Понятие твердости материалов

Что представляет собой твердость?

Твердость любого материала является его важной характеристикой, поскольку от этого зависит стойкость и долговечность изготавливаемых конструкций. А так как четкого определения нет, то сам термин можно «расшифровать» так – это свойство материала оказывать сопротивление проникновению в него другого тела (инструмента). Эта характеристика позволяет оценить качество многих объектов:

  • металла (сплавы);
  • керамики;
  • древесины;
  • пластика;
  • камня;
  • графита.

Помимо этого, твердость влияет на степень обработки того или иного материала. То есть чем он тверже, тем труднее с ним работать. Справедливо и обратное. Поэтому с деревом приятно иметь дело при изготовлении различных поделок.

У разных специалистов свое понятие твердости. К примеру, в области минералогии под этим определением понимается сопротивление одного материала к появлению царапин при воздействии другого объекта.

В металлургии несколько иначе понимают, что такое твердость – сопротивляемость пластической деформации. Но основное определение, на которое ссылается большинство специалистов любой профессии, уже приведено в самом начале раздела.

Тем не менее твердость может проявляться по-разному:

  • жесткость;
  • сопротивляемость:
    • царапанию;
    • истиранию;
    • резанию;
  • деформация:
    • изгиб;
    • излом;
    • изменение формы.

Чем выше величина твердости, тем большая степень сопротивляемости у материала. Исходя из такого многообразия проявления такого свойства, существуют разные способы по его измерению.

Понятие

Данным термином в материаловедении называют механическое свойство, которое определяет устойчивость к разрушению под воздействием других, более плотных веществ. Иначе можно сказать так: это сопротивляемость деформациям от давления. При этом учитываются и пластичные, и упругие изменения.

От характеристики зависит множество процессов и условий:

  • Износостойкость – это есть то, насколько долго может быть использован элемент. В том числе срок износа, поскольку для каждой детали, например автомобильной, наступает время, когда по естественным причинам ее нужно менять. Но чем тверже элемент, тем дольше он будет служить в определенных условиях.
  • Возможность различных видов металлообработки – одни технологии применяются только к мягким сплавам, а другие могут быть использованы и для прочных.
  • Сопротивление давлению и другим усилиям характерно для вала или подшипника, на которые действуют силы центробежная и трения.
  • Способность использовать материал в качестве инструмента для более податливой поверхности. Инструментальная сталь является настолько крепкой, что применяется для изготовления фрез для фрезерных станков, сверл и прочих изделий.

Это далеко не полный перечень того, на что влияет твердость металла после того, как мы дали ему определение. Не каждое используемое вещество берется с одинаковыми характеристиками. Что делается прежде всего для увеличения данного параметра? Сперва берем сырье, очищаем от примесей, а затем подвергаем химической и температурной обработке. А именно: в состав добавляем различные легирующие компоненты, повышающие это качество, например:

  • Хром. Увеличивается прочность и устойчивость к коррозии, незначительно уменьшается пластичность и подверженность магнитным силам. Если более 13% хрома, то сплав называют нержавеющим.
  • Вольфрам. Очень сильно повышается содержание твердых соединений – карбидов. Дополнительное свойство – снижение хрупкости после отпуска.
  • Ванадий. Тоже возрастает сопротивление деформациям.
  • Марганец. Чтобы увидеть эффект, вещества должно быть не менее 1%. Резко взлетает стойкость к ударным нагрузкам.

От чего зависит твердость металлов по этому классу:

  • От наличия легирующих добавок, перечисленных выше.
  • От естественных свойств сырья.
  • От термообработки. С этой целью помогает закалка – материал нагревают сверх определенной критической точки, кристаллическая решетка меняется, и после охлаждения закаленная сталь становится очень надежной.
  • От цементации – способом диффузии образец насыщается углеродом. Такому методу подвергаются только низкоуглеродистые или легированные части.
  • От старения – оно может быть естественным или искусственным. В первом случае со временем протекают процессы, которые не затрагивают микроструктуру, но важны на общем уровне. Во втором применяется термообработка с целью химического и термального увеличения срока эксплуатации – состаривание.
  • От наклепывания на поверхность. Это пластическое изменение структуры вещества, приводящее к повышению прочности.
  • От обработки лазером. Лазерная установка наплавляет прочный слой.

Кроме того, некоторые этапы металлообработки (прокатка, ковка и закалка) с изменением формы заготовки также приводят к улучшению качества.

Понятие твердости материалов

Твердость металлов и сплавов – это свойство материала создавать сопротивление при проникновении в его поверхностные слои иного тела, которое не деформируется и не разрушается при сопутствующих нагрузках (индентора). Определяют с целью:

  • получения информации о допустимых конструкционных особенностях и о возможностях эксплуатации;
  • анализа состояния под действием времени;
  • контроля результатов температурной обработки.

От этого показателя частично зависят прочность и устойчивость поверхности к старению. Исследуют как исходный материал, так и уже готовые детали.

Методы измерения твердости металлов

Как мы упомянули, есть несколько эффективных технологий, по которым определяют данный показатель. Одни являются более точными, другие – наиболее просты в реализации. Объединяет их то, что в поверхность вдавливается другой предмет по структуре более стойкий. Итогом измерений становится то, как плоскость противостоит воздействию.

Еще один очень простой способ, который отличается скоростью и точностью, но дороговизной оборудования. Перечислим особенности:

  • Используется алмазная пирамидка с более тупым углом – 136 градусов в вершине.
  • Не допускается деформация более 100 кгс.
  • Выдерживают время очень короткое – от 10 до 15 секунд.
  • Измерять можно параметры любого материала, в том числе особенно прочного, а также сталей, которые прошли термическую обработку.

Упрощенный алгоритм:

  • Проверьте поверхностный слой детали, а также все оборудование.
  • Рассчитайте допустимое усилие.
  • Установите образец, закрепите его.
  • Запустите аппарат и спустя 10-15 секунд проанализируйте итог.
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.

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 материалов

Измерение твердости

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.

Понятие твердости материалов

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.

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.

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.

Метод Виккерса

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

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.

Понятие твердости материалов

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 измерить твердость металла по методике Роквелла: особенности

Машиностроительные детали и механизмы, а также инструменты, предназначенные для их обработки, обладают набором механических характеристик. Немалую роль среди характеристик играет твердость. Твердость металлов наглядно показывает:

  • износостойкость металла;
  • возможность обработки резанием, шлифованием;
  • сопротивляемость местному давлению;
  • способность резать другой материал и прочие.

Твердость металлов

На практике доказано, что большинство механических свойств металлов напрямую зависят от их твердости.

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.

В чем измеряется твердость металла

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.

