Сравнительная таблица твердости металлов и сплавов
Обновлено: 16.05.2024
Данный метод заключается во вдавливании шарика, который изготавливается из стали или твёрдого сплава, в испытуемый объект с некоторой силой направленной перпендикулярно, и последующего измерения полученного диаметра отпечатка.
Твердость по Бринеллю имеет своё символьное обозначение:
НВ – наносится в случае использования стального шарика;
HBW – в данном случае применяется шарик из твёрдого сплава.
Перед буквенным обозначением указывается цифровое значение твёрдости, а после него диаметр шарика, значение силы воздействия и время выдержки, если она отлична от 10 до 15 секунд.
250 НВ 5/750 – твердость по Бринеллю 250 , использовался пяти миллиметровый стальной шарик, сила воздействия составляла 750 кгс ( 7355 Н ). Продолжительность выдержки не указана, это означает, что она находится в пределах от 10 до 15 секунд;
575 HBW 2,5/187,5/30 – твердость по Бринеллю 575 , используется твердосплавный шарик с диаметром 2,5 мм , приложенная сила равна 187,5 кгс ( 1839 Н ) а выдержка составляет 30 секунд.
При силе 3000 кгс ( 29420 Н ) приложенной твердосплавным или стальным десятимиллиметровым шариком к поверхности образца или изделия с выдержкой от десяти до пятнадцати секунд указывают только твёрдость и символы.
Пример: 190 НВ , 600 HBW .
Метод Виккерса
Данным методом твёрдость измеряется по средствам вдавливания алмазного наконечника с геометрической формой правильной четырехгранной пирамиды в испытуемый объект и последующим замером диагоналей получившегося отпечатка после его выведения.
Твердость по Виккерсу обозначают цифрами в зависимости от величины твердости и буквами HV .
450 HV – твердость по Виккерсу соответствует значению 450 , приложенная сила 30 кгс и время затраченное на выдержку 10 – 15 секунд.
220 HV 10 / 40 – твердость по Виккерсу ровна значению 220 , сила ровна 98,07 Н ( 10 кгс ), выдержка 40 секунд.
Общего точного перевода чисел твердости, измеренных алмазной пирамидой (по Виккерсу), на числа твердости по другим шкалам или на прочность при растяжении не существует. Поэтому следует избегать таких переводов, за исключением частных случаев, когда благодаря сравнительным испытаниям имеются основания для перевода.
Метод Роквелла
Данный метод основан на внедрение в поверхность тела алмазного конусного или стального сферического наконечника под действием двух последовательных сил с последующим определением глубины проникновения наконечника. Причём замер производится после отключения основной силы.
Обозначение твёрдости по Роквеллу наносится символами, HR перед которыми указывается цифровое значение твердости, а после символ принадлежности к определённой шкале.
Пример: 24,8 HRC – твердость по Роквеллу 24,8 единиц по шкале С .
Для унификации измерений был введён специальный эталон для шкал твердости Роквелла и Супер-Роквелла ( ГОСТ 8.064 – 94 ), которые приведены в таблице ниже.
В последующих таблицах приводятся приближенные соотношения между значениями твердости, выявленные различными методами.
Определение твердости металлов и сплавов
Сравнительная таблица твердости. Перевод твердости по БРИНЕЛЛЮ, РОКВЕЛЛУ, ВИККЕРСУ и ШОРУ.
Благодаря данной таблице Вы с легкостью сможете перевести значения из величин например hb в другие, к примеру hrc. Твердостью называют свойство материала сопротивляться проникновению в него другого тела.
Способы определения твердости:
Способ БРИНЕЛЛЯ — испытание твердости с помощью стального шарика, методом вдавливания в испытываемую поверхность. Стальные шарики бывают диаметрами 2,5; 5 или 10 мм. Числом твердости по Бринеллю (HB) называют отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка.
Способ Роквелла — испытание твердости с помощью алмазного конуса с углом 120* или стального закаленного шарика, методом вдавливания в испытываемую поверхность.
Способ Виккерса — испытание твердости с помощью алмазного наконечника в форме правильной четырехгранной пирамиды с углом между гранями 136*, методом вдавливания в испытываемую поверхность.Число твердости по Виккерсу это отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка.
