Определение твёрдости материалов, прочности и текучести

От твердости материала напрямую зависят другие его свойства, условия эксплуатации, способы применения, в том числе:

1. 1) износостойкость.
   Эта характеристика показывает, как долго материал может использоваться, не утрачивая свои первоначальные качества. Как правило, чем тверже металл, из которого изготовлена деталь, тем дольше она не потребует замены в каком-либо устройстве.
2. 2) простота и количество способов механической обработки (резка, штамповка, фрезеровка, гравировка, шлифовка, полировка и т.д.)
   Мягкие металлы и сплавы обрабатывать проще и быстрее, и многие методики применимы только к ним.
3. 3) устойчивость к локальным нагрузкам.
   Это особенно важно, если детали подвергаются постоянному или интенсивному трению, влиянию центробежной силы.
4. 4) возможность использования металла для воздействия на другие материалы.
   Например, некоторые виды стали отлично подходят для изготовления из них сверл, режущих дисков, ножей и пр.
5. 5) измерение твердости — это основное и наиболее эффективное средство диагностики состояния металла, пластика, бетона, резины.
   Замеры нужны для оценки качества сырья, поступающего на производство, и готовой продукции, отгружаемой заказчикам. Этот вид НК востребован в металлургии, строительстве, энергетической отрасли, судо-, авто-, машиностроении.

Не существует единой шкалы, которая используется при определении твердости материала. Но есть несколько методик, действующих по разным принципам и различающихся по типам инденторов (элементов твердомеров). Какой именно способ измерения нужно использовать в той или иной ситуации, зависит от вида материала и задачи, стоящей перед исследователем.

Метод Бринелля

Его разработал шведский металлург Юхан Август Бринелль. Суть метода в том, что образцы на стенде подвергаются статическим нагрузкам с силой равной 30 кН. При этом используются твердосплавные шарики диаметром 1/15 дюйма. Измерения проводятся следующим образом:

• на поверхность образца, закрепленного на стенде, устанавливают индентор;
• запускают пресс, который вдавливает шарик в объект контроля с нагрузкой 450 или 650 HB на протяжении 10-15 минут;
• после деактивации головки пресса осматривают отпечаток в образце, измеряют его диаметр и оценивают форму.

С учетом полученной информации, применяя специальную формулу, вычисляют твердость материала по Бриннелю.

Метод Роквелла

Представляет собой доработку американскими инженерами идеи австрийского ученого, предложенной в 1908 году. Роквеллы сконструировали гидромеханический твердомер для оперативного измерения заготовок из закаленных и высоколегированных сталей при изготовлении подшипников.

Индентором в этом случае выступает шарик из карбида вольфрама или инструментальной стали, либо конус с головкой, скругленной под углом 120 градусов.

При замерах на образец воздействуют нагрузки 60, 100 или 120 кгс. Результаты вносятся в таблицу, имеющую 11 шкал, обозначенных буквами от A до T. Затем выполняются расчеты по формуле, предложенной Роквеллами. Современные твердомеры оснащены дисплеем, на который выводятся результаты сразу же после испытания образца.

Метод Шора

Американский металлург Альберт Шор изобрел свой твердомер, работающий по технологии отскока. Иначе устройство также называют «дюрометр». Суть способа заключается в том, что на поверхность образца с определенной высоты перпендикулярно падает шарик или стержень из твердого сплава, имеющий сферический конец. Твердость материала определяют по расстоянию, на которое отскочил шарик, оттолкнувшись от образца.

Дюрометр представляет собой конструкцию из опоры площадью от 100 кв.см, измерительной шкалы, пружины, задающей необходимое ускорение, индентору. Для вычисления твердости обычно пользуются шкалами A и D. В высокоточных моделях их больше — от A до D, а еще O и OO.

Есть не только прямые, но и косвенные способы определения твердости материалов. Наибольшей популярностью пользуются динамические и ультразвуковые устройства, а за единицу измерения обычно принимают одну из существующих в прямых методах измерения — HSD, HRB, HV, HRA, HB.

Ультразвуковой способ

Применяет контактный УЗ-импеданс, регистрирующий, с какой частотой движутся внедренные в объекты контроля стальные стержни с алмазными наконечниками. Чем глубже они погружаются в материал, тем заметнее снижается частота колебаний.

Ультразвуковое измерение подходит для изготовленных из мелко- и среднезернистых металлов различных деталей любого размера и веса. Алмазные наконечники почти не оставляют следов после испытаний. Для заготовок из бронзы или чугуна этот вариант не подходит, поскольку металлы и сплавы этого типа имеют крупнозернистую структуру.

Динамический способ (метод Либа)

По способу воздействия на материал действия схож с методом Шора: на образец падает шарообразный индентор, но твердость определяется не по высоте его отскока, а по скорости. Боек изготовлен из карбида вольфрама.

Чем тверже металл, тем меньше энергии шарику требуется на оставление отпечатка и тем быстрее он отскакивает от поверхности.

Динамический метод используют для определения твердости закаленных и упрочненных стальных сплавов, крупногабаритных деталей, конструкций с шероховатой текстурой.

Твердомеры для динамических испытаний просты в применении, компактные, мобильные. Обычно они используются, когда нужно быстро провести замеры в труднодоступном месте. Но при этом устройства требуют периодической калибровки, поскольку в противном случае возможны значительные погрешности.

Твердометрия — это не только стандартный способ входного и сдаточного контроля изделий из металла, но и основное средство для проведения металлографического анализа.

Например, отслеживая изменения микротвердости дефектоскописты могут определить глубину обезуглероженного, упрочненного или неоднородного слоя в стальном прокате. Если металл имеет сложную дисперсную структуру после процедуры закалки, замеры твердости помогут с высокой точностью понять, был ли проведен отпуск.

Кроме того, замеры твердости дают возможность оценить прочность эксплуатируемых конструкций и механизмов, в частности, трубопроводов. В большинстве случаев для измерений используются портативные динамические или УЗ-твердомеры, не требующие сложных действий при подготовке поверхности.