Твердость - свойство материала сопротивляться воздействию внешних нагрузок при непосредственном соприкосновении.
Все методы измерения твердости имеют одинаковый принцип:
вдавливание в поверхность образца инородного тела (индентора) различной формы, размера с различной нагрузкой.
Различают следующие методы определения твердости:
1. Метод Бринелля (индентор – стальной шарик);
2. Метод Роквелла (индентор - алмазный конус или стальной шарик);
3. Метод Виккерса (индентор - алмазная пирамидка).
Схемы этих методов приведены на рис. 4.1.
Рис. 4.1. Схема определения твердости:
а) - по Бринеллю; 6) - по Роквеллу; в) - по Виккерсу
Метод Бринелля
Испытание по методу Бринелля (рис. 4.1, а) состоит из вдавливания в
испытуемое тело стального шарика диаметром D под действием постоянной нагрузки Р ( Р=1000 кг — для цветных металлов; Р—3000 кг — для черных металлов) и измерении диаметра отпечатка d на поверхности образца. Число твердости по Бринеллю НВопределяется величиной нагрузки Р, деленной на сферическую поверхность отпечатка. Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость металла. На практике твердость определяют не по формулам, а по специальным таблицам, исходя из диаметра отпечатка d.
Твердость по Бринеллю обозначается НВ, где Н –твердость, В – метод Бринелля. Твердость по Бринеллю измеряется в МПа.
Метод Роквелла
Измерение твердости по этому методу проходит быстрее и удобнее, чем по методу Бринелля, так как значение твердости выводится на шкалу прибора.
При испытании по методу Роквелла (рис. 4.1, б) индентором служит алмазный конус или для более мягких материалов - стальной шарик. Конус и шарик вдавливаются в металл с различной нагрузкой. На приборе имеются три шкалы. При испытании алмазным конусом и нагрузке Р= 150 кг шкала обозначается С, а твердость обозначается HRC, при испытании алмазным конусом, но с нагрузкой Р = 60кг шкала обозначается A, а твердость - HRA, при испытании стальным шариком с нагрузкой 100кг шкала обозначается В, а твердость - HRB (таблица 4.1).
Таблица 4.1.
Шкалы прибора Роквелла.
| Обозначение шкалы | Цвет шкалы прибора | Индентор | Нагрузка Р, кг |
| НRA | Черный | Алмазный конус | |
| HRB | Красный | Стальной шарик | |
| HRC | Черный | Алмзный конус |
Единицы твердости по Роквеллу — безразмерные величины.
Метод Виккерса
Твердость по Виккерсу (рис. 4.1, в) определяют путем вдавливания правильной четырехгранной пирамидки под действием нагрузки Р и измерения диагонали отпечатка d. Нагрузка меняется от 1 до 100 кг. Число твердости по Виккерсу HV определяют с помощью специальных таблиц по величине диагонали отпечатка.
Метод Виккерса служит для измерения твердости в тонких сечениях и поверхностных слоях. Измеряется в МПа и обозначается HV.
Микротвердость
Для измерения микротвердости используется в качестве индентора алмазная пирамидка, которая вдавливается с нагрузкой Р 10г-500г. Приборы для измерения микротвердости оснащены оптическим микроскопом, так как сам метод используют для измерения твердости отдельных зерен и других элементов микроструктуры.
Микротвердость обозначается Ни измеряется в МПа.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ
МЕТОДОМ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ
Испытания на одноосное растяжение - наиболее распространенный вид испытаний для оценки механических свойств металлов и сплавов. Для испытаний на растяжение используют стандартные разрывные образцы с рабочей частью в виде цилиндра (цилиндрические, рис.4.2, б), или стержня с прямоугольным сечением (плоские образцы, рис.4.2, а).
Помимо основной рабочей части, образцы имеют головки различной конфигурации для закрепления в захватах разрывной машины.
Непосредственно перед испытаниями измеряют рабочие размеры образца:
1. Начальную длину рабочей части образца - 10, мм;
2. Начальный диаметр рабочей части для цилиндрических образцов - d0, мм;
3. Начальные толщину - h0, мм и ширину b0, мм для плоских образцов.
Рис.4.2. Типы стандартных цилиндрических образцов
| 
|
| а) Плоский разрывной образец | б) Цилиндрический разрывной образец |
При испытании образцов на разрывной машине записывается диаграмма растяжения в координатах нагрузка Р, кг и удлинение l, мм. Подобные диаграммы называются неприведенными. Диаграммы растяжения в координатах напряжение , МПа и деформация , % называются приведенными.
Рис.4.3. Диаграммы растяжения.
| а) приведенная диаграмма растяжения | б) неприведенная диаграмма растяжения |
| 
|
Под воздействием приложенной к образцу нагрузки материал начинает деформироваться. На разных этапах растяжения образца в материале возникают разные виды деформации: упругая и пластическая, механизм которых носит различный характер.
Виды деформации.
Упругая деформация — обратимая деформация, т.е. полностью исчезает после снятия нагрузки.
Механизм упругой деформации заключается в смещении атомов на небольшие расстояния около своего равновесного положения в кристаллической решетке и последующего возвращения в исходное состояние под действием сил межатомного взаимодействия (сил притяжения в случае растяжения и сил отталкивания в случае сжатия).
Пластическая деформация — необратимая (остаточная) деформация. Накапливается в материале по мере приложения нагрузки, сопровождается видимыми изменениями размеров образца.
Механизм пластической деформации заключается в движении и размножении дислокаций с одновременным увеличением их плотности по кристаллографическим плоскостям (рис.4.4.). Механизмы движения дислокаций совпадают с механизмами самой пластической деформации.
Рис.4.4. Схема пластической деформации путем последовательных
перемещений дислокации в кристаллической решетке.
Рассмотрим механические свойства и их количественные характеристики, определяемые из диаграммы растяжения.
Жесткость
При малых напряжениях приложение нагрузки вызывает только упругую обратимую деформацию. В этой области нагружения деформация ,строго пропорциональна напряжению и между ними имеется линейная зависимость:
= Е,
где Е - модуль упругости (модуль Юнга), размерность МПа.
Модуль упругости является количественной характеристикой жесткости материала и определяется, как тангенс угла наклона на прямолинейном отрезке диаграммы растяжения OA (рис.4.5) .Модуль упругости определяется силами межатомного взаимодействия и практически не зависит от состава и структуры материала.
.
Рис.4.5. Диаграмма растяжения для определения
количественных характеристик механических свойств
Упругость