Испытание на твердость

Ведение

 

Под твердостью понимают сопротивление материала  деформированию, в особенности под  действием индентора или при  процарапывании поверхности. Твердость  — это некая относительная  характеристика, которую не следует  смешивать с сопротивлением износу. Так, например, полистирол обладает высокой твердостью по Роквеллу, но плохо противостоит износу. Испытания на твердость позволяют дифференцировать материалы и устанавливать определенную градацию пластмасс. Тем не менее, было бы некорректно сравнивать твердость различных материалов только, исходя из результатов испытаний одного типа, поскольку одновременно с измерениями твердости имеют место упругие деформации. Кроме того, на результаты измерений твердости влияет ползучесть.

       Существует большое количество методов, предназначенных для испытаний на твердость. Поскольку полимерные материалы различаются по их твердости в широких пределах, один тип испытаний не перекрывает все возможные случаи. Наиболее широко распространены два метода испытаний — твердость по

Роквеллу и твердость по Дюрометру.

Метод Роквелла используют для относительно твердых материалов, таких как  полиацетали, найлоны, полиакрилаты и  полистирол. Для исследования более  мягких материалов, таких как пластифицированный ПВХ, термопластичные эластомеры и полиэтилены измеряют твердость по Дюрометру.

 

 

 

 

 

 

 

    

        1 Испытание на твердость

 

Твердостью называется свойство материала  оказывать сопротивление проникновению  в него другого более твердого тела (индентора), не испытующего остаточной деформации. Измерение твердости является одним из самых распространенных и доступных методов механических испытаний, который широко используется в исследовательских целях и как средство (способ) контроля качества свойств материалов в производстве. В отличие от других испытания на твердость очень разнообразны и отличаются друг от друга по форме используемого индентора, условиям приложения нагрузки, способам расчета величины твердости, временем нагружения и т. д. В зависимости от этих факторов твердость может характеризовать упругие и упруго-пластические свойства, сопротивление малым или большим деформациям, а также разрушению. Общим моментом для них является приложение нагрузки при контакте индентора и испытуемого материала.

Оценивается твердость так называемыми числами твердости, размерность которых определяется принципом измерения. Числа твердости являются вторичными, производными характеристиками механических свойств, зависящими от первичных, основных – модуля упругости, временного сопротивления и др., от продолжительности действия нагрузки, от способа испытаний и вычисления твердости. Поэтому сравнимые результаты, даже в пределах одного метода, получаются при строгой регламентации процедуры испытаний, которая часто определяется стандартом.

В настоящее время существует около 30 разновидностей испытаний на твердость, но наибольшее распространение получили три из них – это методы измерения твердости по Бринеллю,Роквеллу, Виккерсу, а также метод измерения микротвердости. Во всех случаях контакт осуществляется вдавливанием индентора определенной формы и размера со степенью деформации 30…40%. При этом реализуется состояние всестороннего неравномерного сжатия с коэффициентом “мягкости”  >2, что позволяет производить оценку твердости практически любых, в том числе и очень хрупких материалов.

В качестве механической характеристики величина твердости служит основой  для выбора допустимых напряжений в  расчетах на контактную прочность. Она также служит для косвенного суждения с определенной точностью о других характеристиках материала – пределе текучести, временном сопротивлении, склонности к ползучести и др. Испытания на твердость менее сложны и не дорогостоящи: они позволяют определять механические свойства и в небольших объемах, допускают текущий контроль изделий в процессе производства и эксплуатации, не влияют на их работоспособность и, что особенно ценно, относятся к неразрушающим методам механических испытаний. 

