Для корректной работы запчастей и прочих деталей, надо соблюдать все необходимые параметры изготовления. Именно в связи с этим процесс контроля так важен при производстве. У железных комплектующих существует много важных параметров, таких как вязкость, прочность или пластичность.
В статье мы поговорим о самом важном процессе – определении твердости металлов, расскажем про методы измерения и предложим таблицу для наглядности.
Понятие
Твердость заготовки – особенность материала, благодаря которой железо создает сопротивление при контакте или проникновении в его слои инородного объекта или тела. Оно не должно подвергаться деформации или разрушению при определенных нагрузках.
Данный параметр служит для следующих целей:
Контроль состояния металла по времени.
Добыча информации, касательно минимальных и максимальных допустимых значениях заготовки.
Анализ результатов обработки с применением высоких температур.
Данный критерий показывает, как деталь проявит себя в дальнейшем использовании, а также какой у нее срок годности. Для проведения исследований используется как необработанные элементы, так и готовые запчасти.
Как определить твердость металла: методы
Для его измерения существует много способов. Для получения наиболее точного результата используют сразу несколько методик. Ознакомимся с ними поближе:
по Бринеллю. Данное исследование заключается в том, что в заготовку вдавливается специальный шарик. После этого, по оставшемуся на железе следу, с помощью математических алгоритмов вычисляют его механический коэффициент.
по Роквеллу. В данном случае также используется шарик или алмазный конус. Параметр определяется с помощью расчетов или выводится на шкалу.
по Виккерсу. Данный способ является наиболее аккуратным и точным методом измерения. Для проведения исследований используется пирамидообразный наконечник, выполненный из алмаза.
Единицы измерения твердости металла: какой способ выбрать
При проведении тестов в лаборатории, необходимая методика подбирается в зависимости от характеристик и свойств детали. К таким относят:
Размер заготовки. Если образец слишком маленький или тонкий, для вычисления необходимого коэффициента используют метод Виккерса.
Приблизительное значение прочности. В зависимости от используемого материала и его количества принято использовать разные способы. Так например, твердость металла по Бринеллю и Роквеллу вычисляется, если заготовка выполнена из материалов с небольшой твердостью или из легированной стали и прочих сплавов.
Толщина заготовки. Один из главных факторов – ширина детали в месте проведения замера. Зачастую данный фактор относится к цементным и азотным слоям.
Также отметим, что все необходимые параметры задокументированы межгосударственным стандартом.
Определение твердости металлов по Бринеллю: особенности
Данный тип проверки железных заготовок проводится согласно следующим показателям:
Продолжительность давления. Для разных типов материала используется разное количество времени. Для стальных и чугунных заготовок – от 10 до 15 секунд, изделия из цветных металлов – 30 сек, в некоторых особых случаях время воздействия может увеличиться до 60-180 с.
Диаметр шарика. Название данного инструмента – индентор, и в зависимости от типа запчасти принято использовать проверочный инструмент разного диаметра. Величина варьируется от 1 до 10 миллиметров.
Пиковая величина твердости. При использовании шарика, выполненного из стали – 450 НВ, если используется твердый сплав – 650 НВ.
Максимальные возможные нагрузки. При измерении прочности используются специальные грузы, которые регулируют силу давления на исследуемую деталь. Минимальное значение такого элемента – 153.2 Н, максимальное – 29420 Н.