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.

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.

Предлагаем ознакомиться  Чем обработать квартиру от блох: очищаем свой дом самостоятельно

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 шкалы Инструмент Прилагаемая нагрузка, кгс
А Конус из алмаза, угол вершины которого 120° 50-60
В Шарик 1/16 дюйма 90-100
С Конус из алмаза, угол вершины которого 120° 140-150

В основном, используются шкалы измерения А и С. Например, твердость стали HRC 2632, HRB 2529, HRA 7075.

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.

В чем измеряется твердость металла

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

Н□ 0,195 = 2800, где

□  — форма наконечника;

0,196  — нагрузка на наконечник, Н;

2800 – численное значение твердости, Н/мм2.

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.

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.

В чем измеряется твердость металла

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.

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

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

Измерение твердости металлов: методы Бринелля, Роквелла, Виккерса

Для того чтобы детали и механизмы служили длительно и надежно, материалы, из которых они изготовлены, должны соответствовать необходимым условиям работы. Именно поэтому важно контролировать допустимые значения их основных механических показателей. К механическим свойствам относятся твердость, прочность, ударная вязкость, пластичность. Твердость металлов — первичная конструкционная характеристика.

Понятие

Показателем является величина, которая называется числом твердости. Существуют различные методы измерения твердости металлов. Наиболее точные исследования заключаются в использовании различных видов вычисления, инденторов и соответствующих твердомеров:

  1. Бринелля: суть работы аппарата – вдавливание шарика в исследуемый металл или сплав, вычисление диаметра отпечатка и последующее математическое вычисление механического параметра.
  2. Роквелла: используются шарик или алмазный конусный наконечник. Значение отображается на шкале или определяется расчётно.
  3. Виккерса: наиболее точное измерение твердости металла с применением алмазного пирамидального наконечника.

Для определения параметрических соответствий между показателями разных способов измерения для одного и того же материала существуют специальные формулы и таблицы.

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.

Измерение твердости металлов: методы Бринелля, Роквелла, Виккерса

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 до 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 нанотвердостью (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, в англоязычной литературе — 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).
  1. Ориентировочное значение механического параметра. Для конструкционных сталей и материалов с небольшой твердостью до 450-650 НВ применяют метод Бринелля; для инструментальных, легированных сталей и других сплавов – Роквелла; для твердосплавов – Виккерса.
  2. Размеры испытуемого образца. Особо маленькие и тонкие детали обследуются с помощью твердомера Виккерса.
  3. Толщина металла в месте замера, в частности, цементированного или азотированного слоя.
  1. Проверка образца и аппаратуры. Особое внимание уделяется поверхности детали.
  2. Выбор допустимого усилия.
  3. Установка испытуемого материала.
  4. Запуск твердомера в работу.
  5. Чтение результата на циферблате.

Твердость по Бринеллю

Твердость по этому методу обозначается тоже двумя, но уже другими буквами – HB – и тоже является статичным испытанием. Температура при исследовании должна быть в пределе 20±10 °С. Его суть в следующем – образец сдавливается стальным закаленным шариком. Также в комплекте к оборудованию имеется еще один шарик, который изготовлен из вольфрамокобальтового твердого сплава. Это позволяет увеличить диапазон измерения твердости.

Согласно стандарту, определены некоторые условия в отношении того, что такое твердость по Бринеллю:

  • Нагружать образец стоит в пределах от 12,25 до 29420 Н.
  • Размер шариков составляет 1-10 мм.
  • Длительность воздействия не должна превышать 10-15 с.
  • Отпечаток на образце не должен выходит за пределы: 0,2-0,7 D (D – диаметр шарика.)

Процесс измерения проходит так:

  • Образец помещается на стол и закрепляется по упору.
  • На приводе ставится необходимое значение нагрузки, после чего задействуется шпиндель.
  • По окончании процедуры рабочий наконечник принимает первоначальное положение. На экране можно увидеть стрелочный индикатор, который укажет величину диаметра отпечатка. Сама твердость устанавливается с помощью таблицы, расположенной на станине оборудования. Если необходимо поменять нагрузку, то для этого есть комплект переустанавливаемых штырей.

Существуют переносные инструменты, которые хорошо использовать в полевых условиях. Они оснащены струбциной, к которой крепится образец, а нагрузка создается рукояткой.

Измерение твердости металлов: методы Бринелля, Роквелла, Виккерса

Рабочий диапазон по измерению твердости сплавов составляет 8-450 HB, что соответствует большинству марок сталей и сплавов, которые используются в производстве разных металлоконструкций. Но стоит только превысить верхний предел измерений, как точность уже не соответствует действительности, что обусловлено деформацией индентора. Не рекомендуется использовать твердосплавные шарики, если ожидаемая твердость 350-450 HB.

Главным преимуществом метода Бринелля можно считать возможность определять твердость горячих образцов. В то же время нельзя определить ее на кромках или краях деталей либо у тонких образцов.

Наибольшее распространение для определения твердости металлов получили методы, основанные на вдавливании индентора в виде стального шарика (методы Бринелля и Роквелла), алмаза в форме пирамиды (метод Виккерса) или алмаза с округлой вершиной (также метод Роквелла) в испытуемый образец.

Давайте рассмотрим отдельной каждый из указанных методов.

Метод Роквелла – метод определения твердости материалов, преимущественно металлов, основанный на вдавливании под заданной нагрузкой в поверхность испытуемого образца специального индентора – алмаза в форме конуса либо стального закаленного шарика.

Метод назван по имени разработавшего его в 1919 году американского металлурга Стенли Роквелла.

Отличием данного метода является применение небольших испытательных нагрузок (60, 100 и 150 кгс), что позволяет применять его для испытания тонких образцов и окончательно обработанных изделий, а также применение специальных шкал твердости, связанных только с глубиной отпечатка.

Шкалы твердости по Роквеллу.

Существует 11 основных шкал для определения твердости по методу Роквелла. Это шкалы A; B; C; D; E; F; G; H; K; N; T, при этом, как упоминалось ранее, наиболее часто используемые среди них – это шкалы А, В и С с испытательной нагрузкой 60, 100 и 150 кгс соответственно.

Таблица 1. Наиболее широко используемые шкалы твёрдости по Роквеллу.

Шкала Индентор Нагрузка, кгс
А Алмазный конус с углом 120° при вершине 60
В Шарик диаметром 1/16 дюйма из карбида вольфрама (или закалённой стали) 100
С Алмазный конус с углом 120° при вершине 150

Важно отметить, что чем твёрже материал, тем меньше будет глубина проникновения наконечника в него.

Чтобы при большей твёрдости материала не получалось меньшее число твёрдости по Роквеллу, вводят условную шкалу глубин, принимая за одно её деление глубину, равную 0,002 мм.

При испытании алмазным конусом предельная глубина внедрения составляет 0,2 мм, или 0,2/0,002 = 100 делений, при испытании шариком — 0,26 мм, или 0,26/0,002 = 130 делений.

Нормативные документы для метода Роквелла.

  • ГОСТ 9013-59. Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу;
  • ISO 6508-1: Metallic Materials — Rockwell Hardness Test. Part 1: Test Method (Scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T);
  • ASTM E-18 Standard Methods for Rockwell Hardness and Rockwell Superficial Hardness of Metallic Materials;
  • ASTM E-140 Standard Hardness Conversion Tables for Metals. Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, and Scleroscope Hardness.

Метод Виккерса – метод измерения твердости металлов и сплавов, основанный на вдавливании в испытуемый материал правильной четырёхгранной алмазной пирамиды с углом 136° между противоположными гранями. При этом само значение твердости вычисляется путем деления приложенной нагрузки на площадь поверхности полученного пирамидального отпечатка.

Данный метод измерения подходит для определения значений твердости деталей малой толщины из черных и цветных металлов и сплавов; деталей, закаленных на малую глубину, а также деталей, имеющих тонкие слои гальванических покрытий. Основным недостатком метода Виккерса является зависимость измеряемой твёрдости от приложенной нагрузки или глубины внедрения индентора (явление размерного эффекта).

Нормативные документы для метода Виккерса.

  • ГОСТ 2999-75 (СТ СЭВ 470-77) – Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу;
  • ISO 6507-1:2005 Metallic materials. Vickers hardness test. Part 1: Test method.

Метод Бринелля – один из основных методов определения твердости материалов, основанный на вдавливании в поверхность испытуемого материала металлического шарика из твёрдого сплава с определенным диаметром и дальнейшем измерении диаметра полученного отпечатка. В качестве инденторов используются шарики из твёрдого сплава диаметром 1; 2; 2.5; 5 и 10 мм. Величину нагрузки и диаметр шарика выбирают в зависимости от исследуемого материала. При этом сами исследуемые материалы делят на 5 основных групп:

  • сталь, никелевые и титановые сплавы;
  • чугун;
  • медь и сплавы меди;
  • лёгкие металлы и их сплавы;
  • свинец, олово.

Кроме этого, вышеприведенные группы могут разделяться на подгруппы в зависимости от твёрдости образцов.

Нормативные документы для метода Бринелля.

  • ISO 6506-1:2014 «Metallic materials — Brinell hardness test — Part 1: Test method»;
  • ДСТУ ISO 6506-1:2007 «Визначення твердості за Брінеллем. Частина 1. Метод випробування»;
  • ASTM E-10 «Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials»;
  • ASTM E140-07 «Standard Hardness Conversion Tables for Metals Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, and Scleroscope Hardness».

Важно, также, отметить, что по ISO 6506-1:2005 (ГОСТ 9012-59) регламентированы следующие основные нагрузки для метода Бринелля: 9.807 Н; 24.52 Н; 49.03 Н; 61.29 Н; 98.07 Н; 153.2 Н; 245.2 Н; 294.2 Н; 306.5 Н; 612.9 Н; 980.7 Н; 1226 Н; 2452 Н; 4903 Н; 7355 Н; 9807 Н; 14 710 Н; 29 420 Н.

Среди недостатков метода можно отметить следующие: применим для материалов с твердостью не более 450 HB; измеряемые значения твердости напрямую зависят от приложенной нагрузки (обратный размерный эффект); по краям отпечатка от индентора образуются навалы и наплывы, что затрудняет измерение как диаметра, так и глубины отпечатка; из-за относительно большого диаметра используемых шариков данный метод неприменим для тонких образцов.

Для измерения твердости материалов по указанным методам используются специальные приборы: портативные и стационарные твердомеры. Подробнее о каждом из видов мы расскажем в следующих статьях.

Определение твердости по методу Бринелля

Оборудование, с помощью которого измеряется твердость по Виккерсу, относится к статичному типу и может быть стационарным либо переносным. При этом сама процедура выполняется следующим образом:

  • Образец помещается на рабочий стол оборудования исследуемой поверхностью кверху. Затем она вместе со столом поднимается вверх до легкого соприкосновения с рабочим наконечником.
  • При помощи реле времени задается определенный час воздействия, после чего остается опустить рычаг, который приводит в действие нагружающий механизм. По окончании времени испытания нагрузка с детали снимается и наконечник возвращается в прежнее положение.
  • Оборудование оснащено отсчетным микроскопом, поэтому после завершения операции нужно развернуть стол с образцом к нему и измерить диагонали отпечатка.

Измерение твердости металлов: методы Бринелля, Роквелла, Виккерса

В некоторых случаях твердость стали или любого другого материала по данной методике указывается со значением нагрузки. К примеру, такое обозначение HV50940 говорит о том, что твердость равна 940 единиц при воздействии нагрузки, равной 50 кг.

Достоинствами данного способа испытания являются:

  • Можно измерять детали практически с любой толщиной за счет малой площади поверхности, которую занимает индентор (самое крайнее положение).
  • Высокая точность результата, что обусловлено идеальной степенью твердости алмазного наконечника. Как следствие, сам он не подвержен деформации.
  • Диапазон измерений довольно широкий и способен охватывать как относительно непрочные металлы наподобие алюминия и меди, так и высокопрочные стали, сплавы.
  • Есть возможность определения твердости отдельно взятого слоя металлов. К примеру, образец прошел процесс цементации либо у детали изменен химический состав вследствие поверхностного упрочнения или легирования.

Как показывает практика, диапазон измерений твердости составляет от 145 до 1000 HV. Чтобы измерить твердость большой партии образцов, существует автоматизированное оборудование компании Reicherter из Германии, имеющее гидравлический или электромеханический привод. Расчет результата проводится автоматизировано, после чего выводится на монитор.

Испытание проводится при следующих условиях:

  • Предварительно образец нагружается, что позволяет избежать влияния ряда поверхностных факторов: шероховатость, температура, скорость внедрения индентора.
  • Производится основная нагрузка, по которой проводится расчет результата.
  • Процедура завершается снятием нагрузки.

Если данный метод сравнивать с предыдущими способами определения твердости, то здесь фигурируют три шкалы.

