01.11.2017 Твердость — способность металла пластически деформироваться под воздействием объекта с более высокой твердостью (индентора). Испытания на твёрдость являются очень распространёнными, поскольку определяют не только меру прочности изделия, но и его сопротивление переменным нагрузкам. Преимущество метода — испытания на твёрдость относятся к числу неразрушающих, а твердомеры для металлов могут быть как стационарными, так и портативными.
Измерения могут проводиться на эталонных образцах (изготовленных из того же материала или сплава и подвергнутых такому же режиму термической обработки) или на готовых деталях. Единственное условие — в случае испытания готовых деталей необходимо принять меры к тому, чтобы объект контроля (ОК) не имел внешних повреждений.
Выбор метода контроля твёрдости зависит от:
- исходных механических показателей прочности, упругости и пластичности изделия
- размеров ОК (или места соединения смежных элементов конструкции, если устанавливается твёрдость в зоне, например, сварного шва)
- конечного результата: установить твёрдость самого изделия, либо твёрдость только его поверхности (выполняется для деталей, прошедших термическую обработку или иной вид поверхностного упрочнения).
- Требований к условиям проведения испытания. В полевых условиях используют не стационарные, а портативные твердомеры.
- Стабильности результатов измерений и их воспроизводимости при повторных испытаниях.
Твёрдость может быть измерена тремя группами методов — механическими (статическими и динамическими), а также ультразвуковыми. Кроме того, различают твёрдость при комнатных и повышенных температурах (так называемую «горячую твёрдость»). Техническая сущность всех методов одна — в ОК внедряется деформирующий элемент, глубина перемещения которого считывается по специальной шкале.
Твёрдость рассматривается как сопротивление металла необратимым пластическим деформациям, а потому отличается от других измерений наличием специальных унифицированных приборов — твердомеров для металлов.
Твердомеры Бринелля: методика и оборудование
Используются для определения твёрдости мягких сплавов и цветных металлов, чугуна и незакалённых сталей в соответствии с ГОСТ 9012-59.
Измерение твердости по Бринеллю производится либо стальным шариком, либо шариком из карбида вольфрама. Последний позволяет узнать твердость материалов, превышающих показатель обычной стали.Карбидный индентор, как правило, нужен для инструментальных сплавов. Шарик из обычной стали используют, измеряя твердость древесины, меди, алюминия, дюраля, нержавейки, стекла. То есть, твердомер применяют не только к металлам.
Способ определения твёрдости по методу Бринелля заключается во вдавливании в поверхность ОК шарика-индентора (из закалённой стали или из твёрдого сплава). В результате на металле остаётся отпечаток в виде полусферы определённого диаметра и глубины, что позволяет определить меру твёрдости по Бринеллю (НВ).
Современная конструкция твердомера Бринелля позволяет плавно внедрять индентор в образец, обеспечивает высокую точность приложения нагрузки (погрешность не более 1,0 %), что позволяет получать отпечатки с высокой повторяемостью, необходимой для обеспечения точности измерений твердости.
В качестве инденторов используются шарики из твердого сплава диаметром 1; 2,5; 5 и 10 мм. Величину нагрузки и диаметр шарика выбирают в зависимости от исследуемого материала, который разделен на 5 основных групп:
1 — сталь, никелевые и титановые сплавы; 2 — чугун; 3 — медь и сплавы меди; 4 — легкие металлы и их сплавы; 5 — свинец, олово.
При измерении твердости по методу Бринелля необходимо выполнять следующие условия:
- образцы с твердостью выше HB 450/650 кгс/мм2 испытывать запрещается;
- поверхность образца должна быть плоской и очищенной от окалины и других посторонних веществ;
- диаметры отпечатков должны находиться в пределах 0,2D
- образцы должны иметь толщину не менее 10-кратной глубины отпечатка (или менее диаметра шарика);
- расстояние между центрами соседних отпечатков и между центром отпечатка и краем образца должны быть не менее 4d;
- продолжительность выдержки под нагрузкой должна быть от 10 до 15 с для чёрных металлов, для цветных металлов и сплавов – от 10 до 180 с, в зависимости от материала и его твёрдости.
Выбор зависит от твёрдости объекта контроля и требуемой нагрузки:
| Диаметр шарика, мм | Рекомендуемая нагрузка на индентор, кН в зависимости от материала изделия | ||||
| Стали, чугуны, высокопрочные сплавы | Большинство цветных металлов и сплавов | Алюминий | Подшипниковые сплавы | Свинец, олово, баббиты | |
| 10 | 29,42 | 9,8 | 4,9 | 2,45 | 1,225 |
| 5 | 7,335 | 2,45 | 1,225 | 0,613 | 0,307 |
| 2,5 | 1,84 | 0,613 | 0,307 | 0,153 | 0,077 |
| 1,25 | 0,459 | 0,153 | 0,076 | 0,038 | 0,019 |
| 1 | 0,294 | 0,098 | 0,049 | 0,0245 | 0,013 |
| Рекомендуемый диапазон измерения твёрдости, НВ | 67-450 | 22-315 | 11-158 | 6-78 | 3-39 |
Ограничения для твердомеров Бринелля
- Нельзя выполнять измерения твёрдости НВ одной и той же детали, используя различные типы твердомеров
- Соотношение прикладываемой к изделию нагрузки и площади отпечатка должны быть постоянными
- При ссылке на установленную при замерах величину НВ необходимо указывать условия, при которых был получен результат
- Деталь в месте измерения твёрдости должна иметь ровную и хорошо зашлифованную поверхность достаточной толщины (иначе с обратной стороны возможна деформация, ухудшающая точность результата)
- Недопустимо определять твёрдость, если точка испытания находится вблизи от кромки детали.
- Метод Бринелля непригоден, если измеренная твёрдость превышает 450 НВ: в таком случае происходит деформация контактной поверхности самого индентора.
Твердость по Бринеллю (НВ) выражается отношением взятой нагрузки Р к площади поверхности отпечатка F: HB=P/F
Если вычислить поверхность отпечатка, имеющего форму шарового сегмента, то НВ определится формулой:
HB=2P/(πD*√(D2-d2)
[2] где Р – приложенная нагрузка, кгс; D – диаметр шарика, мм; d – диаметр отпечатка, мм. Размер шарика выбирается в зависимости от толщины испытуемого образца: обычно пользуются шариками стандартных размеров диаметрами в 10 мм, 5 мм 2,5, или 1 мм. Нагрузка на шарик выбирается в зависимости от рода материала и должна быть пропорциональна квадрату диаметра шарика. Условные стандартные нормы, принятые для различных материалов, следующие: для стали и чугуна Р = 30D2, для меди и медных сплавов P= 10D2, для баббитов и свинцовистых бронз Р = 2,5D2. Более подробные сведения по выбору нагрузки, времени приложения нагрузки для различных материалов приводятся в соответствующей таблице в лаборатории испытания твердости. Кроме того, нагрузка считается выбранной правильно, если выдерживается соотношение
0,2D < d < 0,6D (3)
Диаметр отпечатка измеряют с помощью лупы Бринелля или микроскопа в двух взаимно перпендикулярных направлениях и определяют как среднее арифметическое из двух измерений. Лупа имеет шкалу, малое деление которой (или цена деления) равно 0,05 мм. По результатам измерения диаметра отпечатка на данном материале твердость по Бринеллю определяется с помощью формулы [2] или по таблице определения чисел твердости по Бринеллю. Как отмечалось ранее, между механическими свойствами (в частности, пределом прочности σB и твердостью по Бринеллю) существует определенная зависимость, которая может быть представлена эмпирической формулой: σB=C*HB*10 [МПа],
где С – коэффициент пропорциональности.
Для сталей С = 0,33…0,36 Для алюминия С = 0,4 Для меди С = 0,48 Для дуралюмина С = 0,37 Для латуни, бронзы С = 0,53
Следует отметить, что для хрупких материалов (чугун, силумин) надежной корреляции между твердостью и пределом прочности получить не удается. В частности, для определения предела прочности серого чугуна пользуются следующей эмпирической формулой: σB=10*(HB-40)/6 [МПа]
Пример обозначения твердости по Бринеллю: 600 HBW 10/3000/20, где
600
— значение твердости по Бринеллю, кгс/мм2;
HBW
— символьное обозначение твердости по Бринеллю;
10
— диаметр шарика в мм;
3000
— приблизительное значение эквивалентной нагрузки в кгс (3000 кгс = 29420 Н);
20
— время действия нагрузки, с.
Твердомеры для металлов, реализующие метод Бринелля, подразделяют на приборы типа ТШ и типа БТБ.
Стационарные твердомеры для металлов типа ТШ, с механическим приводом от электродвигателя, состоят из следующих узлов:
- Узла нагружения, который включает в себя оправку с индентором, возвратную пружину и корпус;
- Узла привода, состоящего из электродвигателя и системы передач;
- Рычажного механизма, который передаёт рабочую нагрузку на шарик;
- Рабочего стола;
- Панели управления и контроля результатов измерений;
- Противовеса с грузами;
- С-образной станины.
Принцип измерения следующий: деталь испытуемой поверхностью вверх устанавливают на стол, после чего поднимают его до упора, имеющегося в корпусе индентора. Далее включается электродвигатель, который перемещает корпус индентора. Тот, преодолевая сопротивление пружин, приводит в движение шарик, который вдавливается в металл. Конечный результат считывается по шкале. Отношение плеч рычажного механизма, а также суммарный вес грузов на противовесе устанавливается в зависимости от предполагаемого результата измерений (см. таблицу выше).
Твердомеры для металлов типа БТБ имеют некоторые эксплуатационные преимущества перед приборами ТШ: они обладают увеличенными размерами рабочего пространства стола, смена режимов нагружения производится механически, а для отсчёта результата используется более точная оптическая система. Работы на твердомерах БТБ производят в той же последовательности, что и на приборах ТШ, но образец после испытания сканируется измерительной головкой, с отображением результата на экране.
Данный способ подходит также для определения твёрдости изделий, которые эксплуатируются при повышенных температурах. Для этого на стол устанавливается ванна с нагревающей образец жидкостью, причём для температур до 3000С используют масло, а для более высоких температур – солевой расплав. Образец помещают в ванну на асбестовую плиту, после чего измеряют твёрдость обычным методом.
Доступными и простыми в эксплуатации являются портативные (переносные) твердомеры для металлов. Испытательная головка прибора устанавливается на деталь в месте измерения и крепится струбциной или специальными захватами. Нагрузка создаётся вручную, и контролируется по шкале индикатора. Для измерения результата применяют переносной микроскоп. Замеренный отпечаток сравнивается со значениями, которые приводятся в таблицах пересчёта.
Твердомеры для металлов, работающие по методу Бринелля, имеют ряд ограничений:
- Не учитывается упругая деформация детали под нагрузкой.
- Динамика проведения испытания (время и скорость вдавливания индентора) очень сильно зависит от исходной твёрдости металла.
- Поверхность в месте испытания должна быть строго перпендикулярной оси движения индентора.
- При повторных измерениях твёрдости расстояние между смежными отпечатками должны быть не менее 0,2…0,6 от диаметра шарика.
Если вы хотите приобрести твердомер Бринелля, рекомендуем модель ТБ 5005А или модель LC-200R
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.
Твердомеры Роквелла: методика и оборудование
Метод определения твёрдости металлов по Роквеллу состоит во вдавливании алмазного конуса или стального закалённого шарика в предварительно зашлифованную поверхность образца. В отличие от предыдущего способа твёрдость по Роквеллу заключается в определении глубины вдавливания. Метод Роквелла считается более оперативным, а в таких твердомерах автоматизируется как процесс испытания, так и последующая обработка его результатов.
Суть метода Роквелла заключается в том, что предварительно выбирается некоторая реперная точка, и полученная для этой координаты глубина внедрения индентора вычитается из произвольно выбранной наибольшей глубины вдавливания.
Существует 11 шкал определения твердости по методу Роквелла (A; B; C; D; E; F; G; H; K; N; T), основанных на комбинации «индентор (наконечник) — нагрузка». Наиболее широко используются два типа инденторов: шарик из карбида вольфрама диаметром 1/16 дюйма (1,5875 мм) или такой же шарик из закаленной стали либо конический алмазный наконечник с углом при вершине 120°. Возможные нагрузки — 60, 100 и 150 кгс. Величина твёрдости определяется как относительная разница в глубине проникновения индентора при приложении основной и предварительной (10 кгс) нагрузки.
Для обозначения твёрдости, определённой по методу Роквелла, используется символ HR, к которому добавляется буква, указывающая шкалу, по которой проводились испытания (HRA, HRB, HRC).
Таблица определения твердости по Бринеллю
| Диаметр отпечатка d10или 2d5, или 4d2,5 | Число твердости по Бринеллю при нагрузке Р (кгс), равной | Диаметр отпечатка d10или 2d5, или 4d2,5 | Число твердости по Бринеллю при нагрузке Р (кгс), равной | ||||
| 30 D2 | 10 D2 | 2,5 D2 | 30 D2 | 10 D2 | 2,5 D2 | ||
| 2,00 | 955 | 4,00 | 229 | 76,3 | 19,1 | ||
| 2,05 | 910 | 4,05 | 223 | 74,3 | 18,6 | ||
| 2,10 | 868 | 4,10 | 217 | 72,4 | 18,1 | ||
| 2,15 | 4,20 | 207 | 68,8 | 17,2 | |||
| 2,20 | 764 | 4,25 | 201 | 67,1 | 16,8 | ||
| 2,25 | 735 | 4,30 | 197 | 65,5 | 16,4 | ||
| 2,30 | 707 | 4,35 | 192 | 63,8 | 16,0 | ||
| 2,35 | 682 | 4,40 | 187 | 62,4 | 15,6 | ||
| 2,40 | 659 | 4,45 | 183 | 60,9 | 15,2 | ||
| 2,45 | 616 | 4,50 | 179 | 59,5 | 14,9 | ||
| 2,50 | 597 | 4,55 | 174 | 58,1 | 14,5 | ||
| 2,55 | 579 | 4,60 | 170 | 56,8 | 14,2 | ||
| 2,60 | 562 | 4,65 | 167 | 55,5 | 13,9 | ||
| 2,65 | 531 | 4,70 | 163 | 54,3 | 13,6 | ||
| 2,70 | 516 | 4,75 | 159 | 53,0 | 13,3 | ||
| 2,75 | 489 | 4,80 | 156 | 51,9 | 13,0 | ||
| 2,80 | 477 | 4,85 | 152 | 50,7 | 12,7 | ||
| 2,85 | 455 | 4,90 | 149 | 49,6 | 12,4 | ||
| 2,90 | 444 | 4,95 | 146 | 48,6 | 12,2 | ||
| 2,95 | 429 | 5,00 | 143 | 47,5 | 11,9 | ||
| 3,00 | 415 | 34,6 | 5,05 | 140 | 46,5 | 11,6 | |
| 3,05 | 401 | 33,4 | 5,10 | 137 | 45,5 | 11,4 | |
| 3,10 | 388 | 129 | 32,3 | 5,15 | 134 | 44,6 | 11,2 |
| 3,15 | 375 | 125 | 31,3 | 5,20 | 131 | 43,7 | 10,9 |
| 3,20 | 363 | 121 | 30,3 | 5,25 | 128 | 42,8 | 10,7 |
| 3,25 | 352 | 117 | 29,3 | 5,30 | 126 | 41,9 | 10,5 |
| 3,30 | 341 | 114 | 28,4 | 5,35 | 123 | 41,0 | 10,3 |
| 3,35 | 331 | 110 | 27,6 | 5,40 | 121 | 40,2 | 10,1 |
| 3,40 | 321 | 107 | 26,7 | 5,45 | 118 | 39,4 | 9,86 |
| 3,45 | 311 | 104 | 25,9 | 5,50 | 116 | 38,6 | 9,66 |
| 3,50 | 302 | 101 | 25,2 | 5,55 | 114 | 37,9 | 9,46 |
| 3,55 | 293 | 97,7 | 24,5 | 5,60 | 111 | 37,1 | 9,27 |
| 3,60 | 285 | 95,0 | 23,7 | 5,65 | 109 | 36,4 | 9,10 |
| 3,65 | 277 | 92,3 | 23,1 | 5,70 | 107 | 35,7 | 8,93 |
| 3,70 | 269 | 89,7 | 22,4 | 5,75 | 105 | 35,0 | 8,76 |
| 3,75 | 262 | 87,2 | 21,8 | 5,80 | 103 | 34,3 | 8,59 |
| 3,80 | 255 | 84,9 | 21,2 | 5,85 | 101 | 33,7 | 8,43 |
| 3,85 | 248 | 82,6 | 20,7 | 5,90 | 99,2 | 33,1 | 8,26 |
| 3,90 | 241 | 80,4 | 20,1 | 5,95 | 97,3 | 32,4 | 8,11 |
| 3,95 | 235 | 78,3 | 19,6 | 6,00 | 95,5 | 31,8 | 7,96 |
Выбор метода в зависимости от условий испытания
| Вариант метода | А | В | С | F | N | T |
| Форма индентора | Конус | Шарик | Конус | Шарик | Конус | Шарик |
| Материал индентора | Алмаз | Сталь | Алмаз | Сталь | Алмаз | Сталь |
| Условное обозначение твёрдости | HRA | HRB | HRC | HRF | HRN | HRT |
| Диапазон замера твёрдости | 60…80 | 35…100 | 30…70 | 60…100 | 17…92 | 5…94 |
| Металлы | Стали весьма высокой твёрдости | Стали средней твёрдости, цветные сплавы | Стали повышенной твёрдости | Тонколистовые металлы | Для испытания тонких или малогабаритных изделий | |
Стационарные твердомеры для металлов по методу Роквелла (типа ТК) делятся на приборы с электрическим и механическим приводом. Ручной твердомер ТК включает в себя:
- Подвижный измерительный стол, на который устанавливается деталь
- Рычажный привод нагружения
- Измерительную систему (цифровая или аналоговая индикация результата)
- Рабочая измерительная головка (с регулируемыми установками)
- Масляный амортизатор
- Станина
Принцип действия твердомера Роквелла: Образец (шлифованной поверхностью вверх) размещают на измерительном столе, после чего перемещают его вверх, до начала вдавливания индентора в поверхность, что отслеживается по шкале твердомера . Это предварительное нагружение, признаком окончания которого является вертикальное расположение большой стрелки. Это означает, что индентор внедрился в поверхность на глубину, при которой упругая деформация металла уже перешла в пластическую. Затем освобождают рукоятку, которая амортизатором возвращается до упора, и нагружают испытуемое изделие основным усилием. В конечном положении нагрузка на деталь должна быть не менее 5…10 с., когда на индикаторе появится искомое значение твёрдости по Роквеллу.
Наиболее часто используемые шкалы Роквелла
| Шкала | Сокращённое обозначение | Испытательная нагрузка | Тип индентора | Область применения | N | s |
| A | HRA | 60 кгс | 120° алмазный сфероконический* | Карбид вольфрама | 100 | 0,002 мм |
| B | HRB | 100 кгс | Диаметр 1⁄16 дюйма (1,588 мм) стальной, сферический | Алюминиевые сплавы, бронза, мягкие стали | 130 | 0,002 мм |
| C | HRC | 150 кгс | 120° алмазный, сфероконический | Твёрдые стали с HRB > 100 | 100 | 0,002 мм |
| D | HRD | 100 кгс | 120° алмазный, сфероконический | 100 | 0,002 мм | |
| E | HRE | 100 кгс | Диаметр 1⁄8 дюйма (3,175 мм) стальной, сферический | 130 | 0,002 мм | |
| F | HRF | 60 кгс | Диаметр 1⁄16 дюйма (1,588 мм) стальной, сферический | 130 | 0,002 мм | |
| G | HRG | 150 кгс | Диаметр 1⁄16 дюйма (1,588 мм) стальной, сферический | 130 | 0,002 мм | |
| *Радиус сферического скругления вершины конуса 0,2 мм | ||||||
Факторы, влияющие на точность измерения
- Важным фактором является толщина образца. Не допускается проверка образцов с толщиной менее десятикратной глубины проникновения наконечника
- Ограничивается минимальное расстояние между отпечатками (3 диаметра между центрами ближайших отпечатков)
- Параллакса при считывании результатов с циферблата стрелочных приборов
- Простота метода Роквелла (главным образом, отсутствие необходимости измерять диаметр отпечатка) привела к его широкому применению в промышленности для проверки твёрдости. Также не требуется высокая чистота измеряемой поверхности (например, методы Бринелля и Виккерса включают замер отпечатка с помощью микроскопа и требуют полировку поверхности)
К недостатку метода Роквелла относится меньшая точность по сравнению с методами Бринелля и Виккерса.
Если вы хотите приобрести твердомер Бринелля, рекомендуем модель ТР 5008А или модель LC-200R
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.
Применение камня
Используется показатель твердости алмаза и в промышленности. Не все камни, которые обнаруживают в трубках на месторождениях, пригодны для ювелирной обработки. Большинство материала имеет слишком много дефектов. Такие минералы отправляются на потребности промышленности, где алмаз используется в качестве абразива. Аппаратура, которая имеет покрытие алмазной крошкой, работает дольше и качественнее. Алмаз используется в таких приборах и инструментах, как:
- оборудование в медицине (скальпели, хирургические инструменты);
- сверла, фрезы, шлифовальные круги, стеклорезы, ножницы и пилы по металлу, буровые установки;
- в телекоммуникациях и электронике алмаз используют для прохождения сигналов разных частот по одному кабелю;
- защитный элемент в химической и физической промышленности;
- космическая отрасль, где используются даже лонсдейлиты, которые прочнее алмаза.
Алмаз — вещество, которое имеет уникальные свойства. В том числе и твердость минерала дает возможность использовать его в разных сферах. Применение камня актуально, и его стоимость продолжает расти. А искусственные вещества, которые крепче алмаза, пока недоступны для широкого использования.
