Способы определения твердости металлов. Методика определения твёрдости

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.

Существует довольно большое количество различных механических характеристик металла, которые учитываются при производстве различных деталей. Многие из них зависят от химического состава материала, другие от особенностей эксплуатации. Измерение твердости металла проводится чаще других испытаний, так как это качество во многом определяет особенности эксплуатации материала. Рассмотрим особенности определения твердости подробнее.

Понятие твердости

Твердость – свойство материалов, характеризующее способность проникновения одного, более твердого, тела в другое. Также эта характеристика определяет устойчивость к пластической деформации или разрушению поверхностных слоев при оказании сильного давления.

Измеряется показатель в самых различных единицах в зависимости от применяемого метода.

Все методы определения твердости материалов можно разделить на несколько основных групп:

1. Статические. Подобные методы характеризуются тем, что нагрузка постепенно возрастает. Время выдержки может быть разным — все зависит от особенностей применяемого метода.
2. Динамические характеризуются тем, что нагрузка на образец подается с определенной кинетической энергией. При этом показатель твердости является менее точным, так как при динамической нагрузке возникает определенная отдача из-за упругости материала. Результаты подобных испытаний зачастую называют твердостью материалов при ударе.
3. Кинетические основаны на непрерывной регистрации показателей во время проведения испытаний, что позволяет получить не только конечный, но и промежуточный результат. Для этого применяется специальное оборудование.

Кроме этого, классификация методов определения твердости проводится по принципу приложенной нагрузки. Выделяют следующие способы испытания образца:

1. Вдавливание является на сегодняшний день наиболее распространенным способом определения рассматриваемого показателя.
2. При отскоке проводится замер того, как высоко боек отлетит от поверхности испытуемого образца. В данном случае просчет твердости проводится по показателю сопротивления упругой деформации. Методы подобного типа довольно часто применяются для контроля качества прокатных валиков и изделий с большими размерами.
3. Методы, основанные на царапании и резании, сегодня применяются крайне редко. Были они разработаны два столетия назад.

Как правило, в твердомерах есть деталь, которая оказывает воздействие на испытываемую заготовку. Примером можно назвать стальные шарики различного диаметра и алмазные наконечники с формой пирамиды. Некоторые из применяемых на сегодняшний день методов рассмотрим подробнее.

Измерение твердости по Бринеллю

Чаще всего проводится измерение твердости по Бринеллю. Этот метод регламентирован ГОСТ 9012. К особенностям испытания металлов и сплавов подобным методом можно отнести следующие моменты:

1. В качестве тела, которое будет оказывать воздействие на испытуемый образец, используется стальной шарик.
2. Для тестирования применяется шарик с определенным диаметром, который изготавливается из закаленной стали. К нему прилагается постоянно нарастающая нагрузка.
3. Главным условие применения этого метода тестирования металлов и сплавов является то, что шарик должен изготавливается из более твердого материала, чем испытуемый образец.
4. После завершения теста проводится измерение полученного отпечатка на поверхности.
5. Данный способ позволяет получить данные, которые указываются в HB. Именно это обозначение сегодня встречается чаще других в различной справочной документации.
6. Для удобства применения данного способа были созданы специальные таблицы, которые основаны на зависимости диаметрального размера шарика, твердости и полученного отпечатка.

Измерение твердости по Виккерсу

Также выделяют метод измерения твердости по Виккерсу, который регламентирован ГОСТ 2999. Получил он распространение при определении твердости деталей и заготовок, который имеют небольшую толщину. Кроме этого, он может применяться для измерения твердости деталей, имеющих поверхностный твердый слой.

К особенностям этого способа тестирования образца можно отнести нижеприведенные моменты:

1. Применяется так называемый алмазный наконечник, который имеет форму пирамиды с четырьмя гранями и равными сторонами.
2. Выбирается определенное время выдержки.
3. После того, как снимается нагрузка, проводится измерение размеров диагоналей получившегося отпечатка и вычисляется среднее арифметическое значение.
4. Величина прилагаемой нагрузки регламентирована, может выбираться в зависимости от типа тестируемого материала.
5. Полученные результаты в ходе проведения исследований обозначаются HV.

В некоторых случаях после полученного значения указывается время выдержки и величина прилагаемой нагрузки, что позволяет с большей точностью определить значение твердости.

Измерение твердости по Роквеллу

Данный метод регламентируется ГОСТ 9013. Для его проведения используется специальный прибор для измерения твердости, который позволяет создать две последовательные нагрузки, прилагаемые к поверхности образца. К особенностям проведения подобного теста можно отнести:

1. Сначала оказывается предварительная нагрузка, после чего добавляется вторая.
2. После выдержки под общей нагрузкой в течении 3-5 секунд вторая снимается, проводится замер глубины отпечатка, затем снимается предварительная нагрузка.
3. Измерение полученных данных проводится в условных единицах, которые равны осевому смещению индикатора на 0,002.
4. Определяется число твердости по Роквеллу по специальной шкале прибора.
5. Форма применяемого индикатора может существенно отличаться. Именно поэтому было введено несколько типов измерительных шкал, которые соответствуют определенной форме индикатора.
6. Для обозначения полученной величины могут применяться обозначения HIRA, HRC, HRB. Они соответствуют форме применяемого индикатора и шкалы обозначения.

В качестве индикатора могут использоваться стальной шарик и два алмазных конуса различного размера. Этот метод измерения твердости закаленных деталей проводится только при применении алмазного конуса меньшего размера, предварительная оказываемая нагрузка составляет 10 кгс, основная 50 кгс. За счет предварительной нагрузки исключается вероятность того, что из-за упругости материала полученные значения будут менее точными. Кроме этого, предварительная нагрузка позволяет проводить измерение твердости металлов и сплавов, которые прошли предварительную термическую обработку.

Измерение твердости по Шору

Метод определения твердости по Шору применяется для тестирования прокатных валиков на момент их изготовления. Кроме этого, проверка рассматриваемого показателя может проводиться при эксплуатации валиков на прокатных станках, так как из-за оказываемого воздействия структура металла может изменяться, ухудшая эксплуатационные качества. Регламентирован метод Шора ГОСТ 23273.

Рассматривая измерение твердости по Шору, следует отметить следующие моменты:

1. В отличие от предыдущих способов, рассматриваемый основан на свободном падении алмазного индикатора на тестируемую поверхность с определенной высоты. Для тестирования применяется специальное оборудование, которое позволяет фиксировать точно высоту отскока.
2. Масса применяемого бойка с алмазным наконечником составляет 36 грамм. Этот показатель важен, так как учитывается при проводимых расчетах.
3. Твердость определяется по высоте отскока, измерение проводится в условных единицах. Падение образца на поверхность происходит с образованием небольшого углубления, а упругость приводит к обратному отскоку. Этот метод хорош тем, что позволяет проводить тестирование образцов, которые прошли предварительную термическую обработку. При постепенном вдавливании возникающая нагрузка может стать причиной деформирования используемого наконечника или шарика. В этом случае вероятность их деформации весьма мала.
4. За 100 единиц твердости в этом случае принято считать высоту отскока 13,6 мм с возможностью небольшого отклонения в большую или меньшую сторону. Этот показатель можно получить при тестировании углеродистой стали, прошедшей процесс закалки. В качестве обозначения применяется аббревиатура HSD.

Сегодня этот способ измерения твердости применяется довольно редко из-за высокой погрешности и сложности замера высоты отскока байка от тестируемой поверхности.

Как ранее было отмечено, существует довольно большое количество методов измерения рассматриваемого показателя. Однако из-за сложности проведения тестов и большой погрешности многие уже не применяются.

В некоторых случаях проводится тестирование на микротвердость. Для измерения этого показателя прилагается статическая нагрузка к телу с формой пирамиды, и оно входит в испытуемые образец. Время выдержки может варьироваться в большом диапазоне. Показатель вычисляется примерно так же, как при методе Виккерса.

Соотношение значений твердости

При выборе метода измерения твердости поверхности следует учитывать, что между полученными данными нет никакой связи. Другими словами, выполнить точный перевод одной единицы измерения в другую нельзя. Применяемые таблицы зависимости не имеют физического смысла, так как они эмпирические. Отсутствие зависимости также можно связать с тем, что при тестировании применяется разная нагрузка, различные формы наконечников.

Существующие таблицы следует применять с большой осторожностью, так как они дают только приблизительные результаты. В некоторых случаях рассматриваемый перевод может оказаться весьма точным, что связано с близкими физико-механическими свойствами испытуемых металлов.

В заключение отметим, что значение твердости связано со многими другими механическими свойствами, к примеру, прочностью, упругостью и пластичностью. Поэтому для определения основных свойств металла довольно часто проводят измерение именно твердости. Однако прямой зависимости между всеми механическими свойствами металлов и сплавов нет, что следует учитывать при проведении измерений.

Зависит от структуры материала и др. его мех. характеристик, гл. обр. модуля упругости при и предела при разрушении, количеств. связь с к-рыми устанавливается теорией упругости.

Экспериментально твердость определяют статич. и динамич. методами. Статич. методом твердость определяют вдавливанием в пов-сть материала к.-л. твердого предмета -инден-тора, к-рого можно пренебречь, или царапанием пов-сти образца. Твердость оценивается т. наз. числом твердости, характеризующим сопротивление материала . Размерность чисел определяется принципом измерения.

Наиб. распространение получили методы измерения твердости по Бринеллю, Виккерсу и Роквеллу. При определении по Бри-неллю в испытуемую пов-сть вдавливают закаленный диаметром d 2,5, 5 или 10 мм при заданной нагрузке P от 625 H до 30 кН. Число твердости по Бринеллю (в МПа)-НВ- отношение нагрузки к площади пов-сти отпечатка. Для получения сопоставимых данных относительно твердые материалы (НВ > 1300) испытывают при отношении P/d 2 = 30, материалы средней твердости (НВ 300-1300)-при P/d 2 = 10, мягкие (НВ < 300)-при P/d 2 = 2,5. Испытания проводят на стационарных или переносных твердомерах при плавном приложении нагрузки и постоянстве выдержки ее в течение определенного времени (обычно 30 с). При определении твердости по Виккерсу в пов-сть материала вдавливают алмазный индентор в виде , имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды с двугранным углом при вершине в 136°. Вдавливающая нагрузка выбирается от 50 до 1000 H в зависимости от твердости и толщины образца или изделия. Число твердости по Виккерсу-HV-определяется так же, как при измерении по Бринеллю.

При определении твердости материалов (гл. обр. ) по Роквеллу в пов-сть вдавливают алмазный индентор в виде конуса с углом при вершине 120° (шкалы А и С)-для сверхтвердых и твердых материалов или в виде стального диаметром 1,588 мм или 1 / 16 дюйма (шкала В)-для материалов с низкой твердостью; числа твердости-соотв. HRA и HRB. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению конуса на 0,002 мм при нагрузке 100 Н. Испытание проводят твердомерами, снабженными числовым .

При определении твердости , и др. эластичных материалов в их пов-сть вдавливают конусную с затупленной вершиной-метод Шора. Глубину погружения измеряют во время действия нагрузки и характеризуют величиной пружины, подпирающей индентор. В случае твердость, равная 0, соответствует полной глубине погружения , твердость, равная 100,-силе выталкивания из (8,06 H и более).

К статич. методам относят метод склерометрии - царапания пов-сти нек-рых , и индентором в виде алмазной пирамиды, конуса, шара или разл. твердости. Твердость оценивают по нагрузке, необходимой для создания царапины, по ширине царапины, образующейся при данной нагрузке, или по усилию, необходимому для царапания. Для определения относительной твердости используют шкалу Мооса (см. ).

Динами ч. методы основаны на нанесении отпечатка при ударной нагрузке, когда твердость определяется как сопротивление материала пластич. деформированию при ударе или по отскоку от материала свободно падающего бойка или маятника с бойком. В последнем случае твердость определяется как сопротивление материала упругой и упру-гопластич. . Иногда используют метод определения твердости по затуханию колебаний маятника при его контакте с испытуемым материалом, по сопротивлению абразивному изнашиванию, резанию, шлифованию и др.

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.

Твёрдость металлов

сопротивление металлов вдавливанию. Т. м. не является физической постоянной, а представляет собой сложное свойство, зависящее как от прочности и пластичности, так и от метода измерения. Т. м. характеризуется числом твёрдости. Наиболее часто для измерения Т. м. пользуются методом вдавливания. При этом величина твёрдости равна нагрузке, отнесённой к поверхности отпечатка, или обратно пропорциональна глубине отпечатка при некоторой фиксированной нагрузке. Отпечаток обычно производят шариком из закалённой стали (методы Бринелля, Роквелла), алмазным конусом (метод Роквелла) или алмазной пирамидой (метод Виккерса, измерение микротвёрдости (См. Микротвёрдость)). Реже пользуются динамическими методами измерения, в которых мерой твёрдости является высота отскакивания стального шарика от поверхности изучаемого металла (например, метод Шора) или время затухания колебания маятника, опорой которого является исследуемый металл (метод Кузнецова - Герберта - Ребиндера). Получает распространение метод измерения Т. м. с помощью ультразвуковых колебаний, в основе которого лежит измерение реакции колебательной системы (изменения её собственной частоты) на твёрдость испытуемого металла. Числа твёрдости указываются в единицах НВ (метод Бринелля), HV (метод Виккерса), HR (метод Роквелла), где Н от английского hardness - твёрдость. Поскольку при определении твёрдости методом Роквелла пользуются как стальным шариком, так и алмазным конусом, часто вводятся дополнительные обозначения - В (шарик), С и А (конус, разные нагрузки). По специальным таблицам или диаграммам можно осуществлять пересчёт чисел твёрдости (например, число твёрдости по Роквеллу можно пересчитать на число твёрдости по Бринеллю). Выбор метода определения твёрдости зависит от исследуемого материала, размеров и формы образца или изделия и др. факторов.

Твёрдость весьма чувствительна к изменению структуры металла. При изменении температуры или после различных термических и механических обработок величина Т. м. и сплавов меняется в том же направлении, что и предел текучести; поэтому часто при контроле изменения механических свойств после различных обработок металл характеризуют твёрдостью, которая измеряется проще и быстрее. Измерениями микротвёрдости пользуются при изучении механических свойств отдельных зёрен, а также структурных составляющих (См. Структурная составляющая) сложных сплавов.

Для относительной оценки жаропрочности металлических материалов иногда пользуются так называемой длительной твёрдостью (или микротвёрдостью), измерение которой производят при повышенной температуре длительное время (минуты, часы).

Лит.: Геллер Ю. А., Рахштадт А. Г., Материаловедение, 4 изд., М., 1975, с. 167- 90.

В. М. Розенберг.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Твёрдость металлов" в других словарях:

Сопротивление материала вдавливанию или царапанию. Т. не является физической постоянной, а представляет собой сложное свойство, зависящее как от прочности и пластичности материала, так и от метода измерения. Подробнее см. Твёрдость… …

У этого термина существует и другое значение, см. Твёрдость по Шору. При этом следует понимать, что хотя в другом значении этот метод так же является методом измерения твёрдости, оба метода предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Твёрдость (значения). Твёрдость это способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела индентора во всем диапазоне нагружения: от момента касания с… … Википедия

Сплавы металлов, металлические сплавы, твёрдые и жидкие системы, образованные главным образом сплавлением двух или более металлов, а также металлов с различными неметаллами. Термин «С.» первоначально относился к материалам с металлическими… … Большая советская энциклопедия

Металл в термопечи Термическая обработка металлов и сплавов процесс тепловой обработки металлических изделий, целью которого является изменение структуры и свойств в заданном направлении … Википедия

Твёрдость по Роквеллу - Роквелла метод [по имени американского металлурга С.Роквелла (S.Rockwell), разработавшего этод метод] способ определения твёрдости материалов (главным образом металлов) вдавливанием в испытываемую поверхность алмазного индентора с углом при… … Металлургический словарь - Методы измерения твёрдости по Шору: Твёрдость по Шору (Метод вдавливания) для низкомодульных материалов (полимеров). Твёрдость по Шору (Метод отскока) для высокомодульных материалов (металлов) … Википедия

Отпуск металлов, вид термической обработки, заключающийся в нагреве закалённого сплава до температуры ниже нижней критической точки, выдержке и последующем охлаждении. Термин «О.» применяют главным образом к сталям. Процессы распада… … Большая советская энциклопедия