  • A – обозначается HRA, индентор – алмазный конус, диапазон измерений: 60-80 HRA. Применима к высокоуглеродистым легированным инструментальным сталям, а также твердым сплавам.
  • B – обозначается HRB, индентор – закаленный шарик, диапазон измерений: 35-100 HRB. Это уже стали средней твердости и сплавы цветных металлов.
  • C – обозначается HRC, индентор – алмазный конус, диапазон измерений: 20-90 HRC. Для сталей средней твердости.
Предлагаем ознакомиться  Поделки из природного материала на тему осень в школу и для детского сада. 66 интересных и оригинальных идей

Если речь заходит про специфические условия вычисления твердости, к примеру, холоднокатаная тонколистовая сталь, то используется методика Супер-Роквелла с обозначением твердости HRN и HRT.

Оборудование тоже может быть как стационарным, так и переносным. При этом первый тип управляется при помощи электромеханического либо гидравлического привода.

Измерение твердости металлов: методы Бринелля, Роквелла, Виккерса

Измерения по Роквеллу проводить сложнее, поскольку необходимо задавать первичную, а потом вторичную скорость перемещения индентора. К тому же алмазный рабочий наконечник имеет форму конуса, что отражается на получении результата. И определить размеры полученного отпечатка здесь гораздо сложнее.

  1. Индентор – шарик из легированной стали или из карбидо-вольфрамового сплава диаметром 1, 2, 2,5, 5 или 10 мм (гост 3722-81).
  2. Продолжительность статического вдавливания: для чугуна и стали – 10-15 с., для цветных сплавов – 30, также возможна длительность в 60 с., а в некоторых случаях – 120 и 180 с.
  3. Граничное значение механического параметра: 450 НВ при измерении стальным шариком; 650 НВ при использовании твердосплава.
  4. Возможные нагрузки. С помощью входящих в комплект грузов корректируется фактическая сила деформации на испытуемый образец. Их минимальные допустимые значения: 153,2, 187,5, 250 Н; максимальные – 9807, 14710, 29420 Н (гост 23677-79).

С помощью формул, в зависимости от диаметра выбранного шарика и от испытуемого материала, можно вычислить соответствующее допустимое усилие вдавливания.

Тип сплава

Математическое вычисление нагрузки

Сталь, сплавы никеля и титана

30D2

Чугун

10D2, 30D2

Медь и медные сплавы

5D2, 10D2, 30D2

Легкие металлы и сплавы

2,5D2, 5D2, 10D2, 15D2

Свинец, олово

1D2

400HB10/1500/20, где 400HB – твердость металла по Бринеллю; 10 – диаметр шарика, 10 мм; 1500 – статическая нагрузка, 1500 кгс; 20 – период осуществления вдавливания, 20 с.

Для установления точных цифр рационально исследовать один и тот же образец в нескольких местах, а общий результат определять путем нахождения среднего значения из полученных.

  1. Проверка детали на соответствие требованиям (ГОСТ 9012-59, гост 2789).
  2. Проверка исправности аппарата.
  3. Выбор необходимого шарика, определение возможного усилия, установка грузов для его формирования, периода вдавливания.
  4. Запуск твердомера и деформация образца.
  5. Измерение диаметра углубления.
  6. 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.

  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.

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

  1. Оценка размеров и характеристик поверхности детали.
  2. Проверка исправности аппарата.
  3. Определение типа наконечника и допустимой нагрузки.
  4. Установка образца.
  5. Осуществление первичного усилия на материал, величиной в 10 кгс.
  6. Осуществление полного соответствующего усилия.
  7. Чтение полученного числа на шкале циферблата.

Измерение твердости металлов: методы Бринелля, Роквелла, Виккерса

Также возможен математический расчет с целью точного определения механического параметра.

HR=100-((H-h)/0,002;

HR=130-((H-h)/0,002,

где h – глубина внедрения индентора при первичном усилии 10 кгс; H – глубина внедрения индентора при полной нагрузке; 0,002 – коэффициент, регламентирующий величину перемещения наконечника при изменении числа твердости на 1 единицу.

Метод Роквелла является простым, но недостаточно точным. В то же время он позволяет измерять показатели механического свойства для твердых металлов и сплавов.

  1. Индентор: алмазная пирамида с углом при вершине 136°.
  2. Предельно допустимая нагрузка: для легированного чугуна и стали – 5-100 кгс; для медных сплавов – 2,5-50 кгс; для алюминия и сплавов на его основе – 1-100 кгс.
  3. Период выдержки статической нагрузки: от 10 до 15 с.
  4. Испытуемые материалы: сталь и цветные металлы с твердостью более 450-500 НВ, в том числе изделия после химико-термической обработки.

Измерение твердости металлов: методы Бринелля, Роквелла, Виккерса

700HV20/15,

где 700HV – число твердости по Виккерсу; 20 – нагрузка, 20 кгс; 15 – период статического усилия, 15 с.

HV=1,8544*(F/d2),

где F – нагрузка, кгс; d – среднее значение длин диагоналей отпечатка, мм.

Он позволяет измерять высокую твердость металлов, тонких и небольших деталей, при этом предоставляя высокую точность результата.

Время, в которое происходит статическое, то есть неподвижное вдавливание, – от 10 до 180 секунд. Этот параметр зависит от материала. Самые минимальные временные промежутки – для чугуна и стали, а более продолжительные – для цветных металлов.

Максимальная нагрузка, которая может быть измерена таким способом, – 450 или 650 НВ, в зависимости от того, из чего сделан шарик.

Проверяемый объект Математически вычисленное изменение
Свинец или олово 1d^2
Стальные соединения, титан, никель 30d^2
Легкие сплавы от 2,5d^2 до 15d^2
Чугун 10d^2 или 30d^2
Медь и составы с ее добавлением 5d^2, 10d^2, 30d^2
  • Проверяется сам аппарат и тело для внедрения – шар.
  • Определяется максимальное усилие.
  • Твердомер запускается.
  • Измеряется глубина вдавливания.
  • Производятся математические вычисления.

Применяемая формула НВ=P/F, где:

  • P – нагрузка;
  • F – площадь отпечатка.

Следует отметить, что это самый распространенный способ.

Характеристики метода:

  • Изначальное давление в 10 кгс.
  • Напряжение выдерживают от 10 секунд до 1 минуты.
  • Результат не рассчитывается математически, он высвечивается на цифровом табло.
  • Используются разные наконечники, в зависимости от этого ставится маркировка, которая начинается с букв А, В, С. Мы уже подробнее указывали расшифровку индексов, просто напомним, что в качестве индентора может выступать стальной шарик или алмазный конус.

Как определить твердость металла по методике Бринелля: особенности

При этом испытания могут быть двух основных видов:

  • Статические.
  • Динамические.

Если контакт исследуемого образца и объекта происходит в течение определенного промежутка времени, то испытание носит статичный характер. В ином случае речь идет о динамичном способе определения твердости.

