Методы измерения твердости металлов

Методы измерения твердости

Все методы определения твердости металлов используют механическое воздействие на испытуемый образец – вдавливание индентора. Но при этом не происходит разрушение образца.

Метод определения твердости по Бринеллю был первым, стандартизованным в материаловедении. Принцип испытания образцов описан выше. На него действует ГОСТ 9012. Но можно вычислить значение по формуле, если точно измерить отпечаток на образце:

HB=2P/(πD*√(D2-d2),

• гдеР – прикладываемая нагрузка, кгс;
• D – окружность шарика, мм;
• d – окружность отпечатка, мм.Шарик подбирается относительно толщины образца. Нагрузку высчитывают предварительно из принятых норм для соответствующих материалов:сплавы из железа — 30D2;медь и ее сплавы — 10D2;баббиты, свинцовые бронзы — 2,5D2.

Условное изображение принципа испытания

Схематически метод исследования по Роквеллу изображается следующим образом согласно ГОСТ 9013.

Метод измерения твердости по Роквеллу

Итоговая приложенная нагрузка равна сумме первоначальной и необходимой для испытания. Индикатор прибора показывает разницу глубины проникновения между первоначальной нагрузкой и испытуемой h –h

Метод Виккерса регламентирован ГОСТом 2999. Схематически он изображается следующим образом.

Метод Виккерса

Математическая формула для расчета:HV=0.189*P/d2 МПаHV=1,854*P/d2 кгс/мм2Прикладываемая нагрузка варьируется от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Значения определяются по таблицам относительно измеренного отпечатка d.

Метод Шора

Метод считается эмпирическим и имеет большой разброс показаний. Но прибор имеет простую конструкцию и его можно использовать при измерении крупногабаритных и криволинейных деталей.

Измерить твердость по Моосу металлов и сплавов можно царапанием. Моос в свое время предложил делать царапины более твердым минералом по поверхности предмета. Он разложил известные минералы по твердости на 10 позиций. Первую занимает тальк, а последнюю алмаз.

После измерения по одной методике перевод в другую систему весьма условен. Четкие значения существуют только в соотношении твердости по Бринеллю и Роквеллу, так как машиностроительные предприятия их широко применяют. Зависимость можно проследить при изменении диаметра шарика.

d, мм	HB	HRA	HRC	HRB
2,3	712	85,1	66,4	—
2,5	601	81,1	59,3	—
3,0	415	72,6	43,8	—
3,5	302	66,7	32,5	—
4,0	229	61,8	22	98,2
5,0	143	—	—	77,4
5,2	131	—	—	72,4

Как видно из таблицы, увеличение диаметра шарика значительно снижает показания прибора. Поэтому на машиностроительных предприятиях предпочитают пользоваться измерительными приборами с однотипным размером индентора.

Методика измерения и оборудование

Практичный метод измерения твердости

На практике часто применяют аналогичный метод измерения твердости с помощью специального набора напильников, каждый из которых термически упрочнен на определенную твердость – от малой до большой. Такой набор из шести  напильников показан на рисунке ниже.

Если напильник скользит по материалу без образования какого-либо следа, то этот материал считается более твердым, чем напильник, если след остается – менее твердым. Такой относительный метод измерения твердости ограничен практическим применением и не дает точных численных данных или шкал, особенно для современных металлов и материалов.

Таблица величин твердостей различных материалов по Мосу

Таблица величин твердостей различных материалов по Мосу.

