Твердость металла по hv

Обновлено: 04.10.2024

Твёрдость по Виккерсу (HV) определяется путём вдавливания алмазной пирамиды, которая имеет угол при вершине в 136º. Твердость по Виккерсу – это твердость материала, вычисленная из размера отпечатка, произведенного нагружением алмазной пирамидки индентора. Индентор, применяемый в тестах по Виккерсу - пирамидка с квадратным основанием, противоположные стороны которой сходятся на вершине под углом 136º. Регламентируется ГОСТ 2999-75* (СТ СЭВ 470-77) "Метод измерения твердости по Виккерсу" и ISO 6507.
Твёрдость по Виккерсу вычисляется путём деления нагрузки Р на площадь поверхности полученного пирамидального отпечатка. Метод Виккерса позволяет определять твёрдость азотированных и цементированных поверхностей, а также тонких листовых материалов. Наблюдается хорошее совпадение значений твёрдости по Виккерсу и Бринеллю в пределах от 100 до 450 НV. Основными параметрами при измерении твёрдости по Виккерсу являются нагрузка Р до 980,7 Н (100 кгс) и время выдержки 10—15 с.

В результате внедрения на поверхности исследуемого образца остаётся отпечаток в виде ромба (иногда – неправильного). По значению диагонали этого ромба (или среднего арифметического значения обеих диагоналей) устанавливают число твёрдости Виккерса, которое имеет размерность механического давления.

Выпускаемое оборудование, при помощи которого определяется твердость по Виккерсу, относится к машинам статического действия. Они могут быть стационарными и переносными. Линейка видов такого оборудования отечественного производства маркируется ТП (Твёрдость Пирамидальная).

Стандартными условиями для проведения испытаний служат:

Измерительный диапазон усилий нагружения 49-1176 Н, который в твердомерах ТП имеет 7 положений (ступенчато-изменяемых);
Время выдержки образца под давлением – не менее 5 с.
Принцип измерения диагоналей отпечатка

Число Виккерса (HV) рассчитывается по формуле:

HV = 2Psin (0,5α/d 2 ) = 1,8544Р/d 2 ,

где Р — прилагаемая нагрузка (кгc), d — средняя диагональ отпечатка (мм) и α — лицевой угол индентора (136°)

При измерении твердости по Виккерсу должны быть соблюдены следующие условия:

плавное возрастание нагрузки до необходимого значения
обеспечение перпендикулярности приложения действующего усилия к испытуемой поверхности
поверхность испытуемого образца должна иметь шероховатость не более 0,16 мкм
поддержание постоянства приложенной нагрузки в течение установленного времени
расстояние между центром отпечатка и краем образца или соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длины диагонали отпечатка
минимальная толщина образца должна быть для стальных изделий больше диагонали отпечатка в 1,2 раза; для изделий из цветных металлов – в 1,5 раза.

Измерение твёрдости по Виккерсу HV выполняется в следующей последовательности.

Образец или деталь устанавливается на стол прибора измеряемой поверхностью вверх. После этого стол вращением рукоятки маховика поднимают вверх, до лёгкого соприкосновения с индентором.
Отпускают рычаг, приводя тем самым в движение нагружающий механизм. После установленной с помощью реле времени продолжительности измерения нагрузка снимается и рабочая головка, с закреплённым в ней индентором, возвращается в исходное положение.
После этого можно развернуть приборный стол с образцом к имеющемуся на станине твердомера отсчётному микроскопу, и замерить диагонали отпечатка.

Предварительные установки твердомера Виккерса производят при помощи рукоятки настройки. При этом с уменьшением толщины образца нагрузку следует принимать меньшей. Твёрдость по Виккерсу иногда указывается при значении рабочей нагрузки. Например, обозначение HV₅₀940 означает твёрдость по Виккерсу в 940 единиц, которая была получена после нагружения образца усилием 50 кг.

Еще примеры обозначения:

500 HV - твердость по Виккерсу, полученная при нагрузке F=30 кгс и времени выдержки 10-15 с;
220 HV 10/40 - твердость по Виккерсу, полученная при нагрузке 98,07 (10 кгс) и времени выдержки 40 с.