В настоящее время для определения твердости материалов применяют:

  • Метод Виккерса (ГОСТ 2999-75).
  • Метод Бринелля (ГОСТ 9012-59).
  • Метод Роквелла (ГОСТ 9013-59).
  • Метод Шора.
  • Метод Мооса.

Измерение твердости металлов: методы Бринелля, Роквелла, Виккерса

Выбор того или иного испытания зависит от специфики применения деталей, необходимой точности результата, а также способности воспроизвести исследования при различных условиях.

Твердость— это способность материала сопротивляться вдавливанию в него более твердого тела (индентора) под действием внешних сил.

При испытании на твердость в поверхность материалов вдавливают пирамиду, конус или шарик (индентор), в связи с чем различают методы ис­пытаний, соответственно, по Виккерсу, Роквеллу и Бринеллю. Кроме того, существуют менее распространенные методы испытания твердости: метод упругого отскока (по Шору), метод сравнительной твердости (Польди) и не­которые другие.

При испытании материалов на твердость не изготавливают стандарт­ных специальных образцов, однако к размерам и поверхности образцов и изделий предъявляются определенные требования.

После снятия нагрузки на образце (детали) остаётся отпечаток.

Малый объём деформируемого металла, возможость проведения испытаний на поверхностях тел различной формы и размеров на деталях небольшой толщины и в очень тонких слоях металла, не пользуясь специально изготовленными образцами, быстрота и простота испытания, а также возможность без разрушения изделия судить о его свойствах вследствие существования количественной зависимости между твёрдостью пластичных металлов и другими механическими свойствами (пределом прочности) делают испытания на твёрдость незаменимым производственным методом массового контроля металла.

Поверхность образца или испытуемого изделия для измерения твёрдости должна быть ровной, гладкой, свободной отокисной плёнки и представлять горизонтальную шлифованную площадку. Образцы должны быть устойчивыми, при испытании образцов неправильной формы необходимо использовать подставки клинообразной формы.

Измерение твердости металлов: методы Бринелля, Роквелла, Виккерса

Измерение твердости методом Бринелля Измерение твёрдости по Бринеллю регаментируется ГОСТ 9012-59 « Металлы. Метод измерения твёрдости по Бринеллю»

Испытания проводят на специальных прессах – твердомерах, развивающих строго определенное усилие вдавливания, являющееся стандартным с нагрузкой 3000, 1000, 750 и 250 кгс

В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметра 2,5; 5 или 10 мм. На поверхности шарика не должно быть царапин, коррозии, вмятин.

Испытания проводят при комнатной температуре. При измерении твёрдости прибор должен быть защищён от ударов и вибраций.

Диаметр отпечатка d измеряют с помощью отсчётного микроскопа (лупа Бринелля) МПБ-2 и переводят в единицы твёрдости по переводным таблицам.

Диаметры отпечатка d1 и d2 измеряются в двух взаимно перпендикулярных направлениях. За диаметр отпечатка принимается среднее арифметическое значение результатов измерений.

Расстояние между центром отпечатка и краем образца должен быть не менее 2,5 диаметров отпечатка, расстояние между центрами двух смежных отпечатков должно быть не менее 4 диаметров отпечатка.

P – усилие вдавливания, D – диаметр шарика, d – диаметр полученного отпечатка, измеряемый после удаления индентора.

Получаемое число твёрдости НВ зависит от диаметра отпечатка d.

Измерение твердости металлов: методы Бринелля, Роквелла, Виккерса

При измерении твёрдости шариком диаметром D =10мм, под нагрузкой Р=3000кгс с выдержкой t=10с число твёрдости по Бринеллю обозначается символом НВ, например НВ 398. Если испытание проводилось шариком диаметром D =5мм, под нагрузкой Р=750кгс с выдержкой t=30с, то число твёрдости по Бринеллю 200будет обозначено НВ 5/750/30-200.

Достоинства метода: высокая универсальность, то есть способность к измерению материалов с разной структурой. За счет изменения диаметра индентора, можно измерять твердость материалов в широком диапазоне. Недостатки метода: можно измерять твердость только относительно мягких материалов, не высокая оперативность.

Измерение твердости методом Роквелла Измерение твёрдости по Роквеллу регаментируется ГОСТ 9013-59 « Металлы. Метод измрения твёрдости по Роквеллу»

— закаленной и отпущенной стали (HRC);

— очень твердых материалов (HRА);

— твердость мягких материалов (HRВ). Нагружение в три этапа: а) предварительное малое усилие P0 для обеспечения контакта с образцом; б) основное нагружение усилием P = P0 Pраб; в) снятие рабочего усилия Pраб. Остается P0 для обеспечения контакта с образцом.

шкала обозначение Нагрузка, кг
А HRA 150
В HRB 100
С HRC 60

Разным шкалам соответствуют разные рабочие усилия, что позволяет измерять материалы с разными характеристиками твердости.

Измерение твердости методом Виккерса

D – диагональ отпечатка, k – размерный коэффициент.

Измерение твердости металлов: методы Бринелля, Роквелла, Виккерса

Имеется таблица зависимости твердости от величины нагрузки и дли­ны диагонали. Поэтому на практике вычислений не производят, а пользуются готовой расчетной таблицей. Твердость по Виккерсу HVизмеряется в кгс/мм2, Н/мм2 или МПа.

Значение твердости по Виккерсу может изменяться от HV2060 до HV5 при нагрузке 1 кгс. Достоинстваметода: возможность измерять тонкие образцы. Недостатки метода: дополнительные измерения и расчеты.

  • Лекция 4 Метод испытания на ударный изгиб при комнатной и пониженной температурах и после механического старения.
  • Вязкость – способность материалов поглощать энергию развиваемых в нем трещин.
  • Ударная вязкость – способность металлов оказывать сопротивление действию ударных нагрузок.

Ударная вязкость характеризует удельную работу, затрачиваемую на разрушение при ударе образца с надре­зом. Ударная вязкость испытывается на маятниковом копре с постоянным запасом работы маятника по ГОСТ 9454-78 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах».

Стандарт распространяется на черные и цветные металлы и сплавы и уста­навливает метод испытания при температурах от -100 до 1000 °С.

Метод основан на разрушении ударом маятникового копра образца с концентрато­ром напряжений. В результате испытания определяют полную работу, затра­ченную при ударе К, или ударную вязкость КС.

