13. Как определяют твердость в методе Виккерса, Бринеля, Роквелла? с чем связаны ограничения классических методов определения твердости?

Метод Виккерса заключается в воздействии на образец индентора определенной формы с определенной нагрузкой, каждая комбинация которых отражена в шкале, по которой измеряется твердость (A, B, C, .., всего 11). Для обозначения твёрдости, определённой по методу Роквелла, используется символ HR, к которому добавляется буква, указывающая на шкалу по которой проводились испытания (HRA, HRB, HRC). Твердость измеряется по глубине проникновения индентора в образец.

НАИБОЛЕЕ ШИРОКО ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ШКАЛЫ ТВЁРДОСТИ ПО РОКВЕЛЛУ

Шкала	Индентор	Нагрузка, кгс
А	Алмазный конус с углом 120° при вершине	60 кгс
В	Шарик диам. 1/16 дюйма из карбида вольфрама (или закалённой стали)	100 кгс
С	Алмазный конус с углом 120° при вершине	150 кгс

 При испытании алмазным конусом предельная глубина внедрения составляет 0.2 мм, или 0.2 / 0.002 = 100 делений, при испытании шариком — 0.26 мм, или 0.26 / 0.002 = 130 делений. Таким образом формулы для вычисления значения твёрдости будут выглядеть следующим образом:

а) при измерении по шкале А (HRA) и С (HRC):

Разность   представляет разность глубин погружения индентора (в миллиметрах) после снятия основной нагрузки и до её приложения (при предварительном нагружении).

б) при измерении по шкале B (HRB):

Метод Бринеля относится к методам вдавливания. Испытание проводится следующим образом: вначале подводят образец к индентору, затем вдавливают индентор в образец с плавно нарастающей нагрузкой в течение 2-8 с, после достижения максимальной величины, нагрузка на индентор выдерживается в определенном интервале времени (обычно 10-15 с для сталей). Затем снимают приложенную нагрузку, отводят образец от индентора и измеряют диаметр получившегося отпечатка. В качестве инденторов используются шарики из твердого сплава диаметром 1; 2,5; 5 и 10 мм. Величину нагрузки и диаметр шарика выбирают в зависимости от исследуемого материала, который разделен на 5 основных групп:

1 — сталь, никелевые и титановые сплавы;

2 — чугун;

3 — медь и сплавы меди;

4 — легкие металлы и их сплавы;

5 — свинец, олово.

Кроме этого, вышеприведенные группы могут разделяться на подгруппы в зависимости от твердости образцов. При выборе условий испытаний следят за тем, чтобы толщина образца, как минимум, в 8 раз превышала глубину вдавливания индентора. И еще важно контролировать диаметр отпечатка, который должен находиться в пределах от 0,24D до 0,6D.

Твёрдость по Бринеллю HBW рассчитывается как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка (метод восстановленного отпечатка):

,

где   — приложенная нагрузка, Н;

 — диаметр шарика, мм;

 — диаметр отпечатка, мм,

или как отношение приложенной нагрузки к площади внедренной в материал части индентора (метод невосстановленного отпечатка):

,

где   — глубина внедрения индентора, мм.

Метод Виккернеса  заключается во вдавливании в испытуемый материал правильной етырёхгранной алмазной пирамиды с углом 136° между противоположными гранями.

Твёрдость по Виккерсу вычисляется путём деления нагрузки Р на площадь поверхности полученного пирамидального отпечатка. Метод Виккерса позволяет определять твёрдость азотированных и цементированных поверхностей, а также тонких листовых материалов. Твёрдость по Виккерсу во всех случаях обозначается буквами HV без указания размерности — МПа (кгс/мм²). Основными параметрами при измерении твёрдости по Виккерсу являются нагрузка Р до 980,7 Н (100 кгс) и время выдержки 10—15 с.

Ограничения классических методов измерения твердости:

1. Необходимость замерять отпечаток с помощью оптического микроскопа для определения твердости.

2. Невозможность правильного определения твердости для материалов с большим коэффициентом упругого восстановления.

3. Невозможность определения твердости для твердых керамических материалов – при больших нагрузках возникают трещины, при малых не виден отпечаток.

4. Искажение отпечатка из-за наплывов материала его краям или «вовлечения» материала вглубь отпечатка.

5. Невозможность определения твердости тонких пленок и отдельных структурных составляющих.