 

1.2 Общие сведения о  металлах

 

В природе металлы существуют как  в свободном, так и в связанном  виде. В свободном виде существуют малоактивные металлы: платина, золото, серебро. Но в основном металлы встречаются в виде различных соединений. Многие металлы способны реагировать друг с другом. Продукты взаимодействия металлов между собой называются сплавами. 
Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов. Они слабо связаны с ядром и могут легко отрываться от него. В результате в узлах кристаллической решетки появляются положительно заряженные ионы, а между ними свободно перемещаются электроны - образуется так называемый "электронный газ". Вид связи между положительными ионами, осуществляемой за счет притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу, называется металлической. 
         Металлы имеют многие специфические свойства. Все они за исключением ртути при обычных условиях твердые вещества с характерным блеском, хорошо проводят электрический ток и тепло. Большинство металлов может коваться, тянуться и прокатываться. Электро- и теплопроводность металла объясняются наличием в нем свободных электронов.  
Металлы делятся на легкие и тяжелые, отличаются друг от друга по твердости: самые мягкие - щелочные, их можно резать ножом; самый твердый - хром. Металлы делятся на легкоплавкие и тугоплавкие. В металлургии металлы делят на черные (железо, марганец, хром) и цветные (все остальные металлы). 
       Металлы всегда выступают в роли восстановителей. Способность отдавать электроны проявляется у металлов в разной степени. Чем легче металл отдает электроны, тем он активнее и тем более энергично взаимодействует с неметаллами и ионами других металлов. По активности все металлы располагаются в определенной последовательности, образуя электрохимический ряд напряжений.

 

1.3 Свойства металла

 

Все материалы обладают рядом свойств, которые различаются как физические, механические, химические и технологические.

К физическим свойствам  металлов относят удельный вес, температуру плавления, цвет, электропроводность, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при нагревании, магнитные свойства и некоторые другие. В зависимости от условий работы или эксплуатации деталей некоторые из этих свойств приобретают решающее значение и служат основанием для выбора материала при изготовлении и использовании детали. Например, удельный вес и прочность — важные качества для материала в самолетостроении, где нужны легкие и прочные детали. Температура плавления имеет большое значение для деталей, работающих при высоких температурах, например нити накаливания в электрических лампах, футеровка плавильных печей и т. п. Поэтому детали самолета изготовляют из сплавов алюминия и магния, а для изготовления нитей накаливания употребляется вольфрам и т. д.

Из химических свойств металлов главным образом важна коррозионная стойкость, а также окисляемость и растворимость.

Очень важную роль в определении пригодности металла как материала для деталей машин и механизмов играют его механические свойства. К механическим свойствам относятся прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость и хрупкость.

Прочность — способность материала сопротивляться воздействию сил, не разрушаясь и не изменяя допустимой формы.  
Примером прочного материала служит сталь. Стальные изделия с трудом разрушаются и изменяют форму. В противоположность стали ртуть не обладает прочностью. При обычной температуре она находится в жидком состоянии и не сохраняет формы.

Твердость — способность материала противостоять проникновению в него другого, более твердого тела. Самым твердым из известных нам веществ является алмаз. Высокой твердостью обладают различные сорта стали и так называемые твердые сплавы. Твердость — главнейшее свойство материалов, из которых изготовляют режущие инструменты. .

Упругость — способность тела восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия сил, вызвавших это изменение. Примером упругого тела может служить стальная пружина, которая после прекращения сил воздействия восстанавливает свою прежнюю форму.

Пластичность — способность материала изменять свою форму под воздействием сил не разрушаясь и не восстанавливать прежней формы после прекращения действия сил. Примером пластичного металла может служить свинец. Это качество по . своей сущности противоположно упругости.

Вязкость — способность материала выдерживать механические воздействия (удары) не разрушаясь. Очень вязка, например, малоуглеродистая сталь, употребляемая для неответственных деталей.

Хрупкость — качество, противоположное вязкости, способность тела легко разрушаться при механических воздействиях (ударах). Примером хрупкого металла является чугун.

Технологические свойства металлов и сплавов представляют собой сочетание различных механических и физических свойств, проявляющихся в процессах изготовления деталей машин.

К технологическим  свойствам металла относятся возможность обработки резанием, литьем, прокаткой, ковкой, волочением, способность свариваться и подвергаться термообработке.

 

1.3 Применение металлов

 

В настоящее время  находят практическое применение почти  все металлы или в чистом виде, или в виде сплавов друг с другом. Это применение целиком определяется теми или иными свойствами металлов и их сплавов. Ниже приводится краткий перечень металлов и их сплавов, которые находят наиболее широкое применение или обладают особо ценными свойствами. Наиболее широко применяется железо и алюминий, а также их сплавы (см. часть IX и часть X). 
         Медь. Чистая медь благодаря большой электропроводности, уступающей только серебру, широко применяется для изготовления электрических проводов и радиотехнической аппаратуры. Тонкие провода изготовляются из бес кислородной меди (кислорода не более 0,02%), так как кислород сообщает меди хрупкость. Иногда к электротехнической меди в небольших количествах добавляют некоторые металлы, повышающие ее прочность, но не снижающие электропроводности, например кадмий (до 1%). 
Сплавы меди с цинком называются латунями, а с другими металлами называются бронзами. 
        Алюминиевые бронзы (5—11% А1) обладают высокой коррозионной стойкостью и золотистым блеском. Они идут на изготовление лент, пружин, шестерен и художественных изделий. Кремнистые бронзы (4—5% Si) обладают высокими механическими и антикоррозионными свойствами. Они применяются в химической промышленности для изготовления сеток,' проводов, трубопроводов. Берил-лиевые бронзы (1,8—2,3% Be) способны при быстром охлаждении с 800° принимать закалку и становятся твердыми и упругими, как сталь. Их применяют главным образом при изготовлении часовых механизмов и в точной механике. Большинство бронз имеет сложный состав и являются трех- или четырех компонентными сплавами. 
       Сплавы меди, содержащие до 10% цинка, называются томпаком; при большем содержании цинка (10—40%) — латунью. Томпак и латунь хорошо прокатываются и обрабатываются штамповкой и прессованием. Они применяются для изготовления листов, труб, патронных гильз и различной арматуры (краны, вентили и др.). Добавление в латунь олова резко улучшает ее коррозионную стойкость («морская» латунь). 
       Сплавы меди с никелем (иногда с добавлением цинка) обладают значительным сопротивлением. Некоторые из них, например мельхиор, применяются для изготовления предметов домашнего обихода. К этим сплавам относятся: манганин — 85% Си, 12% Мп, 3% N; нейзильбер — 65% Си, 20% Z, 15% N; константан — 59% Си, 40% N, 1% Мп; мельхиор — 80% Си, 20% N. 
       Цинк. Чистый цинк благодаря высокой коррозионной стойкости используется главным образом для цинкования железа (горячим или электролитическим способом). Значительная часть его расходуется на производство сплавов, главным образом с медью. 
      Ртуть, являющаяся при обычных условиях единственным жидким металлом, применяется в электротехнической промышленности для изготовления ртутных выпрямителей, ртутных прерывателей и для изготовления термометров. 
Германий в чистом виде почти не имеет собственных носителей электрического тока (электронов), и в этом отношении он близок к неметаллам. Обладая полупроводниковыми свойствами, он применяется в электро- и радиотехнике для устройства электрических выпрямителей. Пластинка германия размером в несколько миллиметров заменяет радиолампу. 
       Олово благодаря высокой коррозионной стойкости применяется для лужения железа. Используют его для приготовления подшипниковых и легкоплавких сплавов. 
Свинец в большом количестве идет на изготовление оболочек кабелей (примесей не больше 0,08—0,14%), подшипниковых сплавов, пластин аккумуляторов, применяется также в ядерной технике и на покрытие поверхности аппаратов в химической промышленности. 
       Титан и цирконий относятся к сравнительно легким металлам, обладающим высокой коррозионной стойкостью. По прочности они не уступают стали. До последнего времени титан относился к редким металлам, так как не было удовлетворительных способов получения его в чистом виде. Механической обработке поддается только чистый титан. Применяется он главным образом в самолетостроении, заменяя дуралюминий, который при сверхзвуковых скоростях самолетов благодаря нагреву начинает терять механические свойства. Весьма перспективно применение титана в морском деле — длительные (десятилетние) опыты показали, что он практически не подвергаем ся коррозии в морской воде. 
Цирконий дороже титана. Он нашел применение в устройстве атомных реакторов в качестве коррозионностойкого материала, почти не задерживающего медленных нейтронов. Цирконий в нагретом состоянии весьма активен по отношению к кислороду, водороду, азоту и другим газам. Поэтому его применяют в качестве геттера — вещества, поглощающего газы. С этой целью из циркония делают держатели для вольфрамовых нитей радиоламп. 
       Ниобий и тантал обладают весьма высокой коррозионной стойкостью. Практически в кислотах, в том числе в смеси соляной и азотной кислот, за исключением плавиковой, они не растворяются. Эти металлы, особенно тантал, находят применение в химической промышленности для замены платины при работе с агрессивными средами. Благодаря высокой теплопроводности, превосходящей таковую железа в 17 раз, тантал весьма пригоден для устройства теплообменников. При одинаковой конструкции и производительности теплообменник из тантала меньше железного примерно в 17 раз. Широкому применению тантала еще мешает его высокая стоимость. 
       Хром благодаря своей высокой коррозионной стойкости и стойкости против истирания применяется для получения защитных покрытий на железе и меди. Изделия из хрома не изготовляются вследствие его хрупкости. Он входит в состав различных сплавов с железом. 
Молибден и вольфрам являются самыми тугоплавкими металлами. Они применяются в виде проволок (особенно вольфрам) при изготовлении нитей накаливания электроламп, высокотемпературных печей. Печи с вольфрамовой обмоткой развивают температуру до 2000—2500°. Благодаря большому сродству вольфрама с кислородом при высоких температурах обмотка должна находиться в восстановительной атмосфере, например водорода. В значительных количествах порошкообразный вольфрам идет на изготовление твердых сплавов на основе карбида вольфрама WC. Порошок карбида смешивается с порошком кобальта, и эта смесь прокаливается под давлением в атмосфере водорода. Получающийся материал (победит) идет на изготовление резцов, которые по сравнению со стальными резцами позволяют увеличить скорость обработки металлов примерно в 200 раз.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Методы определения  твердости