Используют образцы прямоугольной формы с концентратором типа U, V, Т (усталостная трещина). Наиболее распространенными образцами являются образцы размерами 55x10x10 мм с U-концентратом 2×2 мм (рис. 6).Образец должен быть строго прямоугольным. Не допускаются к испытаниям образцы со следами обработки на поверхности надреза, с искревлениями, с трещинами и с заусенцами

Рис. 6. Стандартный образец с U-образным надрезом для испытаний на ударный изгиб

Испытания проводят на образцах разного типа с разными надрезами. КС при испытаниях на разных образцах различно. Это необходимо для определения значения КС материала. Используются три вида образца, чтобы зафиксировать место разрушения. На разрушение ударом образца затрачивается только часть энергии маятника, в связи с чем маятник после разрушения образца продолжает дви­гаться, отклоняясь на определенный угол. Чем больше величина работы, за­трачиваемой на разрушение образца, тем на меньший угол он отклоняется от вертикали после разрушения.

  1. По величине этого угла и определяют работу удара К или работу, затраченную на разрушение образца. Работу разрушения К относят к площади поперечного сечения образца So в месте излома и тем самым находят КС — ударную вязкость:
  2. KC = K/S0,
  3. где Kизмеряется в Дж (кгс*м), S0— в м2 (см2).
  4. В зависимости от вида концентратора ударная вязкость обозначается
  5. KCU, KCV, КСТ и имеет размерность МДж/м2 (МДж/см2) или кгс*м/см2.

Измерение твердости металлов: методы Бринелля, Роквелла, Виккерса

Tхл – порог хладноломкости. Рабочие температуры выбирают выше значения Tхл

Склонность к механическому старению проводят по ГОСТ 7268-82 «Сталь. Метод определения склонности к механическому старению по испытанию на ударный изгиб.»

Старением называют изменение свойств металлов с течением времени. В результате старения изменяются физико-механические свойства. Прочность и твёрдость повышается, а пластичность и вязкость понижаются. Старение бывает естественное и искуственное.

  • Процесс изменения свойств, происходящие во времени при комнатной температуре или при атмосферной называется естественным старением.
  • Процесс изменения свойств с течением времени при нагреве до невысоких температур называется искуственным старением.
  • Вырезанную из пробы заготовку, с нанесённой на ней длиной 120мм подвергают дефомации растяжения из расчёта получения 10±0,5% остаточного удлинения -12мм.
  • Из деформированной заготовки вырезают образцы для испытаний на ударный изгиб и подвергают нагреву (искусственное старение) при температуре 250±100С с выдержкой 1час с последующим охлаждением на воздухе и проводят испытание на ударный изгиб на маятниковом копре при необходимой температуре.
  • Факторы влияющие на ударную вязкость:
  • 1. Структура металла (крупнозернистый и мелкозернистый излом)
  • Делать пробы на одной заготовке можно только на расстоянии по 3-4 у.е., равных размеру проверяющего объекта, друг от друга.
  • Толщина не может быть меньше, чем умноженная на 10 глубина проникновения наконечника в сталь.

Твердость по Шору

Метод Шора обладает главной отличительной чертой. Все описанные выше способы определения твердости металлов и прочих материалов обладали общим недостатком – на поверхности исследуемого образца появляется отпечаток. В этом случае при необходимости испытываемую деталь невозможно обратно установить в узел либо конструкцию. Методика Шора полностью исключает такую деформацию.

Диапазон измерений составляет от 30 до 140 HS. Закаленная высокоуглеродистая сталь соответствует значению 100 HS. А поскольку оборудование не повреждает поверхность изделий, то оно актуально для испытаний тех деталей, которые входят в конструкцию действующего узла или агрегата.

Методика проста в реализации, оценка производится довольно быстро и деталь можно снова установить в узел. Все это можно считать главными преимуществами. Тем не менее есть некоторые ограничения.

Предлагаем ознакомиться  Настоящий цвет моркови

Шкала твердости HS не имеет стандарта, но есть таблицы и графики, которые позволяют перевести единицы по ШОРу в значения HV, HR или HB. На расстояние отскока бойка влияет такая характеристика, как модуль Юнга. Поэтому невозможно сопоставить единицы HS разных материалов.

К тому же твердость по ШОРу – это всего лишь сравнительное значение. Вдобавок точность результатов заметно ниже, чем у всех перечисленных выше аналогов.

Способы перехода между шкалами

Немецкий ученый Фридрих Моос еще в далеком 1811 году предложил свой способ определения твердости разных материалов. При этом его шкала содержит значения от 1 до 10, что соответствует самым распространенным минералам, начиная с талька (самый мягкий камень) и заканчивая алмазом (самый твердый).

Сама методика очень проста и основывается на сопротивляемости исследуемого образца царапанию. К примеру, объект B может поцарапать тело C, но никак не воздействует на деталь A. Или, напротив, материал A только слегка царапает деталь B, но может сильно повредить объект C.

Несмотря на то что способ определения твердости по шкале Мооса был предложен чуть более двух веков назад, он успешно применяется по сей день. Только полученный результат дает далеко не полную информацию, поскольку здесь нет абсолютных значений и невозможно определить соотношение по твердости. Иными словами, нельзя сказать, во сколько раз один из материалов тверже либо мягче другого.

В качестве эталона по определению твердости по методу Мооса берутся эти 10 минералов (далее в скобках будет указан присвоенноезначение):

  1. Тальк.
  2. Гипс.
  3. Кальцит.
  4. Флюорит.
  5. Апатит.
  6. Ортоклаз.
  7. Кварц.
  8. Топаз.
  9. Корунд.
  10. Алмаз.

Измерение твердости металлов: методы Бринелля, Роквелла, Виккерса

Что же представляют собой эти минералы? Опишем их все вкратце ниже.

Диаметр отпечатка,

мм

Метод исследования

Бринелля

Роквелла

Виккерса

A

C

B

3,90

241

62,8

24,0

99,8

242

4,09

218

60,8

20,3

96,7

218

4,20

206

59,6

17,9

94,6

206

4,99

143

49,8

77,6

143

Таблица твердости металлов составлена на основе экспериментальных данных и имеет высокую точность. Также существуют графические зависимости твердости по Бринеллю от содержания углерода в железоуглеродистом сплаве. Так, в соответствии с такими зависимостями, для стали с количеством карбона в составе равному 0,2% она составляет 130 НВ.

Первая пятерка

Тальк настолько мягок, что можно царапнуть ногтем. Такая же твердость у карандашей (точнее графита). По шкале соответствует единице. Многим людям он хорошо известен, так как из него изготавливается детская присыпка.

Следующий по твердости – это гипс (2), который тоже легко царапается и имеет особенное свойство. Стоит его измельчить в порошок и смешать с водой – получится пластинчатая масса, которой можно придать любую форму. Помимо белого цвета, есть оригинальные варианты желтого оттенка.

