Как измерять твердость металла

Методы измерения твердости металлов

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

Понятие твердости

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

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

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

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

Измерение твердости инструмента

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

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

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

Измерение твердости по Бринеллю

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

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

Измерение по методу Бринеллю

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

Измерение твердости по Виккерсу

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

К особенностям этого способа тестирования образца можно отнести нижеприведенные моменты:

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

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

Измерение твердости по Роквеллу

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

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

Принцип измерения твердости по Роквеллу

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

Измерение твердости по Шору

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

Шкала твердости по Шору

Рассматривая измерение твердости по Шору, следует отметить следующие моменты:

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

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

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

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

Соотношение значений твердости

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

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

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

Что такое твердость и как ее измерить?

Понятие твердости

Твердостью называют свойство материала сопротивляться внедрению в его поверхность индентора.

В чем измеряется твердость?

Существуют два основных способа отображения твердости материалов:

• в килограмм-силы на квадратный миллиметр (кгс/мм 2 );
• может обозначаться буквами HB (HBW), HRB, HRC, HV, HA, HD, HC, HOO и т.д.

По каким методам можно измерять твердость?

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).

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

Требования к измерению твердости

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.

Как рассчитать твердость материала?

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.

В чем измеряется твердость стали?

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.

Твердосплавный сферический индентор

с ⌀2,5 и усилием 187,5 кгс

Твердость вычисляется по диагонали отпечатка как нагрузка, деленная на площадь поверхности отпечатка:

, кгс/мм 2

Алмазный индентор конической формы с углом при вершине 120° с усилием 60 кгс

Мерой твердости служит разность глубин проникновения наконечника при приложении основной и предварительной нагрузки, измеренная в условных делениях

— при измерении по шкале А (HRA) и С (HRC):

Разность представляет разность глубин погружения индентора (в миллиметрах) после снятия основной нагрузки и до её приложения (при предварительном нагружении).

— при измерении по шкале B (HRB):

Твердосплавный сферический индентор с диаметром 1,588 мм (1/2”) и усилием 100 кгс

Алмазный индентор конической формы с углом при вершине 120° с усилием 150 кгс

Прибор Виккерса и Микро-Виккерса

Алмазный индентор пирамидальной формы c 4 гранями

с усилием 1 кгс

с усилием 0,5 кгс

Твердость вычисляется по диагонали отпечатка как нагрузка, деленная на площадь поверхности отпечатка

Нагрузка Р может меняться от 9,8 (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Твердость по Виккерсу HV = 0.189*P/d 2 , МПа, если Р выражена в Н, и HV = 1,854*P/d 2 , кгс/мм 2 , если Р выражена в кгс.

Твердость Н определяют по той же формуле, что и твердость по Виккерсу:

Алмазный индентор пирамидальной формы c 3 гранями

с усилием 0,1 кгс

Название прибора	Принцип действия и форма наконечника	Пример обозначения шкал			Формула вычисления твердости
		Индентор	Шкала	Обозначение
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	HB (w)	HB (w) 2,5/187,5
Прибор Роквелла и Супер-Роквелла	Вдавливание алмазного конуса с углом заострения 120° или стальных шариков диаметром 1/2», 1/4», 1/8» или 1/16» стандартными нагрузками 150, 100 и 60 кгс (Роквелл) или 45, 30 и 15 кгс (Супер-Роквелл)	HRA	60 HRA	HRB (w)	100 HRB (w)
		HRC	150 HRC
		Вдавливание алмазной пирамиды с квадратным основанием и углом при вершине между гранями 136° c нагрузками от 0,01 до 50 кгс	НК	НК 1,0

Методы статического определения твердости вдавливанием

Название прибора, автор (год)	Принцип действия и форма наконечника	Измеряемый параметр, метод вычисления твердости и ее условная размерность
По методу Герца (1881)	Сдавливание полусферы и плоскости из испытуемого материала до появления следов пластической деформации или трещины	HГ = 6Р/πd 2 кр, кгс/мм 2
Монотрон Шора (1900)	Вдавливание алмазного шарика диаметром 0,75 мм или стальных шариков диаметром 1/16″ и 2,5 мм на стандартную глубину 0,045 мм	Мерой твердости служит нагрузка (кгс), необходимая для вдавливания на стандартную глубину
По методу Лудвика (1907)	Вдавливание стального конуса с углом заострения 90° в плоскость испытуемого тела	Твердость вычисляется как нагрузка, деленная на площадь проекции
По методу М. С. Дрозда (1958)	Вдавливание шарика нагрузкой Р, измерение глубины восстановленного отпечатка h и критической нагрузки Рs, отвечающей переходу от упругого к остаточному опечатку	Н = (Р-Рs)/πDhвосст, кгс/мм 2