Вещество	Твердость по Мосу	Вещество	Твердость по Мосу
Агат / Agate	6-7	Латунь / Brass	3-4
Алебастр/ Alabaster	1.7	Литий / Lithium	0.6
Алмаз / Diamond	10	Лесс / Loess (при 0°)	0.3
Алюминий / Aluminum	2-2.9	Магний / Magnesium	2.0
Алунд (электрокорунд) / Alundum	9+	Магнийтный железняк (магнетит) / Magnetite	6
Андалузит / Andalusite	7.5	Марганец / Manganese	5.0
Антрацит / Anthracite	2.2	Мрамор / Marble	3-4
Сурьма / Antimony	3.0-3.3	Морская пенка / Meerschaum	2-3
Апатит / Apatite	5	Медь / Copper	2.5-3
Арагонит (волнистый известняк) / Aragonite	3.5	Наждак (корунд) / Emery	7-9
Мышьяк / Arsenic	3.5	Натрий / Sodium	0.4
Асбест / Asbestos	5	Опал / Opal	4-6
Асфальт / Asphalt	1-2	Осмий / Osmium	7.0
Авгит / Augite	6	Олово / Tin	1.5-1.8
Антигорит / Serpentine	3-4	Полевой шпат / Orthoclase	6
Антимонит / Stibnite	2	Палладий / Palladium	4.8
Бария сульфат / Barite	3.3	Платина / Platinum	4.3
Бронза колокольная/ Bell-metal	4	Полевой шпат / Feldspar	6
Берилл / Beryl	7.8	Плавиковый шпат / Fluorite	4
Висмут / Bismuth	2.5	Пемза / Pumice	6
Борная кислота / Boric acid	3	Роговая обманка / Hornblende	5.5
Бор / Boron	9.5	Рубидий / Rubidium	0.3
Воск / Wax (при 0°)	0.2	Рутений / Ruthenium	6.5
Галенит / Galena	2.5	Серебро / Silver	2.5-4
Галлий / Gallium	1.5	Сера / Sulfur	1.5-2.5
Гранат / Garnet	6.5-7	Стекло / Glass	4.5-6.5
Графит / Graphite	0.5-1	Свинец / Lead	1.5
Гипс / Gypsum	1.6-2	Слюда / Mica	2.8
Диатомит / Diatomaceous Earth	1-1.5	Сплав платина — иридий / Plat-iridium	6.5
Долмит / Dolomite	3.5-4	Серный (железный) колчедан, пирит / Pyrite	6.3
Железо / Iron	4-5	Селен / Selenium	2.0
Золото / Gold	2.5-3	Сталь / Steel	5-8.5
Известковый шпат / Calcite	3	Сплав Вуда / Wood’s Metal	3
Индий / Indium	1.2	Стронций / Strontium	1.8
Иридий / Iridium	6-6.5	Тальк / Talc	1
Кадмий / Cadmium	2.0	Теллурий / Tellurium	2.3
Каламин / Calamine	5	Топаз / Topaz	8
Кальций / Calcium	1.5	Турмалин / Tourmaline	7.3
Карборунд, карбид кремния / Carborundum	9-10	Углерод (чистый) / Carbon	10.0
Калий / Potassium	0.5	Фосфор / Phosphorus	0.5
Каменная соль (галит) / Rock Salt (halite)	2	Фосфористая бронза / Phosphorbronze	4
Кварц / Quartz	7	Хром / Chromium	9.0
Квасцовый сланец / Alum	2-2.5	Хлорид серебра / Silver Chloride	1.3
Корунд / Corundum	9	Цезий / Cesium	0.2
Кремневая галька / Flint	7	Цинк / Zinc	2.5
Красный железняк, гематит / Hematite	6	Янтарь / Amber	2-2.5
Каолинит / Kaolinite	2.0-2.5
Кремний / Silicon	7.0

Сравнение шкал твёрдости

Простота метода Роквелла (главным образом, отсутствие необходимости измерять диаметр отпечатка) привела к его широкому применению в промышленности для проверки твёрдости. Также не требуется высокая чистота измеряемой поверхности (например, методы Бринелля и Виккерса включают замер отпечатка с помощью микроскопа и требуют полировки поверхности).

К недостатку метода Роквелла относится меньшая точность по сравнению с методами Бринелля и Виккерса.

Существует корреляция между значениями твёрдости, измеренной разными методами (например, см. рисунок — перевод единиц твёрдости HRB в твёрдость по методу Бринелля для алюминиевых сплавов). Зависимость носит нелинейный характер. Существуют нормативные документы, где приведено сравнение значений твёрдости, измеренной разными методами (например, ASTM E-140).

Почему важно измерять показатель?

Твердость металлов — это показатель, который означает устойчивость стали к механическому воздействию других более твердых материалов. Оцениваются показатели в единицах твердости, на основе которых делается вывод о состоянии материала.

