Микротвёрдость

Микротвёрдость [microhardness] - это твёрдость отдельных фаз и структурных составляющих, твёрдость внутри отдельных зёрен, тонкого поверхностного слоя (после химико-термической обработки) и тонких листов и фольги. Микротвёрдость измеряется вдавливанием алмазной пирамидки под нагрузкой менее 2 н (200 гс). Выбор участка для испытания микротвёрдости и определение размеров отпечатка производят под микроскопом, затем по специальным таблицам пересчитывают на так называемое число твёрдости — отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка. Прибор для определения микротвёрдости обеспечивает возможность выбора участка микроструктуры, где будет произведено вдавливание; благодаря малым размерам отпечатка можно измерять микротвёрдость отдельных фаз или даже отдельных зёрен. Данные о микротвёрдости используют для изучения неоднородности распределения растворимых примесей по зерну, исследования пластической деформации, построения диаграмм фазового равновесия и т. д.

Измерение микротвёрдости

Измерение микротвёрдости производят в соответствии с требованиями ГОСТ 9450-76 «Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников» по методу восстановленного отпечатка (основной) или по методу невосстановленного отпечатка (дополнительный) с использованием:

• четырехгранной пирамиды с квадратным основанием;
• трехгранной пирамиды с основанием в виде равностороннего треугольника;
• четырехгранной пирамиды с ромбическим основанием;
• бицилиндрического наконечника.

Измерение микротвёрдости относится к микромеханическим испытаниям, которые были разработаны для металлографических исследований свойств отдельных структурных составляющих сплавов.

Среди обычных методов механических испытаний есть распространенный метод измерения твердости. Твердостью называется сопротивление материала внедрению в него другого материала. В испытуемый образец вдавливается индентор из другого материала и измеряется глубина вдавливания. Современная же техника позволяет изготовить приборы для проведения измерения твердости в микромасштабе - микротвёрдости. В таком приборе для измерения микротвердости металлографический шлиф, предварительно протравленный для выявления структуры, исследуется под микроскопом, выбирается место для исследования, к этому месту подводится алмазный индентор, прикладывается нагрузка, после чего нагрузка снимается, шлиф возвращается в поле зрения объектива микроскопа и проводится измерение отпечатка. В микромасштабе сложно измерять глубину вдавливания индентора, легче измерить размеры отпечатка в плоскости шлифа. Если индентор имеет форму шарика, конуса или пирамиды, то по диаметру или диагонали отпечатка можно вычислить его глубину и определить твердость так же, как это делается при макромеханических испытаниях. В наиболее распространенном приборе для измерения микротвердости увеличение составляет до 400 и на микрошлифе стали хорошо видны отдельные структурные составляющие. Измерения твердости этих структурных составляющих показывают, что микротвердость феррита составляет около 100 кгс/мм², перлита около 400, а мартенсита в закаленной стали около 800. Для того чтобы определить микротвердость всех фаз, увеличения прибора недостаточно. Например, удается определить микротвердость перлита, но пластины фазы цементит (Fe3C) являются слишком тонкими, и поставить отпечаток на одну пластину не удается. Твердость аустенита имеет порядок 170 – 200 кгс/мм², а микротвёрдость цементита ~1000.

Метод измерения микротвердости при металлографических исследованиях во многих случаях позволяет получить результаты, недостижимые при макроскопических механических испытаниях. Например, измерения микротвердости и участков с мартенситной структурой, возникших на месте зерен перлита в стали после действия световых импульсов лазера, показали, что их твердость почти в полтора раза выше, чем твердость стали после обычной закалки в воде. Этот эффект, имеющий большое научное и практическое значение, связан с тем, что нагрев и охлаждение металла при лазерной обработке происходит со скоростями в тысячи раз большими, чем при обычной закалке.

Для измерения микротвёрдости фазовых структурных составляющих и для получения распределения микротвёрдости по толщине химико-термически обработанных слоев в наше время применяют программы анализа микротвёрдости. Примером такой программы является анализатор микротвёрдости ImageExpert^TM MicroHardness 2. При необходимости проведения множественных измерений микротвёрдости производительность может быть существенно повышена за счёт автоматизации аппаратно-программного комплекса. Процесс нанесения серии отпечатков в этом случае происходит полностью автоматически, а по окончании программный модуль вернёт оператора в исходную точку испытания и проведёт пользователя последовательно по каждому отпечатку для их сохранения и последующего измерения.

Дополнительно см. Твёрдость, Металлография, Металлографические исследования, Микроструктура.