Методы динамического определения твердости

Название прибора, автор (год)	Принцип действия и форма наконечника	Измеряемый параметр, метод вычисления твердости и ее условная размерность
По методу Мартеля (1895)	Удар стальной пирамидой, укрепленной на падающем бойке	По энергии удара и диагонали отпечатка определяется твердость H = Е1/V, кгс/мм 2
Вертикальный копер Николаева	Удар бойка весом 3 кгс, падающего с высоты 530 мм, по стальному шарику 10 мм, прижатому к изделию	По диаметру отпечатка и тарировонным кривым определяется НВ, кгс/мм 2
Пружинный прибор Шоппера	Удар стальным шариком диаметром 10 мм с помощью сжатой пружины	По глубине отпечатка определяется НВ, кгс/мм 2
Пружинный прибор Баумана	Удар бойком со стальным шариком диаметром 5 или 10 мм с помощью сжатой пружины с запасом энергии 0,15 и 0,53 кгс·см	По диаметру динамического отпечатка и тарировочным кривым находится НВ, кгс/мм 2
Прибор Польди	Удар молотком по бойку, под которым находится эталон и испытуемое тело с зажатым между ними закаленным стальным шариком диаметром 10 мм	По диаметрам отпечатков на образце и эталоне определяется твердость: HВобр = 2 НВэт*d 2 эт/d 2 обр, кгс/мм 2
Маятниковый копер Вальцеля (1934)	Удар стальным шариком диаметром 5 или 10 мм, укрепленным на маятниковом копре	Угол отскока в условных единицах
Склероскоп Шора	Падение бойка весом 2,3 гс с коническим алмазным наконечником с высоты 254 мм	Число условных единиц высоты отскока бойка
Маятник Герберта	Качание маятника весом 2 или 3 кгс, опирающегося на поверхность испытуемого тела стальным или рубиновым шариком диаметром 1 мм	Бремя 10 односторонних качаний маятника в секунду или амплитуда одного качания в условных единицах
Маятниковый склерометр Кузнецова (1931)	Качание маятника весом 1 кгс, опирающегося двумя стальными наконечниками или шариками на испытуемое тело	Время затухания колебаний до заданной амплитуды

Методы статического определения твердости вдавливанием

Твердость определяется как отношение нагрузки (в гс) к площади поверхности отпечатка (по диагонали, в мкм)

Твердость определяется как отношение нагрузки (в кгс) к площади поверхности невосстановленного «отпечатка», исчисляемой по длинной диагонали d (в мм):

Н = 2092 Р/а 2 = 1570 Р/l 2 , кгс/мм 2 ;

Н = ЗR*sin а *Р/l 3 = 4167960Р/l 3 , кгс/мм 2

Методы определения твердости царапанием

Методы определения твердости металла

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

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

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

Определение твердости вдавливанием стального шарика (метод Бринелля)

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

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

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

Стальной шарик крепится в оправке 2.

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

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

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

Определение твердости по глубине вдавливания алмазного конуса (метод Роквелла)

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

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

Алмазный конус крепится в оправке 4.

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

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

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

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

Стандартной нагрузкой при этом методе является 150 кг.

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

Измерение твердости мягких материалов

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

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

Определение твердости динамическим вдавливанием шарика

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

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

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

Определение твердости методом упругой отдачи

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

На рисунке показан внешний вид прибора:

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

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

Измерение твердости металлов

Методы измерения твердости металлов. Одним из широко распространенных видов испытания металлов является определение твердости. Твердость металла можно определять прямыми и косвенными методами.

Прямые методы испытания на твердость состоят в том, что в образец вдавливают специальный твердый наконечник (из закаленной стали, алмаза или твердого сплава) различной формы (шарик, конус, пирамиду). После снятия нагрузки остается отпечаток, величина которого характеризует твердость образца.

При косвенных методах оцениваются свойства металла, пропорциональные его твердости.

Испытания на твердость могут быть статическими и динамическими. К первому виду относятся испытания методом вдавливания, ко второму — методом ударного вдавливания.

В зависимости от характера и способа приложения нагрузки твер­дость косвенно характеризует различные механические свойства метал­лов. Если наконечник вдавливается в образец, то твердость характеризует сопротивление пластической де­формации. Если наконечник цара­пает об-

разец, то твердость характеризует сопротивление разрушению. Твердость, определенная по отскоку наконечника, характеризует упругие свойства металла образца.

По значению твердости металла можно составить представление об уровне его свойств. Например, чем выше твердость, определенная вдав­ливанием наконечника, тем меньше пластичность металла, и наоборот.

Метод измерения твердости имеет ряд преимуществ перед другими методами механических испытаний металла: простота техники и быстрота испытаний, простота формы и небольшие размеры образцов, возможность проводить испытание непосредственно на изделии без его разрушения.

Твердость определяют на специальных приборах — твердомерах.

Твердомеры бывают стационарные и переносные. Принципиальное устройство твердомеров для всех методов испытаний на твердость одина­ково.

Основными узлами твердомеров являются станина, рабочий столик, наконечник (узел, состоящий из оправки и индентора), нагружающее уст­ройство, прибор для измерения величины деформации.

Общая схема испытания такова: деталь или образец помещают на рабочем столике, с помощью нагружающего устройства в образец вдавли­вают индентор и после снятия нагрузки определяют твердость.

В зависимости от цели испытания, свойств испытуемого металла, размеров образца выбирают форму, раз­мер и материал индентора, вели­чину и длительность приложения нагрузки.

Наиболее часто проводят определение твердости следующими ме­тодами: измерение твердости по Бринеллю — по ГОСТ 9012 — 59; измере­ние твердости по Роквеллу — по ГОСТ 9013 — 54; измерение твердости по Виккерсу — по ГОСТ 2999 — 75; изменение твердости методом ударного отпечатка — по ГОСТ 18661 — 73; измерение микротвердости вдавлива­нием алмазных наконечников — по ГОСТ 9450 — 76.

Существуют общие требования к подготовке образцов и проведе­нию испытаний:

1. Изготовление образцов и подготовка поверхности должны осуществляться способами, исключающими изменения свойств металла из-за нагрева или наклепа.

2. Поверхность образца должна быть чистой, без окислых пленок, следов ржавления или окалины, трещин и прочих дефектов.

3. Образцы должны быть определенной толщины. После нанесения отпечатка на обратной стороне образца не должно быть следов деформации.

4. Образец должен лежать на столике жестко и устойчиво. В процессе испытания образец не должен смещаться или прогибаться.

5. Прилагаемая нагрузка должна действовать перпендикулярно к поверхности образца.

6. Нагрузка должна прилагаться и возрастать плавно до заданного значения, а далее поддерживаться постоянной в течение определенного времени.

Измерение твердости по Бринеллю. При определении твердости методом Бринелля в испытуемый образец или изделие вдавливается в течение определенного времени металлический шарик (рис. 5). После снятия нагрузки на поверхности образца остается сферический отпечаток. Величина отпечатка зависит от твердости металла: чем тверже металл, тем меньше будет величина отпечатка. Число твердости по Бринеллю обозначается НВ.

Рис. 5. Схема расположения отпечатка при определении твердости методом Бринелля

Чтобы определить число твердости НВ (МПа или кгс/мм 2 ), надо величину приложенной нагрузки Р разделить на площадь отпечатка F:

,

где D — диаметр шарика, м (или мм);

d — диаметр отпечатка, м (или мм);

Р — нагрузка на шарик, МПа (или кгс).

Чтобы не производить каждый раз вычисления, при определении числа твердости пользуются специально cоставленной таблицей (приложение к ГОСТ 9012- 59). Зная нагрузку, диаметры шарика и отпечатка, по этой таблице можно определить число твердости НВ.

Для испытания применяют шарики из закаленной стали или твер­дого сплава диаметром 2,5; 5,0 и 10 мм. Диаметр шарика выбирают в за­висимости от толщины испытуемого образца и его твердости: чем тоньше и тверже образец, тем меньше должен быть диаметр шарика. Обычно ис­пытание проводят на специально подготовленной горизонтальной пло­щадке образца.