Твердость металлов важно учитывать в большинстве видов работы с ними. Например, когда на производстве изготавливаются объемные конструкции с большим весом, где применяются несколько типов металлов, важно знать, что они будут оптимально взаимодействовать и успешно выдерживать большую нагрузку. Особо важно учитывать показатель твердости металла в следующих сферах:

Особо важно учитывать показатель твердости металла в следующих сферах:

• Кораблестроительство;
• Изготовление автомобилей;
• Сборка самолетов;
• Изготовление строительных материалов на основе металла и расходников.

В любой из этих областей устойчивость к механическому воздействию определяет безопасность человека, возможность выполнить поставленную задачу и эксплуатационный срок.

Для определения твердости в металл вдавливается индентор — тело, изготовленное из твердого сплава или алмаза, которое обладает наилучшим показателем сопротивления к механическим воздействиям. Чем большую силу вдавливания выдерживает металл, тем его твердость больше.

Понятие

Твердость заготовки – особенность материала, благодаря которой железо создает сопротивление при контакте или проникновении в его слои инородного объекта или тела. Оно не должно подвергаться деформации или разрушению при определенных нагрузках.

Данный параметр служит для следующих целей:

Контроль состояния металла по времени.

Добыча информации, касательно минимальных и максимальных допустимых значениях заготовки.

Анализ результатов обработки с применением высоких температур.

Данный критерий показывает, как деталь проявит себя в дальнейшем использовании, а также какой у нее срок годности. Для проведения исследований используется как необработанные элементы, так и готовые запчасти.

Общие требования к процессу измерения твердости

• Измерительный прибор любой конструкции должен быть надежным и удобным в обращении.
• Прибор должен оперативно выдавать результаты замеров твердости.
• Вне зависимости от величины прилагаемого усилия или затрачиваемой энергии, значение твердости для однородного тела при постоянной температуре должно быть материальной константой.
• Поверхность образца должна быть подготовлена в соответствии с методом измерения.
• Образец должен быть надежно зафиксирован, чтобы исключить смещение относительно оси приложения нагрузки со стороны прибора.
• Твердость должна иметь совершенно определенный и ясный физический смысл, правильную размерность, характеризующую сопротивление материала пластической деформации.

Показатель твердости стали

Самый высокий показатель HRC не обязательно является лучшим.

Более твердая сталь, как правило, лучше держит кромку, чем более мягкая сталь, но она также с большей вероятностью трескается или выходит из строя. На самом деле, если она действительно твердая, она может разбиться, как стекло на бетоне!

Сталь, используемая при изготовлении ножа, также имеет большое отношение к тому, насколько хорошо нож будет удерживать кромку. Каждый отдельный стальной сплав имеет свой оптимальный диапазон, который уравновешивает твердость с производительностью и предназначением.

Так почему же показатель ножа по Роквеллу имеет значение? Что такое хорошая твердость по Роквеллу для ножа?

Твердость ножа очень важна с точки зрения его производительности и долговечности. Например, более твердая сталь с RC 58-62 будет держать кромку лучше, чем более мягкая сталь. Однако, эта же самая твердая сталь менее прочна и более склонна к растрескиванию или даже поломке

Некоторые кухонные ножи с высокой твердостью требуют особой осторожности, чтобы не повредить тонкую режущую кромку

Более мягкая сталь более долговечна за счет свой высокой упругости. В большинстве топоров и зубил используется более мягкая сталь, которая выдерживает удары, с которыми они сталкиваются в повседневной работе.

Поскольку карманные ножи и охотничьи ножи обычно не используются для строгания и рубки древесины, они выигрывают от использования более прочной стали, которая сохраняет отличную остроту для нарезки мягких материалов.

Однако, нож для выживания, к которому вы собираетесь приложить экстремальные усилия, только выиграет от твердости по Роквелу 55-58. Нож, который мог бы резать кости и твердую древесину, в первую очередь, должен быть прочным. Нож с более низкой твердостью может затупиться быстрее, но с большей вероятностью переживет большое количество ударов и механических повреждений.

