. Метод испытания на кручение.
ГОСТ 9012–59. Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю.
ГОСТ 9013–59. Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу.
ГОСТ 9450–76. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников.
ГОСТ 14 019–2003.
Материалы металлические. Метод испытания на изгиб.
ГОСТ 22 975–78. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Роквеллу при малых нагрузках (по Супер-Роквеллу).
Махутов Н. А. Механические испытания в проблемах машиноведения и машиностроения// Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2008, т. 75, № 10, с. 38−43.
Гольцев В.Ю., Пирогов Е. Н. Методы механических испытаний и механические свойства материалов. Лабораторный практикум. М.: МИФИ, 2008. — 160 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ.
Изгиб сосредоточенной нагрузкой в середине пролета между опорами.