Достоинства метода Виккерса:

Постоянство отношения диагоналей получаемого отпечатка при изменении рабочей нагрузки.
Возможность определения твёрдости оченьтонких слоёв материала изделия, поскольку в крайнем положении индентор имеет весьма малую площадь поверхности.
Повышенная точность результата благодаря высокой твёрдости алмазной пирамидки индентора и отсутствия деформации самой испытательной головки. Измерение твёрдости по Виккерсу отличается повышенной точностью, т.к. диагональ отпечатка d измеряется с помощью специально установленного на твердомере микроскопа с точностью 1-2мкм.
Широкий диапазон измерений охватывает сравнительно мягкие металлы (алюминий, медь и пр.) и высокопрочные стали и твёрдые сплавы.
Метод Виккерса позволяет определять твёрдость отдельных слоёв металла, например, цементированного при химико-термической обработке образца, или слоя с изменённым химическим составом (после поверхностного упрочнения или легирования). Кроме гальванизированных поверхностей, метод применим и к азотированным материалам.

Практический диапазон измерения твёрдости по Виккерсу 145-1000 HV. Ввиду высокой точности метода, для оценки параметра НV больших партий заготовок широко применяются автоматизированные установки с гидравлическим и электромеханическим приводом, а также с автоматизацией отсчёта результатов, которые выводятся на монитор.

Твёрдость по Шору: методика и оборудование

Твердость по Шору — один из методов измерения твердости материалов. Как правило, используется для измерения твердости низкомодульных материалов. Обычно — полимеров: пластмасс, эластомеров, каучуков и продуктов их вулканизации.

Для измерения дюрометром (твердомером) Шора применяется несколько шкал, используемых для материалов с различными свойствами. Две наиболее распространенных шкалы — тип A и тип D. Шкала типа A предназначена для более мягких материалов, D - для более твердых. Помимо этого, стандарт ASTM D2240 предусматривает в общей сложности 12 шкал измерений, используемых в зависимости от целевой задачи; различают типы A, B, C, D, DO, E, M, O, OO, OOO, OOO-S и R. Все шкалы делятся от 0 до 100 условных единиц, при этом высокие значения соответствуют более твердым материалам.

Метод отличается сравнительно большим разбросом значений результатов измерений, но удобен своей простотой (в том числе конструкцией измерительного прибора) и оперативностью проведения измерений, позволяя производить их, в том числе на готовых изделиях, крупногабаритных деталях и криволинейных поверхностях достаточно больших радиусов. Из-за чего получил широкое распространение в производственной практике.

Принцип измерения следующий:

При испытании материалов, твердость которых не зависит от относительной влажности, дюрометр и образцы для испытания кондиционируют не менее 1 ч в условиях одной из стандартных атмосфер по ГОСТ 12423(ISO 291), защитив их от воздействия прямых солнечных лучей. При испытании материалов, твердость которых зависит от относительной влажности, образцы для испытаний следует кондиционировать по тем же стандартам или согласно соответствующей нормативно-технической документации на испытуемый материал.

При этих же условиях проводят испытание.

Испытуемый образец должен иметь толщину не менее 6 мм. Для достижения необходимой толщины образец для испытаний может состоять из нескольких тонких слоев, но результаты испытаний, полученные с такими образцами, могут не согласовываться с результатами испытаний цельных образцов, так как поверхности таких слоев иногда не полностью соприкасаются друг с другом.

Размеры образцов должны позволять проводить испытание на расстоянии не менее 12 мм от любого края, если только заранее не будет известно, что при испытаниях на меньшем расстоянии от края достигаются идентичные результаты. Поверхность образца в месте контакта с опорной поверхностью на площади радиусом не менее 6 мм от кончика индентора должна быть очень ровной. На кривых, неровных или шероховатых поверхностях нельзя получить удовлетворительные результаты измерения твердости с помощью дюрометра.

Испытуемый образец помещают на твердую ровную горизонтальную поверхность. Дюрометр устанавливают в вертикальном положении так, чтобы кончик индентора находился на расстоянии не менее 12 мм от любого края образца. Как можно быстрее без толчка к образцу прижимают опорную поверхность дюрометра, держа ее параллельно поверхности испытуемого образца. К опорной поверхности с помощью специального приспособления или груза прилагают давление, достаточное для обеспечения надежного контакта с образцом.

