Твердость материалов по Виккерсу

Определение твердости по методу Бринелля

Процесс исследования протекает в следующей последовательности:

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

где F – нагрузка, кгс или Н; A – площадь отпечатка, мм 2 .

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.

Соотношения между числами твердости

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.

Числа твердости HRC для некоторых деталей и инструментов

Головки откидных болтов, гайки шестигранные, рукоятки зажимные33…38
Головки шарнирных винтов, концы и головки установочных винтов, оси шарниров, планки прижимные и съемные, головки винтов с внутренними шестигранными отверстиями, палец поводкового патрона35…40
Шлицы круглых гаек36…42
Зубчатые колеса, шпонки, прихваты, сухари к станочным пазам40…45
Пружинные и стопорные кольца, клинья натяжные45…50
Винты самонарезающие, центры токарные, эксцентрики, опоры грибковые и опорные платики, пальцы установочные, цанги50…60
Гайки установочные, контргайки, сухари к станочным пазам, эксцентрики круговые, кулачки эксцентриковые, фиксаторы делительных устройств, губки сменные к тискам и патронам, зубчатые колеса56…60
Рабочие поверхности калибров — пробок и скоб56…64
Копиры, ролики копирные58…63
Втулки кондукторные, втулки вращающиеся для расточных борштанг60…64

Таблица соотношений между числами твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, Шору

6584,52,3468894096
6483,52,3767091294
63832,3965986793
6282,52,4264384692
61822,4562781891
6081,52,47616
59812,560175686
5880,52,5458270483
57802,56573693
56792,655565379,5
55792,61551644
5478,52,6553461876,5
53782,68522594
5277,52,71510578
51762,754955671
50762,76492549
49762,81474528
48752,8546150965,5
47742,944448463,5
4673,52,93435469
45732,9542946161,5
4473341544259,5
42723,06398419
40713,1437839554
38693,2435436650
36683,34333342
34673,4431331944
32673,52298302
30663,628528840,5
28653,726927138,5
26643,825525636,5
24631003,924124234,5
226298422922932,5
2061974,121721731
1860954,220720629,5
59934,26200199
584,3419319227,5
57914,418718627
56894,4818017925

Механические свойства в испытаниях прочности

Связать и исследовать прочностные характеристики материалов и результаты проверки твердости методом определения твердости по Роквеллу получилось у таких ученых-материаловедов, как Давиденков Н. Н., Марковец М. П. и других.

По результатам испытания твердости путем вдавливания применяются методы вычисления предела текучести. Данная связь вычислена для высокохромистых нержавеющих сталей, которые прошли множественную термообработку. Среднее значение отклонения, при применении алмазного индентора, составило всего +0,9 %.

Также проводятся исследования по определению и других механических свойств материалов, связанных с твердостью. Например, предел прочности (или временное сопротивление), истинное сопротивление разрушению и относительное сужение.

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.

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.

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.

HBHVHRCHRAHSD
2282402060.736
2602752462.540
280295296544
32034034.567.549
360380397054
41544044.57361
4504804774.564
480520507668
500540527773
535580547878

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

Твердомеры ультразвуковые

Главная страница » Твердомеры

К методам неразрушающего контроля и технической диагностики (МНК и ТД) относится контроль ультразвуковыми твердомерами.

Принцип действия инструмента

Принцип действия ультразвукового твердомера основан на использовании явления затухания колебаний (метод UCI — ультразвуковой контактный импеданс). Суть метода UCI заключается в следующем:

  • алмазную пирамидку индентора прижимают к исследуемому образцу;
  • обеспечивается постоянное усилие;
  • возбуждаются упругие колебания.

По глубине продавливания определяется твёрдость: чем глубже индентор продавливает поверхность, тем меньше твёрдость образца.

