Метод твердости. 
Металлургия. 
Остаточные напряжения в металлопродукции

Первые работы, посвященные выяснению зависимости между остаточными напряжениями и твердостью, появились в 1934—1936 гг., дав начало новому методу измерения остаточных напряжений [5J. Этот метод чрезвычайно прост и легко осуществим. Л. А. Гликман установил следующие закономерности изменения твердости: в упругорастянутой зоне — уменьшение на 14…17%, в упругосжатой зоне — увеличение на 20…25%.

Предложена методика качественного анализа остаточных напряжений по результатам двойного замера твердости: до и после разгрузки участка. Разгрузка может производиться сверлением трубчатой фрезой, пропиловкой надрезов и т. д. Аналогичные результаты были получены Сайнсоном и Карлсоном, установившими, что при напряжениях сжатия около 400 МПа твердость по Виккерсу повышается на 1%, а при напряжениях растяжения того же порядка — понижается на 5 %.

Количественное определение остаточных напряжений при измерении твердости по Герцу дал Помей. Для установления связи между твердостью и напряжениями проводится опытное испытание образцов из того же материала и строится зависимость между твердостью и напряжениями, определяется коэффициент К — тангенс угла наклона касательной к кривой в каждой точке.

Зная твердость по Герцу детали с остаточными напряжениями, можно определить их величину:

Применение метода измерения твердости по Герцу для исследования напряженного состояния на поверхности детали может рассматриваться как решение проблем экспресс-контроля качества металлоизделий непосредственно в технологическом потоке.

Методы замера твердости, несмотря на сложности количественной оценки, находят применение для анализа остаточных напряжений в упрочненных поверхностных слоях деталей и в покрытиях. Так, согласно материалам патентной заявки [64] определение тангенциальных остаточных напряжений в полых цилиндрических деталях и трубах осуществляют следующим образом. Первоначально замеряют твердость НВ в детали без остаточных напряжений, затем в реальной детали. Полое изделие подвергается нагружению внутренним гидростатическим давлением до получения твердости, соответствующей твердости в детали без остаточных напряжений. Затем замеряют внутреннее давление и по нему судят о приложенных и остаточных напряжениях. На практике предложенный способ трудно реализуем изза необходимости изготовления эталонного образца с тем же уровнем механических свойств, что и у испытуемой детали.

В патенте [65] предлагается способ определения остаточных напряжений в покрытиях методом замера твердости, сущность которого состоит в следующем.

Вдавливают пирамидальный индентор в поперечное сечение покрытия или слой материала до получения отпечатка твердости при ориентации его диагоналей ортогонально направлению действия остаточных напряжений. Регистрируют усилие вдавливания, измеряют после разгрузки геометрические параметры отпечатка, с учетом которых определяют остаточные напряжения. Испытания проводят с использованием стандартного пирамидального индентора Кнупа с основанием в виде ромба. Вдавливание индентора осуществляют в двух соседних областях покрытия или слоя материала при усилии вдавливания, превышающем критическое значение. Получают два отпечатка твердости с взаимно перпендикулярной ориентацией длинных диагоналей и, с учетом проведенных измерений, определяют значения твердости по отпечаткам, в которых длинная диагональ ориентирована соответственно параллельно НК, и перпендикулярно НК₂ направлению действия остаточных напряжений. Величину остаточных напряжений, а находят геометрически по разности значений твердости (НК, и НК₂) с использованием нормировочного графика, построенного независимым методом в координатах (НК, — НК₂) — а. Приведенные в патенте [65] примеры иллюстрируют работоспособность предложенного способа замера остаточных напряжений в упрочненных поверхностных слоях и покрытиях.

Для проведения испытаний изготовили образец из стали У8 в виде параллелепипеда с размерами 2×10×15 мм. На поверхность образца методом химического газофазного осаждения нанесли покрытие из карбида титана TiC при температуре 1050 °C в течение 6 часов. После охлаждения образец с покрытием TiC подвергли нормализации путем нагрева под слоем карбюризатора до температуры 820 «С с последующим охлаждением на воздухе. Из образца с покрытием изготовили поперечный шлиф по общепринятой методике. На приготовленном шлифе методом металлографического анализа на микроскопе EP1VAL при увеличении 1600 измерили толщину покрытия, которая составила 22 мкм.

Затем на микротвердометре ПМТ-3 провели предварительные испытания, которые включали статическое вдавливание стандартной алмазной пирамидой Кнупа в центральной части покрытия так, чтобы диагонали ее отпечатков были ориентированы ортогонально внешней границе покрытия, вдоль которой действуют возникшие остаточные напряжения.