 

 

Твёрдостью материала  называют способность оказывать  сопротивление механическому проникновению  в его поверхностный слой другого  твёрдого тела. 
Для определения твёрдости в поверхность материала с определённой силой вдавливается тело (индентор), выполненное в виде стального шарика, алмазного конуса, пирамиды или иглы. По размерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твёрдости материала. В зависимости от способа измерения твёрдости материала, количественно её характеризуют числом твёрдости по 
Бринелю (НВ), Роквеллу (HRC) или Виккерсу (HV).

Указанные механические характеристики связаны между собой, поэтому  их конкретные значения могут быть найдены расчётным путём на основе данных о твёрдости с помощью формул, полученных для конкретного материала с определённой термообработкой. Так, например, предел выносливости на изгиб сталей с твёрдостью 180-350 НВ равен примерно 1,8 НВ, с твёрдостью 45-55 
HRC - 18 HRC+150, связь предела выносливости [pic] с пределом прочности 
[pic] стали описывается соотношениями:

 
[pic]

Конкретным образцам конструкционных  материалов, а также выполненным  из них изделиям, присуща индивидуальность прочностных и упругих характеристик. 
Разброс их значений для различных образцов, выполненных из одного и того же материала, обусловлен статистической природой прочности твёрдых тел, различием структур внешне одинаковых образцов. Из-за неопределённости реальных механических характеристик материала, неопределённости некоторых внешних нагрузок, действующих на технический объект, погрешности расчётов для обеспечения безопасной работы проектируемых конструкций должны быть приняты соответствующие проектному этапу обеспечения надёжности меры предосторожности. В качестве такой меры используется понижение в n раз относительно опасного напряжения материала (предела прочности, предела текучести, предела выносливости или предела пропорциональности) величины максимально допускаемых напряжений, используемых в условии прочности. 
Величина n получила название нормативного коэффициента запаса прочности, который выбирается по таблице или рассчитывается как произведение

n = n1 * n2 * n3,

где n1-учитывает среднюю точность определения напряжений, n2-учитывает  неопределённость механических характеристик материала, n3-учитывает среднюю

степень ответственности проектируемой  детали.

Существует несколько способов измерения твердости, различающихся  по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерять вдавливанием индентора (способ вдавливания), ударом или же по отскоку наконечника – шарика. Твердость, определенная царапаньем, характеризует сопротивление разрушению, по отскоку – упругие свойства, вдавливанием сопротивление пластической деформации. В зависимости от скорости приложения нагрузки на индентор твердость различают статическую (нагрузка прикладывается плавно) и динамическую (нагрузка прикладывается ударом).