На третьем месте кальцит не случайно (3). Ногтем его уже не поцарапать, зато это можно сделать медной монетой. Такая же степень твердости у золота и серебра. Его второе название – биоминерал, и именно из него состоят раковины.

Флюорит по-другому именуется как плавиковый шпат и переводится как «текучий». Ни ногтем, ни монетой он не царапается, чего нельзя сказать про стекло или обычный нож. Его твердость, как можно понять, – 4.

На пятом месте располагается апатит (5), который еще поддается царапанию при помощи ножа или стекла (такой же характеристикой может похвастать лазурит). При помощи этого минерала добывается фосфор либо фосфорная кислота.

Шестым в списке идет ортоклаз, который уже не берет стекло, но напильнику он противостоять не сможет. Для промышленности он ценен как источник для производства электрокерамики и фарфора. Аналогичная твердость у опала, только его нельзя использовать в качестве эталона, поскольку есть много его разновидностей и у всех свои прочностные характеристики.

На седьмом месте в нашем «рейтинге» свойств твердости располагается всем известный кварц, что соответствует его показателю – 7. Многие знают его как обычный песок. Однако он может быть и в прочих формах: в виде горного хрусталя, агата, аметиста.

Среди рассмотренных минералов самым твердым является топаз (8). Он с трудом поддается обработке, и в большинстве случаев для этого используется алмаз. Впервые он был обнаружен на острове Топазиос, что расположен в Красном море. Отсюда и пошло его название.

Корунд вроде бы идентичен по твердости алмазу, тем не менее при помощи других методик были определены его характеристики. И как итог – алмаз гораздо тверже корунда (в 90-180 раз). Рубины и сапфиры тоже приравниваются к этому минералу, а за счет своей твердости он идеально подходит для изготовления абразивных инструментов.

Замыкает всю десятку алмаз, которому из всех существующих минералов нет равных по части прочности, и его показатель по шкале твердости – заслуженная 10!

Требования к образцу

В соответствии с требованиями ГОСТов, испытуемые детали должны соответствовать следующим характеристикам:

  1. Заготовка должна быть ровная, твердо лежать на столе твердомера, ее края должны быть гладкими или тщательно обработаны.
  2. Поверхность должна иметь минимальную шероховатость. Должна быть отшлифована и очищена, в том числе с помощью химических составов. Одновременно, во время процессов механической обработки, важно предупредить образование наклепа и повышения температуры обрабатываемого слоя.
  3. Деталь должна соответствовать выбранному методу определения твердости по параметрическим свойствам.

Выполнение первичных требований – обязательное условие точности измерений.

Твердость металлов – важное основополагающее механическое свойство, определяющее их некоторые остальные механические и технологические особенности, результаты предыдущих процессов обработки, влияние временных факторов, возможные условия эксплуатации. Выбор методики исследования зависит от ориентировочных характеристик образца, его параметров и химического состава.

В начале каждого объяснения, как проходит алгоритм исследования, мы давали первую рекомендацию – проверить аппаратуру и заготовку. Если с первым все понятно, то есть работоспособность станка определить возможно, то со вторым необходимо объяснить.

Особенности экспериментальных частей:

  • Ровная поверхность определенной шероховатости без дефектов, микротрещин и любых повреждений. Следует предварительно прогнать верхний слой с помощью фрезерного станка или посредством шлифовальной обработки.
  • Максимальная шлифовка и даже полировка. Чем выше шероховатость, тем больше будет неточностей результата, что очень негативно скажется на измерениях в целом.
  • Также стоит предупредить наклеп. Это утолщение, упрочнение, которое образуется при заданной температуре (она ниже, чем точка рекристаллизации) и посредством пластических деформаций.
  • Все параметры должны соответствовать нормам и прописанным ГОСТам.

Все перечисленные требования обязательны при проведении. Однако на настоящий момент часто это оказывается излишним, поскольку существуют сводные таблицы.

Сделаем вывод. В статье мы рассказали про обозначение единиц измерения твердости металла, а также дали описание термину и перечислили все основные применяемые технологии. Это важная характеристика для стали, поэтому данная процедура имеет ценность для науки материаловедения и для заводов-производителей. При выборе металлообработки необходимо заранее определять все химические и механические свойства.

После того, как ознакомитесь со статьей, можете прочитать про наши товары. Компания «Рокта» уже 15 лет на российском рынке. За это время мы охватили практически все города страны.

Особенности методики Бринелля

Измерение твердости

Понятие твердости

Твердость металлов

Понятие

Твердостью называют свойство материала сопротивляться внедрению в его поверхность индентора.

Существуют два основных способа отображения твердости материалов:

  • в килограмм-силы на квадратный миллиметр (кгс/мм2);
  • может обозначаться буквами HB (HBW), HRB, HRC, HV, HA, HD, HC, HOO и т.д.

В настоящее время разработано много способов определения твердости металлов, таких как:

  • измерение твердости вдавливанием под действием статической нагрузки (по методу Бринелля, Роквелла, Супер-Роквелла, Виккерса, М.С.Дрозда, Герца, Лудвика, монотрон Шора, пресс Бринелля);
  • измерение твердости динамическим вдавливанием (по методу Мартеля, Польди, вертикальный копер Николаева, пружинный прибор Шоппера и Баумана, маятниковый копер Вальцеля, склероскоп Шора, маятник Герберта, маятниковый склерометр Кузнецова);
  • измерение микротвердости статическим вдавливанием (по методу Липса, Егорова, Хрущева, Скворцова, Алехина, Терновского, Шоршорова, Берковича, Кнупа, Петерса,Эмерсона, микротвердомер Цейсса-Ганеманна и др.);
  • измерение твердости царапанием (напильником Барба, по Моосу, прибор Мартенса, Хенкинса, микрохарактеризатор Бирбаума, склерометр О’Нейля, Григорович, Беркович).

Измерение твердости металлов: методы Бринелля, Роквелла, Виккерса

Среди всех этих способов наибольшую популярность получил способ внедрения индентора под действием статической нагрузки. Основными методами для измерения твердости являются: Бринелль, Роквелл, Виккерс, Шора.

К самому распространенному способу измерения твердости, предъявляются следующие требования:

  • измерительный прибор должен быть надежным по конструкции, удобным в обращении, универсальным и применимым ко всем без исключения твердым телам, а сама операция по измерению твердости – простой и быстрой;
  • вне зависимости от величины прилагаемого усилия или затрачиваемой энергии, значение твердости для однородного тела при постоянной температуре должно быть материальной константой;
  • поверхность образца и способ его крепления должны обеспечивать надежную фиксацию, не допускают смещение образца относительно оси приложения нагрузки;
  • твердость должна иметь совершенно определенный и ясный физический смысл, и правильную размерность, характеризующую сопротивление материала пластической деформации.