Толщина испытуемого образца должна быть не меньше десятикрат­ной глубины отпечатка. Глубину отпечатка определяют пробным испытанием или, если известен уровень твердости, по формуле

,

где h — глубина отпечатка;

D — диаметр шарика;

Р — нагрузка на шарик;

НВ — число твердости.

Между временным сопротивлением и числом твердости HB существует следующая зависимость:

— для медных сплавов σ_в = 0,45 HB;

— для алюминиевых сплавов σ_в = 0,35 HB.

Расстояние от центра отпечатка до края образца дол­жно быть не менее 2,5d,а между центрами двух соседних отпечатков — не менее 4d.Диаметр отпечатка d измеряют при помощи лупы или отсчетного микроскопа (рис. 6) в двух взаимно перпендикулярных направлениях и определяют среднее арифметическое из двух определений.

В зависимости от твердости металла нагрузка на шарик может изменяться от 15,6 до 3000 кгс. Чтобы результаты испытаний были сопоставимы при любом диаметре взятого шарика, между нагрузкой и диаметром шарика должно выдерживаться соотношение: P = 2,5D 2 , Р = 10D 2 , P = = 30D 2 .

Длительность приложения нагрузки должна быть достаточной для прохождения деформации и возрастать с уменьшением твердости испытуемого металла от 10 до 30 и 60 с.

При выборе диаметра шарика D,нагрузки Р, продолжительности выдержки под нагрузкой t и минимальной толщины образца руководствуются табл. 1.

Запись результатов испытания проводится следующим образом. Если испытание проводится шариком диаметром D = 10 мм под нагрузкой Р = 3000 кгс с выдержкой D = 10 с, то записывается число твердости с cимвoлoм НВ. Например, твердость стали 350 НВ. Если условия испытания иные, то это показывается соответствующими индексами. Например, число твердости 230 и испытание проводилось шариком диаметром D = 5,0 мм при нагрузке 750 кгс с выдержкой под нагрузкой 10 с. В этом случае результаты записываются так: НВ 5/750/10/230.

Рис. 6. Измерение диаметра отпечатка по шкале лупы

Выбор параметров испытания при определении твердости

Название прибора и автор (год)	Принцип действия и форма наконечника	Вычисление твердости и ее условная размерность
По методу Лидса (1936)	Вдавливание пирамиды Виккерса 136° собственным весом индентора (35 г) и давлением воздуха на поршень
Микротвердомер Цейсса— Ганеманна (1940)	Вдавливание пирамиды Виккерса нагрузкой 2—100 гс, создаваемой плоскими пружинами	То же
ПМТ-2, ПМТ-3 (Хрущов, Беркович)	Вдавливание пирамиды Виккерса сменными нагрузками 2—500 гс	То же
По методу Кнупа, Петерса, Эмерсона (1939)	Вдавливание алмазного наконечника Кнупа (пирамида с основанием в виде сильно вытянутого ромба и углами между ребрами 130° и 172°30′) с нагрузкой 50—4909 гс
По методу Берковича	Вдавливание алмазной трехгранной пирамиды с углом между гранью и осью 65°
По методу Егорова и др. (1970)	Вдавливание алмазного лезвия, образованного двумя цилиндрами радиусом 2 мм, оси которых! пересекаются под углом 136°
По методу Калей, Хрущова, Скворцова, Алехина, Терновского, Шоршорова (1968-1973)	Вдавливание алмазной 136-градусной пирамиды с регистрацией нагрузки и глубины погружения индентора в процессе испытания

Материал	Интервал твердости в числах Бринелля	Минимальная толщина испытуемого образца, мм	Соотношение между нагрузкой Р и диаметром шарика	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка Р, кгс	Выдержка под нагрузкой, с
Черные металлы	140-150	От 6 до 3 От 4 до 2 2	10,0 5,0 2,5	187,5
6 От 6 до 3 2	10,0 5,0 2,5	62,5
Цветные металлы	>130	От 6 до 3 От 4 до 2 >2	P = 30D 2	10,0 5,0 2,5	187,5
35-130	От 6 до 3 От 6 до 3 2	10,0 5,0 2,5	62,5
8-35	>6 От 6 до 3 2	10,0 5,0 2,5	62,5 15,6