В первой серии испытаний длинную диагональ отпечатков твердости ориентировали параллельно внешней границе покрытия, а во второй серии испытаний — перпендикулярно внешней границе покрытия. В каждой серии испытаний вдавливание индентора Кнупа осуществляли при ступенчатом возрастании усилия Р, Н, (0,2<0,4<0,6<0,8<1,0) при переходе от точки к точке. При каждом усилии вдавливания наносили не менее 10 отпечатков твердости. После испытаний измеряли линейный размер длинной диагонали отпечатков в каждой серии с использованием металлографического микроскопа при увеличении 1600^х. По результатам измерений определяли в каждой серии среднее значение микротвердости при ступенчатом возрастании усилия вдавливания /'из соотношения.

где S — плошадь проекции отпечатка; /' — усилие вдавливания, Н; d — размер длинной диагонали, м.

Для каждого усилия вдавливания значения твердости усредняли по результатам измерений 10 отпечатков. После этого построили графики зависимости средних значений твердости НК, НК, от усилия вдавливания для каждой серии испытаний и определили значения критических нагрузок Р_сл и Р_С2 при ориентации длинной диагонали отпечатков соответственно в направлениях параллельном и перпендикулярном внешней границе покрытия, которые составили Р_С] = 0,6 Н, />_С2=0,4Н.

Затем в двух соседних точках покрытия провели вдавливание индентора Кнупа при усилиях, превышающих значения критических нагрузок Р_с 1 = 0,6 Н и Р_С2= 0,4 Н, соответствующих ориентации длинной диагонали отпечатка параллельно и перпендикулярно внешней границе покрытия. После разгрузки измеряли размеры длинных диагоналей отпечатков, с учетом которых определили значения твердости Н К, (при направлении длинной диагонали отпечатка параллельно действию остаточных напряжений) и НК₂ (при направлении длинной диагонали отпечатка перпендикулярно действию остаточных напряжений).

Далее определили разность значений твердости НК,-НК, и с использованием нормативного графика в координатах (НК, — НК₂) — а, построенного по стреле прогиба при электролитическом травлении образца с покрытием TiC в координатах (НК, — НК₂) — а, определили величину остаточных напряжений б = —207 М Па на расстоянии от поверхности 12 мкм.

В другом примере для испытаний изготовили образец из стали Г13 в виде шайбы с плоскопараллельными противоположными поверхностями, которая имела диаметр 20 мм и толщину 2 мм. На изготовленный образец по стандартным технологическим режимам, используемым при прямом электронно-лучевом испарении, было нанесено покрытие из стали Х18 Н10 Т при температуре подложки 300 °C. Затем из образца с покрытием изготовили поперечный шлиф по общепринятой методике и измерили толщину покрытия так, как было описано в предыдущем примере. Поперечный шлиф покрытия был подвергнут испытаниям с проведением последующих измерений и графических построений по результатам предварительных испытаний для определения значений критических нагрузок Р_С1 и Р_С2 так, как это было описано в предыдущем примере. В каждой серии предварительных испытаний вдавливание индентора Кнупа осуществляли при ступенчатом возрастании усилия Р, Н (0,2<0,4<0,6<0,8<1,0<1,2<1,5) при переходе от точки к точке.

Замерены расстояние от поверхности (Y) и усилия вдавливания, которые превышали в испытаниях критические значения P_Ci и Р_С2 при ориентации длинной диагонали отпечатка твердости соответственно параллельно и перпендикулярно внешней границе покрытия. Величину остаточных напряжений б находили графически по разности значений твердости НК, и НК₂, определенных в двух соседних точках покрытия при усилиях, превышающих значения критических нагрузок РCI ^И Л;2 так, как это было описано в первом примере. Для нахождения остаточных напряжений, а использовали нормировочный график в координатах (НК, — НК₂) — б, построенный при испытаниях стали X18 Н10 Т на твердость в условиях одноосевого сжатия, при котором индентор Кнупа ориентировали длинной диагональю отпечатка параллельно и перпендикулярно направлению оси нагружения.

Для определения распределения остаточных напряжений по сечению покрытия статическое вдавливание проводили в двух соседних точках на различном расстоянии от поверхности. При испытаниях на каждом уровне для каждой ориентации длинной диагонали отпечатка относительно внешней границы покрытия наносили по 10 отпечатков индентора. Результаты испытаний: при Y= 50 мкм б = —270 МПа; при Y = 100 мкм б = —135 МПа; при Y = 150 мкм б = —65 МПа.