|
|
|
|
|
|
|
Классификация методов определения твердости металлов и их сплавов при проведении обследований зданий и сооружений
16 октября 2015
А.Л. Фролов, эксперт, А.М. Аллаберганов, эксперт, ООО «ПСК «Высота»
Д.А. Киселев, эксперт М.А. Агеева, эксперт Э.Т. Мышко, эксперт Объем проводимых обследований зданий и сооружений увеличивается с каждым годом, что является следствием ряда факторов: физического и морального их износа, перевооружения и реконструкции производственных зданий промышленных предприятий, реконструкции малоэтажной старой застройки, изменения форм собственности и резкого повышения цен на недвижимость, земельные участки и др. Особенно важно проведение обследований после разного рода техногенных и природных воздействий (пожары, землетрясения и т.п.), при реконструкции старых зданий и сооружений, что часто связано с изменением действующих нагрузок, изменением конструктивных схем и необходимостью учета современных норм проектирования зданий. Исключительно важное значение имеют обследование и оценка технического состояния строительных конструкций и зданий, в целом поврежденных пожаром, и установление причин недостаточной эффективности противопожарных мероприятий. Одним из основных свойств материала, определяюших надежность и долговечность конструкций, является твердость. Количественная оценка твердости позволяет сделать выводы о виде примененных сплавов в конструкциях, их характеристиках и степени повреждения, что является дополнительным критерием обоснования выводов о техническом состоянии зданий и сооружений при проведении обследования. Понятие твердости известно человечеству с давних времен. В 1881 г. один из основоположников теории твердости Генрих Герц отмечал, что твердость – "это настолько общепонятное свойство, что каждый считает, что знает о твердости не меньше, чем сам я" [1]. Он же ввел одно из первых понятий твердости, которую рассматривал как нагрузку, соответствующую началу пластической деформации при вдавливании шара в плоскость. Проанализировав имеющуюся информацию о твердости, Брокгауз и Эфрон в своей знаменитой энциклопедии дают в 1901 г. следующее определение этого понятия: "твердость рассматривается как сопротивление тела углублению, производимому в нем другим телом, более твердыми" [2]. Поскольку измерение твердости является значительно менее трудоемкой операцией, чем большинство других видов механических испытаний, и не сопровождается разрушением изделия, этот вид испытаний широко распространен в промышленности. Измерения твердости используются при контроле технологических процессов, определении эксплуатационных характеристик изделий, выборе режимов механической обработки и т. д. Это неразрушающий метод контроля, основной способ оценки качества термической обработки изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости). Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость. В основу классификации методов определения твердости положено разделение методов по диапазонам в зависимости от применяемых нагрузок и, соответственно, глубин внедрения индентора в исследуемый материал. В результате проведенных дискуссий, в 2002 г. в международном стандарте ISO 14577 было закреплено распределение методов определения твердости по диапазонам, которое приведено в табл. 1. Таблица 1. Распределение методов определения твердости по диапазонам
Макродиапазон включает в себя все методы определения твердости, при осуществлении которых используются нагрузки на индентор от 2 до 30000 Н. В этот промежуток попадают известные стандартизованные методы определения твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, несмотря на то, что они используют для расчета значений твердости параметры восстановленного отпечатка, т.е. фактически оценивают не твердость, а пластичность исследуемого металла. К микродиапазону относятся методы, для реализации которых применяются нагрузки меньше 2 Н, а глубина внедрения индентора при этом больше 0,2 мкм. Нанодиапазон характеризуется любыми методами определения твердости, при которых глубина внедрения индентора не превышает 0,2 мкм. Стремительно развивающееся в последнее время наноиндентирование часто выходит за пределы 0,2 мкм глубины внедрения индентора. Поэтому такую твердость материала правильнее называть микротвердостью, а не нанотвердостью, как часто приводится в современных публикациях. Вышеуказанный стандарт ориентирован преимущественно на определение твердости при нагруженном инденторе, т.