Испытание по Роквеллу помогает производителям ножей уравновешивать три наиболее важных фактора, которые могут повлиять на качество их готовой продукции: твердость, гибкость и вязкость. Наличие этих трех факторов в правильном балансе позволяет им производить ножи для различных сфер использования.

Существует несколько различных аббревиатур, которые могут использоваться изготовителем ножей при указании твердости: HR, HRc, HR C, RC, Rc, C по шкале Роквелла, шкала твердости Роквелла C. Независимо от того, как написано о ножевой стали, все они ссылаются на одну и ту же шкалу С. Это может немного запутать, но просто знайте, что рейтинги сами по себе одинаковы — какое бы обозначение не использовал производитель.

Стэнли П. Роквелл был металлургом на заводе по производству шарикоподшипников в Новой Англии в 1919 году. Он разработал шкалу твердости для того, чтобы измерять твердость шариков для подшипников быстро, точно и с высокой повторяемостью.

Производители всего, начиная от пружин для часов и заканчивая колесами для поездов, давно нуждались в таком испытании и быстро применяли шкалу Роквелла для всех видов стали, а также других металлов, деталей. В конце концов, тест был адаптирован даже для испытаний неметаллических материалов — даже пластмасс.

Методика проведения испытания промышленным твердомером Роквелла

• Выбрать подходящую для проверяемого материала шкалу (А, В или С).
• Установить соответствующий индентор и нагрузку.
• Перед тем, окончательным измерение надо сделать два пробных, неучитываемых отпечатка, чтобы проверить правильность установки индентора и стола.
• Установить эталонный блок на столик прибора.
• Приложить предварительную нагрузку в 10 кгс, обнулить шкалу.
• Приложить основную нагрузку и дождаться достижения максимального усилия.
• Снять нагрузку.
• Прочесть на циферблате по соответствующей шкале значение твёрдости (цифровой прибор показывает на экране значение твёрдости).
• Порядок действий при проверке твёрдости испытуемого образца такой же, как и на эталонном блоке. Допускается делать по одному измерению на образце при проверке массовой продукции.

Относительное измерение твердости при помощи напильников

Стоимость стационарных и портативных твердомеров довольно высока, поэтому их приобретение оправдано только необходимостью частой эксплуатации. Многие мастеровые по мере надобности практикуют измерять твердость металлов и сплавов относительно, при помощи подручных средств.

Измерение твердости при помощи напильников

Опиливание образца напильником – один из самых доступных, однако далеко не самый объективный способ проверки твердости стальных деталей, инструмента, оснастки. Напильник должен иметь не затупленную двойную насечку средней величины №3 или №4. Сопротивление опиливанию и сопровождающий его скрежет позволяет даже при небольшом навыке отличить незакаленную сталь от умеренно (40 HRC) или твердо закаленной (55 HRC).

Для тестирования с большей точностью существуют наборы тарированных напильников, именуемые также царапающий твердомер. Они применяются для испытания зубьев пил, фрез, шестерен. Каждый такой напильник является носителем определенного значения по шкале Роквелла. Твердость измеряется коротким царапанием металлической поверхности поочередно напильниками из набора. Затем выбираются два близко стоящие – более твердый, который оставил царапину и менее твердый, который не смог поцарапать поверхность. Твердость тестируемого металла будет находиться между значениями твердости этих двух напильников.

Почему важно измерять показатель?

Твердость металлов — это показатель, который означает устойчивость стали к механическому воздействию других более твердых материалов. Оцениваются показатели в единицах твердости, на основе которых делается вывод о состоянии материала.

Твердость металлов важно учитывать в большинстве видов работы с ними. Например, когда на производстве изготавливаются объемные конструкции с большим весом, где применяются несколько типов металлов, важно знать, что они будут оптимально взаимодействовать и успешно выдерживать большую нагрузку

Особо важно учитывать показатель твердости металла в следующих сферах:

• Кораблестроительство;
• Изготовление автомобилей;
• Сборка самолетов;
• Изготовление строительных материалов на основе металла и расходников.

В любой из этих областей устойчивость к механическому воздействию определяет безопасность человека, возможность выполнить поставленную задачу и эксплуатационный срок.

