Влияние величины нагрузки и формы индентора на значения твердости металла

УДК.620.178.151.6

ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ НАГРУЗКИ И ФОРМЫ ИНДЕНТОРА НА ЗНАЧЕНИЯ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛА

В.И. Мощенок, профессор, к.т.н., ХНАДУ

Аннотация. Исследованием твердости металла при различных величинах нагрузки и инденторами различной геометрической формы установлен сложный характер зависимости твердости как от нагрузки, так и от формы индентора. Уточнены представления о влиянии поверхностного слоя твердого тела на значения твердости.

Ключевые слова: твердость, индентор, образцовая мера, поверхностный слой.

Введение

В машиностроении весьма важным обстоятельством является то, что твердость поверхности деталей машин определенным образом связана с пределом прочности, износостойкостью, пределом текучести, ударной вязкостью и другими характеристиками.

Особенно важным является знание твердости поверхности деталей после различных методов поверхностной обработки или упрочнения. Широким распространением в заводской и лабораторной практике метод твердости обязан тому, что величина твердости дает представление о целом комплексе механических свойств металла.

Испытание на твердость, вернее на вдавливание, можно рассматривать как одну из разновидностей механических испытаний. Механические методы измерения твердости металлов включают различные способы статического и динамического воздействия на поверхность испытуемого тела наконечником заданной формы и размеров. Во всех случаях измерения металл подвергают контактному воздействию постепенно увеличивающейся нагрузкой.

Существует много методов испытаний на твердость (Бринелля, Виккерса, Роквелла и др.), однако, в зависимости от формы наконечника (шарик, конус, пирамида) и характера действия, оказываемого им, материал исследуемого тела может испытывать либо только упругую деформацию (метод Герца), либо упруго-пластическую деформацию без разрушения (метод шариковой пробы), либо деформацию, заключительным этапом которой является разрушение поверхности испытуемого тела (метод пробы царапанием) [1].

Анализ публикаций

Классическое определение твердости гласит, что твердостью называют способность металла сопротивляться внедрению в него более твердого тела - индентора. Однако, при основных методах определения твердости, широко используемых в настоящее время, в поверхность металла с определенной силой вдавливается индентор, выполненный в виде стального шарика, алмазного конуса или пирамиды. Затем снимают приложенную нагрузку и по размерам полученного на поверхности отпечатка судят о твердости материала. А о том, как сопротивлялся металл внедрению в него индентора на разных стадиях нагружения, данные методы не дают ответа.

В зависимости от способа измерения, твердость металла количественно характеризуют [2] числом твердости по Бринеллю

НВ = °’102Р ,Н/мм2,

F

отп

где Р - нагрузка, Н, Fотп - площадь поверхности сферического отпечатка, мм2.

Твердость металла по Роквеллу определяют по формуле

h - h

HRC = -тах----,

с

где -тах, - - максимальная и предварительная глубина внедрения индентора, мм, с - цена деления шкалы индикатора.

Твердость металла по Виккерсу

тттг 0,102Р тт. 2 ^ =----------,Н/мм ,

отп

где Р - нагрузка, Н, Fотп - площадь боковой

2

поверхности отпечатка пирамиды, мм .

По мнению некоторых авторов, деформация при индентировании обусловлена развитием под ин-дентором дислокационной структуры большой плотности, другие считают, что массоперенос обусловлен межузельным (краудионным) механизмом. Есть мнение, что под индентором образуется мелкодисперсное нанокристаллическое состояние или все процессы, происходящие при индентировании, обусловлены фазовыми превращениями [3].

Исходя из изложенного следует, что поскольку нет единого и сложившегося представления о механизме формирования отпечатка при инден-тировании, трудно придать твердости ясный и однозначный физический смысл, несмотря на огромное количество исследований по установлению корреляционной зависимости между твердостью и механическими свойствами. Также можно предположить, что поверхностный слой твердого тела будет иметь иные механические, физические, химические свойства, чем свойства объемного материала [4].

Установлению того, что поверхность твердого тела будет иметь другие свойства, чем объем, посвящена работа [5], где авторы измеряли микротвердость поверхности твердого тела, а затем разупрочняли поверхностный слой УФ-излуче-нием и снова измеряли микротвердость.