Например: «Твёрдость по Шору 80A».
Например: «Твёрдость по дюрометру 80A».
Допускается: «Твёрдость по Шору 80 по шкале D».
В таблицах допускается обозначение: «Твёрдость, ед. Шор(-а) А».

Метод позволяет измерять глубину начального вдавливания, глубину вдавливания после заданных периодов времени или и то и другое одновременно.

Метод является эмпирическим испытанием. Не существует простой зависимости между твердостью, определяемой с помощью данного метода, и каким-либо фундаментальным свойством испытуемого материала.

Твердость по Шору указывают с округлением до целой единицы. В шкале Шора за 100 единиц принята максимальная твёрдость стабилизированного после закалки на мартенсит образца из углеродистой инструментальной стали, что соответствует высоте падения бойка 13,6± 0,3 мм.

Твердость металлов

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.

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.

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

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

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

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

Прилагаемая нагрузка может прилагаться:

вдавливанием;
царапанием;
резанием;
отскоком.

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

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

Единицы измерения твердости

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

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

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

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

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

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

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

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

Методика отображает тип индентора и прилагаемую к нему нагрузку.

Тип 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 26…32, HRB 25…29, HRA 70…75.

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

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

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

_0,196 — нагрузка на наконечник, Н;

2800 – численное значение твердости, Н/мм 2 .

Твердость основных металлов и сплавов

Измерение значения твердости проводится на готовых деталях, отправляющихся на сборку. Контроль производится на соответствие чертежу и технологическому процессу. На все основные материалы уже составлены таблицы значений твердости как в исходном состоянии, так и после термической обработки.

Цветные металлы

Твердость меди по Бринеллю составляет 35 НВ, значения латуни равны 42-60 НВ единиц в зависимости от ее марки. У алюминия твердость находится в диапазоне 15-20 НВ, а у дюралюминия уже 70НВ.

Черные металлы

Твердость по Роквеллу чугуна СЧ20 HRC 22, что соответствует 220 НВ. Сталь: инструментальная – 640-700 НВ, нержавеющая – 250НВ.

Для перевода из одной системы измерения в другую пользуются таблицами. Значения в них не являются истинными, потому что выведены империческим путем. Не полный объем представлен в таблице.

HB	HV	HRC	HRA	HSD
228	240	20	60.7	36
260	275	24	62.5	40
280	295	29	65	44
320	340	34.5	67.5	49
360	380	39	70	54
415	440	44.5	73	61
450	480	47	74.5	64
480	520	50	76	68
500	540	52	77	73
535	580	54	78	78

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

Методы измерения твердости

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

Метод определения твердости по Бринеллю был первым, стандартизованным в материаловедении. Принцип испытания образцов описан выше. На него действует ГОСТ 9012. Но можно вычислить значение по формуле, если точно измерить отпечаток на образце:

HB=2P/(πD*√(D 2 -d 2 ),

где
Р – прикладываемая нагрузка, кгс;
D – окружность шарика, мм;
d – окружность отпечатка, мм.
Шарик подбирается относительно толщины образца. Нагрузку высчитывают предварительно из принятых норм для соответствующих материалов:
сплавы из железа — 30D 2 ;
медь и ее сплавы — 10D 2 ;
баббиты, свинцовые бронзы — 2,5D 2 .

Условное изображение принципа испытания

Схематически метод исследования по Роквеллу изображается следующим образом согласно ГОСТ 9013.

Метод измерения твердости по Роквеллу

Итоговая приложенная нагрузка равна сумме первоначальной и необходимой для испытания. Индикатор прибора показывает разницу глубины проникновения между первоначальной нагрузкой и испытуемой h –h_0.

Метод Виккерса регламентирован ГОСТом 2999. Схематически он изображается следующим образом.

Математическая формула для расчета:
HV=0.189*P/d 2 МПа
HV=1,854*P/d 2 кгс/мм 2
Прикладываемая нагрузка варьируется от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Значения определяются по таблицам относительно измеренного отпечатка d.

Метод считается эмпирическим и имеет большой разброс показаний. Но прибор имеет простую конструкцию и его можно использовать при измерении крупногабаритных и криволинейных деталей.

Измерить твердость по Моосу металлов и сплавов можно царапанием. Моос в свое время предложил делать царапины более твердым минералом по поверхности предмета. Он разложил известные минералы по твердости на 10 позиций. Первую занимает тальк, а последнюю алмаз.

После измерения по одной методике перевод в другую систему весьма условен. Четкие значения существуют только в соотношении твердости по Бринеллю и Роквеллу, так как машиностроительные предприятия их широко применяют. Зависимость можно проследить при изменении диаметра шарика.

d, мм	HB	HRA	HRC	HRB
2,3	712	85,1	66,4	—
2,5	601	81,1	59,3	—
3,0	415	72,6	43,8	—
3,5	302	66,7	32,5	—
4,0	229	61,8	22	98,2
5,0	143	—	—	77,4
5,2	131	—	—	72,4

Как видно из таблицы, увеличение диаметра шарика значительно снижает показания прибора. Поэтому на машиностроительных предприятиях предпочитают пользоваться измерительными приборами с однотипным размером индентора.

Твердость материалов по Виккерсу

Твердость материала означает его сопротивление местной пластической деформации при проникновении в него другого тела, которое не подвержено такой деформации. Из определения следует вывод, что твердость внедряемого тела должна превышать таковую у испытуемого образца на достаточную величину. Рассмотрим определение твердости по методу Виккерса.

Все методики различаются как технологией измерения, так и используемыми инструментами и устройствами. Наиболее распространены три методики определения величины твердости:

Сопротивление вдавливанию твердого наконечника (индентора) в испытуемый образец. Форма индентора может быть самой разнообразной – в виде конуса, шара, пирамиды и т.д.
Сопротивление царапанию высокопрочными эталонными образцами.
Определение сопротивления качения маятника, где испытуемое тело является опорой наконечника определенной формы.

Твердость по Виккерсу

Большинство измерений проводится на плоской поверхности исследуемого материала. Каждая из методик определения технических характеристик дает определенную погрешность. Для большей точности требуется соблюдение условий по величине испытуемого образца, его минимальной толщине. Кроме того, каждая методика работает только в определенном диапазоне значений измерений.

Суть метода

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

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

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

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

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

Итоговый результат твёрдости определяют по формуле:

HV = 1.854∙F/d 2

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

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

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

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

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

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

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

Таблица для определения твердости по Виккерсу

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

Область применения

Измерение твердости по методу Виккерса – универсальный метод, но наиболее точные значения он дает при исследовании веществ с высокой твёрдостью. Малые усилия и, соответственно, небольшие линейные размеры отпечатка позволяют практически не нарушать поверхность измеряемого материала.

Дальнейшее развитие метод Виккерса получил при измерениях микротвердости. Величина давления при этом составляет от 2 до 500 г, а глубина погружения индентора не превышает 0,2 мкм. Столь малые величины требуют применения микроскопов с большой увеличительной способностью.

Установка для измерения твердости по Виккерсу

Причина применения данной методики заключается в измерениях прочности покрытий практически любой толщины и твердости. Таким образом, не существует принципиальных ограничений по определению характеристик анодированных, цементированных и азотированных деталей и инструментов. Это важно при определении качества гальванических и химических покрытий.

Возможны измерения очень тонких поверхностных слоев. К примеру, если использовать методику Виккерса по определению микротвердости с глубиной погружения 0,2 мкм, то допустимая толщина материала составляет 0,3 мкм. Глубина упрочненного слоя стали при использовании различных методик составляет десятые доли миллиметра, толщина слоя родия составляет десятки микрометров.

В отечественных лабораториях наиболее распространен твердомер типа ТП-7Р-1. Он имеет пять фиксированных значений испытательной нагрузки с пределами измерений HV от 8 до 2000.

Достоинства и недостатки метода

Основной недостаток метода Виккерса заключен в самом принципе измерений – это зависимость полученного значения измеряемой величины от приложенной нагрузки. Чтобы избежать погрешностей, жестко регламентированы величины прилагаемых усилий и время воздействия на образец.

Еще один недостаток, который свойственен большинству методов измерений – необходимость в тщательной подготовке исследуемой поверхности.

Среди достоинств метода – специфическая форма измерительного инструмента – индентора. Малая площадь взаимодействия позволяет измерять твёрдости отдельных вкраплений или зерен в теле образца.

Обозначение твердости

Как и любая физическая величина, твёрдость имеет свое обозначение. Из-за наличия множества методик измерений, каждая из них требует своего обозначения во избежание путаницы. Следует заметить, что часть методов выдает искомую величину как безразмерную, но по методу Виккерса твердость измеряется как кгс/мм 2 . В обозначениях размерность не пишут, подразумевая ее наличие.

Твердость по Виккерсу обозначается символами HV, где после символов может стоять значение силы и времени выдержки:

HV 500 – стандартная нагрузка 30 кгс (294,2 Н) при времени выдержки 10-15 с;
HV 150 10/40 – нагрузка 10 кгс (98,07 Н) при выдержке 40 с.

Перевод значений, измеренных другими методами, производится при помощи стандартных таблиц, которые входят в комплекты документации на измерительные приборы, а также присутствуют в справочной литературе.

Что такое твердость и как ее измерить?

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

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

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):

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

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):

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

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

Вдавливание алмазной пирамиды с квадратным основанием и углом при вершине между гранями 136° c нагрузками от 0,01 до 50 кгс

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:

H = 0.189*P/d 2 , если Р выражена в Н.

Алмазный индентор пирамидальной формы c 3 гранями

с усилием 0,1 кгс

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	H_Г = 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 Р_s, отвечающей переходу от упругого к остаточному опечатку	Н = (Р-Р_s)/πDh_восст, 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: HВ_обр = 2 НВ_этd 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

(микротвердость)

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

HV = 1854,4 P/d 2 , кгс/мм 2

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

Формулы расчета твердости по различным методам

Для определения твердости образцов существуют различные методы, такие как статический и динамический (ударный) и ультразвуковой.

Динамические и ультразвуковые методы не требуют определения твердости вручную. Твердость отображается на экране.

Для методов по Бринеллю, Виккерсу и Микро-Виккерсу существуют эмпирические таблицы и формулы для расчета твердости.

Для метода по Роквеллу существует формула для измерения глубины отпечатка.

По методу Шора измеряется глубина вдавливания индентора в поверхность исследуемого образца под действием тарированной пружины.

Как измеряют твердость методом Бринелля?

Измерение твердости по Бринеллю происходит путем внедрения с определенной нагрузкой закаленного стального шарика (диаметром 2,5 мм; 5 мм или 10 мм) в поверхность испытуемого образца. В результате на поверхности образца получается отпечаток. С помощью лупы измеряют диаметр отпечатка.

Формула твердости по Бринеллю.

Формула расчета твердости методом Бринелля (HB, HBW):

где НВ – при использовании стального шарика для металлов с твердостью менее 450 единиц; (HBW – при использовании шарика из твердого сплава с твердостью более 450 единиц), кгс;
F – нагрузка, действующего на индентор, Н (кгс);
А – площадь поверхности отпечатка, мм 2 ;
D – диаметр стального шарика, мм;
d – диаметр отпечатка, мм.

Нагрузку на шарик выбирают в зависимости от вида материала К и должна быть пропорциональна квадрату диаметра шарика:

Соответствующую нагрузку F и диаметр шарика D выбирают таким образом, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах:

Толщина образца должна, как минимум в 8 раз превышала глубину внедрения индентора.

Как измеряют твердость методом Роквелла?

Измерение твердости по Роквеллу основан на погружение алмазного наконечника (120 градусов) или стального закаленного шарика (диаметром 1,588 мм) с последующим измерением глубины отпечатка.

Формула твердости по Роквеллу

Формула расчета твердости по Роквеллу (HR):

при измерении твердости алмазным наконечником (120 градусов) применяют формулу:

где H-h-разность глубин внедрения индентора (в мм) после снятия основной нагрузки и до ее приложения.

при измерении твердости закаленным стальным шаровым индентором (диаметром 1,588 мм):

Как измеряют твердость методом Виккерса?

Измерение твердости по Виккерсу происходит путем плавного внедрения четырехгранной алмазной пирамиды (с противоположным углом 136 градусов) в исследуемую поверхность образца, с дальнейшим измерением диагонали отпечатка d и расчета твердости исследуемого образца по таблицам (подробнее в ГОСТ 2999-75).

Читайте также: