Методы определения твердости материалов

Твердость — это способность металла сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела.

Твердость металла является весьма важной характеристикой, так как тесно связана с такими основными характеристиками металлов и сплавов, как прочность, износостойкость и др.

В настоящее время имеется много способов определения твердости металлов. Рассмотрим некоторые из них, наиболее широко применяемые в промышленности.

Определение твердости вдавливанием стального шарика (метод Бринелля)

Стальной шарик, изготовленный из закаленной шарикоподшипниковой стали, под действием усилия вдавливается в поверхность металла.

С помощью специальной лупы измеряется диаметр лунки. По таблицам, приложенным к прибору, определяется значение твердости Н_Е.

Для испытания применяют специальный пресс типа Бринелля, внешний вид которого показан на рисунке

Стальной шарик крепится в оправке 2.

Исследуемый образец ставится на предметный столик 1 и поднимается к шарику штурвалом 4.

При включении мотора 5 грузы пресса 3 опускаются и вдавливают стальной шарик в образец.

Для стали значение твердости, определенное этим методом, связано с пределом прочности соотношением, которым на практике иногда пользуются:

Определение твердости по глубине вдавливания алмазного конуса (метод Роквелла)

Алмазный конус с углом при вершине 120° вдавливается в металл предварительной постоянной нагрузкой 10 кг, а затем полкой нагрузкой 60 или 150 кг.

Для испытания используют специальный пресс, внешний вид которого показан на рис. 25.

Алмазный конус крепится в оправке 4.

Образец устанавливается «на столик 3 и поднимается с помощью штурвала 2 до нагрузки 10 кг.

Ручка 1 освобождает грузы6, которые создают усилие для вдавливания конуса в металл. Глубину вдавливания, т.е. значение твердости, отмечает индикатор 5.

Значения твердости этим методом определяются по разности глубины вдавливания алмазного конуса под действием полной и предварительной нагрузок.

Чем тверже металл, тем на меньшую глубину проникает алмаз при вдавливании, тем больше будет число твердости.

Стандартной нагрузкой при этом методе является 150 кг.

Обозначается твердость Н_RC. В некоторых случаях, например при измерении твердости на тонком образце или при измерении твердости поверхностного слоя металла, нагрузку применяют до 60 кг.

Измерение твердости мягких материалов

На этом же приборе можно производить измерение твердости мягких материалов (цветные металлы, отожженная сталь).

В этом случае используют стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм (1/16»). Стандартной нагрузкой является 100 кг, и величина твердости обозначается индексом Н_RB.

Определение твердости динамическим вдавливанием шарика

При изменении твердости массивных деталей и конструкций, когда нельзя использовать описанные выше приборы, применяют переносный прибор, показанный на рисунке:

В прибор закладывают эталонный образец 1. При ударе по прибору молотком специальный шарик 2 наносит отпечатки на исследуемый предмет и эталонный образец, твердость которого известна.

Сопоставляя значения диаметров лунок образца и детали по таблицам, определяют твердость детали.

Определение твердости методом упругой отдачи

В тех случаях, когда нельзя применять методы вдавливания, чтобы не испортить поверхности изделия, используется прибор, определяющий твердость металла методом упругой отдачи.

На рисунке показан внешний вид прибора:

С постоянной высоты на металл падает определенного веса боек и отскакивает. По величине отскока судят о твердости. Чем больше твердость, тем больше отскок бойка.

Производительность этого метода испытаний очень велика (несколько сот измерений в час). Однако применять его можно только для сравнения между собой твердости изделий из одного и того же металла или из металлов, имеющих одинаковые упругие свойства.

Существует довольно большое количество различных механических характеристик металла, которые учитываются при производстве различных деталей. Многие из них зависят от химического состава материала, другие от особенностей эксплуатации. Измерение твердости металла проводится чаще других испытаний, так как это качество во многом определяет особенности эксплуатации материала. Рассмотрим особенности определения твердости подробнее.

Понятие твердости

Твердость – свойство материалов, характеризующее способность проникновения одного, более твердого, тела в другое. Также эта характеристика определяет устойчивость к пластической деформации или разрушению поверхностных слоев при оказании сильного давления.

Измеряется показатель в самых различных единицах в зависимости от применяемого метода.

Все методы определения твердости материалов можно разделить на несколько основных групп:

1. Статические. Подобные методы характеризуются тем, что нагрузка постепенно возрастает. Время выдержки может быть разным — все зависит от особенностей применяемого метода.
2. Динамические характеризуются тем, что нагрузка на образец подается с определенной кинетической энергией. При этом показатель твердости является менее точным, так как при динамической нагрузке возникает определенная отдача из-за упругости материала. Результаты подобных испытаний зачастую называют твердостью материалов при ударе.
3. Кинетические основаны на непрерывной регистрации показателей во время проведения испытаний, что позволяет получить не только конечный, но и промежуточный результат. Для этого применяется специальное оборудование.

Измерение твердости инструмента

Кроме этого, классификация методов определения твердости проводится по принципу приложенной нагрузки. Выделяют следующие способы испытания образца:

1. Вдавливание является на сегодняшний день наиболее распространенным способом определения рассматриваемого показателя.
2. При отскоке проводится замер того, как высоко боек отлетит от поверхности испытуемого образца. В данном случае просчет твердости проводится по показателю сопротивления упругой деформации. Методы подобного типа довольно часто применяются для контроля качества прокатных валиков и изделий с большими размерами.
3. Методы, основанные на царапании и резании, сегодня применяются крайне редко. Были они разработаны два столетия назад.

Как правило, в твердомерах есть деталь, которая оказывает воздействие на испытываемую заготовку. Примером можно назвать стальные шарики различного диаметра и алмазные наконечники с формой пирамиды. Некоторые из применяемых на сегодняшний день методов рассмотрим подробнее.

Измерение твердости по Бринеллю

Чаще всего проводится измерение твердости по Бринеллю. Этот метод регламентирован ГОСТ 9012. К особенностям испытания металлов и сплавов подобным методом можно отнести следующие моменты:

1. В качестве тела, которое будет оказывать воздействие на испытуемый образец, используется стальной шарик.
2. Для тестирования применяется шарик с определенным диаметром, который изготавливается из закаленной стали. К нему прилагается постоянно нарастающая нагрузка.
3. Главным условие применения этого метода тестирования металлов и сплавов является то, что шарик должен изготавливается из более твердого материала, чем испытуемый образец.
4. После завершения теста проводится измерение полученного отпечатка на поверхности.
5. Данный способ позволяет получить данные, которые указываются в HB. Именно это обозначение сегодня встречается чаще других в различной справочной документации.
6. Для удобства применения данного способа были созданы специальные таблицы, которые основаны на зависимости диаметрального размера шарика, твердости и полученного отпечатка.

Измерение по методу Бринеллю

Стоит учитывать, что по Бринеллю не рекомендуется тестировать стали и сплавы, твердость которых превышает значение 450HB. Цветные металлы должны обладать показателем ниже 200 HB.

Измерение твердости по Виккерсу

Также выделяют метод измерения твердости по Виккерсу, который регламентирован ГОСТ 2999. Получил он распространение при определении твердости деталей и заготовок, который имеют небольшую толщину. Кроме этого, он может применяться для измерения твердости деталей, имеющих поверхностный твердый слой.

К особенностям этого способа тестирования образца можно отнести нижеприведенные моменты:

1. Применяется так называемый алмазный наконечник, который имеет форму пирамиды с четырьмя гранями и равными сторонами.
2. Выбирается определенное время выдержки.
3. После того, как снимается нагрузка, проводится измерение размеров диагоналей получившегося отпечатка и вычисляется среднее арифметическое значение.
4. Величина прилагаемой нагрузки регламентирована, может выбираться в зависимости от типа тестируемого материала.
5. Полученные результаты в ходе проведения исследований обозначаются HV.

В некоторых случаях после полученного значения указывается время выдержки и величина прилагаемой нагрузки, что позволяет с большей точностью определить значение твердости.

Измерение твердости по Роквеллу

Данный метод регламентируется ГОСТ 9013. Для его проведения используется специальный прибор для измерения твердости, который позволяет создать две последовательные нагрузки, прилагаемые к поверхности образца. К особенностям проведения подобного теста можно отнести:

1. Сначала оказывается предварительная нагрузка, после чего добавляется вторая.
2. После выдержки под общей нагрузкой в течении 3-5 секунд вторая снимается, проводится замер глубины отпечатка, затем снимается предварительная нагрузка.
3. Измерение полученных данных проводится в условных единицах, которые равны осевому смещению индикатора на 0,002.
4. Определяется число твердости по Роквеллу по специальной шкале прибора.
5. Форма применяемого индикатора может существенно отличаться. Именно поэтому было введено несколько типов измерительных шкал, которые соответствуют определенной форме индикатора.
6. Для обозначения полученной величины могут применяться обозначения HIRA, HRC, HRB. Они соответствуют форме применяемого индикатора и шкалы обозначения.

Принцип измерения твердости по Роквеллу

В качестве индикатора могут использоваться стальной шарик и два алмазных конуса различного размера. Этот метод измерения твердости закаленных деталей проводится только при применении алмазного конуса меньшего размера, предварительная оказываемая нагрузка составляет 10 кгс, основная 50 кгс. За счет предварительной нагрузки исключается вероятность того, что из-за упругости материала полученные значения будут менее точными. Кроме этого, предварительная нагрузка позволяет проводить измерение твердости металлов и сплавов, которые прошли предварительную термическую обработку.

Измерение твердости по Шору

Метод определения твердости по Шору применяется для тестирования прокатных валиков на момент их изготовления. Кроме этого, проверка рассматриваемого показателя может проводиться при эксплуатации валиков на прокатных станках, так как из-за оказываемого воздействия структура металла может изменяться, ухудшая эксплуатационные качества. Регламентирован метод Шора ГОСТ 23273.

Шкала твердости по Шору

Рассматривая измерение твердости по Шору, следует отметить следующие моменты:

1. В отличие от предыдущих способов, рассматриваемый основан на свободном падении алмазного индикатора на тестируемую поверхность с определенной высоты. Для тестирования применяется специальное оборудование, которое позволяет фиксировать точно высоту отскока.
2. Масса применяемого бойка с алмазным наконечником составляет 36 грамм. Этот показатель важен, так как учитывается при проводимых расчетах.
3. Твердость определяется по высоте отскока, измерение проводится в условных единицах. Падение образца на поверхность происходит с образованием небольшого углубления, а упругость приводит к обратному отскоку. Этот метод хорош тем, что позволяет проводить тестирование образцов, которые прошли предварительную термическую обработку. При постепенном вдавливании возникающая нагрузка может стать причиной деформирования используемого наконечника или шарика. В этом случае вероятность их деформации весьма мала.
4. За 100 единиц твердости в этом случае принято считать высоту отскока 13,6 мм с возможностью небольшого отклонения в большую или меньшую сторону. Этот показатель можно получить при тестировании углеродистой стали, прошедшей процесс закалки. В качестве обозначения применяется аббревиатура HSD.

Сегодня этот способ измерения твердости применяется довольно редко из-за высокой погрешности и сложности замера высоты отскока байка от тестируемой поверхности.

Как ранее было отмечено, существует довольно большое количество методов измерения рассматриваемого показателя. Однако из-за сложности проведения тестов и большой погрешности многие уже не применяются.

В некоторых случаях проводится тестирование на микротвердость. Для измерения этого показателя прилагается статическая нагрузка к телу с формой пирамиды, и оно входит в испытуемые образец. Время выдержки может варьироваться в большом диапазоне. Показатель вычисляется примерно так же, как при методе Виккерса.

Соотношение значений твердости

При выборе метода измерения твердости поверхности следует учитывать, что между полученными данными нет никакой связи. Другими словами, выполнить точный перевод одной единицы измерения в другую нельзя. Применяемые таблицы зависимости не имеют физического смысла, так как они эмпирические. Отсутствие зависимости также можно связать с тем, что при тестировании применяется разная нагрузка, различные формы наконечников.

Существующие таблицы следует применять с большой осторожностью, так как они дают только приблизительные результаты. В некоторых случаях рассматриваемый перевод может оказаться весьма точным, что связано с близкими физико-механическими свойствами испытуемых металлов.

В заключение отметим, что значение твердости связано со многими другими механическими свойствами, к примеру, прочностью, упругостью и пластичностью. Поэтому для определения основных свойств металла довольно часто проводят измерение именно твердости. Однако прямой зависимости между всеми механическими свойствами металлов и сплавов нет, что следует учитывать при проведении измерений.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Твёрдость — свойство материала сопротивляться внедрению более твёрдого тела — индентора.

Метод определения восстановленной твёрдости.

Твёрдость определяется как отношение величины нагрузки к площади поверхности, площади проекции или объёму отпечатка. Различают поверхностную, проекционную и объемную твёрдость:

• поверхностная твёрдость — отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка;
• проекционная твёрдость — отношение нагрузки к площади проекции отпечатка;
• объёмная твёрдость — отношение нагрузки к объёму отпечатка.

Твёрдость измеряют в трёх диапазонах: макро, микро, нано.

• Макродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор от 2 Н до 30 кН.
• Микродиапазон (см. микротвёрдость) регламентирует величину нагрузки на индентор менее 2 Н и глубину внедрения индентора больше 0,2 мкм.
• Нанодиапазон регламентирует только глубину внедрения индентора, которая должна быть меньше 0,2 мкм [1] . Часто твёрдость в нанодиапазоне называют нанотвердость (англ. nanohardness ). Величина нанотвердости может значительно отличаться от микротвёрдости для одного и того же материала. [2][3] .

Измеряемая твёрдость, прежде всего, зависит от нагрузки, прикладываемой к индентору. Такая зависимость получила название размерного эффекта ( indentation size effect ). Характер зависимости твердости от нагрузки определяется формой индентора:

• для сферического индентора — с увеличением нагрузки твёрдость увеличивается — обратный размерный эффект ( reverse indentation size effect );
• для индентора в виде пирамиды Виккерса или Берковича — с увеличением нагрузки твёрдость уменьшается — прямой или просто размерный эффект ( indentation size effect );
• для сфероконического индентора (типа конуса для твердомера Роквелла) — с увеличением нагрузки твёрдость сначала увеличивается, когда внедряется сферическая часть индентора, а затем начинает уменьшаться (для конической части индентора).

Содержание

Методы измерения твёрдости [ править | править код ]

Методы определения твёрдости по способу приложения нагрузки делятся на: 1) статические и 2) динамические (ударные).

Для измерения твёрдости существуют несколько шкал (методов измерения):

• Метод Бринелля — твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому твердосплавным шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части сферы, а не как площадь круга см.твёрдость по Мейеру); размерность единиц твердости по Бринеллю МПа (кгс/мм²). Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HBW, где H — hardness (с англ. — «твёрдость»), B — Бринелль, W — материал индентора, затем указывают диаметр индентора, нагрузку и время выдержки. Стальные шарики в качестве инденторов для метода Бринелля уже не используются.
• Метод Роквелла — твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания стального, твердосплавного шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HRA, HRB, HRC и т.д.; твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 (130) − h/e, где h — глубина относительного вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а e — коэффициент, равный 0,002 мм для метода Роквелла и 0,001 мм для супер Роквелла. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу по шкалам A и C составляет 100 единиц, а по шкале B — 130 единиц. Всего существует 54 шкалы измерения твердости по Роквеллу.
• Метод Виккерса — твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение нагрузки, приложенной к пирамидке, к площади поверхности отпечатка (причём площадь поверхности отпечатка берётся как площадь части геометрически правильной пирамиды, а не как площадь поверхности фактического отпечатка); размерность единиц твёрдости по Виккерсу кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV с обязательным указанием нагрузки и времени выдержки.
• Методы Шора:

• Твёрдость по Шору (метод вдавливания) — твёрдость определяется по глубине проникновения в материал специальной закалённой стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины [4] . В данном методе измерительный прибор именуется дюрометром. Обычно метод Шора используется для определения твердости низкомодульных материалов (полимеров). Метод Шора, описанный стандартом ASTM D2240, оговаривает 12 шкал измерения. Чаще всего используются варианты A (для мягких материалов) или D (для более твёрдых). Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается буквой используемой шкалы, записываемой после числа с явным указанием метода.

• Дюрометры и шкалы Аскер — по принципу измерения соответствует методу вдавливания (по Шору). Фирменная и нац. японская модификация метода. Используется для мягких и эластичных материалов. Отличается от классического метода Шора некоторыми параметрами измерительного прибора, фирменными наименованиями шкал и инденторами.

• Твёрдость по Шору (метод отскока) — метод определения твёрдости очень твёрдых (высокомодульных) материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боёк (основная часть склероскопа — измерительного прибора для данного метода), падающий с определённой высоты [5] . Твёрдость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка. Основные шкалы C и D. Обозначается HSx, где H — Hardness, S — Shore и x — латинская буква, обозначающая тип использованной при измерении шкалы [6][7] .

Следует понимать, что хотя оба этих метода являются методами измерения твёрдости, предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие названия и совпадающие обозначения шкал, это — не версии одного метода, а два принципиально разных метода с разными значениями шкал, описываемых разными стандартами.

• Метод Кузнецова — Герберта — Ребиндера — твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл;
• Метод Польди (двойного отпечатка шарика) — твёрдость оценивается в сравнении с твёрдостью эталона, испытание производится путём ударного вдавливания стального шарика одновременно в образец и эталон (см. иллюстрацию);
• Шкала Мооса — определяется по тому, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый материал, и какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом.
• Метод Бухгольца — метод определения твердости при помощи «прибора Бухгольца». Предназначен для испытания на твёрдость (твёрдость по Бухгольцу) полимерных лакокрасочных покрытий при вдавливании «индентора Бухгольца». Метод регламентируют стандарты ISO 2815, DIN 53153, ГОСТ 22233 [8][9] .

Методы измерения твёрдости делятся на две основные категории: статические методы определения твёрдости и динамические методы определения твёрдости.

Для инструментального определения твёрдости используются приборы, именуемые твёрдомерами. Методы определения твёрдости, в зависимости от степени воздействия на объект, могут относиться как к неразрушающим, так и к разрушающим методам.

Существующие методы определения твёрдости не отражают целиком какого-нибудь одного определённого фундаментального свойства материалов, поэтому не существует прямой взаимосвязи между разными шкалами и методами, но существуют приближённые таблицы, связывающие шкалы отдельных методов для определённых групп и категорий материалов. Данные таблицы построены только по результатам экспериментальных тестов и не существует теорий, позволяющих расчётным методом перейти от одного способа определения твёрдости к другому.

Конкретный способ определения твёрдости выбирается исходя из свойств материала, задач измерения, условий его проведения, имеющейся аппаратуры и др.

В СНГ стандартизированы не все шкалы твёрдости.