Преимущества ультразвуковых твердомеров перед аналогами других типов

Ультразвуковые твердомеры имеют ряд преимуществ:

  • производят измерение твердости изделий толщиной от 1мм, что является невозможным для динамических твердомеров;
  • на месте проведения испытания (на поверхности изделия) остаётся маленький отпечаток. Поэтому, возможен контроль твёрдости шеек коленчатых валов, зеркальных поверхностей, ножей и т. д.;
  • возможны измерения в широком диапазоне показателей твердости;
  • комфорт при проведении испытаний.

Инструмент оснащается различными девайсами, позволяющими значительно повышать производительность и качество труда: графический индикатор, устройство контроля уровня заряда аккумуляторной батареи и т. д.

Дадим краткое описание популярных моделей ультразвуковых твердомеров.

Твердомер ультразвуковой «ТКМ-459С».

Твердомеры ультразвуковые «ТКМ-459С», «ТКМ-459М»

Измерительные инструменты предназначены для измерения твердости самых разных металлов. В том числе:

  • поверхностноупрочнённых слоёв (например, цементация, закалка ТВЧ, азотирование и т. п.);
  • гальванических покрытий (например, хром);
  • наплавок и т. п.

Твердомеры монтируются во влагозащищенных (прорезиненных) и ударопрочных корпусах, которые позволяют применять их в самых тяжелых климатических условиях. Информация выводится на цветной графический OLED дисплей. Конструкция сохраняет эксплуатационные характеристики твердомера при отрицательных температурах, а дисплей снижает нагрузку на глаза оператора.

Диапазон измерений:

  • по Роквеллу, HRC – 20…70;
  • по Бринеллю, HB – 90…460;
  • по Виккерсу, HV – 230…940.

Преимущества «ТКМ-459С» перед «ТКМ-459М»:

  • на дисплей выводится много полезной дополнительной информации;
  • количество результатов измерений, сохраняемых в памяти: ТКМ-459С, шт.: 12 400;
  • ТКМ-459М, шт.: 6 000;

статистический анализ результатов измерений и вывод его на дисплей, построение графиков; яркость дисплея и его цветовая палитра выбирается пользователем.

Твердомер ультразвуковой «МЕТ-У1».

Твердомер ультразвуковой «МЕТ-У1»

Этот инструмент, дополнительно к возможностям «ТКМ-459С» и «ТКМ-459М», измеряет твёрдость по шкале Шора «D» (HSD) и определяет предел прочности на растяжение изделий из углеродистых сталей перлитного класса.

Диапазон измерения:

  • по Роквеллу, HRC – 20…67;
  • по Бринеллю, HB – 75…650;
  • по Виккерсу, HV – 75…1000;
  • по Шору, HSD – 23…102;
  • измерения предела прочности, Rm – 378…1736.

Ультразвуковой твердомер «МЕТ-УД»

Ультразвуковой твердомер «МЕТ-УД» измеряет твёрдость по описанному выше методу UCI и по методу отскока (Лейба). Второй метод заключается в определении отношения скоростей индентора до и после соударения с поверхностью контролируемого изделия. Конструктивно он представляет собой комбинированный портативный твердомер, состоящий из пластикового электронного блока MET-УД и двух сменных датчиков:

  • ультразвукового У1. Работает по методу UCI;
  • динамического Д1. Работает по методу Лейба.

Благодаря этому, при помощи инструмента можно оценить изменение твердости закаленного слоя по глубине.

Инструмент экономически целесообразен, т.к. совмещает два твердомера в одном: МЕТ-УД = МЕТ-У1 + МЕТ-Д1.

Твердомер «УЗИТ-3»

Конструкция «УЗИТ-3» даёт возможность измерять твердость крупных и мелких изделий, в том числе, на участках с большой кривизной поверхности, вблизи краев и различных неровностей.

Диапазоны измерений:

  • шкала Бринелля, HB: 80…450;
  • шкала Роквелла, HRC: 20…70.

Габаритные размеры, мм: 140 х 65 х 25.

Твердомер ультразвуковой «ТКМ-459М».