Способ Шора — определение твердости по высоте отскакивания бойка падающего на поверхность испытываемого тела с определенной высоты.
| Роквелл | Бринелль | Виккерс | Шор | На разрыв | ||
| HRA | HRC | HB (3000H) | Диаметр отпечатка, мм | HV | HSD | Н/мм² |
| 89 | 72 | 782 | 2.20 | 1220 | ||
| 86.5 | 70 | 1076 | 101 | |||
| 86 | 69 | 744 | 2.25 | 1004 | 99 | |
| 85.5 | 68 | 942 | 97 | |||
| 85 | 67 | 713 | 2.30 | 894 | 95 | |
| 84.5 | 66 | 854 | 92 | |||
| 84 | 65 | 683 | 2.35 | 820 | 91 | |
| 83.5 | 64 | 789 | 88 | |||
| 83 | 63 | 652 | 2.40 | 763 | 87 | |
| 82.5 | 62 | 739 | 85 | |||
| 81.5 | 61 | 627 | 2.45 | 715 | 83 | |
| 81 | 60 | 695 | 81 | 2206 | ||
| 80.5 | 59 | 600 | 2.50 | 675 | 80 | 2137 |
| 80 | 58 | 2.55 | 655 | 78 | 2069 | |
| 79.5 | 57 | 578 | 636 | 76 | 2000 | |
| 79 | 56 | 2.60 | 617 | 75 | 1944 | |
| 78.5 | 55 | 555 | 598 | 74 | 1889 | |
| 78 | 54 | 2.65 | 580 | 72 | 1834 | |
| 77.5 | 53 | 532 | 562 | 71 | 1772 | |
| 77 | 52 | 512 | 2.70 | 545 | 69 | 1689 |
| 76.5 | 51 | 495 | 2.75 | 528 | 68 | 1648 |
| 76 | 50 | 513 | 67 | 1607 | ||
| 75.5 | 49 | 477 | 2.80 | 498 | 66 | 1565 |
| 74.5 | 48 | 460 | 2.85 | 485 | 64 | 1524 |
| 74 | 47 | 448 | 2.89 | 471 | 63 | 1496 |
| 73.5 | 46 | 437 | 2.92 | 458 | 62 | 1462 |
| 73 | 45 | 426 | 2.96 | 446 | 60 | 1420 |
| 72.5 | 44 | 415 | 3.00 | 435 | 58 | 1379 |
| 71.5 | 42 | 393 | 3.08 | 413 | 56 | 1317 |
| 70.5 | 40 | 372 | 3.16 | 393 | 54 | 1255 |
| 38 | 352 | 3.25 | 373 | 51 | 1193 | |
| 36 | 332 | 3.34 | 353 | 49 | 1138 | |
| 34 | 313 | 3.44 | 334 | 47 | 1076 | |
| 32 | 297 | 3.53 | 317 | 44 | 1014 | |
| 30 | 283 | 3.61 | 301 | 42 | 965 | |
| 28 | 270 | 3.69 | 285 | 41 | 917 | |
| 26 | 260 | 3.76 | 271 | 39 | 869 | |
| 24 | 250 | 3.83 | 257 | 37 | 834 | |
| 22 | 240 | 3.91 | 246 | 35 | 793 | |
| 20 | 230 | 3.99 | 236 | 34 | 75 | |
Общие требования к испытаниям
- Вне зависимости от величины прилагаемого усилия или затрачиваемой энергии, значение твердости для однородного тела при постоянной температуре должно быть материальной константой.
- Поверхность объекта должна быть подготовлена в соответствии с методикой измерения.
- Образец должен быть надежно зафиксирован, чтобы исключить смещение относительно оси приложения нагрузки со стороны прибора.
- Твердость должна иметь совершенно определенный и ясный физический смысл, правильную размерность, характеризующую сопротивление материала пластической деформации.
Чем выше твердость образца, тем более высокая нагрузка нужна при его исследовании. Чем точнее метод, тем выше требования к подготовке поверхности контролируемого экземпляра. Вообще, чем тщательнее будет подготовлен образец для испытаний, тем меньше будет погрешность результата при использовании и стационарного, и портативного твердомера.
Сравнение шкал твёрдости
Простота метода Роквелла (главным образом, отсутствие необходимости измерять диаметр отпечатка) привела к его широкому применению в промышленности для проверки твёрдости. Также не требуется высокая чистота измеряемой поверхности (например, методы Бринелля и Виккерса включают замер отпечатка с помощью микроскопа и требуют полировки поверхности).
К недостатку метода Роквелла относится меньшая точность по сравнению с методами Бринелля и Виккерса.
Существует корреляция между значениями твёрдости, измеренной разными методами (например, см. рисунок — перевод единиц твёрдости HRB в твёрдость по методу Бринелля для алюминиевых сплавов). Зависимость носит нелинейный характер. Существуют нормативные документы, где приведено сравнение значений твёрдости, измеренной разными методами (например, ASTM E-140).
Технические характеристики
Значения чисел твёрдости мер и размах этих значений приведены в таблице 1.
Таблица 1 — Метрологические характеристики мер
| Шкалы твердости | Нагрузка, H | Значение твёрдости меры, HR | Размах значений чисел твёрдости, HR, не более | |
| 1 разряд | 2 разряд | |||
| Шкала Роквелла | ||||
| ША | 588,4 | От 20 до 86 | 0,4 | 0,6 |
| hrb, hrbw | 980,7 | От 20 до 100 | 0,5 | 1,2 |
| НЯС | 1471 | 25±5 | 0,5 | 1,1 |
| 45±10 | 0,4 | 0,8 | ||
| 65±5 | 0,3 | 0,5 | ||
| Шкалы твердости | Нагрузка, H | Значение твёрдости меры, KR | Размах значений чисел твёрдости, KR, не более | |
| 1 разряд | 2 разряд | |||
| Шкала Супер-Роквелла | ||||
| rnj5N | 147,1 | От 70 до 94 | 0,4 | 0,6 |
| HR30N | 294,2 | От 76 до 86 | 0,4 | 0,6 |
| От 40 до 76 | 0,6 | 1,1 | ||
| HR45N | 441,3 | От 20 до 77 | 0,6 | 1,1 |
| ШЛ5Т | 147,1 | От 83 до 93 | 0,7 | 1,2 |
| От 67 до 83 | 1,2 | 1,8 | ||
| Ш30Т | 294,2 | От 70 до 82 | 0,7 | 1,2 |
| От 29 до 70 | 1,2 | 1,8 | ||
| Щ.45Т | 441,3 | От 50 до 72 | 0,7 | 1,2 |
| От 10 до 50 | 1,2 | 1,8 | ||
Технические характеристики мер приведены в таблице 2.
Таблица 2 — Технические характеристики мер
| Наименование характеристики | Значение |
| характеристики | |
| Шероховатость Rа, мкм, не более: | |
| — рабочих поверхностей мер МТР-МЕТ | 0,32 |
| — рабочих поверхностей мер МТСР-МЕТ | 0,16 |
| — опорных поверхностей | 0,5 |
| Рабочие условия эксплуатации: | |
| — температура окружающего воздуха, °С | от +18 до +28 |
| — относительная влажность окружающего воздуха, не более, % | 80 |
| Габаритные размеры мер прямоугольной формы, мм: | |
| — длина | 60±1 |
| — ширина | 40±1 |
| — высота, не менее | 6 |
| Габаритные размеры мер круглой формы, мм: | |
| — диаметр, мм | 65±1 |
| — высота, мм, не менее | 6 |
| Масса, кг, не более | 0,3 |
Как проводятся испытания металлов на твердость
Твердость – способность металлов сопротивляться другому, более твердому телу. Эта характеристика является очень важной, тесно связанной с такими основными свойствами, как износостойкость, сопротивление и другие.
Методы определения твердости металлов
Для определения величины твердости применяются различные методы: по диаметру отпечатка, отскоку, глубине вдавливания и другие. Выбор метода зависит от условий испытания, требований к сохранности образца.
Метод Бринелля
Этот метод позволяет определить твердость металла по диаметру оставленного отпечатка, который оставляется специальным шариком. Величина твердости определяется соотношением усилия к площади отпечатка (учитывается площадь части сфера, а не круга отпечатка). Размерность определяется, как HB, где Н – твердость, В – Бринелль (используемый метод).
Для оценки используется специальный пресс и шарик из шарикоподшипниковой закаленной стали, вдавливаемый в поверхность металла. Диаметр оставленной лунки определяется при помощи специальной лупы, значение твердости указывается в таблицах. Порядок исследования включает в себя такие этапы:
- образец (деталь) размещается на предметном столике, поднимается к стальному шарику при помощи штурвала;
- после включения мотора пресс вдавливает шарик в металл;
- проводится оценка отпечатка, сравнение с табличными данными.
Метод Роквелла
Этот метод используется для определения величины твердости по глубине вдавливания конуса. Для исследования применяется алмазный конус, вдавливаемый при постоянной нагрузке, равной 10 кг, далее – при полной нагрузке в 60 кг или 150 кг.
Порядок оценки включает в себя следующие этапы:
- образец располагается на специальном столике;
- алмазный конус крепится в оправе над образцом;
- при помощи штурвала образец поднимается к конусу под указанным давлением;
- ручка освобождает груз, образец опускается;
- специальный индикатор определяет глубину вдавливания, т есть значение твердости для испытуемого металла.
Метод динамического вдавливания
Метод динамического вдавливания может производится при помощи испытаний двух типов – по Виккерсу и Шору. В первом случае величина определяется по оставленной площади отпечатка. При испытаниях по Шору твердость испытуемого металла определяется по глубине проникновения индентора. Этот метод может использоваться для мягких материалов (вариант А) и для твердых (вариант D).
При испытаниях для массивных конструкций и деталей используются специальные переносные приборы, для остальных случаев применяются стационарные установки. Порядок оценки очень простой:
- осуществляется закладка эталонного образца или его размещение в контрольной области;
- удар молотком по прибору провоцирует нанесение отпечатка на исследуемую область (для этого используется специальный шарик);
- проводится сопоставление лунки на образце или детали с табличными значениями.
Метод упругой отдачи (отскока)
Для оценки по методу Шора используется склероскоп, сам метод применим в тех случаях, когда нельзя применять другие способы из-за опасения повредить поверхность готового изделия.
Твердость оценивается в условных единицах HSx, которые будут пропорциональны значению высоты отскока бойка. Порядок испытаний очень простой, с постоянной высоты на поверхность металла падает боек и отскакивает. Величина отскока показывает значение твердости, которая будет тем больше, чем выше отскочит боек.
Метод отличается высокой производительностью, он часто используется для оценки одних и тех же металлов с одинаковыми свойствами упругости.
Испытания на твердость широко используются в различных сферах промышленности. Они отличаются производительностью, простотой измерений и не влекут за собой разрушения готового изделия. Кроме того, оценка твердости дает возможность одновременно определить и другие показатели для металлов, например, предел прочности или временного сопротивления.
Как устроена шкала твердости по Роквеллу?
Разработано 11 шкал для определения твердости (A…H, K, N, T), которые предназначены для работы в различных комбинациях «интендор – нагрузка». Например, шкалы В, F и G используют для измерения шарик Ø 1,588 с нагрузкой по шкалам В, F — 60 кгс и по шкале G — 150 кгс. Для шкал Е, Н и К применяется шарик Ø 3,175 мм с разными нагрузками.
Распространены такие шкалы:
- А — с конусом и полным усилием на измерительной головке 60 кгс (10 кгс — предварительная нагрузка плюс 50 кгс — основная).
- В — с шариком Ø 1,588 и полным усилием на измерительной головке 100 кгс.
- С — с конусом и полным усилием на измерительной головке 150 кгс.
Предварительная нагрузка, которая позволяет выбрать зазоры твердомера и разрушить окисную пленку на образце, одинакова для измерений с использованием любых шкал.
В качестве индикатора используют устройство часового типа, которое позволяет регистрировать перемещение индентора на 0,002 мм с учетом перемещения рычагов. Максимальное перемещение измерительной головки при рабочей нагрузке — 0,2 мм. На индикаторе расположены шкала, содержащая 100 делений для каждого способа измерения (например, ТК 2 или NOVOTEST ТС-Р).
Диапазоны измерений для шкал (материалы):
- HRA — 20…88 ед. (коррозионностойкие и жаропрочные стали)
- HRB — 20…100 ед. (сплавы меди, ковкий чугун, низкоуглеродистые стали)
- HRC — 20…70 ед. (высокоуглеродистые стали после термической обработки)
Шкалы А и С объединены, шкала В выделена цветом или вынесена отдельно.
Почему важно измерять показатель?
Твердость металлов — это показатель, который означает устойчивость стали к механическому воздействию других более твердых материалов. Оцениваются показатели в единицах твердости, на основе которых делается вывод о состоянии материала.
Твердость металлов важно учитывать в большинстве видов работы с ними. Например, когда на производстве изготавливаются объемные конструкции с большим весом, где применяются несколько типов металлов, важно знать, что они будут оптимально взаимодействовать и успешно выдерживать большую нагрузку.
