Твердость материалов тела

Механические свойства материалов данного состава и обработки зависят от вида напряжённого состояния, создаваемого в образцах при испытаниях, условий нагружения, скорости, температуры и состояния внешней среды. Различают статические и усталостные, а также динамические испытания.

1. Статические и усталостные испытания При растяжении образца на испытательной машине до разрушения, графически фиксируется зависимость между приложенным усилием и удлинением образца, т.н. диаграмма деформации.

При этом определяют:

Р,_щ, предел пропорциональности, когда отступление от линейной зависимости достигает 50%. Р — сила, приложенная к образцу; а = — - напряжение;

Лш,^о.о5 — предел упругости (условной), т.с. напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05% от длины участка образца;

Ро, 2, tfb, 2 — предел упругости (условный), т. е. напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от длины участка образца;

Р_в, о_в — временное сопротивление (напряжение), соответствующее наибольшей нагрузке Р_тах, предшествующей разрушению образца;

Р_к, (7_К — истинное напряжение разрыва.

Кроме того, проводят испытания на ползучесть, длительную прочность, изгиб, сжатие, усталость.

2. Динамические испытания и вязкость разрушения.

Твёрдость — характеристика материала, отражающая его прочность и пластичность.

Твёрдость — сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твёрдого тела (индентора — англ, indentor, от лаг. in — в, внутрь и.

dens (dentis) — зуб), а именно: алмаза, шарика, пирамиды или конуса из закалённой стали.

В зависимости от метода испытания и испытуемого материала твёрдость может оцениваться разными критериями. В большинстве случаев твёрдость определяется по размерам оставшегося на поверхности отпечатка (методы Бринслля, Виккерса и Роквелла).

При определении твёрдости минералов чаще всего используют метод царапания.

Метод Бринеллн (по имени шведского инженера Бринелля, J.A. Brinell, 1849 — 1928) — способ определения твёрдости материалов вдавливанием в испытуемую поверхность стального закалённого шарика диаметром D 1,0, 2,0, 2,5, 5,0 или 10,0 мм при заданной нагрузке F от 9,8 Н до 29,43 кН (от 1 до 3.000 кг) в течение определённого времени (ГОСТ 9012−59). Число твёрдости по Бринеллю — НВ — есть отношение величины нагрузки (кг) к площади поверхности отпечатка (в квадратных миллиметрах).

где d — диаметр отпечатка, мм.

Для получения сопоставимых результатов относительно.

Р

твёрдые материалы (НВ свыше 130) испытывают при = 30, где Р — приложенная нагрузка; D — диаметр шарика; материалы средней твёрдости (НВ 30 — 130) — при = = 10, мягкие (НВ ниже 30) — при = 2,5. Испытания проводят на стационарных твёрдомерах (прессах Бринелля), обеспечивающих плавное приложение заданной нагрузки к шарику и постоянство её при выдержке в течение установленного времени (от 10 до 180 секунд, обычно около 30 с). Твердость черных металлов составляет 140 — 450 НВ, а цветных — 35 — 130 НВ.

Метод Виккерса (по названию английского военнопромышленного концерна «Виккерс», Vickers Limited) — способ определения твёрдости материала вдавливанием в испытуемую поверхность алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырёхугольной пирамиды с двугранным углом при вершине, равным 136 ⁰ (ГОСТ Р ИСО 6507−2007). Число твёрдости по Виккерсу — HV — отношение нагрузки на пирамиду F (кг) к площади пирамидальной поверхности отпечатка d~ (в квадратных миллиметрах).

где к= 0,1891; F— приложенная сила вН;(/- среднее арифметическое длин диагоналей.

Вдавливающую нагрузку выбирают от 9,807 до 980,7 Н (от 1 до 100 кг) в зависимости от твёрдости и толщины испытываемого изделия. Числа твёрдости по Виккерсу и Бринеллю до НВ 450 практически совпадают. Вместе с тем твёрдость хрупких и твёрдых тел по Виккерсу определять лучше, так как при а = 136 ⁰ диагональ отпечатка в семь раз больше его глубины, что повышает точность измерения отпечатка.

Метод Роквелла (по имени американского металлурга XX века С. Роквелла, S.P. Rockwell) — способ определения твёрдости материалов (главным образом металлов) вдавливанием в испытываемую поверхность алмазного конуса с углом при вершине 120 ⁰ (шкала, А и С) или стального закалённого шарика диаметром 1/16 «или 1,588 мм (шкала В), соответственно числа твёрдости обозначаются HRA, HRC и HRB. При этом измеряют глубину отпечатка. Твёрдость, но Роквеллу определяют в условных единицах. За единицу твёрдости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Испытания по методу Роквелла производят специальными настольными приборами (твердомерами), снабженными индикаторами, сразу показывающими число твёрдости.

Сравнение показателей твёрдости материалов приведено в табл. 2.2.

Таблица 2.2.

Твёрдость материалов по методу Виккерса и Роквелла.

Метод Шора (A. Shore — американский промышленник XX века) — способ определения твёрдости материалов по высоте отскакивания лёгкого ударника (бойка), падающего на поверхность испытуемого тела с определённой высоты. Твёрдость по Шору оценивают в условных единицах HSD (ГОСТ 24 746−81), пропорциональных высоте отскакивания бойка.

Ультразвуковой динамический твёрдомер металлов предназначен для измерения твёрдости изделий из конструкционных углеродистых сталей, нержавеющих сталей и сплавов из цветных металлов.

Принцип его действия основан на методе ультразвукового импеданса (англ, impedance, от лат. impedio — препятствую), т. е. на измерении частоты колебаний стержня с алмазной пирамидой. Акустический твёрдомер позволяет измерять твёрдость материала в следующих диапазонах:

по Бринеллю, НВ 95 — 450 (±10 ед.).

по Виккерсу, HV 230 — 940 (9 ед.).

по Роквеллу, HRC 20 — 70 (2 ед.).