Суть метода

Метод определения твердости по Виккерсу основан на исследовании зависимости глубины проникновения алмазного конуса (индентора) в исследуемый материал от величины усилия. После снятия усилия на поверхности образца остается отпечаток, соответствующий глубине погружения индентора. Ввиду того, что геометрические размеры индентора известны и строго регламентированы, вместо глубины погружения определяют площадь отпечатка в поверхностном слое испытуемого материала.

Определение твердости по Виккерсу возможно для веществ с самыми высокими значениями, поскольку в качестве испытательного конуса используется пирамидка из алмаза, который имеет максимальную известную твёрдость.

Индентор выполнен в виде четырехугольной пирамиды с углами между гранями 136°. Такой угол выбран для того, чтобы сблизить значения метода Виккерса с методом Бриннеля. Таким образом, значения твердости в пределах 400-450 единиц практически совпадают, особенно, в области меньших значений.

Твердость по Виккерсу определяют путем вдавливания пирамиды в испытуемый образец под действием силы определенной величины. Зная приложенную силу и площадь отпечатка можно определить твердость поверхности испытуемого материала.

Вместо расчета площади отпечатка используются значения измеренных диагоналей ромба, между которыми находится прямая зависимость.

Итоговый результат твёрдости определяют по формуле:

В данной формуле F – это значение силы, а d – диагональ ромба.

Как правило, при измерениях по Виккерсу никаких вычислений по приведенной формуле не применяют, а используют табличные значения, исходя из приложенного усилия, времени воздействия и результирующей площади следа.

Скачать ГОСТ 2999-75

Значение приложенной силы регламентировано и составляет 30 кг. Время воздействия на поверхность обычно составляет 10-15 с. Это самые распространенные значения, однако во многих ситуациях необходимо воздействовать на материал образца при помощи иных значений силы.

Большинство измерительных приборов отрегулировано для некоторых дискретных и строго нормированных значений усилия.

Величина нагрузки зависит от измеряемого материала (его предполагаемой твердости). Чем тверже поверхность испытуемого образца материала, тем больше нагрузка. Это вызвано стремлением к уменьшению погрешности при определении площади и уменьшения влияния вязкости материала.

Для снижения погрешности также предъявляются ограничения по размерам испытуемого образца. Минимальная толщина образца должна быть в 1,2-1,5 раз больше предполагаемой диагонали отпечатка в зависимости от вида металла (меньшая величина соответствует стали, большая предназначена для цветных металлов). Расстояние между краем образца или краем предыдущего отпечатка и центром отпечатка должно быть не менее 2,5 величины диагонали.

Особые требования предъявляются также к чистоте поверхности. Ее шероховатость не должна превышать 0,16 мкм, что означает необходимость в полировке поверхности.

Таблица для определения твердости по Виккерсу

Малые линейные размеры образца требуют применение микроскопа дл измерения размеров отпечатка, причем, чем тверже образец, тем более четкую картинку должен передавать микроскоп для сохранения точности измерения.

Метод Бринелля

При определении твердости цветных металлов используют метод Бринелля, который заключается во вдавливании металлического шарика в поверхность детали, последующем измерении диаметра отпечатка и перевода значений в HB (см. табл №2). Для проведения описанной манипуляции нужен специальный аппарат, однако за неимением оного можно использовать все тот же старый добрый Роквелл (индентор «Шарик», нагрузка 100кгс). Таким образом можно контролировать мягкие металлы: алюминий, медь, латунь, бронзу.

Современные твердомеры имеют продвинутый интерфейс и могут подключаться к компьютеру, переводить значения твердости из одного метода в другой автоматически. Такое оборудование удобное в использовании и не требует высокой квалификации оператора, только вот стоимость его не всегда доступна. К ультразвуковым твердомерам тоже есть претензии по поводу точности измерений. Приходишь к выводу, что лучше проверенное годами старое, чем сомнительное новое по заоблачным ценам. Если вам нужно точно контролировать твердость после термообработки приобретите в термичку Роквелл советского образца, они сделаны очень качественно и их ресурс практически неограничен. Такой Роквелл обеспечит точность и широту измерений. Более дешевый вариант (но безотказный), определение твердости с помощью набора тарированных напильников, хотя это уже совсем другая история.