Для определения твердости в металл вдавливается индентор — тело, изготовленное из твердого сплава или алмаза, которое обладает наилучшим показателем сопротивления к механическим воздействиям. Чем большую силу вдавливания выдерживает металл, тем его твердость больше.

Метод Бринелля

Величину твердости по Бринеллю определяют по диаметру отпечатка, оставленному стальным закаленным шариком на поверхности тестируемого металла. Единицей измерения служит кгс/мм2.

Метод предложил в 1900 году шведский инженер Юхан Август Бринелль. Испытание проводится следующим образом: вначале задается предварительная нагрузка индентора на образец, а уж затем – основная. Причем материал под этой нагрузкой выдерживают до 30 секунд, после чего измеряется глубина вдавливания. Твердость по Бринеллю (обозначается как HB) рассчитывается как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности полученного отпечатка.

Некоторые значения твердости для различных материалов (по Бринеллю):

• Древесина – 2,6-7,0 HB.
• Алюминий – 15 HB.
• Медь – 35 HB.
• Мягкая сталь – 120 HB.
• Стекло – 500 HB.
• Инструментальная сталь – 650-700 HB.

Сущность методов определения твёрдости металлов

Испытания могут проводиться как на эталонных образцах (изготовленных из того же металла, и подвергнутых такому же режиму термической обработки), так и непосредственно на готовых деталях. В последнем случае необходимо принять меры к тому, чтобы испытуемое изделие не имело затем внешних повреждений.

Выбор метода испытания твёрдости зависит от:

1. Исходных механических показателей прочности, упругости и пластичности изделия.
2. Габаритных размеров детали (или места соединения смежных элементов конструкции, если устанавливается твёрдость в зоне, например, сварного шва).
3. Конечного результата: установить твёрдость самого изделия, либо твёрдость только его поверхности (выполняется для деталей, прошедших термическую обработку или иной вид поверхностного упрочнения).
4. Требований к условиям, времени и месту проведения испытания. Например, в полевых условиях более подходят не стационарные, а портативные твердомеры.
5. Стабильности результатов измерений и их воспроизводимости при повторных испытаниях.

Твёрдость может быть измерена тремя группами методов – механическими (статическими и динамическими), а также ультразвуковыми. Кроме того, различают твёрдость при комнатных и повышенных температурах (так называемую «горячую твёрдость»). Независимо от этого, физическая сущность всех методов одна – в образец внедряется деформирующий элемент, перемещение которого считывается по специальной шкале.

Твёрдость рассматривается как сопротивление металла необратимым пластическим деформациям, а потому отличается от других измерений наличием специальных унифицированных приборов – твердомеров для металлов.

Твердомер по Роквеллу: что это такое и как работает?

Стационарный твердомер представляет собой цельнолитую жесткую П-образную конструкцию (положенную на бок) и состоящую из 2 блоков:

• Измерительный блок (верх) состоит из индикатора часового типа, который контактирует с рычагом подвеса нагрузки. Для исключения возникновения ударной нагрузки при включении режима вдавливания рычаг подвеса имеет гидравлический демпфер.
• Блок установочного перемещения (низ) состоит из винтовой пары с большим шагом для ручного перемещения стола. Винтовая пара служит для создания предварительной нагрузки и больших перемещений стола. Это позволяет измерять твердость на деталях с габаритами, намного превышающими размеры образца толщиной 20 мм. Твердость поверхности стола не ниже HRC 50.

Твердомеры могут иметь двигатель перемещения, электронную систему измерения с дисплеем и другие усовершенствования, не влияющие на методику измерения.

Требования к образцу:

• образец (деталь) должен лежать устойчиво, не пружинить, не качаться;
• шероховатость поверхности образца не ниже Ra 2,5 по ГОСТ 2789-73.

На партию деталей изготавливают образец, который проходит термическую обработку вместе с деталями.

Порядок работы:

• образец устанавливают на стол;
• с помощью ходового винта образец подводят к интендору и нагружают предварительно (индикатор выставляется в 0);
• рычагом (кнопкой) включается режим вдавливания интендора в образец;
• при остановке стрелки индикатора (через 2…8 секунд после нагружения) снимают основную нагрузку, считывают значение твердости.