Измерение твердости по Роквеллу. При измерении твердости этим методом алмазный конус или стальной шарик вдавливается в испытуемый образец под действием общей нагрузки Р. Причем сначала прилагается предварительная нагрузка Р₀, а затем основная P₁, т. е. Р = Р₀ + P₁. Твердость определяют по глубине отпечатка (рис. 7). За единицу твердости по Роквеллу принята условная величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. В зависимости от твердо­сти испытуемого образца испытание проводят вдавлива­нием алмазного конуса или шарика при различной величине основной и общей нагрузки. При испытании твердость можно измерять по трем шкалам: А, В и С (табл. 2).

Поверхность для испытания может быть плоской и криволинейной. Радиус кривизны поверхности должен быть не менее 15 мм. Минимальная толщина образца должна быть не меньше восьмикратной глубины внедре­ния индентора после снятия основной нагрузки P₁.

При измерении твердости расстояние между центрами двух соседних отпечатков или расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 3,0 мм. На каждом образце проводят не менее трех измерений.

Рис. 7. Схема испытания на твердость по методу Роквелла

Выбор параметров при определении твердости методом Роквелла

Шкала	Число твердости	Индентор	Нагрузка, кгс	Пределы измерения в единицах твердости по Роквеллу, HR
P0	P1	P
B C A	HRB HRC HRA	Стальной шарик Алмазный конус — // —	25-100 20-67 70-85

Измерение твердости по Виккерсу. При измерении твердости по этому методу в образец вдавливается алмазный наконечник, имеющий форму правильной четырехгранной пирамиды. Нагрузка Р действует в течение определенного времени.

Величина нагрузки может быть следующей: 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 20,0; 30,0; 50,0; 100,0 кгс. Чем больше нагрузка, тем более точным получается результат.

Продолжительность выдержки образца под нагрузкой составляет обычно 10—15 с.

Поверхность испытуемого образца должна быть хорошо подготовлена — шероховатость ее не должна превышать 0,16 мкм. Минимальная толщина стального образца должна быть больше диагонали от­печатка в 1,2 раза, а образцов из цветных металлов в 1,5 раза. Радиус кривизны по­верхности должен быть не менее 5 мм.

Отпечатки ставят так, чтобы расстояние между центром отпе­чатка и краем образца или краем соседнего отпечатка было не ме­нее 2,5 длины диагона­ли отпечатка (рис. 8).

Рис. 8. Схема расположения отпечатка при определении твердости методом

Погрешность при измерении диагоналей должна быть не более ±0,001 мм при длине диагонали до 0,2 мм, а при большей длине не более 0,5%.

Твердость по Виккерсу (HV) вычисляют по формуле:

,

где Р — нагрузка, кгс;

α — угол между противополож­ными гранями пирамиды при вершине, равный 136°;

d — среднее арифметическое значение длин обеих диагоналей отпечатка после снятия на­грузки, мм.

Если испытания прово­дятся в стандартных усло­виях, то, чтобы не прово­дить вычисления, пользуются таблицей (приложение к ГОСТ 2999-75), в которой приведена твердость в зави­симости от длины диагонали отпечатка при различной нагрузке.

При записи результатов испытаний в обычных усло­виях твердость по Виккерсу обозначается символом HV. Обычными условиями испытания считаются нагрузка 300 Н (30 кгс) и время выдержки 10—15 с. В этом случае твердость записывается,например, HV 300. Если условия испытания другие, то это указывается индексами, причем сначала указывается величина нагрузки, потом время выдержки. Например, запись HV 20/40 — 250 значит, что при нагрузке 200 Н (20 кгс) и времени выдержки 40 с твердость по Виккерсу 250.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Учись учиться, не учась! 11100 — | 8259 — или читать все.

Динамический твердомер Тукан К-18А — новая разработка компании

Метало-физическая сущность динамического метода

Идеологически динамический твердомер базируется на методе по ГОСТ 23273-78 «Металлы и сплавы. Измерение твердости методом упругого отскока бойка (по Шору)».

