Методы измерения твердости

Твердость - способность материала сопротивляться пластической деформации или разрушению при местном силовом воздействии. Зависит от структуры материала и других его механических характеристик, главным образом модуля упругости при деформации и предела прочности при разрушении, количественная связь с которыми устанавливается теорией упругости.

Твердость одна из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность их применения в различных конструкциях и при различных условиях работы, является твердость. Испытания на твердость производятся чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.

Твердостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твердого тела. Для определения твердости в поверхность материала с определенной силой вдавливается тело (индентор), выполненное в виде стального шарика, алмазного конуса, пирамиды или иглы. По размерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твердости материала. Таким образом, под твердостью понимают сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела – индентора. В зависимости от способа измерения твердости материала, количественно ее характеризуют числами твердости по Бринеллю (НВ), Роквеллу(HRC) или Виккерсу (HV).

Существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерять вдавливанием индентора (способ вдавливания), ударом или же по отскоку наконечника – шарика. Твердость, определенная царапаньем, характеризует сопротивление разрушению, по отскоку – упругие свойства, вдавливанием - сопротивление пластической деформации. Перспективным и высокоточным методом является метод непрерывного вдавливания, при котором записывается диаграмма перемещения, возникающего при внедрении индентора, с одновременной регистрацией усилий. В зависимости от скорости приложения нагрузки на индентор твердость различают статическую (нагрузка прикладывается плавно) и динамическую (нагрузка прикладывается ударом).

Таблица 1 - Особенности различных методов измерения твердости.

Методы	Способ измерения	Форма индентора	Нагружение F, H	Допустимая шероховатость поверхности Ra
Бринелля	по диаметру отпечатка	стальной шарик	статичиское 24,5 - 29430	1,25 - 2,5
Роквелла	по глубине вдавливания	алмазный конусный наконечник или стальной шариковый	статическое 490,3-1373	0,38 - 2,5
Супер-Роквелла	по глубине вдавливания	алмазный конус или стальной шарик	статическое 147,1-441,3	0,08 - 0,16
Виккерса	по глубине вдавливания или по диагонали отпечатка	алмазный наконечник в форме правильной черырехгранной пирамиды	статическое 9,807-980,7	0,02 - 0,04
Людвика	по диаметру отпечатка	победитовый конус	статическое 20000	а
Шора (Монотрон)	по заданной глубине отпечатка	алмазный или стальной наконечник	статическое	0,63 - 1,25
Мартенса	по ширине царапины	алмазный конус или пирамида	динамическое	а

Широкое распространение испытаний на твердость объясняется рядом их преимуществ перед другими видами испытаний:

        простота измерений, которые не требуют специального образца и могут быть выполнены непосредственно на проверяемых деталях;

         высокая производительность;

        измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению;

        возможность ориентировочно оценить по твердости другие характеристики металла (например, предел прочности).

 Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием в испытываемый металл индентора в виде шарика метод Бринелля, конуса и пирамиды – метод Роквелла или метод  Виккерса. В результате вдавливания достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Величина внедрения наконечника в поверхность металла будет тем меньше, чем тверже испытываемый материал.

КЛАССИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЛЮ

Рисунок 1 - Схема испытаний по Бринеллю.

Рисунок 2 - Пресс Бринелля.

Твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012-59) измеряют вдавливанием в испытываемый образец стального шарика определенного диаметра D под действием заданной нагрузки P в течение определенного времени, Рисунок 1, на специализированном оборудовании, внешний вид - Рисунок 2, устройство - Рисунок 3. В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка).

Рисунок 3 - Устройство пресса Бринелля.

1 – груз; 2 – электродвигатель; 3 – маховик вращения винта для создания предварительной нагрузки; 4 – установочный стол; 5 – держатель индентора.

Таблица 2 - Таблица некоторых значений твердости по Бринеллю, HB.

 

d, мм	Нагрузка, кгс
	3000 *	1000	500	250
2	945,76	315,25	157,63	78,81
2,1	856,93	285,64	142,82	71,41
2,2	779,93	259,98	129,99	64,99
2,3	712,75	237,58	118,79	59,40
2,4	653,79	217,93	108,96	54,48
2,5	601,76	200,59	100,29	50,15
2,6	555,61	185,20	92,60	46,30
2,7	514,50	171,50	85,75	42,87
2,8	477,71	159,24	79,62	39,81
2,9	444,65	148,22	74,11	37,05
3	414,85	138,28	69,14	34,57
3,1	387,88	129,29	64,65	32,32
3,2	363,40	121,13	60,57	30,28
3,3	341,10	113,70	56,85	28,43
3,4	320,75	106,92	53,46	26,73
3,5	302,11	100,70	50,35	25,18
3,6	285,00	95,00	47,50	23,75
3,7	269,25	89,75	44,88	22,44
3,8	254,73	84,91	42,46	21,23
3,9	241,31	80,44	40,22	20,11
4,0	228,88	76,29	38,15	19,07
4,1	217,35	72,45	36,23	18,11
4,2	206,63	68,88	34,44	17,22
4,3	196,65	65,55	32,77	16,39
4,4	187,33	62,44	31,22	15,61
4,5	178,63	59,54	29,77	14,89
4,6	170,49	56,83	28,41	14,21
4,7	162,85	54,28	27,14	13,57
4,8	155,69	51,90	25,95	12,97
4,9	148,96	49,65	24,83	12,41
5,0	142,63	47,54	23,77	11,89
5,1	136,66	45,55	22,78	11,39
5,2	131,03	43,68	21,84	10,92
53	125 71	41 90	20 95	10 48
5,7	107,14	35,71	17,86	8,93
5,8	103,07	34,36	17,18	8,59
5,9	99,21	33,07	16,54	8,27
6,0	95,54	31,85	15,92	7,96
6,1	92,04	30,68	15,34	7,67
6,2	88,71	29,57	14,79	7,39
6,3	85,53	28,51	14,26	7,13
6,4	82,50	27,50	13,75	6,87
6,5	79,60	26,53	13,27	6,63
6,6	76,82	25,61	12,80	6,40
6,7	74,17	24,72	12,36	6,18
6,8	71,62	23,87	11,94	5,97
6,9	69,19	23,06	11,53	5,77
7,0	66,85	22,28	11,14	5,57
* стандартное испытание (D = 10 мм, P = 3000 кгс),

Шарики применяют диаметром 1,2; 2,5; 5; 10 мм. Диаметр шарика и нагрузка выбираются в соответствии с толщиной и твердостью образца. При этом для получения одинаковых чисел твердости одного материала при испытании шариками разных диаметров необходимо соблюдать закон подобия между получаемыми диаметрами отпечатков. Поэтому твердость измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки P и квадратом диаметра шарикаD2. Это соотношение должно быть различным для металлов разной твердости.

Число твердости по Бринеллю, измеренное при стандартном испытании (D = 10 мм, P = 3000 кгс), записывается так: HB 350. Если испытания проведены при других условиях, то запись будет иметь следующий вид: HB 5/250/30-200 или 200 HB 5/250/30, что означает – число твердости 200 получено при испытании шариком диаметром 5 мм под нагрузкой 250 кгс и длительности нагрузки 30 с. При испытании на твёрдость шаром из карбида вольфрама обозначение НВ дополняется буквой W с сохранением указанных индексов.

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<d<0,6D;

        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.

Диаметр отпечатка измеряют при помощи отсчетного микроскопа (лупы Бринелля), Рисунок 4, на окуляре которого имеется шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. Измерение проводят с точностью до 0,05 мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях; для определения твердости следует принимать среднюю из полученных величин.