Методы измерения твердости металлов

Понятие твердости

Твердость материала – это стойкость к разрушению при внедрении во внешний слой более твердого материала. Другими словами, способность к сопротивлению деформирующим усилиям (упругой или пластической деформации).

Определение твердости металлов производится посредством внедрения в образец твердого тела, именуемого индентором. Роль индентора выполняет: металлически шарик высокой твердости; алмазный конус или пирамида.

После воздействия индентора на поверхности испытуемого образца или детали остается отпечаток, по размеру которого определяется твердость. На практике используются кинематические, динамические, статические способы измерения твердости.

В основе кинематического метода лежит составление диаграммы на основе постоянно регистрирующихся показаний, которые изменяются по мере вдавливания инструмента в образец. Здесь прослеживается кинематика всего процесса, а не только конечного результата.

Динамический метод заключается в следующем. Измерительный инструмент воздействует на деталь. Обратная реакция позволяет рассчитать затраченную кинетическую энергию. Данный метод позволяет проводить испытание на твердость не только поверхности, но и некоторого объема металла.

Статические методы – это неразрушающие способы, позволяющие определить свойства металлов. Методы основаны на плавном вдавливании и последующей выдержке в течение некоторого времени. Параметры регламентируются методиками и стандартами.

Прилагаемая нагрузка может прилагаться:

вдавливанием;
царапанием;
резанием;
отскоком.

Машиностроительные предприятия на данный момент для определения твердости материалов используют методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, а также метод микротвердости.

На основе проводимых испытаний составляется таблица, в которой указываются материалы, прилагаемые нагрузки и полученные результаты.

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.

Методика измерения

Метод определения твердости металла по Роквеллу применяется в случае, когда нужно протестировать заготовку небольшой толщины. Кроме этого, подобным образом проверяется твердость поверхностного слоя изделия, к примеру, прошедшего закалку или процесс цементирования.

Проводится определение твердости металлов методом Роквелла следующим образом:

Метод основан на вдавливании более твердого объекта в испытуемый. Для этого используется специальный алмазный наконечник, который имеет форму правильной пирамиды.
Нагрузка прикладывается к наконечнику на протяжении определенного времени. При этом время выдержки и величина нагрузки могут существенно различаться. Согласно установленным стандартам в ГОСТ 9013-59, нагрузка может быть от 1 до 100 кгс. При этом уточняются конкретные значения из этого промежутка.
Полученные отпечатки алмазного конуса измеряются. Наиболее важными показателями в этом случае можно назвать размер диагоналей оставшегося отпечатка.

Принцип измерения твердости по Роквеллу

Полученные данные сверяются с табличными значениями, в которых учитывается величина приложенной силы и время выдержки. Рассматриваемая методика позволяет получить показатель твердости в своих условных единицах.

Процесс измерения можно разделить на несколько этапов:

Определяется тип шкалы.
Устанавливается подходящий индикатор

Важно выбрать индикатор, который будет соответствовать типу установленной шкалы.
Проводится два пробных теста, которые необходимы для корректирования работы применяемого оборудования.
Прикладывается предварительная нагрузка, равная 10 кгс.
Прикладывается основная нагрузка и выдерживается определенный период, который позволяет получить максимальное значение.
Убирается нагрузка и считывается полученный результат.. Современное оборудование позволяет существенно упростить процесс и повысить точность получаемых результатов в ходе проводимых измерений

Современное оборудование позволяет существенно упростить процесс и повысить точность получаемых результатов в ходе проводимых измерений.

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.

Применение камня

Используется показатель твердости алмаза и в промышленности. Не все камни, которые обнаруживают в трубках на месторождениях, пригодны для ювелирной обработки. Большинство материала имеет слишком много дефектов. Такие минералы отправляются на потребности промышленности, где алмаз используется в качестве абразива. Аппаратура, которая имеет покрытие алмазной крошкой, работает дольше и качественнее. Алмаз используется в таких приборах и инструментах, как:

оборудование в медицине (скальпели, хирургические инструменты);
сверла, фрезы, шлифовальные круги, стеклорезы, ножницы и пилы по металлу, буровые установки;
в телекоммуникациях и электронике алмаз используют для прохождения сигналов разных частот по одному кабелю;
защитный элемент в химической и физической промышленности;
космическая отрасль, где используются даже лонсдейлиты, которые прочнее алмаза.

Алмаз — вещество, которое имеет уникальные свойства. В том числе и твердость минерала дает возможность использовать его в разных сферах. Применение камня актуально, и его стоимость продолжает расти. А искусственные вещества, которые крепче алмаза, пока недоступны для широкого использования.

Что представляет собой метод

Методом Роквелла называют метод испытания материалов на твёрдость. Для исследуемого элемента вычисляется глубина проникновения твердого наконечника индикатора. При этом одинаковой остается нагрузка для каждой шкалы твердости. Обычно она составляет 60, 100 ил 150 кгс.

Индикатором в исследовании являются шарики из прочного материала либо алмазные конусы. Они должны быть с закругленным острым концом и иметь угол при вершине 120 градусов.

Этот метод признан простым и быстро воспроизводимым. Что дает ему преимущество перед другими методами.

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.

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.

Определение твердости по методу Бринелля

Процесс исследования протекает в следующей последовательности:

Проверка детали на соответствие требованиям (ГОСТ 9012-59, гост 2789).
Проверка исправности аппарата.
Выбор необходимого шарика, определение возможного усилия, установка грузов для его формирования, периода вдавливания.
Запуск твердомера и деформация образца.
Измерение диаметра углубления.
Эмпирическое вычисление.

НВ=F/A,

где F – нагрузка, кгс или Н; A – площадь отпечатка, мм2.

НВ=(0,102*F)/(π*D*h),

где D – диаметр шарика, мм; h – глубина отпечатка, мм.

Твердость металлов, измеренная этим способом, имеет эмпирическую связь с вычислением параметров прочности. Метод точен, особенно для мягких сплавов. Является основополагающим в системах определения значений этого механического свойства.

Измерение микротвердости

Метод измерения микротвердости регламентирован ГОСТ 9450. Определение микротвердости (твердости в микроскопически малых объемах) проводят при исследовании отдельных структурных составляющих сплавов, тонких покрытий, а также при измерении твердости мелких деталей. Прибор для определения микротвердости состоит из механизма для вдавливания алмазной пирамиды под небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа. В испытываемую поверхность вдавливают алмазную пирамиду под нагрузкой 0,05…5 Н.

Микротвердость измеряют путем вдавливания в образец (изделие) алмазного индентора под действием статической нагрузки Р в течении определенного времени выдержки т. Число твердости определяют (как и по Виккерсу) делением приложенной нагрузки в Н или кгс на условную площадь боковой поверхности полученного отпечатка в мм2.

Основным вариантом испытания является так называемый метод восстановленного отпечатка, когда размеры отпечатков определяются после снятия нагрузки. Для случая, когда требуется определение дополнительных характеристик материала (упругое восстановление, релаксация, ползучесть при комнатной температуре и др.) допускается проводить испытание по методу невосстановленного отпечатка. При этом размеры отпечатка определяют на глубине вдавливания индентора в процессе приложения нагрузки.

Практически микротвердость определяют по стандартным таблицам дня конкретной формы индентора, нагрузки Р и полученных в испытании размеров диагоналей отпечатка.

В качестве инденторов используют алмазные наконечники разных форм и размеров в зависимости от назначения испытании микротвердости. Основным и наиболее распространенным нконечником является четырехгранная алмазная пирамида с квадратым основанием (по форме подобна индентору, применяющемуся при определении твердости по Виккерсу).

Число микротвердости обозначают цифрами, характеризующими величину твердости со стоящим перед ними символом H с указанием индекса формы наконечника, например, Н□ =3000. Допускается указывать после индекса формы наконечника величину прилагаемой нагрузки, например: Н□ 0,196 =3000 — число микротвердости 3000 Н/мм2, полученное при испытании с четырех гранной пирамидой при нагрузке 0,196 Н. Размерность микротвердости (Н/мм2 или кгс/мм2) обычно не указывают. Если микротвердость определяли по методу невосстановленного отпечанка, то к индексу формы наконечника добавляют букву h (Н□h).

Соотношение значений твердости

При сопоставлении значений твердости, полученных разными методами, между собой и с механическими свойствами материалов необходимо помнить, что приводимые в литературных источниках таблицы или зависимости для такого сопоставительного перевода являются чисто эмпирическими. Физического смысла такой перевод лишен, так как при вдавливании paзличных по форме и размерам инденторов и с разной нагрузкой твердость определяется при совершенно различных напряженных состояниях материала. Даже при одном и том же способе измерения твердости значение сильно зависит от нагрузки: при меньших нагрузках значения твердости получаются более высокими.