Фундаментальной основой динамического метода измерения твердости является вязкость — свойство металла поглощать в заметных количествах механическую энергию в необратимой форме не разрушаясь. Иначе, вязкость можно охарактеризовать как работу затраченную на упруго-структурную и пластическую деформации измеряемую площадью диаграммы деформации*. (*) Справочник по металлическим материалам турбино- и моторостроения. Михайлов-Михеев П.Б. д.т.н.

Еще один вид дополнительных потерь механической энергии — это затраты на возбуждение свободных упругих колебаний всего контролируемого объема изделия. Эти затраты энергии функционально связаны с размерами, геометрией и массой контролируемого объема изделия, а так же с атомно-кристаллической решеткой материала.

Следует иметь ввиду, что корректное измерение вязкости (твердости) определяется критическими параметрами контролируемого объема изделия: массой, толщиной и геометрией, соответствием типов атомно-кристаллических решеток контролируемого изделия и образцовых мер твердости использованных при калибровке динамического твердомера, а так же структурным состоянием литых чугунных изделий (особенно для серого чугуна). Например, тип атомно-кристаллической решетки алюминия и его сплавов, меди и ее сплавов, а так же конструкционных сталей — кубическая гране- и объемно-центрированная, в то время как кадмий, магний, цинк и альфа-титан имеют гексагональную упакованную решетку.

Несоответствие хотя бы одного из критических параметров может привести к дополнительным потерям механической энергии на свободные упругие колебания всего контролируемого объема изделия и как следствию искажению результатов измерения.

Подробное исследование влияния критических параметров (размеры, геометрия и масса) на значение показаний динамического твердомера позволило специалистам компании Искролайн разработать контроль твердости изделий методом калибровочных поправок. Данный метод существенно упрощает, а во многих случаях исключает разработку и внедрение пользовательских шкал и изготовление контрольных образцов (СОП).

Рассмотрим измерение твердости динамическим методом для двух групп металлов — первая с твердостью в диапазоне HB 5 – 150 (цветные металлы, алюминиевые, медные сплавы) и вторая с HB 100 – 400 (стали с различной термообработкой). Функциональная зависимость сигнала датчика от твердости HL=φ (HB) для первой группы соответствует области (1), а второй — области (2), см. рис 1.

Как показали исследования функции HL=φ (HB), проведенные и опубликованные д.т.н. Б.Г. Лившицем и д.т.н. С.И. Ратнер, для первой группы (1) вязкость определяется сугубо пластической деформацией. Влияние упруго-структурной деформации практически полностью отсутствует. Это подтверждается и полученными нами экспериментальными данными, в частности:

• а. эффект пластической деформации и диаметр отпечатка от удара шариком падающего индентора для твердости в области (1) на порядок выше пластической деформации в области (2);
• б. для построения графика зависимости в области (1) исследованы следующие материалы: чистые металлы — Pb, Sn, Al, Cu, алюминиевые литейные и деформируемые сплавы, медные сплавы — латуни и бронзы, особо мягкие чугуны и даже сталь с HB95;

Характерно, что модуль нормальной упругости Е этих материалов изменяется в очень широких пределах: 1600 (Pb), 4000 (Sn), 7000 (Al), 10000-11000 (Cu), 11000-15000 (ферритные чугуны) и 20000-22000 (стали), но практически не влияет на твердость.

Эти данные полностью подтверждают полное отсутствие упругой составляющей для материалов с твердостью HB 5 — HB150.Кроме того, для области (1) характерно резкое отличие HL (сигнала датчика) для металлов с различной атомно-кристаллической решеткой при схожей твердости. Сравните величину сигнала датчика для металлов с гексагональной плотноупакованной решеткой (Cd, Mg, Zn, Ti α) и с кубической гране- и объемно-центрированной решеткой (Pb, Sn, Cu, Al) см. рис.2.

Для металлов с кубической решеткой отмечается высокий коэффициент корреляции зависимости сигнала датчика от твердости, чего не скажешь о гексагональной, что связано со значительным уменьшением вязкости. Калибровочную поправку для таких изделий следует применять только к сигналу датчика (ΔHL).

Для материалов соответствующих зависимости HL=φ (HB) в области (2) (стали, чугуны, титановые сплавы) характерно наличие влияния упруго-структурной деформации на значение сигнала датчика, что приводит к резкому изменению параметров функциональной зависимости. Общая картина зависимостей HL=φ (HB) для разнообразных материалов в широком диапазоне твердости от HB 5 до HB 400 представлена на рис.3.

Физическая сущность динамического метода измерения твердости металлов, сплавов и сталей

В отличии от классического статического метода определения твердости по методу Бринелля или Роквелла, динамический метод принимает за показатель твердости не площадь отпечатка или глубину проникновения твердосплавного наконечника, а отношение скоростей индентора перед ударом и после него. В общем случае — чем материал более твердый, тем выше скорость отскока, но не следует забывать про упомянутые выше особенности кристаллических решеток различных материалов, дающих заметные отклонения результатов измерений.

Динамический метод определения твердости по Бринеллю или Роквеллу опирается на метод Лейба по стандарту ASTM 956. Данный стандарт описывает: методику определения твердости образцов из стали полученных прокатным или литейным способом, а так же чугуна, алюминиевых и медных сплавов, методы проверки и испытания приборов, калибровку твердомеров по стандартным мерам твердости, требования к мерам твердости и измеряемым изделиям.

Устройство датчика становится понятным при рассмотрении его схематического изображения в разрезе на рис.4.

Датчик состоит из корпуса (1) с опорным кольцом (2), подвижной втулки (3), спусковой кнопки (4), индентора с магнитом и наконечником из карбида вольфрама или синтетического алмаза (в зависимости от типа датчика) (5), катушки индуктивности (6), пружины (7). Перед измерением датчик надежно прижимается к контролируемой поверхности (8).

Согласно стандарту ASTM 956 существует 6 разновидностей датчиков. Наиболее распространенный и универсальный — это датчик типа «D».

Принцип работы датчика динамического твердомера

Значение твердости вычисляется из отношения скоростей индентора, измеренных до и после удара на расстоянии 1 мм от исследуемой поверхности изделия, по формуле HL=1000xVb/Va, где HL – значение твердости по шкале Лейба, Vb – скорость после отскока, Va — скорость падения перед ударом. Определение скорости достигается с помощью постоянного магнита, установленного в инденторе, который под действием силы пружины перемещается через катушку и индуцирует электрическое напряжение при падении и отскоке, см. рис. 5. Индуцированные напряжения пропорциональны скоростям падения и отскока. Отношение измеренных значений напряжения, умноженное на коэффициент 1000, дает число, которое составляет значение твердости по шкале (методу) Лейба.

Эти значения твердости иначе еще называют сигналом датчика.

Прямая корреляция между критерием твердости по Лейбу и другими методами твердости

Стандарт ASTM 956 рекомендует внимательно и продумано использовать перевод значений твердости по Лейбу в другие системы за исключением случаев когда точность преобразования была получена путем сравнительного тестирования. Причины таковых рекомендаций были нами описаны выше.

Учитывая, что, при разработке динамического твердомера Тукан К-18А, производителем многократно протестированы таковые зависимости, а так же проведены все метрологические испытания при внесении твердомера в реестр средств измерений, измерения проводимые по другим шкалам являются достоверными.

Тем не менее, при проверке особо ответственных деталей мы рекомендуем достичь специального соглашения по методике выполнения измерений между стороной, определяющей этот метод испытаний, и стороной, выполняющей испытание на твердость.

Область применения динамического твердомера

Портативный твердомер Тукан К-18А рекомендован к применению: на крупных промышленных предприятиях для контроля, как единичных изделий, так и серийной продукции с сохранением статистики измерений; в производственных компаниях; в лабораториях и исследовательских учреждениях.

Твердомеры широко применяются:

• на предприятиях энергетического комплекса,
• в металлургии черных и цветных металлов,
• в машиностроении и автомобильном транспорте (производство и ремонт),
• в нефтегазовой отрасли,
• в судостроении,
• в стале- и чугуно-литейных производствах,
• на трубопрокатных заводах,
• в железнодорожной сфере (прокат и ремонт рельс, колесных пар, сцепок, осей и пр.),
• в аэрокосмической отрасли,
• в монтажно-ремонтных и диагностических организациях.

Назначение твердомера

• Быстрый контроль материалов и деталей, в том числе и сложной формы, контроль качества термообработки, определение твердости различных деталей механизмов при их ремонте.
• Информационный слой для динамического датчика составляет порядка 0,8 мм. Это указывает на возможность разработки методики контроля глубины азотированного слоя до 0,7 — 0,75 мм для изделий из конструкционных сталей (например, марок 38хмюа, 18х2н4ма и др.).