Особо важно учитывать показатель твердости металла в следующих сферах:
- Кораблестроительство;
- Изготовление автомобилей;
- Сборка самолетов;
- Изготовление строительных материалов на основе металла и расходников.
В любой из этих областей устойчивость к механическому воздействию определяет безопасность человека, возможность выполнить поставленную задачу и эксплуатационный срок.
Для определения твердости в металл вдавливается индентор — тело, изготовленное из твердого сплава или алмаза, которое обладает наилучшим показателем сопротивления к механическим воздействиям. Чем большую силу вдавливания выдерживает металл, тем его твердость больше.
Перевод твердости HRC, HRA, HRB, HB, HV, HSD (по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу и Шору)
Твёрдость — свойство материала сопротивляться внедрению более твёрдого тела при контактном воздействии стандартного тела-наконечника (индентора) на поверхностные слои материала, т.е. оказывать сопротивление пластической деформации.
Таблица перевода между числами твердости HRC, HRA, HRB, HB, HV, HSD по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу и Шору.
В таблице использован справочник «Марочник сталей и сплавов» [1].
d10 — Диаметр отпечатка по Бринеллю при диаметре шарика 10 мм и испытательной нагрузке 2943 Н.
Измерения твёрдости осуществляют при 20±10°С.
Определение твердости по методу Бринелля (НВ) по имени шведского инженера Ю.А.Бринелля (J.A.Brinell).
Мерой твердости служит величина численно равная отношению приложенного усилия F к площади сферического отпечатка А и рассчитывается по формуле:
Метод основан на том, что в плоскую поверхность под нагрузкой внедряют стальной шарик. Число твердости НВ определяется отношением нагрузки к сферической поверхности отпечатка.
Пример обозначения: 185 НВ
Метод Роквелла (HR) по имени американского металлурга С. Роквелла (S.Rockwell) основан на статическом вдавливании в испытываемую поверхность наконечника под определенной нагрузкой.
Сущность метода измерения твердости по Роквеллу заключается во внедрении в поверхность образца (или изделия) алмазного конусного (шкалы A, C, D) или стального сферического наконечника (шкалы B, E, F, G, H, K) под действием последовательно прилагаемых усилий предварительного F0 и основного F1 усилий и в определении глубины внедрения наконечника после снятия основного усилия F1 (ГОСТ 9013).
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).
Пример обозначения: 61,5 HRC – твердость по Роквеллу 61,5 единиц по шкале С.
Твердость по методу Виккерса (HV). Определение твердости по Виккерсу было разработано в 1921 году Робертом Л. Смитом и Джорджем Э. Сэндлендом в компании Vickers Ltd в качестве альтернативы методу Бринелла.
Твердость определяют путем статического вдавливания в испытуемую поверхность правильной алмазной четырехгранной пирамиды с углом 136° под действием силы F, приложенной в течение определенного времени, и измерении диагоналей отпечатка d1, d2, оставшихся на поверхности образца после снятия нагрузки. В результате испытаний на поверхности образца получают отпечаток в виде ромба, для которого измеряют обе диагонали и вычисляют их среднее значение.
При испытании измеряют отпечаток с точностью до 0,001 мм при помощи микроскопа, который является составной частью прибора Виккерса.
Пример обозначения: 500 HV – твердость по Виккерсу, полученная при силе 30 кгс и времени выдержки 10 … 15 с. При других условиях испытания после букв HV указывают нагрузку и время выдержки: 220 HV 10/40 – твердость по Виккерсу, полученная при силе 98,07 Н (10 кгс) и времени выдержки 40 с.
Метод Шора (HSD). Метод и шкала были предложены Альбертом Ф. Шором (Albert F. Shore) в 1920-х годах. 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. Метод отличается сравнительно большим разбросом значений результатов измерений, но удобен своей простотой (в том числе конструкцией измерительного прибора) и оперативностью проведения измерений.
Определение проводится по шкале Шор А (Sh A) и Шор D (Sh D) согласно стандарту, DIN 53505. Под твердостью по Шору понимается сопротивление материала вдавливанию наконечника определенной формы под действием силы давления пружины. Чем больше число, тем выше твердость. Буква А определяет более мягкие значения, буква D — более твердые, причем области пересекаются. Пример обозначения: 75 Шор (Sh) D.
Читайте также: