Министерство по образованию и науке РФ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Красноярский государственный педагогический университет
им. В.П.Астафьева»
Филиал в г.Железногорске
Кафедра Информатики и Технологии
«Методы определения твёрдости металлов»
Выполнил:
Пирожков В.П.
Проверил:
асс. Елисеев Д.В.
г.Железногоск, 2010 г.
Введение и основные сведения 3
Измерение твёрдости по Бринеллю 7
Измерение твёрдости по Виккерсу 10
Измерение твёрдости по Роквеллу 11
Твёрдость абразивных материалов 12
Контроль твёрдости абразивного инструмента 14
Список используемых источников 15
ВВЕДЕНИЕ и основные сведения
Одной 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.
Твёрдостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твёрдого тела. Твёрдость определяется как величина нагрузки необходимой для начала разрушения материала. Различают относительную и абсолютную твёрдость. Относительная - твёрдость одного материала относительно другого. Является важнейшим диагностическим свойством. Абсолютная, она же инструментальная - измеряется методами вдавливания.
Твёрдость зависит от:
Межатомных расстояний.
Координационного числа - чем выше число, тем выше твёрдость.
Валентности.
Природы химической связи
От направления (например минерал дистен - его твёрдость вдоль кристалла 4, а поперёк - 7)
Хрупкости и ковкости
Гибкости - минерал легко гнётся, изгиб не выпрямляется (например, тальк)
Упругости - минерал сгибается, но выпрямляется (например, слюды)
Вязкости - минерал трудно сломать (например, жадеит)
Спайности
Наиболее твёрдыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода - лонсдейлит, на 58 % превосходящий по твёрдости алмаз и фуллерит (примерно в 2 раза твёрже алмаза). Однако практическое применение этих веществ пока малораспостранено. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз.
Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения):
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 кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твёрдость, англ.), B - Бринелль;
Метод Роквелла - твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического 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 − kd, где d - глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k - коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу соответствует HR 100.
Метод Виккерса - твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к пирамидке, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части поверхности пирамиды, а не как площадь ромба); размерность единиц твёрдости по Виккерсу кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV;
Рис.1 Методы определения твёрдости материала.
а) по Бринеллю; б) по Роквеллу; в) по Виккерсу
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 измерения 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. В качестве примера, резина в покрышке колеса легкового автомобиля имеет твердость примерно 70A, школьный ластик - примерно 50A;
Твёрдость по Шору (Метод отскока) - метод определения твёрдости очень твёрдых 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. Обозначается HSx, где H - Hardness, S - Shore и x - латинская буква, обозначающая тип использованной при измерении шкалы.
Метод Аскер («Аскер» - это название японской компании, производящей измерители твердости - дурометры) - твёрдость определяется по глубине введения стальной полусферы под действием пружины. Используется для мягких резин. По принципу измерения соответствует методу Шора, но отличается формой поверхности щупа. Аскер С использует полусферу диаметром 2.54 мм.
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.
В России стандартизированы четыре первые шкалы твёрдости. Первые три перечисленных метода относятся к методам вдавливания, методы Шора и Кузнецова - Герберта - Ребиндера - к динамическим методам определения твёрдости. Значения твёрдости, определённые по методам вдавливания, можно пересчитать из одной шкалы в другую. Конкретный способ определения твёрдости выбирается исходя из свойств материала, имеющейся аппаратуры и др.
Для инструментального определения твёрдости методом вдавливания используются твердомеры. Методы определения твердости, в зависимости от степени воздействия на объект, могут относиться как к неразрушающим, так и к разрущающим методам.
Механические характеристики связаны между собой, поэтому их конкретные значения могут быть найдены расчётным путём на основе данных о твёрдости с помощью формул, полученных для конкретного материала с определённой термообработкой. Так, например, предел выносливости на изгиб сталей с твёрдостью 180-350 НВ равен примерно 1,8 НВ, с твёрдостью 45-55 HRC - 18 HRC+150, связь предела выносливости с пределом прочности стали описывается соотношениями:
Конкретным образцам конструкционных материалов, а также выполненным из них изделиям, присуща индивидуальность прочностных и упругих характеристик. Разброс их значений для различных образцов, выполненных из одного и того же материала, обусловлен статистической природой прочности твёрдых тел, различием структур внешне одинаковых образцов. Из-за неопределённости реальных механических характеристик материала, неопределённости некоторых внешних нагрузок, действующих на технический объект, погрешности расчётов для обеспечения безопасной работы проектируемых конструкций должны быть приняты соответствующие проектному этапу обеспечения надёжности меры предосторожности. В качестве такой меры используется понижение в n раз относительно опасного напряжения материала (предела прочности, предела текучести, предела выносливости или предела пропорциональности) величины максимально допускаемых напряжений, используемых в условии прочности. Величина n получила название нормативного коэффициента запаса прочности , который выбирается по таблице или рассчитывается как произведение
n = n 1 * n 2 * n 3 ,
где n 1 -учитывает среднюю точность определения напряжений, n 2 -учитывает неопределённость механических характеристик материала, n 3 -учитывает среднюю степень ответственности проектируемой детали.
Как мы выяснили выше, 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. В зависимости от скорости приложения нагрузки на индентор твердость различают статическую (нагрузка прикладывается плавно) и динамическую (нагрузка прикладывается ударом).
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, в первую очередь предел прочности.
Так, например, зная твердость по Бринеллю (HB), можно определить предел прочности на растяжение (временное сопротивление).
,
где k – коэффициент, зависящий от материала;
k = 0,34 – сталь HB 120 … 175;
k = 0,35 – сталь HB 175 … 450;
k = 0,55 – медь, латунь и бронза отоженные;
k = 0,33 … 0,36 – алюминий и его сплавы.
Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием в испытываемый металл индентора в виде шарика, конуса и пирамиды (соответственно методы Бринелля, Роквелла и 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.определение сурьмы……………………13 Количественное определение сурьмы…………………17 Методы осаждения... этого, сурьма придаёт типографскому сплаву твёрдость и износостойкость, – весьма важные свойства, если...
Физические основы пластичности и прочности металлов (2)
Реферат >> Физика... (вязкое) разрушение в результате среза Твердость металлов . Твёрдость металлов не является физической постоянной, а представляет... можно пересчитать на число твёрдости по Бринеллю). Выбор метода определения твёрдости зависит от исследуемого...
Методы измерения твердости
Реферат >> Промышленность, производствоПроизводятся чаще, чем определение других механических характеристик металлов : прочности, относительного... деформации. Перспективным и высокоточным методом является метод непрерывного вдавливания, при... с. При испытании на твёрдость шаром из карбида вольфрама...
Классификация банковских операций (1)
Задача >> Банковское делоИ применение 4.Что такое твёрдость металла ? Изложите методы определения твёрдости металла по Бринеллю, Роквеллу 5.Углеродистые... легким движением. 4. Что такое твёрдость металла ? Изложите методы определения твёрдости металла по Бринеллю, Роквеллу. Твердость...
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.
Твердость – свойство металла оказывать сопротивление проникновению в него другого более твердого тела, минимум в 10 раз. Для определения твердости применяют: методы Бриннеля, Роквелла и Виккерса.
Метод Бриннеля : в испытуемый материал под определенной нагрузкой вдавливают стальной закаленный шарик определенного диаметра и по величине диаметра шарового отпечатка судят о тверости. Отпечаток имеет вид шарового сегмента. Твердость по Бриннелю (НВ) определяют из выражения НВ=Р/F, где Р – нагрузка, F – площадь поверхности шарового отпечатка. К недостаткам метода Б. необходимо отнести невозможность испытания металлов, имеющих твердость меньше 450 МПа или толщину больше 2 мм. При испытании с твердостью более 450 МПа возможна деформация шарика и результаты будут неточными.
Метод Роквелла : основан на том, что в испытуемый образец вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120 о или закаленный стальной шарик диаметром 1,59 мм. Алмазный конус – для твердых, шарик – для мягких металлов. Шарик/алмазный конус вдавливают в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок – предварительной (0,1 кН) и основной. Соответственно с этими нагрузками на индикаторе прибора нанесены шкалы: черные А и С и красные В. Шкала А – измерение твердости изделий с очень твердым поверхностным слоем; шкала С – для измерения твердости закаленных сталей; шкала В – незакаленные стали, цветные металлы и сплавы, имеющие твердость HRB 100. Метод Р. отличается простотой и высокой скоростью измерения, обеспечивает сохранение качественной поверхности после испытаний, позволяет испытывать металлы как низкой, так и высокой твердости, при толщине изделий до 0,8 мм. Этот метод не рекомендуется применять для сплавов с неоднородной структурой (чугуны серые, ковкие и высокопрочные).
Метод Виккреса : прибором ТП-2 (типа Виккерса) можно испытывать твердость изделий толщиной 0,15 мм и выше, а также поверхностные слои металла практически из любых материалов. Измерение методом В. заключается во вдавливании под нагрузкой в испытуемое изделие в течение определенного времени наконечника в виде правильной четырехгранной алмазной пирамиды. Определение твердости на приборе ТП-2 : получение отпечатка, оптическое измерение отпечатка, определение числа твердости. При определении твердости должны быть соблюдены следующие правила: нагрузка до необходимого значения должна возрастать плавно; поверхность испытуемого образца должна быть блестящей и не иметь посторонних включений; поверхность образца должна быть сухой и чистой; наконечник должен быть перпендикулярен к поверхности образца.
Метод определения восстановленной твёрдости.
Твёрдость определяется как отношение величины нагрузки к площади поверхности, площади проекции или объёму 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 измеряют в трёх диапазонах: макро , микро , нано . Макродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор от 2 до 30 кН. Микродиапазон (см. микротвёрдость) регламентирует величину нагрузки на индентор до 2 Н и глубину внедрения индентора больше 0,2 мкм . Нанодиапазон регламентирует только глубину внедрения индентора, которая должна быть меньше 0,2 мкм . Часто твёрдость в нанодиапазоне называют нанотвердостью (nanohardness). Величина нанотвердости может значительно отличаться от микротвёрдости для одного и того же материала. .
Измеряемая твёрдость, 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 твёрдость увеличивается - обратный размерный эффект (reverse indentation size effect );
- для индентора в виде пирамиды Виккерса или Берковича - с увеличением нагрузки твёрдость уменьшается - прямой или просто размерный эффект (indentation size effect );
- для сфероконического индентора (типа конуса для твердомера Роквелла) - с увеличением нагрузки твёрдость сначала увеличивается, когда внедряется сферическая часть индентора, а затем начинает уменьшаться (для конической части индентора).
Методы измерения твёрдости
Методы определения твёрдости по способу приложения нагрузки делятся на: 1) статические и 2) динамические (ударные).
Для измерения твёрдости существуют несколько шкал (методов измерения):
- Метод Бринелля - твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому твердосплавным 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 (твёрдость по Мейеру)); размерность единиц твердости по Бринеллю МПа (кгс/мм²). Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HBW, где H - hardness (твёрдость, англ. ), B - Бринелль, W - материал индентора, затем указывают диаметр индентора, нагрузку и время выдержки. Стальные шарики в качестве инденторов для метода Бринелля уже не используются.
- Метод Роквелла - твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания стального, твердосплавного шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HRA, HRB, HRC и т.д.; твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 (130) − h/e , где h - глубина относительного вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а e - коэффициент, равный 0,002 мм для метода Роквелла и 0,001 мм для супер Роквелла. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу по шкалам A и C составляет 100 единиц, а по шкале B - 130 единиц. Всего существует 54 шкалы измерения твердости по Роквеллу.
- Метод Виккерса - твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение нагрузки, приложенной к пирамидке, к площади поверхности отпечатка (причём площадь поверхности отпечатка берётся как площадь части геометрически правильной пирамиды, а не как площадь поверхности фактического отпечатка); размерность единиц твёрдости по Виккерсу кгс/мм² . Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV с обязательным указанием нагрузки и времени выдержки.
- Методы Шора:
- 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 .
Методы измерения твёрдости делятся на две основные категории: статические методы определения твёрдости и динамические методы определения твёрдости.
Для инструментального определения твёрдости используются приборы, именуемые твёрдомерами . Методы определения твёрдости, в зависимости от степени воздействия на объект, могут относиться как к неразрушающим, так и к разрушающим методам.
Определение твердости материалов
Твердостью называется способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого материала. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструменты: резцы, сверла, фрезы, ножовочные полотна и др. Детали машин, как правило, должны иметь среднюю твердость, т.к. при большой твердости их будет трудно обрабатывать на станках, а если они будут мягкими, то на их поверхности могут образоваться вмятины и царапины. Кроме того, при средней твердости прочность удачно сочетается с вязкостью. Твердость материала определяется сравнительно просто и быстро. Поэтому определение твердости – это самый распространенный вид механических испытаний материалов.
Твердость материала простейшими способами определяется с помощью напильника, зубила или керна. Чем мягче материал, тем легче срезается металл напильником. Так, у закаленных сталей при работе напильником практически не видно царапин на поверхности, а алюминиевые детали легко повреждаются не только напильником, но и просто острым предметом. Мягкие металлы легко перерубаются зубилом при небольших усилиях, а твердые – при значительных.
Твердость металлов в производственных условиях определяется тремя способами,
Названными по именам их изобретателей: способы Бринелля, Роквелла и Виккерса.
Метод Бринелля основан на том, что в металл под нагрузкой Р вдавливают закаленный стальной шарик (рис.2) определенного диаметра D и по величине диаметра отпечатка d судят о его твердости. Твердость по Бринеллю (НВ) определяется из выражения:
, кгс/мм 2 ,
где – нагрузка, кгс (кН); – площадь поверхности отпечатка, мм 2 .
Нагрузка Р, диаметр шарика D и продолжительность выдержки шарика под нагрузкой выбираются в зависимости от вида материала, толщины образца и предполагаемой твердости по таблице 1. После нагружения шарика нагрузкой Р и выдержки под этой нагрузкой измерительной лупой определяют диаметр отпечатка d. По выше приведенной расчетной формуле или диаметру отпечатка в таблице 1 при шарике диаметром 10 мм и нагрузке30 кН (3000 кгс) находят соответствующее число твердости НВ, например, при диаметре отпечатка d = 3,5 мм будет твердость металла НВ 302.
Твердость НВ, измеренная по методу Бринелля, для ряда металлов, связана эмпирической зависимостью с пределом их прочности при растяжении s В:
s В =0,35 НВ – для сталей,
s В =0,45 НВ – для медных сплавов.
Таблица 1.
Зависимость режимов испытания (D, Р, t)
от твердости и толщины испытываемого образца
К недостаткам метода Бринелля необходимо отнести невозможность испытания металлов, имеющих твердость более НВ 450, или толщину менее 2 мм, появление остаточных следов деформации на поверхности испытанного изделия. При испытании металлов с твердостью более НВ 450 возможна деформация шарика, вследствие чего результаты будут неточными.
 |
Метод Роквелла основан на том, что в испытуемый образец вдавливается индентор (тело внедрения): алмазный конус с углом при вершине 120° или закаленный стальной шарик диаметром 1,59 мм. Алмазный конус используют для твердых металлов, а шарик – для мягких. Алмазный конус или шарик (рис.3) вдавливают в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок – предварительной Р 0 , равной 0,1 кН (10 кгс), и основной Р 1 .
При вдавливании алмаза к нему прилагается общая нагрузка Р = Р 0 +Р 1:
0,6 кН (60 кгс) – шкала твердомера А;
или 1,5 кН (150 кгс) – шкала твердомера С.
При вдавливании шарика прилагается общая нагрузка 1кН (100кгс)– шкала твердомера В.
Соответственно этим нагрузкам на индикаторе прибора имеются шкалы: черные А и С и красная В. Шкалой А пользуются при измерении твердости изделий с очень твердым поверхностным слоем, полученным посредством химико-термической обработки (цементация, азотирование и др.), а также твердых сплавов с твердостью до HRA 85. Шкалой В пользуются при измерении твердости незакаленных сталей, цветных металлов и сплавов , имеющих твердость до HRB 100. Шкалой С пользуются при измерении твердости закаленных сталей , обладающих твердостью до HRС 67. Числа твердости по Роквеллу измеряются в условных единицах и определяются при вдавливании алмазного конуса по формулам:
где 100 – число черных делений шкалы С и шкалы А циферблата индикатора прибора, а 130 – число красных делений шкалы В; h 0 – глубина (мм) внедрения алмаза (шарика) под действием предварительной нагрузки; h – глубина (мм) внедрения алмаза (шарика) под действием общей нагрузки Р, замеренной после ее снятия, но с оставлением предварительной нагрузки; 0,002 мм – глубина внедрения алмаза (шарика), соответствующая перемещению стрелки индикатора на одно деление.
Метод Роквелла отличается простотой и высокой производительностью, практически обеспечивает сохранение качества поверхности после испытаний, позволяет испытывать металлы и сплавы как низкой, так и высокой твердости при толщине изделия (слоя) до 0,8 мм. Этот метод не рекомендуется применять для сплавов с неоднородной структурой (чугуны: серые, ковкие и высокопрочные). Соотношение твердостей материалов, замеренных этими двумя различными способами, видно из таблицы 2.
Таблица 2.
Соотношение чисел твердости по Бринеллю и Роквеллу
| Твердость | Твердость | Твердость | |||||||
| По Роквеллу | По Бринеллю | По Роквеллу | По Бринеллю | По Роквеллу | По Бринеллю | ||||
| шкала | D=10 мм, Р = 3000 кгс | шкалы | D=10 мм, Р=3000 кгс | шкала | D=10 мм, Р=3000 кгс | ||||
| С | Диаметр отпечатка, мм | HB | C | B | Диаметр отпечатка, мм | НВ | В | Диаметр отпечатка, мм | HB |
| HRC | HRC | HRB | HRB | ||||||
| 2,20 | – | 3,40 | 4,60 | ||||||
| 2,25 | – | 3,45 | 4,65 | ||||||
| 2,30 | – | 3,50 | 4,70 | ||||||
| 2,35 | – | 3,55 | 4,75 | ||||||
| 2,40 | – | 3,60 | 4,80 | ||||||
| 2,45 | – | 3,65 | 4,85 | ||||||
| 2,50 | – | 3,70 | 4,90 | ||||||
| 2,55 | – | 3,75 | 4,95 | ||||||
| 2,60 | – | 3,80 | 5,00 | ||||||
| 2,65 | – | 3,85 | 5,05 | ||||||
| 2,70 | 3,90 | 5,10 | |||||||
| 2,75 | 3,95 | 5,15 | |||||||
| 2,80 | 4,00 | 5,20 | |||||||
| 2,85 | 4,05 | 5,25 | |||||||
| 2,90 | 4,10 | 5,30 | |||||||
| 2,95 | 4,15 | 5,35 | |||||||
| 3,00 | 4,20 | 5,40 | |||||||
| 3,05 | 4,25 | 5,45 | |||||||
| 3,10 | 4,30 | 5,50 | |||||||
| 3,15 | 4,35 | 5,55 | |||||||
| 3,20 | 4,40 | 5,60 | |||||||
| 3,25 | 4,45 | 5,65 | |||||||
| 3,30 | 4,50 | 5,70 | |||||||
| 3,35 | 4,55 | 5,75 |
, кгс/мм 2 ,
где – угол между противоположными гранями пирамиды при вершине, равный 136°; – среднее арифметическое значение длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки в мм.
При испытаниях применяют нагрузки, равные 50, 100, 200, 300, 500 и 1000 Н. Возможность применения малых нагрузок в 50 и 100 Н позволяет определять твердость деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, например: цементированных, цианированных и азотированных сталей.
В табл. 3 представлены варианты обозначения твердости различных материалов.
Таблица 3.
Варианты материалов с различной твердостью*
| № варианта | Значения твердости материалов | |||
| HB 280 HRA 72 HB 470 HB 780 HRA 74 | HV 130 HB 110 HRB 50 HV 530 HB 430 | HRC 47 HV 420 HB 477 HRC 54 HV237 | HRB 77 HRC 50 HRA 82 HRB 70 HRC 27 | |
| HB 480 HRC 80 HV 280 HB 280 HB 470 | HB 130 HV 130 HRA 30 HV 130 HRB 50 | HRC 37 HRA 47 HRC 47 HRC 47 HB 477 | HRB 67 HRB 67 HRA 77 HRB 77 HRA 82 | |
| HB 780 HB 480 HRC 80 HB 410 HRC 45 | HV 530 HB 130 HV 130 HRC 66 HB 170 | HRC 54 HRC 37 HRA 47 HV 340 HRA 57 | HRB 70 HRB 67 HRB 67 HRB 77 HV 230 | |
| HRC 53 HB210 HV 280 HRC 51 HV 234 | HV 430 HRC 35 HB 130 HRA 70 HRC 43 | HB 630 HRB 75 HRC 37 HV 313 HRB 327 | HRA 85 HV 150 HRA 77 HB 260 HRC 57 | |
| HB 170 HRA 67 HRC 54 HRC 51 HV 434 | HRA 60 HRC 76 HV 150 HRA 70 HRC 56 | HV 330 HB 700 HB 437 HV 313 HB 210 | HRC 75 HV 310 HRA 57 HB 260 HRC 29 |
Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю имеют одинаковую размерность и для материалов твердостью до НВ 450 практически совпадают. Вместе с тем измерения пирамидой дают более точные значения для материалов с высокой твердостью, чем измерения с использованием шарика или конуса. Алмазная пирамида имеет большие угол в вершине и диагональ ее отпечатка, что повышает точность измерения отпечатка даже при проникновении пирамиды на небольшую глубину. Диагональ отпечатка измеряют с помощью измерительного микроскопа, вмонтированного в твердомер Виккерса.
В настоящее время имеются более удобные (портативные, с цифровой индикацией твердости по Бринеллю и Роквеллу, с относительно небольшой погрешностью измерений) в работе твердомеры. Так, твердомер динамический ЭЛИТ-2 измеряет твердость стальных изделий по скорости отскока бойка от поверхности, а твердомер ультразвуковой УЗИТ-3 - методом измерения акустического импеданса при внедрении магнитостриктора с алмазом Виккерса в поверхность изделия.