Немного об истории развития методов определения твердости

Основоположником учения о твердости является М.В. Ломоносов. Рассматривая твердость тел с молекулярной точки зрения и сопоставляя ее с механическими свойствами, он, таким образом, гениально предугадал современные представления об этом понятии.

В 1722 году Реомюр уточнил старейший метод определения относительной твердости. Твердость по Реомюру определялась путем вдавливания двух треугольных призм, изготавливаемых из сравниваемых материалов; ребра призм располагались при этом взаимоперпендикулярно. Величина относительной твердости находилась на глубине вмятин, образовавшихся на призмах. Реомюр предложил шкалу твердости, основанную на семи «эталона».

Спустя сто лет Моос создал иную, десятибальную шкалу, основанную на «методе царапания», получившую большое распространение в минералогии.

Массовое производство металлов вызвало появление различных методов испытания, предназначенных для систематизации металлов в зависимости от их целевого назначения. Специальные машины для механических испытаний начали применяться. Первые результаты испытаний стали, основанные на многочисленных опытах, были опубликованы в 1862 г. Начиная с 1876 г. создаются специальные институты для изучения металлов. С этого же времени устанавливаются понятия о диаграмме расстяжений, о пределах упругости и пропорциональности, а также разрабатываются нормы допускаемых напряжений для различных видов деформации металла.

Трудной проблемой в развитии техники явилось достижение сочетания твердости металла с его вязкостью. Увеличение твердости инструмента путем закалки и цементации приводило к усилению его хрупкости. Еще в конце прошлого столетия некоторые металлурги ошибочно отождествляли понятия твердости и хрупкости.

Отличительная особенность испытания на твердость состоит в том, что испытывается не все изделие или отдельный образец, а лишь ограниченный участок на поверхности изделия. В этом заключается большое преимущество использования методов испытаний на твердость, так как это позволяет определить механические свойства материала, а кроме того не разрушает поверхности и не изменяет свойств изделия.

За последние сто лет было предложено около 30 различных видов склерометрических и кристаллографических методов испытаний на твердость. Различие этих методов заключалось в величине усилия вдавливания, в форме и материале наконечника. Большинство методов не получило широкого распространения вследствие своей сложности, а также из-за больших погрешностей, возникающих в процессе испытаний.

Начиная с конца прошлого столетия, широко применяются испытания материалов на твердость методом вдавливания. Эти испытания могут быть статическими и динамическими. При статических испытаниях нагрузка, оказывающая давление на образец, прикладывается плавно, медленно нарастая. При динамических испытаниях нагрузка нарастает быстро, как например, при определении твердости по Польди-Хьютте. Однако точную границу между этими видами испытания установить трудно.

В 1900—1905 гг. в связи с предстоящей заменой на Великом Сибирском пути легковесных рельсов тяжелыми, инженер П.В. Кубасов предложил определять твердость стали вдавливанием стального хорошо прокаленного конуса. Вдавливание производили до определенной глубины, за меру твердости принимали силу, под действием которой происходило вдавливание. Метод инженера Кубасова является одним из первых современных методов определения твердости вдавливанием.

Рядом опытов установлено, что наиболее удобным для этой цели является конус с углом 90º, который и был позднее (в 1907 г.) использован в исследованиях Людвиком.

Е. Мейер, изучая условия определения твердости шариком, показал, что если металл для достижения пластического равновесия находится под нагрузкой продолжительное время, то между нагрузкой P и диаметром отпечатка d существует зависимость

P=adⁿ,

где a – коэффициент, зависящий от диаметра шарика и силы,

       n – показатель степени, который для различных материалов колеблется в пределах 2.0 – 2.6.

Эта зависимость известна под названием закона Мейера.

Из всех предложенных методов определения твердости путем вдавливания твердого наконечника в испытываемое тело наибольшее распространение в настоящее время получили методы Бринеля, Роквелла и Викерса.

Бринеллем был предложен метод определения твердости металлов, основанный на вдавливании в металл стального закаленного шарика под определенной нагрузкой и последующим измерением величины пластического отпечатка.

Многочисленными опытами было установлено, что получаемые значения твердости зависят от степени нагружения – от отношения нагрузки к квадрату диаметра шарика (для одного и того же металла).

Сравнимые результаты определения твердости по Бринелю могут быть получены лишь при условии, если при испытании одного и того же материала применяется одинаковая степень нагружения (как это вытекает из закона подобия). Степень нагружения устанавливается в зависимости от вида металла.

Твердость по Бринелю по глубине отпечатка определяют очень редко, так как возникающие по краям отпечатка наплывы затрудняют точное измерение. Чаще определяют не глубину отпечатка, а глубину погружения шарика, т.е. расстояние от дна отпечатка до начальной поверхности шлифа.

Широкое распространение в технике получило определение твердости методом Бринелля по диаметру отпечатка.

Приборы для определения твердости по способу Бринелля непрерывно совершенствовались. Для повышения пропускной способности этих приборов при массовых заводских испытаниях, а также с целью стандартизации всех операций по определению твердостиханическим приводом. Все основные операции – нагружение, выдержка под определенной нагрузкой в течении установленного времени и снятие ее – производятся автоматически. В современных приборах отпечаток в увеличенном виде проецируется на матовое стекло и измеряется с помощью кремальерного механизма. Для определения твердости громоздких и тяжелых деталей применяются переносные приборы Бринелля.

Несмотря на широкое распространение, метод Бринелля не является универсальным. Им нельзя определять твердость тонких и малых по величине изделий, а также металлов с высокой твердостью. Поэтому в дополнение к методу Бринеля были предложены другие способы определения твердости. К числу их относятся методы Роквелла и Викерса.

Метод Роквелла, предложенный в 1920 г., основан на вдавливании стального шарика диаметром 1/16 или 1/8 дюйма или же алмазного конуса с углом 120º, вершина которого имеет сферическое закругление радиусом 0,2 мм.

Испытание на твердость по Роквеллу заключается в определении разности глубины проникновения в металл наконечника под действием двух нагрузок – предварительной (10 кгс) и окончательной (60; 100 или 150 кгс), прикладываемых к наконечнику в два приема. В современных приборах применяются меньшие нагрузки, что позволяет измерять твердость более твердых и тонких образцов.

Для определения твердости тонких изделий в 1925 г. было предложено так называемое испытание по Викерсу, введеное Смитом и Сандландом. Метод Викерса основан на вдавливании полированной алмазной пирамиды с квадратным основанием и углом 136º между противоположными гранями.

Все перечисленные методы определения твердости относятся к числу статических. К числу динамических испытаний на твердость относятся методы затухающих колебаний, осуществляемые маятниковыми приборами. Идея использования маятников для определения твердости принадлежит великому русскому ученому Д.И. Менделееву. Результаты опытного исследования колебаний весов дали возможность Д.И. Менделееву предложить новый метод для определения твердости. В 1898 г. им были сконструированы и изготовлены два склерометрических маятника, названные дифференциальными.

В 1923 г., т.е. через 25 лет, английским инженером Гербертом был сконструирован аналогичный прибор. Дальнейшее развитие маятниковые приборы получили в работах В.Д. Кузнецова и П.А. Ребиндера. Теория этих приборов подробно разработана Н.Н. Давиденковым.

 

Выдержки из книги В.В. Варнелло «Измерение твердости металлов»

Обновлено: 13.03.2019 — 20:28

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *