Как определить твердость металла

Как определить твердость металла в домашних условиях

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.

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.

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.

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*√(D2-d2),

• гдеР – 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 — 30D2;медь и ее сплавы — 10D2;баббиты, свинцовые бронзы — 2,5D2.

Условное изображение принципа испытания

Скачать ГОСТ 9012-59

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 –h0.

Скачать ГОСТ 9013-59

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

Метод Виккерса

Математическая формула для расчета:HV=0.189*P/d2 МПаHV=1,854*P/d2 кгс/мм2

Метод Шора

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.

Способы измерения твёрдости металла, резины, бетона

Первоисточник статьи — https://vostok-7.ru/articles/tverdost/

Единого общепринятого определения термина «ТВЁРДОСТЬ» не существует поскольку методы определения этой метрологической величины настолько разнообразны, что нет возможности их объединить в одной фразе или описании. При этом даже для одного типа материала (напр.

металлов) методов определения твердости существует более 5… Также именно по этой причине приборы для измерения твёрдости именуются не только твердомерами, но и другими названиями, указывающими на метод или материал измерения: дюрометр (для резин), склерометр (для минералов) и т.д.

Твёрдость минералов

Шкала твёрдости минералов Мооса (склерометры царапающие) – метод определения твёрдости минералов путём царапания одного минерала другим минералом для сравнительной диагностики твёрдости минералов между собой по системе мягче-твёрже. Испытываемый минерал либо не царапается другим минералом (эталоном Мооса или склерометром) и тогда его твёрдость по Моосу выше, либо царапается — и тогда его твёрдость по Моосу ниже.

Типы исследуемых материалов:

• минералы (природные и искусственные), в т.ч. измеряется твёрдость камней горных пород
• бетон и другие строительные материалы: твёрдость искусственных камней, плитки, стекла и др.

Молотки Шмидта (склерометры-молотки) – метод определения твёрдости и прочности на сжатие без разрушения строительный материалов: бетона, кирпичей, строительного раствора и пр. Оценка материалов происходит по предварительно установленной градуировочной зависимости между прочностью эталонных образцов и значением отскока бойка молотка Шмидта от поверхности материала.

Типы исследуемых материалов:

• бетон
• кирпич
• строительный раствор
• природные камни и горные породы

Твёрдость металлов

Твёрдость металлов – наиболее глубоко изученное и стандартизированное международной практикой измерение твёрдости. Наиболее распространены следующие методы:

Измерение твёрдости металлов по Бринеллю (твердомеры)

Один из старейших методов, твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Обозначается HB, где H — Hardness (твёрдость, англ.), B — Brinell (Бринелль, англ.)

Измерение твёрдости металлов по Роквеллу (твердомеры)

Это самый распространённый из методов начала XX века, твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Обозначается HR, где H — Hardness (твёрдость, англ.), R — Rockwell (Роквелл, англ.), а 3-й буквой идёт обозначение типа шкалы, напр. HRA, HRB, HRC и т.д.

Измерение твёрдости металлов по Виккерсу (твердомеры и микротвердомеры)

Самая широкая по охвату шкала, твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Обозначается HV, где H — Hardness (твёрдость, англ.), V — Vickers (Виккерс, англ.).

Измерение твёрдости металлов по Шору (твердомеры и склероскопы)

Данный метод крайне редко используется, твёрдость определяется по высоте отскока бойка от поверхности. Обозначается HS, где H — Hardness (твёрдость, англ.), S — Shore (Шор, англ.), а 3-й буквой идёт обозначение типа шкалы, напр. HSD

Измерение твёрдости металлов по Либу (твердомеры)

Это самый широко применяемый на сегодня метод в мире, твёрдость определяется как отношение скоростей до и после отскока бойка от поверхности. Обозначается HL, где H — Hardness (твёрдость, англ.), L — Leeb (Либ, англ.), а 3-й буквой идёт обозначение типа датчика, напр. HLD, HLC и т.д.

Твёрдость резины

Определить твердость резины сегодня можно несколькими методами:

Измерение твёрдости резины по Шору (твердомеры и дюрометры)

Самый широко применяемый на сегодня метод в мире, твёрдость резины определяется по глубине проникновения в материал специальной закаленной стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины.

Твёрдость резины обозначается в международной практике как H, где H — Hardness (твёрдость, англ.), а 2-й буквой идёт обозначение типа шкалы, напр. HA, HB, HC, HD и т.д.

, в практике России пишется как «твёрдость по Шору тип А» или «твёрдость по Шору тип D».

Измерение твёрдости по Аскеру (твердомеры и дюрометры)

Это национальный японский метод, сходный с методом измерения твёрдости резины по Шору, но отличающийся от него типом инденторов, пружин и пр. Твёрдость резины обозначается в международной практике как Asker (Аскер, англ.), а далее идёт обозначение типа шкалы, напр. Asker С, Asker D и т.д. В России не применяется.

Измерение твёрдости по Роквеллу (твердомеры)

В этом случае используется стандартный твердомер Роквелла для измерения твёрдости металлов, но вместо индентора-конуса используются инденторы со стальными шариками. Твёрдость резины обозначается HR, где H — Hardness (твёрдость, англ.), R — Rockwell (Роквелл, англ.), а 3-й буквой идёт обозначение типа шкалы, напр. HRP, HRL, HRM или HRE.

Твердость по Роквеллу

Твердость материалов является интегрирующим показателем их механических свойств. Существует эмпирическое соответствие между значением твердости и рядом механических характеристик (например, предел прочности на сжатие, растяжение или изгиб).

С развитием машиностроения возникла необходимость иметь общие методики измерения твердости. В начале XX века профессором Людвигом была разработана теоретическая часть методики определения твердости алмазным конусом. В 1919 году Хью и Стэнли Роквеллы запатентовали гидромеханическую установку, которая получила имя — твердомер Роквелла.

Актуальность этого устройства вызвана необходимостью применения неразрушающих методов контроля твердости в подшипниковой промышленности. Существующий метод Бринелля (HB) основан на измерении площади отпечатка шарика диаметром 10 мм.

Отпечаток формируется с помощью шарика из закаленной стали или карбида вольфрама, который вдавливается в образец с определенным усилием. Метод Бринелля применяется для определения твердости цветных металлов или низколегированных сталей и неприменим для образцов из закаленной стали.

 Это связано с тем, что рабочая нагрузка составляет 3000 кгс. Шарик деформируется, поэтому метод Бринелля не может считаться неразрушающим методом контроля.

Метод измерения твердости по Роквеллу

Твердость — характеристика материала, противоположная пластичности, способности материала «вытекать» из-под нагрузки. Методика измерения твердости по Роквеллу предназначена для неразрушающего контроля твердости наименее пластичных материалов — сталей и их сплавов.

Универсальность метода заключается в наличии трех шкал твердости, которые проградуированы для измерения под одной из трех нагрузок (60, 100 и 150 кгс) для работы с одной из измерительных головок.

В качестве рабочего органа измерительной головки применяют алмазный конус с углом 120° и радиусом при вершине 0,2 мм или закаленный шарик диаметром 1/16“ (1,588 мм).

Метод основан на фиксации прямого измерения глубины проникновения твердого тела измерительной головки (индентора) в материал образца. Глубина отпечатка характеризует способность материала сопротивляться внешнему воздействию без образования валика из вытесненного металла вокруг индентора.

Единица твердость по Роквеллу — безразмерная величина, которая выражается в условных единицах до 100. За единицу твердости приняли перемещение индентора на 0,002.

Твердость металла по Роквеллу: таблица

Таблица создана для наглядного сравнения методов Роквелла и Бриннеля.

(*) — Представленная таблица соответствия твердости по шкалам Роквелла HRA, HRC и HRB твердости по шкале Бринелля носит справочный характер и не может применяться для прикладных решений. В целях технического использования следует опираться на данные по ГОСТ 8.064-79 для шкал Роквелла HRA, HRC и Супер-Роквелла HRN, HRT, значения в котором приведены к эталонному значению HRCэ.

Как устроена шкала твердости по Роквеллу?

Разработано 11 шкал для определения твердости (A…H, K, N, T), которые предназначены для работы в различных комбинациях «интендор – нагрузка». Например, шкалы В, F и G используют для измерения шарик Ø 1,588 с нагрузкой по шкалам В, F — 60 кгс и по шкале G — 150 кгс. Для шкал Е, Н и К применяется шарик Ø 3,175 мм с разными нагрузками.

Распространены такие шкалы:

• А — с конусом и полным усилием на измерительной головке 60 кгс (10 кгс — предварительная нагрузка плюс 50 кгс — основная).
• В — с шариком Ø 1,588 и полным усилием на измерительной головке 100 кгс.
• С — с конусом и полным усилием на измерительной головке 150 кгс.

Предварительная нагрузка, которая позволяет выбрать зазоры твердомера и разрушить окисную пленку на образце, одинакова для измерений с использованием любых шкал.

В качестве индикатора используют устройство часового типа, которое позволяет регистрировать перемещение индентора на 0,002 мм с учетом перемещения рычагов. Максимальное перемещение измерительной головки при рабочей нагрузке — 0,2 мм. На индикаторе расположены шкала, содержащая 100 делений для каждого способа измерения (например, ТК 2 или NOVOTEST ТС-Р).

Диапазоны измерений для шкал (материалы):

• HRA  — 20…88 ед. (коррозионностойкие и жаропрочные стали)
• HRB  — 20…100 ед. (сплавы меди, ковкий чугун, низкоуглеродистые стали)
• HRC — 20…70 ед. (высокоуглеродистые стали после термической обработки)

Шкалы А и С объединены, шкала В выделена цветом или вынесена отдельно.

Твердомер по Роквеллу: что это такое и как работает?

Стационарный твердомер представляет собой цельнолитую жесткую П-образную конструкцию (положенную на бок) и состоящую из 2 блоков:

• Измерительный блок (верх) состоит из индикатора часового типа, который контактирует с рычагом подвеса нагрузки. Для исключения возникновения ударной нагрузки при включении режима вдавливания рычаг подвеса имеет гидравлический демпфер.
• Блок установочного перемещения (низ) состоит из винтовой пары с большим шагом для ручного перемещения стола. Винтовая пара служит для создания предварительной нагрузки и больших перемещений стола. Это позволяет измерять твердость на деталях с габаритами, намного превышающими размеры образца толщиной 20 мм. Твердость поверхности стола не ниже HRC 50.

Твердомеры могут иметь двигатель перемещения, электронную систему измерения с дисплеем и другие усовершенствования, не влияющие на методику измерения.

Измерения проводятся при нормальных условиях (температура — 18…23° С, влажность 70…80%).

Требования к образцу:

• образец (деталь) должен лежать устойчиво, не пружинить, не качаться;
• шероховатость поверхности образца не ниже Ra 2,5 по ГОСТ 2789-73.

На партию деталей изготавливают образец, который проходит термическую обработку вместе с деталями.

Порядок работы:

• образец устанавливают на стол;
• с помощью ходового винта образец подводят к интендору и нагружают предварительно (индикатор выставляется в 0);
• рычагом (кнопкой) включается режим вдавливания интендора в образец;
• при остановке стрелки индикатора (через 2…8 секунд после нагружения) снимают основную нагрузку, считывают значение твердости.

Современные твердомеры Роквелла, оборудованные цифровыми измерительными системами, имеют устройства автоматического подвода, предварительного нагружения, контроля величины усилия и времени рабочей нагрузки. Все усовершенствования должны обеспечивать соответствие требованиям ГОСТ 23677-79.

Плюсы и минусы метода

Главным достоинством метода измерения твердости по Роквеллу является его универсальность. Измерения проводят с тремя изменяемыми параметрами, что позволяет расширить сферу его применения.

Другие достоинства метода:

• относится к неразрушающим способам (можно использовать для контроля готовых изделий);
• позволяет контролировать цилиндрические изделия в призме диаметром от 6 мм или с кривизной поверхности R3 с учетом поправок (Прил. 3 по ГОСТ 9013-59 «ИСО 6508-86»);
• позволяет контролировать листовой материал толщиной 0,3…1,0 мм по шкале HRA (супер-роквелл);
• короткое время измерения (не более 2 минут с тестированием на контрольном образце);
• удобство считывания результатов.

К недостаткам относят менее высокую точность и повторяемость измерений по сравнению с методами Бринелля и Виккерса. Однако недостатки сполна компенсируются преимуществами.

Твердость – главный показатель качества инструмента

Выбирая инструмент для работы, мы сталкиваемся с такой его характеристикой как твердость, которая характеризует его качество.

Чем выше этот показатель, тем выше его способность сопротивляться пластической деформации и износу при воздействии на обрабатываемый материал.

Именно этот показатель определяет, согнется ли зуб пилы при распиловке заготовок, или какую проволоку смогут перекусить кусачки.

Метод Роквелла

Среди всех существующих методов определения твердости сталей и цветных металлов самым распространенным и наиболее точным является метод Роквелла.

Проведение измерений и определение числа твердости по Роквеллу регламентируется соответствующими документами ГОСТа 9013-59.

Этот метод реализуется путем вдавливания в тестируемый материал инденторов – алмазного конуса или твердосплавного шарика.

Алмазные инденторы используются для тестирования закаленных сталей и твердых сплавов, а твердосплавные шарики – для менее твердых и относительно мягких металлов.  Измерения проводят на механических или электронных твердомерах.

Для измерения высоких значений твердости алмазным конусом чаще всего используются шкалы «А», «С». По ним тестируют образцы из закаленных инструментальных сталей и других твердых стальных сплавов. А сравнительно более мягкие материалы, такие как алюминий, медь, латунь, отожженные стали испытываются шариковыми инденторами по шкале «В».

Пример обозначения твердости по Роквеллу: 58 HRC или 42 HRB.

Впереди стоящие цифры обозначают число или условную единицу измерения. Две буквы после них – символ твердости по Роквеллу, третья буква – шкала, по которой проводились испытания.

(!) Два одинаковых значения от разных шкал – это не одно и то же, например, 58 HRC ≠ 58 HRA. Сопоставлять числовые значения по Роквеллу можно только в том случае, если они относятся к одной шкале.

Диапазоны шкал Роквелла по ГОСТ 8.064-94:

Слесарный инструмент

Инструменты для ручной обработки металлов (рубка, резка, опиливание, клеймение, пробивка, разметка) изготавливают из углеродистых и легированных инструментальных сталей. Их рабочие части подвергают закаливанию до определенной твердости, которая должна находиться в пределах:

Монтажный инструмент

Сюда относятся различные гаечные ключи, отвертки, шарнирно-губцевый инструмент. Норму твердости для их рабочих частей устанавливают действующие стандарты. Это очень важный показатель, от которого зависит, насколько инструмент износостоек и способен сопротивляться смятию. Достаточные значения для некоторых инструментов приведены ниже:

Металлорежущий инструмент

В эту категорию входит расходная оснастка для обработки металла резанием, используемая на станках или с ручными инструментами. Для ее изготовления используются быстрорежущие стали или твердые сплавы, которые сохраняют твердость в холодном и перегретом состоянии.

Примечание: Некоторые производители фрез указывают в маркировке твердость не самой фрезы, а материала, который она может обрабатывать.

Крепежные изделия

Существует взаимосвязь между классом прочности крепежа и его твердостью. Для высокопрочных болтов, винтов, гаек эта взаимосвязь отражена в таблице:

Если для болтов и гаек главной механической характеристикой является класс прочности, то для таких крепежных изделий как стопорные гайки, шайбы, установочные винты, твердость не менее важна. 

Стандартами установлены следующие минимальные / максимальные значения по Роквеллу:

Относительное измерение твердости при помощи напильников

Стоимость стационарных и портативных твердомеров довольно высока, поэтому их приобретение оправдано только необходимостью частой эксплуатации. Многие мастеровые по мере надобности практикуют измерять твердость металлов и сплавов относительно, при помощи подручных средств.

Опиливание образца напильником – один из самых доступных, однако далеко не самый объективный способ проверки твердости стальных деталей, инструмента, оснастки.

Напильник должен иметь не затупленную двойную насечку средней величины №3 или №4.

Сопротивление опиливанию и сопровождающий его скрежет позволяет даже при небольшом навыке отличить незакаленную сталь от умеренно (40 HRC) или твердо закаленной (55 HRC).

Для тестирования с большей точностью существуют наборы тарированных напильников, именуемые также царапающий твердомер. Они применяются для испытания зубьев пил, фрез, шестерен. Каждый такой напильник является носителем определенного значения по шкале Роквелла.

Твердость измеряется коротким царапанием металлической поверхности поочередно напильниками из набора. Затем выбираются два близко стоящие – более твердый, который оставил царапину и менее твердый, который не смог поцарапать поверхность.

Твердость тестируемого металла будет находиться между значениями твердости этих двух напильников.

Переводная таблица твердости

Для сопоставления чисел твердости Роквелла, Бринелля, Виккерса, а также для перевода показателей одного метода в другой существует справочная таблица:

Примечание: В таблице приведены приближенные соотношения чисел, полученные разными методами. Погрешность перевода значений HV в HB составляет ±20 единиц, а перевода  HV в HR (шкала C и B) до ±3 единиц.

При выборе инструмента желательно предпочесть модели известных производителей. Это дает уверенность в том, что приобретаемый продукт изготовлен с соблюдением технологий, а его твердость отвечает заявленным значениям.

Статьи о продукции 23.09.2019 16:32:41