Единицы измерения твердости

Каждый способов измерения сопротивления металла к пластической деформации имеет свою методику его проведения, а также единицы измерения.

Измерение твердости мягких металлов производится методом Бринелля. Данному способу подвергаются цветные металлы (медь, алюминий, магний, свинец, олово) и сплавы на их основе, чугуны (за исключением белого) и отожженные стали.

Твердость по Бринеллю определяется вдавливанием закаленного, отполированного шарика из шарикоподшипниковой стали ШХ15. Окружность шарика зависит от испытуемого материала. Для твердых материалов – все виды сталей и чугунов – 10 мм, для более мягких – 1 – 2 — 2,5 — 5 мм. Необходимая нагрузка, прилагаемая к шарику:

  • сплавы железа – 30 кгс/мм²;
  • медь и никель – 10 кгс/мм²;
  • алюминий и магний – 5 кгс/мм².

Единица измерения твердости – это числовое значение и следующий за ними числовой индекс HB. Например, 200 НВ.

Твердость по Роквеллу определяется посредством разницы приложенных нагрузок к детали. Вначале прикладывается предварительная нагрузка, а затем общая, при которой происходит внедрение индентора в образец и выдержка.

В испытуемый образец внедряется пирамида (конус) из алмаза или шарик из карбида вольфрама (каленой стали). После снятия нагрузки производится замер глубины отпечатка.

Единица измерения твердости – это условные единицы. Принято считать, что единица — это величина осевого перемещения конуса, равная 2 мкм. Обозначение твердости маркируется тремя буквами HR (А, В, С) и числовым значением. Третья буква в маркировке обозначает шкалу.

Методика отображает тип индентора и прилагаемую к нему нагрузку.

Тип шкалыИнструментПрилагаемая нагрузка, кгс
АКонус из алмаза, угол вершины которого 120°50-60
ВШарик 1/16 дюйма90-100
СКонус из алмаза, угол вершины которого 120°140-150

В основном, используются шкалы измерения А и С. Например, твердость стали HRC 26…32, HRB 25…29, HRA 70…75.

Измерению твердости по Виккерсу подвергаются изделия небольшой толщины или детали, имеющие тонкий, твердый поверхностный слой. В качестве клинка используется правильная четырехгранная пирамида угол при вершине, которой составляет 136°. Отображение значений твердости выглядит следующим образом: 220 HV.

Измерение твердости по методу Шора производится путем замера высоты отскока упавшего бойка. Обозначается цифрами и буквами, например, 90 HSD.

К определению микротвердости прибегают, когда необходимо получить значения мелких деталей, тонкого покрытия или отдельной структуры сплава. Измерение производят путем измерения отпечатка наконечника определенной формы. Обозначение значения выглядит следующим образом:

Н□ 0,195 = 2800, где

□ — форма наконечника;

0,196 — нагрузка на наконечник, Н;

2800 – численное значение твердости, Н/мм².

Метод измерения твердости по виккерсу область применения

Металлы и сплавы

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО ВИККЕРСУ

Metals and alloys. Vickers hardness test. Part 1. Test method

Дата введения 2008-08-01

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ «О техническом регулировании», а правила применения национальных стандартов Российской Федерации — ГОСТ Р 1.0-2004 «Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения»

Сведения о стандарте

1 ПОДГОТОВЛЕН Всероссийским научно-исследовательским институтом физико-технических и радиотехнических измерений Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии на основе собственного аутентичного перевода стандарта, указанного в пункте 4

2 ВНЕСЕН Управлением метрологии Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

4 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту ИСО 6507-1:2005 «Материалы металлические. Определение твердости по Виккерсу. Часть 1. Метод испытания» (ISO 6507-1:2005 «Metallic materials — Vickers hardness test — Part 1: Test method»).