е. с учетом упругой и пластической составляющих твердости. Одним из универсальных способов определения твердости практически всех материалов является метод измерения твёрдости вдавливанием шарика (твердость по Бринеллю). В материал вдавливается стальной шарик, и значения твердости определяют по величине поверхности отпечатка, оставляемого шариком. Шарик вдавливают с помощью пресса. Испытуемый образец устанавливают на столике 1 в нижней части неподвижной станины пресса (рис. 2), зашлифованной поверхностью кверху. Поворотом вручную маховика 2 по часовой стрелке столик поднимают так, чтобы шарик мог вдавиться в испытуемую поверхность. В прессах с электродвигателем вращают маховик 2 до упора и нажатием кнопки включают двигатель 5. Последний перемещает коромысло и постепенно вдавливает шарик под действием нагрузки, сообщаемой привешенным к коромыслу грузом. Эта нагрузка действует в течение определенного времени, обычно 10—60 с, в зависимости от твердости измеряемого материала, после чего вал двигателя, вращаясь в обратную сторону, соответственно перемещает коромысло и снимает нагрузку. После автоматического выключения двигателя, поворачивая маховик 2 против часовой стрелки, опускают столик прибора и затем снимают образец.В образце остается отпечаток со сферической поверхностью (лунка). Диаметр отпечатка измеряют лупой, на окуляре которой нанесена шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. Диаметр отпечатка замеряют с точностью до 0,05мм (при вдавливании шарика диаметром 10мм и 5мм) в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Для определения твердости следует принимать среднюю из полученных величин. Число твердости по Бринеллю НВ вычисляют по уравнению. Однако получение постоянной и одинаковой зависимости между Р и d, необходимое для точного определения твердости, достигается только при соблюдении определенных условий. При вдавливании шарика на разную глубину, т. е. с разной нагрузкой для одного и того же материала, не соблюдается закон подобия между получаемыми диаметрами отпечатка. Наибольшие отклонения наблюдаются, если шарик вдавливается с малой нагрузкой и оставляет отпечаток небольшого диаметра или вдавливается с очень большой нагрузкой и оставляет отпечаток с диаметром близким к диаметру шарика. Поэтому твердость материалов измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки Р и квадратом диаметра шарика D2. Это соотношение должно быть различным для материалов разной твердости.В процессе вдавливания наряду с пластической деформацией измеряемого материала происходит также упругая деформация вдавливаемого шарика. Величина этой деформации, искажающей результаты определения, возрастает при измерении твердых материалов. Поэтому испытания вдавливанием шарика ограничивают измерением металлов небольшой и средней твердости (для стали с твердостью не более НВ = 450). Известное влияние оказывает также длительность выдержки металла под нагрузкой. Легкоплавкие металлы (свинец, цинк, баббиты), имеющие низкую температуру рекристаллизации, испытывают пластическую деформацию не только в момент вдавливания, но и в течение некоторого времени после приложения нагрузки. С увеличением выдержки под нагрузкой пластическая деформация этих металлов практически стабилизируется. Для металлов с высокими температурами плавления влияние продолжительности выдержки под нагрузкой незначительно, что позволяет применять более короткие выдержки (10 — 30 с). При измерении твердости шариком определенного диаметра и с установленными нагрузками на практике пользуются заранее составленными таблицами, указывающими число НВ в зависимости от диаметра отпечатка и соотношения между нагрузкой Р и поверхностью отпечатка F. При указании твердости НВ иногда отмечают принятые нагрузку и диаметр шарика. Однако этот способ не позволяет: а) испытывать материалы с твердостью более НВ 450; б) измерять твердость тонкого поверхностного слоя (толщиной менее 1—2 мм), так как стальной шарик продавливает этот слой и проникает на большую глубину. Толщина измеряемого слоя (или образца) должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка. Принципиальное отличие метода определения твердости по Роквеллу от рассмотренного выше измерения по Бринеллю состоит в том, что твердость определяют по глубине отпечатка, получаемого при вдавливании алмазного конуса или стального шарика, а не по площади отпечатка. Этот метод имеет то преимущество перед измерениями по Бринеллю, что позволяет изменять нагрузку в широких пределах, без изменения значений твердости, так как при вдавливании конуса сохраняется закон подобия, а условия деформации под вершиной конуса с увеличением давления не изменяются. Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка Р0 (10 кт·с) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р1. В течение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой. Прибор измеряет глубину отпечатка алмазного конуса (стального шарика) или, точнее, разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной нагрузки и от вдавливания под предварительной нагрузкой. Числа твердости по Роквеллу возрастают с увеличением твердости материала, что позволяет сравнить числа Роквелла с числами Бринелля. Однако числа твердости по Роквеллу можно пересчитать на числа твердости по Бринеллю с помощью специальных диаграмм и таблицы, построенных на основании многочисленных экспериментальных работ. Зависимость между этими числами не имеет линейного характера. Измерение твердости по Роквеллу требует меньше времени (30—60 с), чем по Бринеллю, причем результат измерения виден на шкале (он указан стрелкой). Кроме того, измерение твердости по Роквеллу оставляет меньший отпечаток на поверхности детали. Твердость очень тонких слоев металла (толщиной менее 0,3 мм) с указанными нагрузками 60 и 150 кт·с измерять нельзя, так как алмазный конус проникает на глубину, превышающую толщину этих слоев, и указывает, следовательно, твердость нижележащих областей. Вместе с тем с увеличением твердости измеряемого материала глубина отпечатка уменьшается, вследствие чего понижается точность измерения (особенно для металлов с твердостью более HRC 60). Твердость и другие свойства, анализируемые в процессе ее определения разными методами, как правило, рассчитываются по формулам, включающим глубину внедрения индентора в испытуемую поверхность в той или иной степени. Основные критерии оценки твердости, в зависимости от показателя степени глубины внедрения индентора, условно можно разделить на 3 группы: 1. Критерии оценки твердости 1-й степени, когда в формуле расчета твердости применяется : 2. Критерии оценки твердости 2-й степени, когда в формуле расчета твердости применяется 3. Критерии оценки твердости 3-й степени, когда в формуле расчета твердости применяется К критериям первого уровня можно отнести характеристики, по которым с определенными допущениями оценивается твердость, т.е. способность материала сопротивляться при внедрении в него индентора: диаграмма индентирования, работа индентирования, ползучесть, вязкоупругое восстановление материала, твердость по Роквеллу, твердость по Шору. Физическая сущность критериев оценки твердости первого уровня представлена в табл. 2. Таблица 2. Критерии оценки твердости 2-й степени
К критериям второго уровня оценки твердости относятся: твердость по Бринеллю, твердость по Виккерсу, микротвердость, среднее контактное давление, поверхностная твердость, твердость по Мартенсу, твердость индентирования, твердость по Мейеру. Физическая сущность критериев оценки твердости второго уровня представлена в табл. 3. Таблица 3. Критерии оценки твердости 2-й степени
Физическая сущность критериев оценки твердости второго уровня представлена в табл. 3. Таблица 3. Критерии оценки твердости 2-й степени
Третий уровень оценки твердости характеризуют такие критерии: твердость по Русселю, твердость по Холлнагелю, объемная твердость, твердость по Мартелю, твердость по Шпету. Выводы Общепринятая классификация способов расчета твердости, основанная на уровне прилагаемой нагрузки и глубине индентирования, не отражает современного понимания этого свойства и не учитывает весь объем информации, получаемой при испытаниях. В данной статье предложен новый подход к разделению существующих методов определения механических характеристик материалов, которые могут быть получены в процессе испытаний на твердость. Такая классификация возможна только на основании особенностей применяемых расчетных методик с учетом показателя степени глубины внедрения индентора в материал.
Литература: 1. Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов / В.К. Григорович. − М.: Наука, 1976. −230 с. 2. Энциклопедический словарь / под ред. Н.Н. Арсеньева, Е.Е. Петрушевского: Изд-во Ф.А. Брокгауз, И.А. Эфрон. –С.Пб.: Типогр. Акц. о-ва "Изд. дело". − Брокгауз − Эфрон. − 1890 − 1907. − Т.х32а. − 1901. − С. 706-707. Специализированный журнал "Промышленность и безопасность" - www.pbperm.ru
Короткая ссылка на новость: https://a-economics.ru/~EAZwI
|
|