Рис. 1. Влияние свойств поверхности на микротвердость: 1 - исходная поверхность; 2 - ра-зупрочненная поверхность

Из приведенных на рис. 1 результатов можно утверждать, что поверхность твердого тела представляет собой особую область со специфическими свойствами, отличными от свойств объемных тел, и это особенно важно учитывать при выборе величины нагрузки при исследовании твердости поверхности деталей машин.

Цель и постановка задачи

Целью данной работы является установление зависимости твердости поверхности деталей машин как от величины приложенной к индентору нагрузки, так и от формы применяемого индентора. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1. Выбрать в качестве образца металл со стандартным заранее известным значением твердости.

2. Провести определение твердости стандартного образца различными методами и при различных нагрузках.

3. Проанализировать полученные результаты.

Влияние величины нагрузки и формы индентора на твердость образцовой меры

В качестве образца металла со стандартным, заранее известным значением твердости, была выбрана образцовая мера твердости с величиной твердости 176 НВ 10/3000/10.

В качестве инденторов использовались: шарики 0=2,5 мм, 0=5 мм, 0=10, мм, конус алмазный (а=120°), конус твердосплавный (а=120°), пирамида Виккерса (а=136°). Нагрузка индентирова-ния изменялась в пределах от 0 до 3000 Н.

Полученные результаты зависимости глубины внедрения индентора от величины приложенной нагрузки приведены на рис. 2.

Рис. 2. Влияние нагрузки индентирования на глубину внедрения индентора: 1 - шарик 0=10 мм; 2 - шарик 0=5 мм; З - шарик 0=2,5 мм; 4 - конус твердосплавный; 5 - конус алмазный; 6 - пирамида Виккерса

Рассчитанные по приведенным данным значения твердости имеют вид (рис. З).

Рис. З. Влияние формы индентора на твердость образцовой меры: 1 - твердость по Виккерсу; 2 - твердость по Бринеллю

HRC

Нагрузка индентирования, Н

Рис. 4. Влияние нагрузки индентирования на твердость образцовой меры: 1 - твердость по Роквеллу

Выводы

Для одного и того же металла твердость, определяемая по стандартным методикам, не есть величина постоянная, а зависящая от величины испытательной нагрузки и формы применяемого ин-дентора.

С увеличением нагрузки индентирования твердость может увеличиваться (индентор-шарик) или уменьшаться (индентор-пирамида, конус).

Для более ясной и точной идентификации твердых тел по твердости следует регистрировать всю диаграмму индентирования и указывать форму применяемого индентора.

Литература

1. Стоев П.И., Мощенок В.И. Определение меха-

нических свойств металлов и сплавов по твердости // Вестник ХНУ им. Каразина. -2003. - Том 601. - Вып. 2. - С.106-112.

2. Гешелин В.Г. Сертификация и качество метал-

лопродукции. Методы, средства и метрологическое обеспечение механических испытаний. - Х. : Факт, 2004. - 480 с.

3. Герасимов А. Б., Чирадзе Г. Д., Кутивадзе Н. Г.,

Бибилашвили А. П., Бохочадзе З. Г. О распределении величины микротвердости по глубине образца // Физика твердого тела. -1999. - Том 41.- Вып. 7. - С.1225 - 1227.

4. Праттон М. Введение в физику поверхности. -

Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000. - 256 с.

5. Саралидзе З.К., Галусташвили М.В., Диряев

Д.Г. Особенности деформации щелочногалоидных кристаллов под действием сосредоточенной нагрузки // Физика твердого тела. - 1999. - Том 41. - Вып.11. - С. 19992003.

Как следует из графиков на рис. З, 4 с увеличени- Рецензент: А.И.Пятак, профессор, д. ф.-м. н.,

ем нагрузки индентирования твердость увеличи- ХНАДУ.

вается при использовании в качестве индентора шарика, а при использовании в качестве инденто-

ра конуса и пирамиды - уменьшается. Статья поступила в редакцию 20 марта 2007 г.