Таблица по Бринеллю:
| Твердость по Бринеллю D = 10 мм, Р = 3000 кгс), НВ | Твердость по Роквеллу (шкала С, Р = 150 кгс), HRC | Твердость по Виккерсу, HV | Твердость по Шору, HSD |
|---|---|---|---|
| 143 | - | 143 | 23 |
| 149 | - | 149 | 24 |
| 156 | - | 155 | 26 |
| 163 | 2 | 162 | 27 |
| 170 | 4 | 171 | 28 |
| 179 | 7 | 178 | 29 |
| 187 | 9 | 186 | 30 |
| 197 | 12 | 197 | 31 |
| 207 | 14 | 208 | 33 |
| 217 | 17 | 217 | 34 |
| 229 | 20 | 228 | 36 |
| 241 | 23 | 240 | 38 |
| 255 | 25 | 255 | 40 |
| 269 | 27 | 270 | 42 |
| 285 | 29 | 285 | 44 |
| 302 | 31 | 303 | 46 |
| 321 | 33 | 320 | 49 |
| 341 | 36 | 344 | 51 |
| 363 | 39 | 380 | 54 |
| 388 | 41 | 401 | 57 |
| 143 | - | 143 | 23 |
| 149 | - | 149 | 24 |
| 156 | - | 155 | 26 |
| 163 | 2 | 162 | 27 |
| 170 | 4 | 171 | 28 |
| 179 | 7 | 178 | 29 |
| 187 | 9 | 186 | 30 |
| 197 | 12 | 197 | 31 |
| 207 | 14 | 208 | 33 |
| 217 | 17 | 217 | 34 |
| 229 | 20 | 228 | 36 |
| 241 | 23 | 240 | 38 |
| 255 | 25 | 255 | 40 |
| 269 | 27 | 270 | 42 |
| 285 | 29 | 285 | 44 |
| 302 | 31 | 303 | 46 |
| 321 | 33 | 320 | 49 |
| 341 | 36 | 344 | 51 |
| 363 | 39 | 380 | 54 |
| 388 | 41 | 401 | 57 |
| 415 | 43 | 435 | 61 |
| 444 | 46 | 474 | 64 |
| 477 | 49 | 534 | 68 |
| 514 | 52 | 587 | 73 |
| 555 | 56 | 650 | 78 |
| 600 | 60 | 746 | 84 |
| 653 | 64 | 868 | 91 |
| 682 | 66 | 941 | 94 |
| 712 | 68 | 1022 | 98 |
| 745 | 70 | 1116 | 102 |
| 780 | 72 | 1220 | 106 |
Измерение твердости металлов по методу Бринелля
Для вычисления необходимого параметра данным способом необходимо выполнить следующую последовательность действий:
Проверьте заготовку на соответствие требованиям межгосударственного стандарта.
Убедитесь в исправности прибора.
Подберите подходящий наконечник, задайте необходимое усилие, а также установите грузик задайте время.
Запустите прибор и начните проверку материала.
Измерьте диаметр деформации.
Вычислите необходимую величину.
Для выполнения последнего пункта вам понадобится следующая формула:
Из этого получим:
- НВ = (0,102*F) / (T*D*h)
- D – диаметр используемого наконечника, измерения проводятся в мм,
- h – длина отпечатка вглубь, величина – миллиметры.
Данная методика отличается повышенной точностью, особенно при проверке мягких материалов. Является одним из основных и самых популярных способов измерения твердости металлов и сплавов.
Определение твердости металла по Роквеллу
Данный способ появился еще в начале 20 века и отличается более автоматизированным процессом. Отметим, что данный тип проверок используется чаще всего для заготовок из твердого металла.
К характеристикам данной методики можно отнести:
Время проверки – от 10 секунд до минуты.
Показатель на корпусе приспособления для проверки можно вычислить арифметически.
Пиковые показатели – HRA 20-800, HRB 20-100, HRC 20-70.
Инденторы. Выделяют 11 шкал в зависимости от используемого наконечника, чаще всего используют А, В или С.
Рассмотрим типы наконечников:
А – конусообразное изделие, выполненное из алмаза. Пиковая величина давления – 60 кгс. Такие приборы используют в основном для проверки тонкого проката.
В – шарообразные индентор, размер которого составляет 1,588 миллиметра. Чаще всего выполнен из закаленной стали. Его тяжесть составляет 100 кгс. Применим для заготовок из отожженных материалов.
С – алмазный наконечник, нажатие которого составляет 150 кгс. Использовать данное приспособление следует при проверке закаленных материалов.
Пробы можно проводить неоднократно. Их количество зависит лишь от размера заготовки. Расстояние между местом проведения измерения должно составлять около четырех диаметров наконечника. Также следует обратить внимание, что данный способ применим не ко всем металлам. Толщина изделия должна быть как минимум в десять раз больше, чем глубина вхождения индентора.
Таблица по Роквеллу:
Чтобы выполнить проверку данным способом вам понадобится выполнить следующие действия:
Проверьте размеры и параметры заготовки.
Выберите необходимый индентор и укажите нагрузку.
Зафиксируйте деталь.
Выполните первичную нагрузку, величина которой должна составить 10 кгс.
Проведите полную проверку.
Полученный результат появится на шкале прибора.
Для проверки результата можно вычислить итог путем математического расчета.
Если вы используете алмазный индентор, нажатие которого составляет 60-150 кгс:
- HR = 100 - ((H-h) / 0.002)
При применении железного шарообразного наконечника с давлением около 100 кгс, следует использовать следующую формулу:
- HR = 130 - ((H-h) / 0.002)
- h – длина вдавливания индентора вглубь при первом давлении,
- Н – аналогичная величина при повторной, полной нагрузке,
- 0,002 – показатель перемещения наконечника при смещении твердости на одну единицу.
Данная методика является наиболее простой из всех предложенных, однако отличается не самым точным результатом. Несмотря на это, она позволяет рассчитывать коэффициенты для сплавов из твердых металлов.
Способы определения твердости металлов: метод Виккерса
Данный тип проверки является самым простым и точным. Вся процедура заключается во вдавливании алмазного пирамидообразного индентора в корпус заготовки. У данного приема существуют следующие характеристики:
Наконечник. Используется алмазный индентор под углом 136 градусов.
Время давления – 10-15 секунд.
Пиковая величина нагрузки. Для чугуна и изделий из стали – от 5 до 100 кгс, сплавы из меди выдерживают от 2,5 до 50 кгс, заготовки из алюминия – от 1 до 100 кгс.
Проверяемые материалы. Данный способ подразумевает исследование следующих металлов – стальные сплавы и цветмет с 450-500 НВ, а также, прошедшие химическую и термическую обработку.
Следуйте инструкции для выполнения проверки данным способом:
Убедитесь в пригодности заготовки и корректной работе аппаратуры.
Назначьте максимально допустимое усилие.
Зафиксируйте запчасть.
Запустите прибор.
Получите итоговые числа на экране устройства.
Если вы хотите проверить результат путем математического анализа, обратитесь к предложенной формуле:
- HV = 1.8544 * (F / d2)
- HV – единица твердости металла,
- F – усилие, измерения производятся в кгс,
- d – величина отпечатка в миллиметрах.
Данная методика служит для высокоточных исследований тонких заготовок, а также изделий маленького размера. Способ позволяет получить максимально точную цифру.
Благодаря собственному производству мы предлагаем оборудование европейского качества по выгодным ценам. Функционал наших приборов повторяет, а во многом даже превосходит импортные системы.
Для получения подробной информации и консультации обращайтесь к нам по телефону, указанному на сайте. Наш оператор ответит на все возникшие вопросы.
Определение твердости металлов и сплавов: соответствия между разными типами измерений
Имея на руках результат одного способа проверки, можно получить данные в других шкалах. Для этого существуют таблицы соответствия. Ознакомимся с ними поближе:
Данная таблица обладает высокой точностью, так как составлена путем неоднократных исследований.
В статье мы рассказали про методы измерения твердости металлов и сплавов, рассмотрели их особенности, дали подробные инструкции и предложили таблицу соответствия. Для более точных измерений используйте качественное оборудование. Его вы найдете в нашем каталоге.
Твёрдость металлов
сопротивление металлов вдавливанию. Т. м. не является физической постоянной, а представляет собой сложное свойство, зависящее как от прочности и пластичности, так и от метода измерения. Т. м. характеризуется числом твёрдости. Наиболее часто для измерения Т. м. пользуются методом вдавливания. При этом величина твёрдости равна нагрузке, отнесённой к поверхности отпечатка, или обратно пропорциональна глубине отпечатка при некоторой фиксированной нагрузке. Отпечаток обычно производят шариком из закалённой стали (методы Бринелля, Роквелла), алмазным конусом (метод Роквелла) или алмазной пирамидой (метод Виккерса, измерение микротвёрдости (См. Микротвёрдость)).
Реже пользуются динамическими методами измерения, в которых мерой твёрдости является высота отскакивания стального шарика от поверхности изучаемого металла (например, метод Шора) или время затухания колебания маятника, опорой которого является исследуемый металл (метод Кузнецова - Герберта - Ребиндера). Получает распространение метод измерения Т. м. с помощью ультразвуковых колебаний, в основе которого лежит измерение реакции колебательной системы (изменения её собственной частоты) на твёрдость испытуемого металла. Числа твёрдости указываются в единицах НВ
(метод Бринелля), HV
(метод Виккерса), HR
(метод Роквелла), где Н
от английского hardness - твёрдость. Поскольку при определении твёрдости методом Роквелла пользуются как стальным шариком, так и алмазным конусом, часто вводятся дополнительные обозначения - В
(шарик), С
и А
(конус, разные нагрузки). По специальным таблицам или диаграммам можно осуществлять пересчёт чисел твёрдости (например, число твёрдости по Роквеллу можно пересчитать на число твёрдости по Бринеллю). Выбор метода определения твёрдости зависит от исследуемого материала, размеров и формы образца или изделия и др. факторов. Твёрдость весьма чувствительна к изменению структуры металла. При изменении температуры или после различных термических и механических обработок величина Т. м. и сплавов меняется в том же направлении, что и предел текучести; поэтому часто при контроле изменения механических свойств после различных обработок металл характеризуют твёрдостью, которая измеряется проще и быстрее. Измерениями микротвёрдости пользуются при изучении механических свойств отдельных зёрен, а также структурных составляющих (См. Структурная составляющая) сложных сплавов. Для относительной оценки жаропрочности металлических материалов иногда пользуются так называемой длительной твёрдостью (или микротвёрдостью), измерение которой производят при повышенной температуре длительное время (минуты, часы). Лит.:
Геллер Ю. А., Рахштадт А. Г., Материаловедение, 4 изд., М., 1975, с. 167- 90. В. М. Розенберг.
Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .
Смотреть что такое "Твёрдость металлов" в других словарях:
Сопротивление материала вдавливанию или царапанию. Т. не является физической постоянной, а представляет собой сложное свойство, зависящее как от прочности и пластичности материала, так и от метода измерения. Подробнее см. Твёрдость… …
У этого термина существует и другое значение, см. Твёрдость по Шору. При этом следует понимать, что хотя в другом значении этот метод так же является методом измерения твёрдости, оба метода предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие… … Википедия
У этого термина существуют и другие значения, см. Твёрдость (значения). Твёрдость это способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела индентора во всем диапазоне нагружения: от момента касания с… … Википедия
Сплавы металлов, металлические сплавы, твёрдые и жидкие системы, образованные главным образом сплавлением двух или более металлов, а также металлов с различными неметаллами. Термин «С.» первоначально относился к материалам с металлическими… … Большая советская энциклопедия
Металл в термопечи Термическая обработка металлов и сплавов процесс тепловой обработки металлических изделий, целью которого является изменение структуры и свойств в заданном направлении … Википедия
Твёрдость по Роквеллу - Роквелла метод [по имени американского металлурга С.Роквелла (S.Rockwell), разработавшего этод метод] способ определения твёрдости материалов (главным образом металлов) вдавливанием в испытываемую поверхность алмазного индентора с углом при… … Металлургический словарь - Методы измерения твёрдости по Шору: Твёрдость по Шору (Метод вдавливания) для низкомодульных материалов (полимеров). Твёрдость по Шору (Метод отскока) для высокомодульных материалов (металлов) … Википедия
Отпуск металлов, вид термической обработки, заключающийся в нагреве закалённого сплава до температуры ниже нижней критической точки, выдержке и последующем охлаждении. Термин «О.» применяют главным образом к сталям. Процессы распада… … Большая советская энциклопедия
Твердость - это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.
Это неразрушающий метод контроля, основной способ оценки качества термической обработки изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля , Виккерса , микротвердости).
Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость. Схемы испытаний представлены на рис. 1.
Рис. 1. Схемы определения твердости: а - по Бринеллю; б - по Роквеллу; в - по Виккерсу
В результате вдавливания с достаточно большой нагрузкой поверхностные слои материала, находящиеся под наконечником и вбли-зи него, пластически 5 деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Особенность происходящей при этом деформа-ции заключается в том, что она протекает только в небольшом объеме, окруженном недеформированным материалом.
В таких условиях возникают главным образом касательные напряжения, а доля растягивающих напряжений незначительна по сравнению с получаемыми при других видах механических испытаний (на растяжение, изгиб, кручение, сжатие). Поэтому при измерении твердости вдавливанием пластиче-скую деформацию испытывают не только пластичные, но также металлы (например, чугун), которые при обычных механических испытаниях (на растяжение, сжатие, кручение, изгиб) разрушаются практически без пластической деформа-ции.
Таким образом, твердость характеризует сопротивление пласти-ческой деформации и представляет собой механическое свойство ма-териала, отличающееся от других его механических свойств, способом измерения.
Преимущества измерения твердости следующие:
1. Между твердостью пластичных металлов, определяемой спо-собом вдавливания, и другими механическими свойствами (главным образом пределом прочности), существует количественная зависимость. Так, сосредоточенная пла-стическая деформация металлов (при образовании шейки) аналогична деформации, создавае-мой в поверхностных слоях металла при измерении твердости вдавли-ванием наконечника.
Подобная количественная зависимость не наблюдается для хруп-ких материалов, которые при испытаниях на растяжение (или сжа-тие, изгиб, кручение) разрушаются без заметной пластической дефор-мации, а при измерении твердости получают пластическую деформа-цию. Однако в ряде случаев и для этих металлов (например, серых чугунов) наблюдается качественная зависимость между пределом прочности и твердостью; возрастанию твердости обычно соответствует увеличение предела прочности на сжатие.
По значениям твердости можно определять также и некоторые пластические свойства металлов. Твердость, определенная вдавливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в частности меди, дуралюмина и сталей в отожженном состоянии.
2. Измерение твердости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Испытания твердости не требуют изготовления специальных образцов и выполняются непосредственно на проверяемых деталях после за-чистки на поверхности ровной горизонтальной площадки, а иногда даже и без такой подготовки.
Измерения твердости выполняются быстро.
3. Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения проверяемой детали, и после измерения её можно использовать по своему назначению, в то время как для определения прочности, пластичности и вязкости необходимо изготовление специальных об-разцов.
4. Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях, не превышающих (для некоторых спо-собов измерения твердости) десятых долей миллиметра, или в микро-объемах металла; в последнем случае измерения проводят способом микротвердости. Поэтому многие способы измерения твердости пригодны для оценки различных по структуре и свойствам слоев металла, например поверхностного слоя цементованной, азотирован-ной или закаленной стали, имеющей разную твердость по сечению детали. Методом определения микротвердости можно также измерять твердость отдельных составляющих в сплавах.
Следует различать два способа определения твердости вдавлива-нием: измерение макротвёрдости и измерение микротвер-дости.
Измерение макротвердости отличается тем, что в испытуемый материал вдавливается тело, прони-кающее на сравнительно большую глубину, ависящую от величины прилагаемой нагрузки и свойств металла. Кроме того, во многих испытаниях вдавливается тело значительных размеров, например стальной шарик диаметром 10 мм, в результате чего в де-формируемом объёме оказываются представленными все фазы и струк-турные составляющие сплава. Измеренная твердость в этом случае характеризует твердость всего испытуемого материала.
Выбор формы, размеров наконечника и величины нагрузки зави-сит от целей испытания, структуры, ожидаемых свойств, состояния поверхности и размеров испытуемого образца. Если металл имеет гетерогенную структуру с крупными выделе-ниями отдельных структурных составляющих, различных по свой-ствам (например, серый чугун, цветные подшипниковые сплавы), то для испытания твердости следует выбирать шарик большого диа-метра.
Если же металл имеет сравнительно мелкую и однородную структуру, то малые по объёму участки испытуемого металла могут быть достаточно характерными для оценки его твёрдости. В этих случаях испытания можно про-водить вдавливанием тела меньшего размера, например алмазного конуса или пирамиды, и на меньшую глубину, и, следовательно, при небольшой нагрузке.
При испытании металлов с высокой твердостью, например зака-ленной или низкоотпущенной стали, приведенное условие является даже обязательным, поскольку вдавливание стального шарика или алмаза с большой нагрузкой может вызвать деформацию шарика или скалывание алмаза.
Однако значительное снижение нагрузки нежелательно, так как это приведет к резкому уменьшению деформируемого объёма и может дать значения, не характерные для основной массы металла. Поэтому величины нагрузок и размеры получаемых в материалах отпечатков не должны быть меньше некоторых определенных пределов.
Измерение микротвёрдости имеет целью определить твёрдость отдельных зерен, фаз и структурных составляющих сплава (а не «усредненную» твёрдость, как при измерении макротвёрдости). В данном случае объём, деформируемый вдавливанием, должен быть меньше объёма (площади) измеряемого зерна. Поэтому прилагаемая нагрузка выбирается небольшой. Кроме того, микротвёрдость изме-ряют для характеристики свойств очень малых по размерам деталей.
Значительное влияние на результаты испытаний твёрдости оказы-вает состояние поверхности измеряемого материала. Если поверх-ность неровная — криволинейная или с выступами, то отдельные уча-стки в различной степени участвуют в сопротивлении вдавливанию и деформации, что приводит к ошибкам в измерении. Чем меньше нагрузка для вдавливания, тем более тщательно должна быть подго-товлена поверхность. Она должна представлять шлифованную гори-зонтальную площадку, а для измерения микротвердости — полиро-ванную.
Измеряемая поверхность должна быть установлена горизон-тально, т. е. перпендикулярно действию вдавливаемого тела. Проти-воположная сторона образца также должна быть зачищена, и не иметь окалины, так как последняя при нагружении образца сминается, что искажает результаты измерения.
Для приблизительнойердости удобно пользоваться шкалой Мооса - набором из 10 минералов, расположенных по возрастанию твердости:
Тальк - 1 Полевой шпат - 6
Гипс - 2 Кварц - 7
Кальцит - 3 Топаз - 8
Флюорит - 4 Корунд - 9
Апатит - 5 Алмаз - 10
Метод измерения твёрдости вдавливанием шарика (твердость по Бринеллю)
Этот способ универсальный и используется для определения твердости практически всех материалов.
В материал вдавливается стальной шарик, и значения твердости определяют по величине поверхности отпечатка, оставляемого шари-ком. Шарик вдавливают с помощью пресса.
 |
Рис.2. Схема прибора для получе-ния твердости вдавливанием шарика (измерение по Бринеллю): 1 - столик для центровки образца; 2 — маховик; 3 — грузы; 4 — шарик; 5 — электродвигатель.
Испытуемый образец устанавливают на столике 1 в ниж-ней части неподвижной станины пресса (рис. 2), зашлифованной поверхностью кверху. Поворотом вручную маховика 2по часовой стрелке столик поднимают так, чтобы шарик мог вдавиться в испытуемую поверхность. В прессах с электродвигателем вращают маховик 2 до упора и нажатием кнопки включают двигатель 5.
Последний перемещает коромысло и постепенно вдавливает шарик под действием нагрузки, сообщаемой привешенным к коро-мыслу грузом. Эта нагрузка дейст-вует в течение определенного вре-мени, обычно 10-60 с, в зависимо-сти от твердости измеряемого мате-риала, после чего вал двигателя, вращаясь в обратную сторону, соответственно перемещает коромысло и снимает нагрузку. По-сле автоматического выключения двигателя, поворачивая маховик 2против часовой стрелки, опускают столик прибора и затем снимают об-разец.
В образце остается отпечаток со сферической поверхностью (лун-ка). Диаметр отпечатка измеряют лупой, на окуляре которой нанесена шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. Диаметр отпечатка змеряют с точностью до 0,05 мм (при вдавливании шарика диаметром 10 и 5 (мм) в двух взаимно пер-пендикулярных направлениях; для определения твердости следует принимать среднюю из полученных величин.
Число твердости по Бринеллю НВ вычисляют по уравнению:
где Р — нагрузка на шарик, кг · с (1кг · с - 0,1 Мпа); D — диаметр вдавливаемого шарика, мм; d — диаметр отпечатка, мм. Получаемое число твердости при прочих равных условиях тем выше, чем меньше диаметр отпечатка.
Однако получение постоянной и одинаковой зависимости между Р и d, необходимое для точного определения твердости, достигается только при соблюдении определенных условий. При вдавливании шарика на разную глубину, т. е. с разной нагрузкой для одного и того же мате-риала, не соблюдается закон подобия между получаемыми диамет-рами отпечатка.
Наибольшие отклонения наблюдаются, если шарик вдавливается с малой нагрузкой и оставляет отпечаток небольшого диаметра или вдавливается с очень большой нагрузкой и оставляет отпечаток с диаметром близким к диа-метру шарика. Поэтому твердость материалов измеряют при постоянном соотно-шении между величиной нагрузки Ри квадратом диаметра шарика D 2 . Это соотношение должно быть различным для материалов разной твер-дости.
В процессе вдавливания наряду с пластической деформацией измеряемого материала происходит также упругая деформация вдавли-ваемого шарика. Величина этой деформации, искажающей результаты определения, возрастает при измерении твердых материалов. По-этому испытания вдавливанием шарика ограничивают измерением металлов небольшой и средней твердости (для стали с твердостью не более НВ = 450).
Известное влияние оказывает также длительность выдержки металла под нагрузкой. Легкоплавкие металлы (свинец, цинк, баб-биты), имеющие низкую температуру рекристаллизации, испытывают пластическую деформацию не только в момент вдавливания, но и в течение некоторого времени после приложения нагрузки. С увели-чением выдержки под нагрузкой пластическая деформация этих металлов практически стабилизируется.
Для металлов с высокими температурами плавления влияние продолжительности выдержки под нагрузкой незначительно, что позво-ляет применять более короткие выдержки (10-30 с).
При измерении твердости шариком определенного диаметра и с установленными нагрузками на практике пользуются заранее составленными таблицами, указывающими число НВ в зависимости от диа-метра отпечатка и соотношения между нагрузкой Ри поверхностью отпечатка F. При указании твердости НВ иногда отмечают принятые нагрузку и диаметр шарика.
Между пределом прочности и числом твердости НВ различных ме-таллов существует следующая зависимость:
Сталь с твердостью НВ :
120-175 s b » 0,34 HВ
175-450 s b » 0,35 HВ
Медь, латунь, бронза :
Отожженная s b » 0,55 HВ
Наклепанная s b » 0,40 HВ
Алюминий и алюминиевые сплавы с твер-достью НВ :
20 - 45 s b » (0,33 - 0,36) НВ
Дуралюмин :
Отожженный s b » 0,36 HВ
После закалки и старения s b » 0,35 HВ
Твердость -- свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твёрдого тела -- индентора.
Твёрдость определяется как отношение величины нагрузки к площади поверхности, площади проекции или объему отпечатка.
Различают поверхностную, проекционную и объемную твёрдость:
Поверхностная твёрдость -- отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка;
Проекционная твёрдость -- отношение нагрузки к площади проекции отпечатка;
Объёмная твёрдость -- отношение нагрузки к объёму отпечатка.
Твёрдость определяется как отношение силы сопротивления к площади поверхности, площади проекции или объему внедренной в материал части индентора. Различают поверхностную, проекционную и объемную твёрдость:
Поверхностная твёрдость -- отношение силы сопротивления к площади поверхности внедренной в материал части индентора;
Проекционная твёрдость -- отношение силы сопротивления к площади проекции внедренной в материал части индентора;
Объёмная твёрдость -- отношение силы сопротивления к объёму внедренной в материал части индентора.
Твёрдость измеряют в трёх диапазонах: макро, микро, нано. Макродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор от 2Н до 30 кН. Микродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор до 2 Н и глубину внедрения индентора больше 0,2мкм. Нанодиапазон регламентирует только глубину внедрения индентора, которая должна быть меньше 0,2 мкм. Часто твердость в нанодиапазоне называют нанотвердостью (nanohardness).
Измеряемая твердость, прежде всего, зависит от нагрузки, прикладываемой к индентору. Такая зависимость получила название размерного эффекта, в англоязычной литературе -- indentation size effect. Характер зависимости твердости от нагрузки определяется формой индентора:
Для сферического индентора -- с увеличением нагрузки твердость увеличивается -- обратный размерный эффект (reverse indentation size effect);
Для индентора в виде пирамиды Виккерса или Берковича -- с увеличением нагрузки твердость уменьшается -- прямой или просто размерный эффект (indentation size effect);
Для сфероконического -- с увеличением нагрузки твердость сначала увеличивается, когда внедряется сферическая часть индентора, а затем начинает уменьшаться (для сфероконической части индентора).
Косвенно твердость также может зависеть от:
1. Межатомных расстояний.
2. Координационного числа -- чем выше число, тем выше твёрдость.
3. Валентности.
4. Природы химической связи
5. От направления (например, минерал дистен -- его твёрдость вдоль кристалла 4, а поперёк -- 7)
6. Хрупкости и ковкости
7. Гибкости -- минерал легко гнётся, изгиб не выпрямляется
8. Упругости -- минерал сгибается, но выпрямляется
9. Вязкости -- минерал трудно сломать (например, жадеит)
10. Спайности
11. и ряда других физико-механических свойств материала.
Наиболее твёрдыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода - лонсдейлит, на 58 % превосходящий по твёрдости алмаз и фуллерит. Однако практическое применение этих веществ пока маловероятно. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз.
Методы определения твёрдости по способу приложения нагрузки делятся на: 1)статические и 2) динамические (ударные).
Для измерения твёрдости существует несколько шкал:
Метод Бринелля -- твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части сферы, а не как площадь круга; размерность единиц твердости по Бринеллю МПа (кг-с/ммІ). Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012-59 записывают без единиц измерения. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness, B -- Бринелль;
Метод Роквелла -- твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA; твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 (130) ? kd, где d -- глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k -- коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу по шкалам A и C составляет 100 единиц, а по шкале B - 130 единиц.
Метод Виккерса -- твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение нагрузки, приложенной к пирамидке, к площади отпечатка; размерность единиц твёрдости по Виккерсу кг-с/ммІ. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV;
Методы Шора:
Твёрдость по Шору (Метод вдавливания) -- твёрдость определяется по глубине проникновения в материал специальной закаленной стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины. В данном методе измерительный прибор именуется дюрометром. Обычно метод Шора используется для определения твердости низкомодульных материалов (полимеров). Метод Шора, описанный стандартом ASTM D2240, оговаривает 12 шкал измерения. Чаще всего используются варианты A (для мягких материалов) или D (для более твердых). Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается буквой используемой шкалы, записываемой после числа с явным указанием метода.
Дюрометры и шкалы Аскер -- по принципу измерения соответствует методу вдавливания (по Шору). Фирменная и нац. японская модификация метода. Используется для мягких и эластичных материалов. Отличается от классического метода Шора некоторыми параметрами измерительного прибора, фирменными наименованиями шкал и инденторами.
Твёрдость по Шору (Метод отскока) -- метод определения твёрдости очень твёрдых (высокомодульных) материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боёк (основная часть склероскопа -- измерительного прибора для данного метода), падающий с определённой высоты. Твердость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка. Основные шкалы C и D. Обозначается HSx, где H -- Hardness, S -- Shore и x -- латинская буква, обозначающая тип использованной при измерении шкалы.
Следует понимать, что хотя оба этих метода являются методами измерения твёрдости, предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие названия и совпадающие обозначения шкал это -- не версии одного метода, а два принципиально разных метода с разными значениями шкал, описываемых разными стандартами.
Метод Кузнецова -- Герберта -- Ребиндера -- твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл;
Метод Польди (двойного отпечатка шарика) -- твердость оценивается в сравнении с твердостью эталона, испытание производится путем ударного вдавливания стального шарика одновременно в образец и эталон;
Шкала Мооса -- определяется по тому, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый материал, и какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом.
Метод Бухгольца -- метод определения твердости при помощи прибора «Бухгольца». Предназначен для испытания на твердость (твердость по Бухгольцу) полимерных лакокрасочных покрытий при вдавливании индентора «Бухгольца». Метод регламентируют стандарты ISO 2815, DIN 53153, ГОСТ 22233.
Методы измерения твёрдости делятся на две основные категории: статические методы определения твёрдости и динамические методы определения твёрдости. Для инструментального определения твёрдости используются приборы, именуемые твердомерами. Методы определения твердости, в зависимости от степени воздействия на объект, могут относиться как к неразрушающим, так и к разрушающим методам. Существующие методы определения твёрдости не отражают целиком какого-нибудь одного определённого фундаментального свойства материалов, поэтому не существует прямой взаимосвязи между разными шкалами и методами, но существуют приближенные таблицы, связывающие шкалы отдельных методов для определённых групп и категорий материалов. Данные таблицы построены только по результатам экспериментальных тестов и не существует теорий, позволяющих расчетным методом перейти от одного способа определения твердости к другому. Конкретный способ определения твёрдости выбирается исходя из свойств материала, задач измерения, условий его проведения, имеющейся аппаратуры и др.
В СНГ стандартизированы не все шкалы твёрдости.
Тесно связана с такими ее характеристиками, как износостойкость, прочность и пр. Существует немало способов определения твердости металлов. Один из них – метод Бринелля, когда в поверхность (стали) с помощью специального пресса (пресса Бринелля) вдавливается стальной . По окончании воздействия шарика на металлическую поверхность с помощью специальной лупы производится замер диаметра лунки. На основании данных таблиц, прилагаемых к прессу, определяется твердость стали НЕ.
Следующий метод – метод Роквелла - предполагает вдавливание в стальную поверхность алмазного с углом 1200 у вершины. Вдавливание вначале с предварительной нагрузкой 10 кг, а затем полной – от 60 до 150 кг. Для этого также используется специальный .
При использовании данного метода необходимо соблюдать некоторые требования. Так, на исследуемой поверхности не должно быть окалины, трещин и выбоин. Воздействие на поверхность строго перпендикулярно. Для определения значения прочности также используются специальные таблицы. Существует четкая зависимость – чем , тем меньше глубина проникновения в нее при вдавливании и, следовательно, тем выше значение твердости.
С методом Роквелла схож метод Виккерса, в котором для вдавливания используется алмазная пирамида с углом у вершины 1360. Здесь по окончании нагрузки измеряется диагональ отпечатка. Для сталей время воздействия - 10-15 сек. При этом усилие должно прилагаться строго перпендикулярно поверхности с плавным нарастанием. Поверхность опытного образца может иметь шероховатость не более 0.16 мкм, а расстояние между центром отпечатка и краем образца или соседнего отпечатка – не менее 2.5 длины диагонали отпечатка.
Твердость стали определяется также методом ударного отпечатка посредством твердосплавного конического индентора или стального шара. К косвенным методам относится методика измерения твердости по Шору. В ней используется боек определенной массы с алмазным наконечником, вертикально падающий с определенной высоты на испытуемую поверхность. Высота бойка является характеристикой твердости, которая измеряется в условных единицах.
Видео по теме
Никому не секрет, что в промышленности, прежде чем что-то пускать в продажу, производится контроль изделий. Это необходимо для того, чтобы установить срок экспулатации продукта, его работоспособность. Одним из критериев работоспособности деталей является их твердость. Твердость измеряют при помощи специальных приборов - твердомеров.
Твердость обычно меряют в лабораториях при помощи твердомеров в исследовательских институтах или в производстве. Существует несколько типов твердомеров, использующих при измерении разные методы, но суть их близка. Каждый твердомер обычно имеет предметный столик, на который помещается исследуемый , и индентор – наконечник, вдавливаемое в этот образец тело, должно быть тверже исследуемого материала (это обязательное условие). При каждом измерении можно задавать различные – размер индентора, нагрузка, нагрузки. В зависимости от них прибор может показывать различную твердость.
Метод Бринелля
В исследуемое тело вдавливается индентор в виде шарика (стального), который оставляет отпечаток в виде круглой ямки. По диаметру (если быть более точным - по площади) отпечатка определяют твердость. То есть чем тверже материал, тем меньше отпечаток, и наоборот.
Метод Роквелла
В этом методе используется несколько инденторов в зависимости от нагрузки. Либо это также шарик, либо конус. И существует 11 шкал измерения твердости. Каждая шкала комбинацией индентора и нагрузки. Твердость в этом методе определяется как