Современные твердомеры Роквелла, оборудованные цифровыми измерительными системами, имеют устройства автоматического подвода, предварительного нагружения, контроля величины усилия и времени рабочей нагрузки. Все усовершенствования должны обеспечивать соответствие требованиям ГОСТ 23677-79.

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.

Методы измерения твердости

Все методы определения твердости металлов используют механическое воздействие на испытуемый образец – вдавливание индентора. Но при этом не происходит разрушение образца.

Метод определения твердости по Бринеллю был первым, стандартизованным в материаловедении. Принцип испытания образцов описан выше. На него действует ГОСТ 9012. Но можно вычислить значение по формуле, если точно измерить отпечаток на образце:

HB=2P/(πD*√(D 2 -d 2 ),

• гдеР – прикладываемая нагрузка, кгс;
• D – окружность шарика, мм;
• d – окружность отпечатка, мм.Шарик подбирается относительно толщины образца. Нагрузку высчитывают предварительно из принятых норм для соответствующих материалов:сплавы из железа — 30D 2 ;медь и ее сплавы — 10D 2 ;баббиты, свинцовые бронзы — 2,5D 2 .

Условное изображение принципа испытания

Схематически метод исследования по Роквеллу изображается следующим образом согласно ГОСТ 9013.

Метод измерения твердости по Роквеллу

Итоговая приложенная нагрузка равна сумме первоначальной и необходимой для испытания. Индикатор прибора показывает разницу глубины проникновения между первоначальной нагрузкой и испытуемой h –h

Метод Виккерса регламентирован ГОСТом 2999. Схематически он изображается следующим образом.

Математическая формула для расчета:HV=0.189*P/d 2 МПаHV=1,854*P/d 2 кгс/мм 2 Прикладываемая нагрузка варьируется от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Значения определяются по таблицам относительно измеренного отпечатка d.

Метод считается эмпирическим и имеет большой разброс показаний. Но прибор имеет простую конструкцию и его можно использовать при измерении крупногабаритных и криволинейных деталей.

Измерить твердость по Моосу металлов и сплавов можно царапанием. Моос в свое время предложил делать царапины более твердым минералом по поверхности предмета. Он разложил известные минералы по твердости на 10 позиций. Первую занимает тальк, а последнюю алмаз.

После измерения по одной методике перевод в другую систему весьма условен. Четкие значения существуют только в соотношении твердости по Бринеллю и Роквеллу, так как машиностроительные предприятия их широко применяют. Зависимость можно проследить при изменении диаметра шарика.

d, мм	HB	HRA	HRC	HRB
2,3	712	85,1	66,4	—
2,5	601	81,1	59,3	—
3,0	415	72,6	43,8	—
3,5	302	66,7	32,5	—
4,0	229	61,8	22	98,2
5,0	143	—	—	77,4
5,2	131	—	—	72,4

Как видно из таблицы, увеличение диаметра шарика значительно снижает показания прибора. Поэтому на машиностроительных предприятиях предпочитают пользоваться измерительными приборами с однотипным размером индентора.

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

Твердостью металла называют его свойство оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии стандартного тела-наконечника на поверхностные слои материала.

Испытание на твердость – основной метод оценки качества термообработки изделия.

Определение твердости по методу Бринелля. Метод основан на том, что в плоскую поверхность под нагрузкой внедряют стальной шарик. Число твердости НВ определяется отношением нагрузки к сферической поверхности отпечатка.

Метод Роквелла (HR) основан на статическом вдавливании в испытываемую поверхность наконечника под определенной нагрузкой. В качестве наконечников для материалов с твердостью до 450 HR используют стальной шарик. В этом случае твердость обозначают как HRB. При использовании алмазного конуса твердость обозначают как HRA или HRC (в зависимости от нагрузки).

Твердость по методу Виккерса (HV) определяют путем статического вдавливания в испытуемую поверхность алмазной четырехгранной пирамиды. При испытании измеряют отпечаток с точностью до 0,001 мм при помощи микроскопа, который является составной частью прибора Виккерса.

Метод Шора. Сущность данного метода состоит в определении твердости материала образца по высоте отскакивания бойка, падающего на поверхность испытуемого тела с определенной высоты. Твердость оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка.