Основные возможности

Дополнительные возможности

Требования к контролируемому изделию

Выполнение первичных требований – обязательное условие точности измерений!

• Исследуемая поверхность должна быть тщательно подготовлена, чтобы избежать каких-либо изменений в твердости, вызванных нагревом во время шлифования или путем упрочнения во время обработки. Любая краска, окалины, вмятины или другие поверхностные покрытия или неровности должны быть полностью удалены. Проверяемые поверхности должны быть гладкими. Неспособность обеспечить надлежащую обработку поверхности приведет к отклонению результатов измерений. Грубая обработка контролируемой поверхности будет вносить искажения в результаты измерения. Рекомендуется, чтобы тестируемая поверхность была подвергнута механической обработке — шлифовке или полировке. Размер зернистости шлифовальных материалов, рекомендованной для достижения заданной чистоты поверхности, определяется при разработке технологической карты для конкретного изделия.
• Выполнение теста на твердость на деталях с остаточным магнитным полем может повлиять на результаты. Рекомендуется, чтобы любое остаточное магнитное поле было меньше 4 ·10 -4 Тл (Тесла) или менее 4 Гс (Гауссов, по международной системе СГС — сантиметр-грамм-секунда)).
• Контроль твердости изделий из конструкционных сталей целесообразно производить после объемной термообработки, обеспечивающей равномерность структуры и физико-механических свойств, в том числе твердости, по всему контролируемому объему.
• При контроле твердости литых изделий (чугуны, алюминиевые сплавы, силумины, изделия из аустенитных литейных сплавов) необходимо учитывать структурную анизотропию, т.е. различие твердости на разных участках. В связи с этим для изделий литейного производства обязательна установка постоянного места контроля твердости. Это обеспечит возможность сравнительной оценки твердости отдельных изделий в одной партии и между партиями.
• Чтобы предотвратить ошибки, возникающие в результате смещения датчика, основание опорного кольца должно быть прижато плотно и перпендикулярно к поверхности испытуемого образца.
• Датчик и прибор откалиброваны для направления удара вертикально вниз (перпендикулярно горизонтальной поверхности). Для других направлений удара, например, 45 ° от горизонтальной плоскости или иных, измеренные значения твердости следует использовать с обязательной поправкой. Твердомер Тукан К-18А имеет функцию автоматического учета поправки.
• Расстояние между любыми двумя точками удара индентора должно быть не менее двух диаметров отпечатка. Расстояние между точкой удара и краем образца должен быть не менее 5 мм. Повторное измерение в тоже самое место не допускается.
• Исследуемые части с криволинейными поверхностями могут быть испытаны при условии, что радиус кривизны образцов на выпуклых или вогнутых поверхностей кольца составляет не менее 30 мм.
• Для исключения влияния неоднородности материала изделия рекомендуется использовать не менее 5 измерений на площади приблизительно 2.5 см 2 (625 мм 2 ). Если испытуемый материал считается заведомо неоднородным (например, чугун) количество измерений на испытуемой площади следует увеличить до 10.
• Толщина и вес испытуемого образца должны учитываться при проведении измерений и выборе места контроля. Для датчика типа D стандартом ASTM 956 рекомендованы следующие минимальные размеры и вес изделия: вес — 5 кг, толщина — 3 мм. Согласно стандарту, если исследуемые изделия имеют массу меньше минимальной или части любого веса имеют сечения, меньше, чем минимальная толщина, требует наличие жесткой опоры и сцепления с массивной неподатливой поверхностью, чтобы предотвратить свободные колебания от удара индентора датчика. Но, как описано выше, специалистами компании Искролайн разработан метод калибровочных поправок позволяющий существенно ослабить данные ограничения и уменьшить требования к массе и минимальным размерам исследуемого изделия.

Ограничения

Для динамического твердомера Тукан К-18А, как и для всех моделей динамических твердомеров, присущи некоторые ограничения.

Измерения нельзя считать корректными при невозможности надежной фиксации сложно профилированного изделия на массивном основании или отсутствии у изделия постоянного, внесенного в технологическую документацию, места контроля.