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2004 (подраздел 3.5)

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты Российской Федерации, сведения о которых приведены в дополнительном приложении Е

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты», а текст изменений и поправок — в ежемесячно издаваемых информационных указателях «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет

Особенности методики Роквелла

Этот способ измерения был изобретен в 20-х годах XX века, более автоматизирован, чем предыдущий. Применяется для более твердых материалов. Основные его характеристики (ГОСТ 9013-59; гост 23677-79):

  1. Наличие первичной нагрузки в 10 кгс.
  2. Период выдержки: 10-60 с.
  3. Граничные значения возможных показателей: HRA: 20-88; HRB: 20-100; HRC: 20-70.
  4. Число визуализируется на циферблате твердомера, также может рассчитываться арифметически.
  5. Шкалы и инденторы. Известно 11 различных шкал в зависимости от типа индентора и предельно-допустимой статической нагрузки. Наиболее распространённые в использовании: А, В и С.

А: алмазный конусный наконечник, угол при вершине 120˚, общая допустимая сила статического влияния – 60 кгс, HRA; исследуются тонкие изделия, в основном прокат.

С: также алмазный конус, рассчитанный на максимальное усилие 150 кгс, HRC, применим для твердых и закаленных материалов.

В: шарик размером 1,588 мм, изготовленный из закаленной стали или из твердого карбидо-вольфрамового сплава, нагрузка – 100 кгс, HRB, используется для оценки твердости отожжённых изделий.

Шарикообразный наконечник (1,588 мм) применим для шкал Роквелла B, F, G. Также существуют шкалы E, H, K, для которых используется шарик диаметром 3,175 мм (ГОСТ 9013-59).

Количество проб, проделанных с помощью твердомера Роквелла на одной площади, ограничивается размером детали. Допускается повторная проба на расстоянии 3-4 диаметра от предыдущего места деформации. Толщина испытуемого изделия также регламентируется. Она должна быть не меньше увеличенной в 10 раз глубины внедрения наконечника.

Пример обозначения:

50HRC – твердость металла по Роквеллу, измерена с помощью алмазного наконечника, ее число равно 50.

Особенности определения твёрдости металлических труб

В зависимости от назначения и сферы применения металлические трубы могут быть изготовлены из разных металлов и сплавов, что непосредственно влияет на их свойства и особенности. Промышленные трубы чаще всего изготовлены из стали, а также из сплавов с добавлением марганца, алюминия, углерода, титана и других элементов. Трубопроводы служат для транспортирования газов, нефтепродуктов, гранулированных материалов, воды и других жидкостей.

Чтобы обеспечить безопасность эксплуатации и избежать серьёзных проблем, вызванных износом или дефектом трубопровода, необходимо его регулярное обследование, которое включает обязательные испытания. Одним из основных этапов проверки труб является измерение твёрдости материала.

Данный вид неразрушающего контроля может быть проведен с разными целями:

  • Начальное определение твёрдости стенки трубы — выполняется непосредственно после её изготовления на предприятии. Без данных, полученных при первичном контроле, невозможна паспортизация технического изделия.
  • Диагностика трубопровода с целью определения влияния условий эксплуатации на состояние металла (состав грунта или воды, скачки давления, перепады температуры, агрессивные среды и т.д.)

В зависимости от того, в каких условиях применяется труба, её физико-механическое состояние может изменяться. Цель контроля – обеспечение безопасной эксплуатации и недопущение аварийных ситуаций.

  • Замеры твердости после ремонта участка трубопровода для выявления возможных изменений в материале.
  • Периодическое диагностирование объекта для определения продолжительности дальнейшей эксплуатации.
Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwitterВКонтакте
Напишите комментарий