Методы и средства измерения твердости

Введение

Одной из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность их применения в различных конструкциях и при эксплуатационных условиях работы, является твердость.
Твердость – свойство материала оказывать сопротивление деформации в поверхностном слое при местных контактных воздействиях.
Актуальность темы реферата заключается в том, что твердость является одним из критериев прочности при статических испытаниях материалов, определяющих его конструкционную прочность.
Цель работы – более полное изучение методов и средств измерения твердости.
Для достижения поставленной цели необходимо решить несколько задач: рассмотреть твердость, как характеристику свойств материала, методы измерения твердости и измеряемые характеристики, классификацию методов индентирования для измерения твердости материалов, а также сравнительный анализ методов индентирования и основные факторы, влияющие на результат измерения твердости и другие моменты.
Структура реферата включает в себя несколько частей: введение, основную часть (три главы), заключение и библиографический список, состоящий из семи источников литературы.
1. Твёрдость, как характеристика свойств материала
Твердость является одной из основных характеристик материала. Она дает возможность применения его при различных эксплуатационных условиях работы и в конструкциях различного типа, то есть твердость определяет качество материала. Понятие «твердость» широко распространено и часто применяется в повседневной жизни. Без численного выражения твердости, либо ее определения различают как мягкие, так и твердые вещества и материалы. В технике наиболее часто это понятие определяют как сопротивление, оказываемое телом при внедрении в него другого, более твердого тела.
Испытание на твердость относится к наиболее часто используемым методам механических испытаний материалов. Этому способствуют нижеперечисленные преимущества:
1. Существует количественная зависимость между механическими свойствами материала и между его твердостью, которая определяется способом вдавливания.
2. Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях, не превышающих десятых долей миллиметра, или в микрообъемах металла; в последнем случае измерения проводят способом микротвердости.
3. Техника измерения прочности материала намного проще измерения его других характеристик, таких как вязкость и пластичность;
4. Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения проверяемой детали, и после этого ее можно использовать по своему назначению.
2. Методы измерения твердости и измеряемые характеристики
Твердость можно понимать следующим образом – это определенное свойство материала, которое позволяет сопротивляться внедрению в данный материал более упругого и твердого индентора. Индентирование является одним из способов механических испытаний. В процессе увеличения нагрузки на наконечник материал проявляет те же свойства, что и при любом другом виде механических испытаний и проходит три стадии: упругую деформацию, пластическую деформацию и разрушение.
Индентирование позволяет:
• в короткий срок испытать изделие, используя только его небольшую область;
• устанавливать аналитическую или эмпирическую связь получаемых результатов с данными других испытаний;
• без повреждения, как минимум без серьезного повреждения, испытать материал, именно поэтому измерение твердости относится к контролю неразрушающему;
• определять твердость в микрообъемах и микросечениях (в отдельных слоях или фазах материала);
• использовать данный вид испытаний тогда, когда другие способы по тем или иным обстоятельствам использовать невозможно.
Ниже перечислены характеристики, которые можно измерять при определении твердости материала:
• упругие свойства металла – примером служит упругий отскок шарика;
• анизотропию сопротивления пластической деформации;
• сопротивление небольшим пластическим деформациям, т. е. свойства, аналогичные пределу текучести;
• сопротивление разрушению – например, при испытании на твердость царапанием, которое для большинства материалов является местным разрушением путем среза;
• удельную работу деформации;
• сопротивление значительным пластическим деформациям.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что за счет характеристик прочности материала, его разрушения и пластичности определяется сущность самой твердости, ее физическая природа.
Существует большое количество методов измерения твердости, к которым применяют разные квалификации как по особенности приложенной нагрузки (кинетические, динамические, статические), так и по масштабному фактору.1
Используют также сочетание твердометрии с различными видами физических методов исследования поверхности металлических материалов: динамическое кинетическое индентирование материала, кинетическое акустическое склероскопирование материала, комбинирование измерения твердости материала с контролем магнитной проницаемости и методами акустической эмиссии и др

.
По способу прикладываемой нагрузки методы измерения твердости можно разделить на методы царапания, резания, отскока и вдавливания. При вдавливании величину силы относят к проекции площади отпечатка на поверхности образца, либо к самой площади отпечатка. Твердость материала определяют либо по глубине контакта, либо по глубине внедрения индентора.
3. Классификация методов индентирования для измерения твердости материалов
3.1 Общие понятия
Методы индентирования, как правило, по масштабному фактору делят на несколько видов: макроиндентирование, микроиндентирование, а также наноиндентирование. В международном стандарте ISO 14577 («Измерение твердости и других характеристик материалов при инструментальном индентировании. Часть 2. Проверка и калибровка твердомеров») определены следующие масштабные диапазоны измерений твердости:
• нанодиапазон – усилие от 0,1 до 1960 мH, глубина индентирования h – не более двадцати нанометров;
• микродиапазон – усилие менее 2 Н, h – более двадцати нанометров;
• макродиапазон – усилие от 2 до 30 кН, h – более двадцати нанометров.
Выделяют еще пикоиндентирование в случае, если глубина отпечатка не превышает несколько нанометров, а разрешение – не более одного нанометра.
При определении микротвердости используют нагрузки в диапазоне 0,049–4,9 ньютона, при макротвердости – более 49 ньютонов.
Методы измерения твердости материала также делят в зависимости от временного фактора: на статические, динамические, а также кинетические.
3.2 Статическая твердость
Среди методов определения статической твердости материалов следует выделить методы Бринелля, Виккерса и Роквелла.
При измерении твердости по Бринеллю в качестве индентора используется стальной шарик диаметром D, который равен 10; 5 или 2,5 миллиметра. Нагрузка при испытании может изменяться от двух с половиной до тридцати тысяч ньютонов в зависимости от вида материала. Отпечаток после сферического индентирования представляет собой лунку диаметром d (Рисунок 3.1, а).2
Измерение твердости по методу Бринелля не применяется для материалов, имеющих высокую твердость, так как стальной шарик, действующий на испытуемый материал, может деформироваться.
Рисунок 3.1 - Схема определения твердости
а – по Бринеллю (сферический индентор); б – по Роквеллу (конический индентор); в– по Виккерсу (индентор в виде пирамиды)
Метод Роквелла наименее трудоемок и наиболее универсален (Рисунок 3.1, б). Твердость по Роквеллу (HR) пропорциональна глубине вдавливания индентора h и измеряется по трем шкалам (A, B, C) в зависимости от типа индентора и величины нагрузки (Таблица 3.1).3
Таблица 3.1 - Шкалы определения твердости по Роквеллу
Метод Виккерса используется для измерения высокотвердых материалов и тонких поверхностных слоев.
Наиболее известные методы измерения статической твердости представлены в Таблице 3.2.
Таблица 3.2 - Методы определения статической твердости материалов
3.3 Динамическая твердость
При измерении твердости материала динамическими методами, твердость определяется при ударе, где оценивается кинетическая энергия индентора, а точнее расход этой энергии. К динамическим методам можно также условно отнести метод царапания. Измерение твердости методом склерометрии заключается в анализе профиля царапин, нанесенных на поверхность материала.
Основные методы измерения динамической твердости приведены в Таблице 3.3.
Таблица 3.3 - Методы определения динамической твердости материалов
Метод предполагает непрерывную регистрацию параметров процесса индентирования, с помощью которого возможно довольно точно оценивать модуль упругости, прочностные и пластические свойства материалов, прочность сцепления покрытия с основой, степень пористости.
При измерении твердости материала кинетическими методами есть возможность: испытывать материалы, которые имеют значительные изменения геометрической формы отпечатка при снятии нагрузки (карбиды, нитриды, полупроводники, полимеры и др.) и плохой отражающей способностью; для исследования тонких слоев (толщина которых более одного микрометра) применять сверхмалые нагрузки; регистрировать скорость индентирования.
По кривой кинетического индентирования строят кривую растяжения материала