Что называется твердостью металлов
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/мм2);
- 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.
Таблица 1
| Прибор Бринелля | Вдавливание стального закаленного шарика диаметром 1,25; 2,5; 5 или 10 мм и др., нагрузками в диапазоне от 1 до 62,5 кгс или от 62,5 до 3000 кгс в плоскую поверхность испытуемого тела | Твердосплавный сферический инденторс ⌀2,5 и усилием 187,5 кгс | HB (w) | HB (w) 2,5/187,5 | Твердость вычисляется по диагонали отпечатка как нагрузка, деленная на площадь поверхности отпечатка:, кгс/мм2 |
| Прибор Роквелла и Супер-Роквелла | Вдавливание алмазного конуса с углом заострения 120° или стальных шариков диаметром 1/2'', 1/4'', 1/8'' или 1/16'' стандартными нагрузками 150, 100 и 60 кгс (Роквелл) или 45, 30 и 15 кгс (Супер-Роквелл) | Алмазный индентор конической формы с углом при вершине 120° с усилием 60 кгс | HRA | 60 HRA | 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)/0,002Разность 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 | HRB (w) | 100 HRB (w) | |||
| Алмазный индентор конической формы с углом при вершине 120° с усилием 150 кгс | HRC | 150 HRC | |||
| 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 гранямис усилием 1 кгсс усилием 0,5 кгс | HV | HV 1,0HV 0,5 | Твердость вычисляется по диагонали отпечатка как нагрузка, деленная на площадь поверхности отпечаткаНагрузка Р может меняться от 9,8 (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Твердость по Виккерсу HV = 0.189*P/d2, МПа, если Р выражена в Н, и HV = 1,854*P/d2, кгс/мм2, если Р выражена в кгс.Твердость Н определяют по той же формуле, что и твердость по Виккерсу:H = 0.189*P/d2, если Р выражена в Н. |
| Алмазный индентор пирамидальной формы c 3 гранямис усилием 0,1 кгс | НК | НК 1,0 |
Таблица 2
Методы статического определения твердости вдавливанием
| По методу Герца (1881) | Сдавливание полусферы и плоскости из испытуемого материала до появления следов пластической деформации или трещины | HГ = 6Р/πd2кр, кгс/мм2 |
| Монотрон Шора (1900) | Вдавливание алмазного шарика диаметром 0,75 мм или стальных шариков диаметром 1/16″ и 2,5 мм на стандартную глубину 0,045 мм | Мерой твердости служит нагрузка (кгс), необходимая для вдавливания на стандартную глубину |
| По методу Лудвика (1907) | Вдавливание стального конуса с углом заострения 90° в плоскость испытуемого тела | Твердость вычисляется как нагрузка, деленная на площадь проекции |
| По методу М. С. Дрозда (1958) | Вдавливание шарика нагрузкой Р, измерение глубины восстановленного отпечатка h и критической нагрузки Рs, отвечающей переходу от упругого к остаточному опечатку | Н = (Р-Рs)/πDhвосст, кгс/мм2 |
Таблица 3
Методы динамического определения твердости
| По методу Мартеля (1895) | Удар стальной пирамидой, укрепленной на падающем бойке | По энергии удара и диагонали отпечатка определяется твердость H = Е1/V, кгс/мм2 |
| 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/мм2 |
| Пружинный прибор Шоппера | Удар стальным шариком диаметром 10 мм с помощью сжатой пружины | По глубине отпечатка определяется НВ, кгс/мм2 |
| 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/мм2 |
| Прибор Польди | Удар молотком по бойку, под которым находится эталон и испытуемое тело с зажатым между ними закаленным стальным шариком диаметром 10 мм | По диаметрам отпечатков на образце и эталоне определяется твердость: HВобр = 2 НВэт*d2эт/d2обр, кгс/мм2 |
| 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 |
Таблица 4
Методы статического определения твердости вдавливанием
(микротвердость)
| По методу Лидса (1936) | Вдавливание пирамиды Виккерса 136° собственным весом индентора (35 г) и давлением воздуха на поршень | Твердость определяется как отношение нагрузки (в гс) к площади поверхности отпечатка (по диагонали, в мкм)HV = 1854,4 P/d2, кгс/мм2 |
| Микротвердомер Цейсса— Ганеманна (1940) | Вдавливание пирамиды Виккерса нагрузкой 2—100 гс, создаваемой плоскими пружинами | То же |
| ПМТ-2, ПМТ-3 (Хрущов, Беркович) | Вдавливание пирамиды Виккерса сменными нагрузками 2—500 гс | То же |
| По методу Кнупа, Петерса, Эмерсона (1939) | Вдавливание алмазного наконечника Кнупа (пирамида с основанием в виде сильно вытянутого ромба и углами между ребрами 130° и 172°30') с нагрузкой 50—4909 гс | Твердость определяется как отношение нагрузки (в кгс) к площади поверхности невосстановленного «отпечатка», исчисляемой по длинной диагонали d (в мм):Нк = 12,87 P/d2, кгс/мм2 |
| По методу Берковича | Вдавливание алмазной трехгранной пирамиды с углом между гранью и осью 65° | Н = 2092 Р/а2 = 1570 Р/l2, кгс/мм2;Р в гс, а и l в мкм |
| По методу Егорова и др. (1970) | Вдавливание алмазного лезвия, образованного двумя цилиндрами радиусом 2 мм, оси которых! пересекаются под углом 136° | Н = ЗR*sin а *Р/l3 = 4167960Р/l3, кгс/мм2Р в гс l в мкм |
| По методу Калей, Хрущова, Скворцова, Алехина, Терновского, Шоршорова (1968-1973) | Вдавливание алмазной 136-градусной пирамиды с регистрацией нагрузки и глубины погружения индентора в процессе испытания | Н = 18544 P/d2, кгс/мм2Р в гс; d в мкм |
Таблица 5
Методы определения твердости царапанием
| Испытание напильником,Барба (1640) | Царапание испытуемого тела стальным напильником | Если тело царапается, оно мягче напильника, если не царапается, то тверже или имеет равную твердость |
| Испытание по Моосу (1822) | Царапание исцытуемого тела набором 10 эталонных минералов (тальк, гипс, кальцит, флюорит, апатит, ортоклаз, кварц, топаз, корунд, алмаз) | Если испытуемое тело царапается минералом, оно мягче его, если само царапает минерал, то тверже. Твердость выражается числом 10-балльной шкалы |
| Прибор Мартенса (1890) | Царапание алмазным конусом с углом заострения 90° при нагрузках от 2 до 50 гс | Твердость выражается нагрузкой (в гс), отвечающей ширине царапины 10 мкм |
| Микрохарактеризатор Бирбаума (1920) | Царапание углом алмазного куба при нагрузке 3 гс | Твердость вычисляется по формуле H = 104b2, гдеЬ — ширина царапины в мк |
| Прибор Хенкинса (1923) | Царапание V-образным алмазом с усилием 1—150 гс | Твердость вычисляется по формуле H = Р/Ь2, кгс/мм2 |
| Склерометр О’Нейля (1928) | Царапание полусферическим алмазом диаметром 1 мм | Твердость равна давлению, соответствующему царапине шириной 0,1 мм |
| ПМТ-3 (Григорович, 1949) | Царапание алмазной четырехгранной пирамидой с углом между гранями 136° | Твердость равна среднему контактному давлению Н = Р/Ь2/4, кгс/мм2 |
| ПМТ-3 (Беркович) | Царапание трехгранной пирамидой | Н = 3708 Р/Ь2, кгс/мм2Р в гс; b в мкм |
Что называется твердостью металлов — Справочник металлиста
Машиностроительные детали и механизмы, а также инструменты, предназначенные для их обработки, обладают набором механических характеристик. Немалую роль среди характеристик играет твердость. Твердость металлов наглядно показывает:
- износостойкость металла;
- возможность обработки резанием, шлифованием;
- сопротивляемость местному давлению;
- способность резать другой материал и прочие.
Твердость металлов
На практике доказано, что большинство механических свойств металлов напрямую зависят от их твердости.
Понятие твердости
Твердость материала – это стойкость к разрушению при внедрении во внешний слой более твердого материала. Другими словами, способность к сопротивлению деформирующим усилиям (упругой или пластической деформации).
Определение твердости металлов производится посредством внедрения в образец твердого тела, именуемого индентором. Роль индентора выполняет: металлически шарик высокой твердости; алмазный конус или пирамида.
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.
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:
Н□ 0,195 = 2800, где
□ — форма наконечника;
0,196 — нагрузка на наконечник, Н;
2800 – численное значение твердости, Н/мм2.
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:
Твердость металлов. Таблица твердости металлов
Для того чтобы детали и механизмы служили длительно и надежно, материалы, из которых они изготовлены, должны соответствовать необходимым условиям работы.
Именно поэтому важно контролировать допустимые значения их основных механических показателей. К механическим свойствам относятся твердость, прочность, ударная вязкость, пластичность.
Твердость металлов — первичная конструкционная характеристика.
Понятие
Твердость металлов и сплавов — это свойство материала создавать сопротивление при проникновении в его поверхностные слои иного тела, которое не деформируется и не разрушается при сопутствующих нагрузках (индентора). Определяют с целью:
- получения информации о допустимых конструкционных особенностях и о возможностях эксплуатации;
- анализа состояния под действием времени;
- контроля результатов температурной обработки.
От этого показателя частично зависят прочность и устойчивость поверхности к старению. Исследуют как исходный материал, так и уже готовые детали.
Варианты исследования
Показателем является величина, которая называется числом твердости. Существуют различные методы измерения твердости металлов. Наиболее точные исследования заключаются в использовании различных видов вычисления, инденторов и соответствующих твердомеров:
- Бринелля: суть работы аппарата – вдавливание шарика в исследуемый металл или сплав, вычисление диаметра отпечатка и последующее математическое вычисление механического параметра.
- Роквелла: используются шарик или алмазный конусный наконечник. Значение отображается на шкале или определяется расчётно.
- Виккерса: наиболее точное измерение твердости металла с применением алмазного пирамидального наконечника.
Для определения параметрических соответствий между показателями разных способов измерения для одного и того же материала существуют специальные формулы и таблицы.
Факторы, определяющие вариант измерения
В лабораторных условиях, при наличии необходимого ассортимента оборудования, выбор способа исследования осуществляется в зависимости от определенных характеристик заготовки.
- Ориентировочное значение механического параметра. Для конструкционных сталей и материалов с небольшой твердостью до 450-650 НВ применяют метод Бринелля; для инструментальных, легированных сталей и других сплавов – Роквелла; для твердосплавов – Виккерса.
- Размеры испытуемого образца. Особо маленькие и тонкие детали обследуются с помощью твердомера Виккерса.
- Толщина металла в месте замера, в частности, цементированного или азотированного слоя.
Все требования и соответствия задокументированы ГОСТом.
Особенности методики Бринелля
Испытания на твердость металлов и сплавов с помощью твердомера Бринелля проводятся со следующими особенностями:
- Индентор – шарик из легированной стали или из карбидо-вольфрамового сплава диаметром 1, 2, 2,5, 5 или 10 мм (гост 3722-81).
- Продолжительность статического вдавливания: для чугуна и стали – 10-15 с., для цветных сплавов – 30, также возможна длительность в 60 с., а в некоторых случаях – 120 и 180 с.
- Граничное значение механического параметра: 450 НВ при измерении стальным шариком; 650 НВ при использовании твердосплава.
- Возможные нагрузки. С помощью входящих в комплект грузов корректируется фактическая сила деформации на испытуемый образец. Их минимальные допустимые значения: 153,2, 187,5, 250 Н; максимальные – 9807, 14710, 29420 Н (гост 23677-79).
С помощью формул, в зависимости от диаметра выбранного шарика и от испытуемого материала, можно вычислить соответствующее допустимое усилие вдавливания.
| Тип сплава | Математическое вычисление нагрузки |
| Сталь, сплавы никеля и титана | 30D2 |
| Чугун | 10D2, 30D2 |
| Медь и медные сплавы | 5D2, 10D2, 30D2 |
| Легкие металлы и сплавы | 2,5D2, 5D2, 10D2, 15D2 |
| Свинец, олово | 1D2 |
Пример обозначения:
400HB10/1500/20, где 400HB – твердость металла по Бринеллю; 10 – диаметр шарика, 10 мм; 1500 – статическая нагрузка, 1500 кгс; 20 – период осуществления вдавливания, 20 с.
Для установления точных цифр рационально исследовать один и тот же образец в нескольких местах, а общий результат определять путем нахождения среднего значения из полученных.
Определение твердости по методу Бринелля
Процесс исследования протекает в следующей последовательности:
- Проверка детали на соответствие требованиям (ГОСТ 9012-59, гост 2789).
- Проверка исправности аппарата.
- Выбор необходимого шарика, определение возможного усилия, установка грузов для его формирования, периода вдавливания.
- Запуск твердомера и деформация образца.
- Измерение диаметра углубления.
- Эмпирическое вычисление.
НВ=F/A,
где F – нагрузка, кгс или Н; A – площадь отпечатка, мм2.
НВ=(0,102*F)/(π*D*h),
где D – диаметр шарика, мм; h – глубина отпечатка, мм.
Твердость металлов, измеренная этим способом, имеет эмпирическую связь с вычислением параметров прочности. Метод точен, особенно для мягких сплавов. Является основополагающим в системах определения значений этого механического свойства.
Особенности методики Роквелла
Этот способ измерения был изобретен в 20-х годах XX века, более автоматизирован, чем предыдущий. Применяется для более твердых материалов. Основные его характеристики (ГОСТ 9013-59; гост 23677-79):
- Наличие первичной нагрузки в 10 кгс.
- Период выдержки: 10-60 с.
- Граничные значения возможных показателей: HRA: 20-88; HRB: 20-100; HRC: 20-70.
- Число визуализируется на циферблате твердомера, также может рассчитываться арифметически.
- Шкалы и инденторы. Известно 11 различных шкал в зависимости от типа индентора и предельно-допустимой статической нагрузки. Наиболее распространённые в использовании: А, В и С.
А: алмазный конусный наконечник, угол при вершине 120˚, общая допустимая сила статического влияния – 60 кгс, HRA; исследуются тонкие изделия, в основном прокат.
С: также алмазный конус, рассчитанный на максимальное усилие 150 кгс, HRC, применим для твердых и закаленных материалов.
В: шарик размером 1,588 мм, изготовленный из закаленной стали или из твердого карбидо-вольфрамового сплава, нагрузка – 100 кгс, HRB, используется для оценки твердости отожжённых изделий.
Шарикообразный наконечник (1,588 мм) применим для шкал Роквелла B, F, G. Также существуют шкалы E, H, K, для которых используется шарик диаметром 3,175 мм (ГОСТ 9013-59).Количество проб, проделанных с помощью твердомера Роквелла на одной площади, ограничивается размером детали. Допускается повторная проба на расстоянии 3-4 диаметра от предыдущего места деформации. Толщина испытуемого изделия также регламентируется. Она должна быть не меньше увеличенной в 10 раз глубины внедрения наконечника.
Пример обозначения:
50HRC – твердость металла по Роквеллу, измерена с помощью алмазного наконечника, ее число равно 50.
План исследования по методу Роквелла
Измерение твердости металла более упрощено, нежели для способа Бринелля.
- Оценка размеров и характеристик поверхности детали.
- Проверка исправности аппарата.
- Определение типа наконечника и допустимой нагрузки.
- Установка образца.
- Осуществление первичного усилия на материал, величиной в 10 кгс.
- Осуществление полного соответствующего усилия.
- Чтение полученного числа на шкале циферблата.
Также возможен математический расчет с целью точного определения механического параметра.
При условии использования алмазного конуса с нагрузкой 60 или 150 кгс:
HR=100-((H-h)/0,002;
при совершении испытания с помощью шарика под усилием 100 кгс:
HR=130-((H-h)/0,002,
где h – глубина внедрения индентора при первичном усилии 10 кгс; H – глубина внедрения индентора при полной нагрузке; 0,002 – коэффициент, регламентирующий величину перемещения наконечника при изменении числа твердости на 1 единицу.
Метод Роквелла является простым, но недостаточно точным. В то же время он позволяет измерять показатели механического свойства для твердых металлов и сплавов.
Характеристики методики Виккерса
Определение твердости металлов по данному способу наиболее просто и точно. Работа твердомера основана на вдавливании в образец алмазного пирамидального наконечника.
Основные особенности:
- Индентор: алмазная пирамида с углом при вершине 136°.
- Предельно допустимая нагрузка: для легированного чугуна и стали — 5-100 кгс; для медных сплавов — 2,5-50 кгс; для алюминия и сплавов на его основе — 1-100 кгс.
- Период выдержки статической нагрузки: от 10 до 15 с.
- Испытуемые материалы: сталь и цветные металлы с твердостью более 450-500 НВ, в том числе изделия после химико-термической обработки.
Пример обозначения:
700HV20/15,
где 700HV – число твердости по Виккерсу; 20 – нагрузка, 20 кгс; 15 – период статического усилия, 15 с.
Последовательность исследования Виккерса
Порядок действий предельно упрощен.
- Проверка образца и аппаратуры. Особое внимание уделяется поверхности детали.
- Выбор допустимого усилия.
- Установка испытуемого материала.
- Запуск твердомера в работу.
- Чтение результата на циферблате.
Математический расчет по этому способу выглядит следующим образом:
HV=1,8544*(F/d2),
где F – нагрузка, кгс; d – среднее значение длин диагоналей отпечатка, мм.
Он позволяет измерять высокую твердость металлов, тонких и небольших деталей, при этом предоставляя высокую точность результата.
Способы перехода между шкалами
Определив диаметр отпечатка с помощью специального оборудования, можно с помощью таблиц определить твердость. Таблица твердости металлов – проверенный помощник в вычислении данного механического параметра. Так, если известно значение по Бринеллю, можно легко определить соответствующее число Виккерса или Роквелла.
Пример некоторых значений соответствия:
| Диаметр отпечатка,мм | Метод исследования | ||||
| Бринелля | Роквелла | Виккерса | |||
| A | C | B | |||
| 3,90 | 241 | 62,8 | 24,0 | 99,8 | 242 |
| 4,09 | 218 | 60,8 | 20,3 | 96,7 | 218 |
| 4,20 | 206 | 59,6 | 17,9 | 94,6 | 206 |
| 4,99 | 143 | 49,8 | — | 77,6 | 143 |
Таблица твердости металлов составлена на основе экспериментальных данных и имеет высокую точность. Также существуют графические зависимости твердости по Бринеллю от содержания углерода в железоуглеродистом сплаве. Так, в соответствии с такими зависимостями, для стали с количеством карбона в составе равному 0,2% она составляет 130 НВ.
Требования к образцу
В соответствии с требованиями ГОСТов, испытуемые детали должны соответствовать следующим характеристикам:
- Заготовка должна быть ровная, твердо лежать на столе твердомера, ее края должны быть гладкими или тщательно обработаны.
- Поверхность должна иметь минимальную шероховатость. Должна быть отшлифована и очищена, в том числе с помощью химических составов. Одновременно, во время процессов механической обработки, важно предупредить образование наклепа и повышения температуры обрабатываемого слоя.
- Деталь должна соответствовать выбранному методу определения твердости по параметрическим свойствам.
Выполнение первичных требований – обязательное условие точности измерений.
Твердость металлов — важное основополагающее механическое свойство, определяющее их некоторые остальные механические и технологические особенности, результаты предыдущих процессов обработки, влияние временных факторов, возможные условия эксплуатации. Выбор методики исследования зависит от ориентировочных характеристик образца, его параметров и химического состава.
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.
Твердость металлов
На практике доказано, что большинство механических свойств металлов напрямую зависят от их твердости.
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:
Н□ 0,195 = 2800, где
□ — форма наконечника;
0,196 — нагрузка на наконечник, Н;
2800 – численное значение твердости, Н/мм2.