Выше были рассмотрены основные методы контроля твердости. Существуют и другие методики контроля, которые основаны на косвенных измерениях значений механических свойств. Например электрические, магнитные, акустические и т.д. Все эти методы основаны на составлении экспериментальных корреляционных таблиц «измеряемый параметр — параметр механических свойств», где все параметры постоянны (химический состав металла, номер плавки, количество загрязнений), а меняются лишь табличные параметры. Такие методы на производстве практически не работают, т.к. например химический состав металлов по ГОСТам требуется в селекте, т.е. может быть в заданном пределе и меняться от плавки к плавке. Составление градуировочных таблиц на каждую партию металла — очень трудоёмкая работа. Pla пластик растворитель — https://www.dcpt.ru

Измерение твердости («hardness testing»)

Измерение твердости металлов – твердометрия («hardness testing») или дюрометрический анализ является основным неразрушающим методом оценки прочностных характеристик при экспертизе металлов. Если давать каноническое определение, то твердость – это способность материала сопротивляться пластической деформации. Твердометрия крайне широко используется в металловедческой экспертизе, благодаря скорости и простоте проведения исследования. Зачастую не нужна даже пробоподготовка, а твердость измеряют на готовом изделии.

Теперь о том, как же проводится измерение твердости. Определенной формы индентор (о формах которого поговорим ниже) вдавливается в исследуемы материал с заданной нагрузкой в течении регламентированного периода времени (5-15 с.). После снятия нагрузки в материале остается след от индентора – вмятина, площадь которой определяют. Отношение вдавливающей нагрузки к площади полученного отпечатка и является значением твердости, измеряется в кгс/мм2.

Методов твердости существует множество, все они отличаются только типом индентора, а принцип везде один и тот же. В экспертизе металлов основными видами измерения твердости являются:

измерение твердости по Бриннелю (HB).

измерение твердости по Виккерсу (HV);

измерение твердости по Роквеллу (HR);

Если говорить

Теперь давайте о каждом методе измерения твердости поподробнее.

Метод твердости по Бриннелю разработал и впервые применил на практике инженер из Швеции Юхан Бриннель. Данный способ измерения твердости заключается во вдавливании в исследуемый металл стального шарика диаметром от 1 до 10 мм. Недостатком данного метода является большой диаметр отпечатка и невозможность его использовать на высокотвердых материалах. Твердость по Бриннелю используют в основном для аттестации цветных сплавов и чугунов.

В 1914 г. свой способ измерения твердости предложили однофамильцы Роквелл Хью и Станли из США. Индентором в данном методе является стальной шарик диаметром одна шестнадцатая дюйма или алмазный конус с углом при вершине 120°. По Роквеллу можно определяют твердость образцов из закаленных сталей, что не позволяет сделать по методу Бриннелю.

В методе определения твердости по Виккерсу в качестве индентора используется квадратная алмазная пирамидка с углом у вершины 136°.

Данный способ широко используется при экспертизе закаленных сталей, высокопрочных покрытий, сварных швов. Существуют приборы микротвердости по Виккерсу, которые работают в паре с оптическим микроскопом и позволяют определять твердость отдельных структурных составляющих стали, например твердость пластинки видманшеттового феррита. для своих исследований использует микротвердомер, представленный на фото.

Твердость очень хорошо коррелирует с прочностными характеристиками, в частности с пределом прочности. Используя экспериментально определенные характеристики, можно измерив неразрушающим методом твердость, рассчитать предел прочность стали. Средний коэффициент для средней марки стали будет равен примерно 0,3, не зависимо от способа определения твердости. Так например, если твердость исследованного образца составляет 220 кгс/мм2, то примерный предел прочности будет около 660 МПа.

Кратко расскажу об экзотических, то есть редко применяемых в металловедческой экспертизе методах измерениях твердости.

Метод Мооса или метод царапания – твердость определяют по глубине царапины оставленной индентором.

Методы Шора: отскока – твердость определяют по высоте отскока стального шарика от исследуемого материала и метод вдавливания – вдавливаются разнообразные инденторы, по отпечатку определяют твердость. Используют в основном для резин и пластмасс.

<<<�предыдущая статья следующая статья>>>

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.