Чем выше твердость, тем более высокая нагрузка нужна для определения его твердости. Чем точнее метод, тем выше требования к подготовке испытательной поверхности материала. Соответственно нам необходимо подобрать метод определения твердости, дающий минимальную погрешность при минимальном повреждении поверхности и минимальных затратах на подготовку поверхности к испытанию.

Наиболее распространенный способ определения твердости стали — внедрения индентора под действием статической нагрузки по методам Бринелля, Роквелла, Виккерса (см. таблицу 1). И для каждого метода имеется своя шкала измерения твердости.

Таблица 1

Название прибораПринцип действия и форма наконечникаПример обозначения шкалФормула вычисления твердостиИнденторШкалаОбозначение
Прибор Бринелля Вдавливание стального закаленного шарика диаметром 1,25; 2,5; 5 или 10 мм и др., нагрузками в диапазоне от 1 до 62,5 кгс или от 62,5 до 3000 кгс в плоскую поверхность испытуемого тела Твердосплавный сферический инденторс ⌀2,5 и усилием 187,5 кгс HB (w) HB (w) 2,5/187,5 Твердость вычисляется по диагонали отпечатка как нагрузка, деленная на площадь поверхности отпечатка:, кгс/мм2
Прибор Роквелла и Супер-Роквелла

Твердость металлов

Цветные металлы

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.

Детали и инструментыЧисло твердости HRC
Головки откидных болтов, гайки шестигранные, рукоятки зажимные 33. 38
Головки шарнирных винтов, концы и головки установочных винтов, оси шарниров, планки прижимные и съемные, головки винтов с внутренними шестигранными отверстиями, палец поводкового патрона 35. 40
Шлицы круглых гаек 36. 42
Зубчатые колеса, шпонки, прихваты, сухари к станочным пазам 40. 45
Пружинные и стопорные кольца, клинья натяжные 45. 50
Винты самонарезающие, центры токарные, эксцентрики, опоры грибковые и опорные платики, пальцы установочные, цанги 50. 60
Гайки установочные, контргайки, сухари к станочным пазам, эксцентрики круговые, кулачки эксцентриковые, фиксаторы делительных устройств, губки сменные к тискам и патронам, зубчатые колеса 56. 60
Рабочие поверхности калибров — пробок и скоб 56. 64
Копиры, ролики копирные 58. 63
Втулки кондукторные, втулки вращающиеся для расточных борштанг 60. 64

Указанные значения твердости по Роквеллу, Виккерсу и Шору соответствуют значениям твердости по Бринеллю, определенным с помощью шарика диаметром 10 мм.

По РоквеллуПо БринеллюПо Виккерсу (HV)По ШоруHRCHRAHRBДиаметр отпечаткаHB
65 84,5 2,34 688 940 96
64 83,5 2,37 670 912 94
63 83 2,39 659 867 93
62 82,5 2,42 643 846 92
61 82 2,45 627 818 91
60 81,5 2,47 616
59 81 2,5 601 756 86
58 80,5 2,54 582 704 83
57 80 2,56 573 693
56 79 2,6 555 653 79,5
55 79 2,61 551 644
54 78,5 2,65 534 618 76,5
53 78 2,68 522 594
52 77,5 2,71 510 578
51 76 2,75

Твердость металлов

Измерение твердости металлов: методы Бринелля, Роквелла, Виккерса

700HV20/15,

Если исследователь применяет один из наиболее стандартных способов, предложенный Бриннелем, о котором мы подробнее расскажем ниже, то результат будет записан в кгс/мм2, то есть в килограмм-силах, деленных на квадратный миллиметр. По шкале измерения твердости металлов можно сказать о классических примерах и их показателях в соотношении друг с другом:

  • железные сплавы – в среднем 30 кгс/мм2;
  • медные и никелевые составы – 10 кгс/мм2;
  • алюминий, магний и их производные – 5 кгс/мм2.

Так делаем вывод, что железо в 6 раз тверже, чем мягкое алюминиевое соединение.

Второй популярный метод изобрел Роквелл. Согласно ему, одно условное значение (у.е.) равно перемещению конуса на 2 мкм. Если маркируется по данному варианту, то сперва проставляется индексация, затем одна из трех букв – А, В, С и цифровое значение. Если вы видите на заготовке твердость материала НВ, то это единицы измерения по Роквеллу. Также индексом могут быть отмечены детали под маркировкой HR, а после 1 из трех букв:

  • A – свидетельствует о том, что испытания проводились с помощью конуса из алмаза с углом вершины в 120 градусов под прилагаемой нагрузкой в 50 – 60 кг.
  • В – говорит о шарике в одну шестнадцатую дюйма, который направляют к поверхности под весом в 90 – 100 кг.
  • С – используется аналогичный конус, как при маркировке А, но увеличенное воздействие в 140 – 150 кг.

Дальше идет цифра, которая уже указывает на то, какая вмятина образовалась.

И еще один вариант того, в чем измеряется твердость стали, – цифры плюс буквы HV. Такое измерение предлагает Виккерс. В то время как по методике Шора можно увидеть такие записи – 90 HSD.

Цветмет

Они более мягкие, чем черные, потому что в них нет твердых включений, а также их не подвергают закалке и прочим методам термообработки.

Материал Особенности В нв
Медь Имеет высокую пластичность и низкую прочность. если добавляются специальные примеси, получаются новые марки, тогда показатель может увеличиваться. 35
Латунь Это двойной или многокомпонентный состав, который включает медь. но она более надежная, дополнительно включены цинк или олово. 42 – 60
Алюминий Может быть мягким или твердым, с увеличенной или уменьшенной пластичностью. 15 – 20
Дюралюминий Современный, легкий, активно применяется в авиастроении. есть добавки – медь, магний, марганец. 70
Титан Очень крепкий цветмет. 160

Черные металлы

Это железо и стали, ферросплавы и чугуны. Иногда к этой категории относят ванадий, марганец. Общая характеристика:

  • Способ получения – обработка железной руды.
  • Увеличенная прочность.
  • Невосприимчивость к механическим воздействиям.
  • Высокая износостойкость.
  • Хорошая свариваемость.
  • Невысокая стоимость.

Измерение твердости металлов: методы Бринелля, Роквелла, Виккерса

Поэтому железо активно применяют. Нецелесообразно приводить полный список всех марок, поэтому только основные:

  • Чугун – 220 НВ.
  • Инструментальные стальные сплавы – до 700 НВ, из нее делаются режущие инструменты.
  • Нержавейка – до 250 НВ.
Ссылка на основную публикацию
Adblock detector