Способы перехода между шкалами

Тот факт, что в лабораториях используются разные методы, а также то, что нет одного стандарта, то приходится конвертировать один показатель в другую систему счисления. Следует отметить, что во всех странах преимущественно выбирают одну технологию. Но из-за активного товарооборота изготовители встречаются с непривычными маркировками. Итак, дадим таблицу с аналогичными результатами по отличающимся данным:

Диаметр от вдавливания – в мм	По Бринеллю	По Роквеллу, категория А	В	С	По Виккерсу
3,9	241	62,8	99,8	24	242
4,08	217	60,7	96,6	20,2	217
4,2	206	59,6	94,6	17,9	206
5	144	49,9	77,7	–	144

Можно отметить, что списки не обладают особо высокой точностью, поскольку в зависимости от измерений могли быть использованы разнообразные сплавы. Сводки будут верны только в том случае, если при всех пяти способах был апробирован одинаковый материал.

Оценка механических свойств по испытаниям на твёрдость

Величина прочности по Роквеллу связана с другими прочностными характеристиками веществ. Эта связь исследовалась такими учёными-материаловедами, как Н. Н. Давиденков, М. П. Марковец и др.

Например, по результатам проверки на твёрдость вдавливанием можно определить предел текучести вещества. Для высокохромистых нержавеющих сталей после различных режимов термообработки отклонение результатов, полученных таким методом, от разрушающих методов составило всего +0,9%.

Также исследовалась связь между значениями твёрдости и другими прочностными характеристиками определяемыми при растяжении, такими, как предел прочности (временное сопротивление разрушению), относительное сужение и истинное сопротивление разрушению.

Как проводятся испытания металлов на твердость

Твердость – способность металлов сопротивляться другому, более твердому телу

Эта характеристика является очень важной, тесно связанной с такими основными свойствами, как износостойкость, сопротивление и другие

Методы определения твердости металлов

Для определения величины твердости применяются различные методы: по диаметру отпечатка, отскоку, глубине вдавливания и другие. Выбор метода зависит от условий испытания, требований к сохранности образца.

Метод Бринелля

Этот метод позволяет определить твердость металла по диаметру оставленного отпечатка, который оставляется специальным шариком. Величина твердости определяется соотношением усилия к площади отпечатка (учитывается площадь части сфера, а не круга отпечатка). Размерность определяется, как HB, где Н – твердость, В – Бринелль (используемый метод).

Для оценки используется специальный пресс и шарик из шарикоподшипниковой закаленной стали, вдавливаемый в поверхность металла. Диаметр оставленной лунки определяется при помощи специальной лупы, значение твердости указывается в таблицах. Порядок исследования включает в себя такие этапы:

• образец (деталь) размещается на предметном столике, поднимается к стальному шарику при помощи штурвала;
• после включения мотора пресс вдавливает шарик в металл;
• проводится оценка отпечатка, сравнение с табличными данными.

Метод Роквелла

Этот метод используется для определения величины твердости по глубине вдавливания конуса. Для исследования применяется алмазный конус, вдавливаемый при постоянной нагрузке, равной 10 кг, далее – при полной нагрузке в 60 кг или 150 кг.

Порядок оценки включает в себя следующие этапы:

• образец располагается на специальном столике;
• алмазный конус крепится в оправе над образцом;
• при помощи штурвала образец поднимается к конусу под указанным давлением;
• ручка освобождает груз, образец опускается;
• специальный индикатор определяет глубину вдавливания, т есть значение твердости для испытуемого металла.

Метод динамического вдавливания

Метод динамического вдавливания может производится при помощи испытаний двух типов – по Виккерсу и Шору. В первом случае величина определяется по оставленной площади отпечатка. При испытаниях по Шору твердость испытуемого металла определяется по глубине проникновения индентора. Этот метод может использоваться для мягких материалов (вариант А) и для твердых (вариант D).

При испытаниях для массивных конструкций и деталей используются специальные переносные приборы, для остальных случаев применяются стационарные установки. Порядок оценки очень простой:

• осуществляется закладка эталонного образца или его размещение в контрольной области;
• удар молотком по прибору провоцирует нанесение отпечатка на исследуемую область (для этого используется специальный шарик);
• проводится сопоставление лунки на образце или детали с табличными значениями.

Метод упругой отдачи (отскока)

Для оценки по методу Шора используется склероскоп, сам метод применим в тех случаях, когда нельзя применять другие способы из-за опасения повредить поверхность готового изделия.

Твердость оценивается в условных единицах HSx, которые будут пропорциональны значению высоты отскока бойка. Порядок испытаний очень простой, с постоянной высоты на поверхность металла падает боек и отскакивает. Величина отскока показывает значение твердости, которая будет тем больше, чем выше отскочит боек.

Метод отличается высокой производительностью, он часто используется для оценки одних и тех же металлов с одинаковыми свойствами упругости.

Испытания на твердость широко используются в различных сферах промышленности. Они отличаются производительностью, простотой измерений и не влекут за собой разрушения готового изделия. Кроме того, оценка твердости дает возможность одновременно определить и другие показатели для металлов, например, предел прочности или временного сопротивления.

Твердость основных металлов и сплавов

Измерение значения твердости проводится на готовых деталях, отправляющихся на сборку. Контроль производится на соответствие чертежу и технологическому процессу. На все основные материалы уже составлены таблицы значений твердости как в исходном состоянии, так и после термической обработки.

Цветные металлы

Твердость меди по Бринеллю составляет 35 НВ, значения латуни равны 42-60 НВ единиц в зависимости от ее марки. У алюминия твердость находится в диапазоне 15-20 НВ, а у дюралюминия уже 70НВ.

Черные металлы

Твердость по Роквеллу чугуна СЧ20 HRC 22, что соответствует 220 НВ. Сталь: инструментальная – 640-700 НВ, нержавеющая – 250НВ.

Для перевода из одной системы измерения в другую пользуются таблицами. Значения в них не являются истинными, потому что выведены империческим путем. Не полный объем представлен в таблице.

HB	HV	HRC	HRA	HSD
228	240	20	60.7	36
260	275	24	62.5	40
280	295	29	65	44
320	340	34.5	67.5	49
360	380	39	70	54
415	440	44.5	73	61
450	480	47	74.5	64
480	520	50	76	68
500	540	52	77	73
535	580	54	78	78

Значения твердости, даже если они производятся одним и тем же методом, зависят от прилагаемой нагрузки. Чем меньше нагрузка, тем выше показания.

Как определить твердость металла по методике Бринелля: особенности

В чем измеряется и как обозначается твердость

Для большинства методов измерения твердости основная единица измерения  – кгс/мм2

Однако следует понимать, есть методы со своей единицей. 

Обозначение твердости так же зависит от метода.

Буквой «H» всегда обозначают «твердость (от англ. Hardness), а далее указывают буквы, обозначающие метод определения. Наиболее популярные обозначения:

• HB – по методу Бринеля (вдавливание шарика из стали)
• HRA – по методу Роквелла, шкале A (вдавливание алмазного или стального конуса)
• HRB – по методу Роквелла, шкале B
• HRC – по методу Роквелла, шкале C
• HV – по методу Викерса (вдавливание алмазной пирамиды)
• HSD – твердость по Шору и тп. (метод отскока)

Измерение твердости как метод металлографического исследования

Определение твердости материала является не только одним из стандартных механических испытаний входного или сдаточного контроля металла, но и инструментом металлографического анализа.

Так по изменению микротвердости можно установить глубину упрочненного или обезуглероженного слоя, оценить структурную неоднородность по толщине листового проката. В случае сложных дисперсных структур после закалки значение твердости позволит установить была ли проведена процедура отпуска материала.

Оценка глубины слоя после цементации

Перепады микротвердости в зоне ликвационной полосы листового проката

Еще одной важной особенностью измерения твердости является прямая связь ее значений с прочностью металла. Поэтому этот метод испытаний широко применяется при оценке прочностных характеристик деталей и механизмов, находящихся в эксплуатации (например, участки действующих трубопроводов)

Для этого созданы специальные портативные твердомеры ультразвукового или динамического принципа действия, требующие минимальной подготовки поверхности.

Пример измерения твердости

Статья по теме

Статья по теме

Статья по теме