Механические свойства в испытаниях прочности
Связать и исследовать прочностные характеристики материалов и результаты проверки твердости методом определения твердости по Роквеллу получилось у таких ученых-материаловедов, как Давиденков Н. Н., Марковец М. П. и других.
По результатам испытания твердости путем вдавливания применяются методы вычисления предела текучести. Данная связь вычислена для высокохромистых нержавеющих сталей, которые прошли множественную термообработку. Среднее значение отклонения, при применении алмазного индентора, составило всего +0,9 %.
Также проводятся исследования по определению и других механических свойств материалов, связанных с твердостью. Например, предел прочности (или временное сопротивление), истинное сопротивление разрушению и относительное сужение.
Относительное измерение твердости при помощи напильников
Стоимость стационарных и портативных твердомеров довольно высока, поэтому их приобретение оправдано только необходимостью частой эксплуатации. Многие мастеровые по мере надобности практикуют измерять твердость металлов и сплавов относительно, при помощи подручных средств.
Измерение твердости при помощи напильников
Опиливание образца напильником – один из самых доступных, однако далеко не самый объективный способ проверки твердости стальных деталей, инструмента, оснастки. Напильник должен иметь не затупленную двойную насечку средней величины №3 или №4. Сопротивление опиливанию и сопровождающий его скрежет позволяет даже при небольшом навыке отличить незакаленную сталь от умеренно (40 HRC) или твердо закаленной (55 HRC).
Для тестирования с большей точностью существуют наборы тарированных напильников, именуемые также царапающий твердомер. Они применяются для испытания зубьев пил, фрез, шестерен. Каждый такой напильник является носителем определенного значения по шкале Роквелла. Твердость измеряется коротким царапанием металлической поверхности поочередно напильниками из набора. Затем выбираются два близко стоящие – более твердый, который оставил царапину и менее твердый, который не смог поцарапать поверхность. Твердость тестируемого металла будет находиться между значениями твердости этих двух напильников.
Обозначение твердости
Как и любая физическая величина, твёрдость имеет свое обозначение. Из-за наличия множества методик измерений, каждая из них требует своего обозначения во избежание путаницы. Следует заметить, что часть методов выдает искомую величину как безразмерную, но по методу Виккерса твердость измеряется как кгс/мм2. В обозначениях размерность не пишут, подразумевая ее наличие.
Твердость по Виккерсу обозначается символами HV, где после символов может стоять значение силы и времени выдержки:
- HV 500 – стандартная нагрузка 30 кгс (294,2 Н) при времени выдержки 10-15 с;
- HV 150 10/40 – нагрузка 10 кгс (98,07 Н) при выдержке 40 с.
https://youtube.com/watch?v=tJsDHGPNuG0
Перевод значений, измеренных другими методами, производится при помощи стандартных таблиц, которые входят в комплекты документации на измерительные приборы, а также присутствуют в справочной литературе.
Методы твердометрии
В основе множественных методов измерения твердости лежат одни и те же принципы, но, в зависимости от поставленной задачи и исследуемого материала, различаются по видам используемых инденторов.
- Бриннеля. Индентором выступает стальной шарик диаметром от одного до десяти миллиметров. Метод обладает существенными недостатками – слишком большая площадь оттиска, невозможность применения на очень твердых металлах.
- Роквелла. В качестве индентора используется шарик из стального твердого сплава либо алмаз конической формы с углом вершины 120 градусов. Метод Роквелла хорошо работает на образцах из закаленной стали, которые нельзя проверить по методу Бриннеля.
- Виккерса. Индентором является алмазная пирамида, угол у вершины которой составляет 136 градусов. Отпечаток имеет квадратную форму. Способ оптимально подходит для анализа твердости закаленной стали, покрытий высокой прочности, а также швов сварки. Метод Виккерса применяют для определения микротвердости отдельных структурных составляющих на микроскопическом уровне при нагрузках от 10г.
- Кнупа. Метод подобен методу Виккерса и отличается тем, что угол при вершине пирамиды составляет 172,5 градусов, а отпечаток имеет форму ромба. Применяется для измерения твердости узких деталей или поверхностных слоев.
- Шора. В качестве индентора стальной шарик, но он не вдавливается, а падает на поверхность детали. По высоте отскока рассчитывается значение твердости. Метод применяют в основном для пластмассовых и резиновых изделий.
- Мооса. Индентор в виде иглы, которой царапают поверхность материала. Исходя из глубины царапины, определяют твердость.
Нанесение отпечатка индентора на полированную поверхность образца
Единицы измерения твердости
Каждый способов измерения сопротивления металла к пластической деформации имеет свою методику его проведения, а также единицы измерения.
Измерение твердости мягких металлов производится методом Бринелля. Данному способу подвергаются цветные металлы (медь, алюминий, магний, свинец, олово) и сплавы на их основе, чугуны (за исключением белого) и отожженные стали.
Твердость по Бринеллю определяется вдавливанием закаленного, отполированного шарика из шарикоподшипниковой стали ШХ15. Окружность шарика зависит от испытуемого материала. Для твердых материалов – все виды сталей и чугунов – 10 мм, для более мягких – 1 – 2 — 2,5 — 5 мм. Необходимая нагрузка, прилагаемая к шарику:
- сплавы железа – 30 кгс/мм2;
- медь и никель – 10 кгс/мм2;
- алюминий и магний – 5 кгс/мм2.
Единица измерения твердости – это числовое значение и следующий за ними числовой индекс HB. Например, 200 НВ.
Твердость по Роквеллу определяется посредством разницы приложенных нагрузок к детали. Вначале прикладывается предварительная нагрузка, а затем общая, при которой происходит внедрение индентора в образец и выдержка.
В испытуемый образец внедряется пирамида (конус) из алмаза или шарик из карбида вольфрама (каленой стали). После снятия нагрузки производится замер глубины отпечатка.
Единица измерения твердости – это условные единицы. Принято считать, что единица — это величина осевого перемещения конуса, равная 2 мкм. Обозначение твердости маркируется тремя буквами HR (А, В, С) и числовым значением. Третья буква в маркировке обозначает шкалу.
Методика отображает тип индентора и прилагаемую к нему нагрузку.
| Тип шкалы | Инструмент | Прилагаемая нагрузка, кгс |
| А | Конус из алмаза, угол вершины которого 120° | 50-60 |
| В | Шарик 1/16 дюйма | 90-100 |
| С | Конус из алмаза, угол вершины которого 120° | 140-150 |
В основном, используются шкалы измерения А и С. Например, твердость стали HRC 26…32, HRB 25…29, HRA 70…75.
Измерению твердости по Виккерсу подвергаются изделия небольшой толщины или детали, имеющие тонкий, твердый поверхностный слой. В качестве клинка используется правильная четырехгранная пирамида угол при вершине, которой составляет 136°. Отображение значений твердости выглядит следующим образом: 220 HV.
К определению микротвердости прибегают, когда необходимо получить значения мелких деталей, тонкого покрытия или отдельной структуры сплава. Измерение производят путем измерения отпечатка наконечника определенной формы. Обозначение значения выглядит следующим образом:
Н□ 0,195 = 2800, где
□ — форма наконечника;
0,196 — нагрузка на наконечник, Н;
2800 – численное значение твердости, Н/мм2.
Понятие
Данным термином в материаловедении называют механическое свойство, которое определяет устойчивость к разрушению под воздействием других, более плотных веществ. Иначе можно сказать так: это сопротивляемость деформациям от давления. При этом учитываются и пластичные, и упругие изменения.
От характеристики зависит множество процессов и условий:
- Износостойкость – это есть то, насколько долго может быть использован элемент. В том числе срок износа, поскольку для каждой детали, например автомобильной, наступает время, когда по естественным причинам ее нужно менять. Но чем тверже элемент, тем дольше он будет служить в определенных условиях.
- Возможность различных видов металлообработки – одни технологии применяются только к мягким сплавам, а другие могут быть использованы и для прочных.
- Сопротивление давлению и другим усилиям характерно для вала или подшипника, на которые действуют силы центробежная и трения.
- Способность использовать материал в качестве инструмента для более податливой поверхности. Инструментальная сталь является настолько крепкой, что применяется для изготовления фрез для фрезерных станков, сверл и прочих изделий.
Это далеко не полный перечень того, на что влияет твердость металла после того, как мы дали ему определение. Не каждое используемое вещество берется с одинаковыми характеристиками. Что делается прежде всего для увеличения данного параметра? Сперва берем сырье, очищаем от примесей, а затем подвергаем химической и температурной обработке. А именно: в состав добавляем различные легирующие компоненты, повышающие это качество, например:
- Хром. Увеличивается прочность и устойчивость к коррозии, незначительно уменьшается пластичность и подверженность магнитным силам. Если более 13% хрома, то сплав называют нержавеющим.
- Вольфрам. Очень сильно повышается содержание твердых соединений – карбидов. Дополнительное свойство – снижение хрупкости после отпуска.
- Ванадий. Тоже возрастает сопротивление деформациям.
- Марганец. Чтобы увидеть эффект, вещества должно быть не менее 1%. Резко взлетает стойкость к ударным нагрузкам.
От чего зависит твердость металлов по этому классу:
- От наличия легирующих добавок, перечисленных выше.
- От естественных свойств сырья.
- От термообработки. С этой целью помогает закалка – материал нагревают сверх определенной критической точки, кристаллическая решетка меняется, и после охлаждения закаленная сталь становится очень надежной.
- От цементации – способом диффузии образец насыщается углеродом. Такому методу подвергаются только низкоуглеродистые или легированные части.
- От старения – оно может быть естественным или искусственным. В первом случае со временем протекают процессы, которые не затрагивают микроструктуру, но важны на общем уровне. Во втором применяется термообработка с целью химического и термального увеличения срока эксплуатации – состаривание.
- От наклепывания на поверхность. Это пластическое изменение структуры вещества, приводящее к повышению прочности.
- От обработки лазером. Лазерная установка наплавляет прочный слой.
Кроме того, некоторые этапы металлообработки (прокатка, ковка и закалка) с изменением формы заготовки также приводят к улучшению качества.
https://youtube.com/watch?v=3IEa_r0rwz4
Сравнительная таблица твердости. Перевод твердости по БРИНЕЛЛЮ, РОКВЕЛЛУ, ВИККЕРСУ и ШОРУ.
Благодаря данной таблице Вы с легкостью сможете перевести значения из величин например hb в другие, к примеру hrc. Твердостью называют свойство материала сопротивляться проникновению в него другого тела.
| d10, мм | По БРИНЕЛЛЮ HB | По РОКВЕЛЛУ HRC | По ВИККЕРСУ HV | По ШОРУ HSD |
| 2,3 | 712 | 66,4 | 1016 | 98,3 |
| 2,4 | 653 | 62,9 | 866 | 92,9 |
| 2,5 | 601 | 59,3 | 750 | 86,5 |
| 2,6 | 555 | 55,8 | 658 | 80,0 |
| 2,7 | 514 | 52,5 | 586 | 73,7 |
| 2,8 | 477 | 49,4 | 528 | 68,1 |
| 2,9 | 444 | 46,5 | 481 | 63,2 |
| 3,0 | 415 | 43,8 | 441 | 58,9 |
| 3,1 | 388 | 41,4 | 408 | 55,1 |
| 3,2 | 363 | 39,1 | 378 | 51,7 |
| 3,3 | 341 | 36,9 | 352 | 48,6 |
| 3,4 | 321 | 34,7 | 328 | 45,8 |
| 3,5 | 302 | 32,5 | 307 | 43,2 |
| 3,6 | 285 | 30,3 | 288 | 40,7 |
| 3,7 | 269 | 28,1 | 271 | 38,4 |
| 3,8 | 255 | 26,0 | 256 | 36,2 |
| 3,9 | 241 | 24,0 | 242 | 34,2 |
| 4,0 | 229 | 22,0 | 229 | 32,5 |
| 4,1 | 217 | 20,1 | 217 | 30,9 |
| 4,2 | 206 | 17,9 | 206 | 29,4 |
| 4,3 | 197 | — | 196 | 28,1 |
| 4,4 | 187 | — | 186 | 26,9 |
| 4,5 | 179 | — | 177 | 25,7 |
| 4,6 | 170 | — | 169 | 24,5 |
| 4,7 | 163 | — | 162 | 23,2 |
| 4,8 | 156 | — | 155 | 22,0 |
| 4,9 | 149 | — | 149 | 21,0 |
| 5,0 | 143 | — | 143 | 20,6 |
Способы определения твердости:
Способ БРИНЕЛЛЯ — испытание твердости с помощью стального шарика, методом вдавливания в испытываемую поверхность. Стальные шарики бывают диаметрами 2,5; 5 или 10 мм. Числом твердости по Бринеллю (HB) называют отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка.
Способ Роквелла — испытание твердости с помощью алмазного конуса с углом 120* или стального закаленного шарика, методом вдавливания в испытываемую поверхность.
Способ Виккерса — испытание твердости с помощью алмазного наконечника в форме правильной четырехгранной пирамиды с углом между гранями 136*, методом вдавливания в испытываемую поверхность.Число твердости по Виккерсу это отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка.
Способ Шора — определение твердости по высоте отскакивания бойка падающего на поверхность испытываемого тела с определенной высоты.
| Роквелл | Бринелль | Виккерс | Шор | На разрыв | ||
| HRA | HRC | HB (3000H) | Диаметр отпечатка, мм | HV | HSD | Н/мм² |
| 89 | 72 | 782 | 2.20 | 1220 | ||
| 86.5 | 70 | 1076 | 101 | |||
| 86 | 69 | 744 | 2.25 | 1004 | 99 | |
| 85.5 | 68 | 942 | 97 | |||
| 85 | 67 | 713 | 2.30 | 894 | 95 | |
| 84.5 | 66 | 854 | 92 | |||
| 84 | 65 | 683 | 2.35 | 820 | 91 | |
| 83.5 | 64 | 789 | 88 | |||
| 83 | 63 | 652 | 2.40 | 763 | 87 | |
| 82.5 | 62 | 739 | 85 | |||
| 81.5 | 61 | 627 | 2.45 | 715 | 83 | |
| 81 | 60 | 695 | 81 | 2206 | ||
| 80.5 | 59 | 600 | 2.50 | 675 | 80 | 2137 |
| 80 | 58 | 2.55 | 655 | 78 | 2069 | |
| 79.5 | 57 | 578 | 636 | 76 | 2000 | |
| 79 | 56 | 2.60 | 617 | 75 | 1944 | |
| 78.5 | 55 | 555 | 598 | 74 | 1889 | |
| 78 | 54 | 2.65 | 580 | 72 | 1834 | |
| 77.5 | 53 | 532 | 562 | 71 | 1772 | |
| 77 | 52 | 512 | 2.70 | 545 | 69 | 1689 |
| 76.5 | 51 | 495 | 2.75 | 528 | 68 | 1648 |
| 76 | 50 | 513 | 67 | 1607 | ||
| 75.5 | 49 | 477 | 2.80 | 498 | 66 | 1565 |
| 74.5 | 48 | 460 | 2.85 | 485 | 64 | 1524 |
| 74 | 47 | 448 | 2.89 | 471 | 63 | 1496 |
| 73.5 | 46 | 437 | 2.92 | 458 | 62 | 1462 |
| 73 | 45 | 426 | 2.96 | 446 | 60 | 1420 |
| 72.5 | 44 | 415 | 3.00 | 435 | 58 | 1379 |
| 71.5 | 42 | 393 | 3.08 | 413 | 56 | 1317 |
| 70.5 | 40 | 372 | 3.16 | 393 | 54 | 1255 |
| 38 | 352 | 3.25 | 373 | 51 | 1193 | |
| 36 | 332 | 3.34 | 353 | 49 | 1138 | |
| 34 | 313 | 3.44 | 334 | 47 | 1076 | |
| 32 | 297 | 3.53 | 317 | 44 | 1014 | |
| 30 | 283 | 3.61 | 301 | 42 | 965 | |
| 28 | 270 | 3.69 | 285 | 41 | 917 | |
| 26 | 260 | 3.76 | 271 | 39 | 869 | |
| 24 | 250 | 3.83 | 257 | 37 | 834 | |
| 22 | 240 | 3.91 | 246 | 35 | 793 | |
| 20 | 230 | 3.99 | 236 | 34 | 75 |
Методы измерения твердости
Все методы определения твердости металлов используют механическое воздействие на испытуемый образец – вдавливание индентора. Но при этом не происходит разрушение образца.
Метод определения твердости по Бринеллю был первым, стандартизованным в материаловедении. Принцип испытания образцов описан выше. На него действует ГОСТ 9012. Но можно вычислить значение по формуле, если точно измерить отпечаток на образце:
HB=2P/(πD*√(D 2 -d 2 ),
- гдеР – прикладываемая нагрузка, кгс;
- D – окружность шарика, мм;
- d – окружность отпечатка, мм.Шарик подбирается относительно толщины образца. Нагрузку высчитывают предварительно из принятых норм для соответствующих материалов:сплавы из железа — 30D 2 ;медь и ее сплавы — 10D 2 ;баббиты, свинцовые бронзы — 2,5D 2 .
Условное изображение принципа испытания
Схематически метод исследования по Роквеллу изображается следующим образом согласно ГОСТ 9013.
Метод измерения твердости по Роквеллу
Итоговая приложенная нагрузка равна сумме первоначальной и необходимой для испытания. Индикатор прибора показывает разницу глубины проникновения между первоначальной нагрузкой и испытуемой h –h
Метод Виккерса регламентирован ГОСТом 2999. Схематически он изображается следующим образом.
Математическая формула для расчета:HV=0.189*P/d 2 МПаHV=1,854*P/d 2 кгс/мм 2 Прикладываемая нагрузка варьируется от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Значения определяются по таблицам относительно измеренного отпечатка d.
Метод считается эмпирическим и имеет большой разброс показаний. Но прибор имеет простую конструкцию и его можно использовать при измерении крупногабаритных и криволинейных деталей.
Измерить твердость по Моосу металлов и сплавов можно царапанием. Моос в свое время предложил делать царапины более твердым минералом по поверхности предмета. Он разложил известные минералы по твердости на 10 позиций. Первую занимает тальк, а последнюю алмаз.
После измерения по одной методике перевод в другую систему весьма условен. Четкие значения существуют только в соотношении твердости по Бринеллю и Роквеллу, так как машиностроительные предприятия их широко применяют. Зависимость можно проследить при изменении диаметра шарика.
| d, мм | HB | HRA | HRC | HRB |
| 2,3 | 712 | 85,1 | 66,4 | — |
| 2,5 | 601 | 81,1 | 59,3 | — |
| 3,0 | 415 | 72,6 | 43,8 | — |
| 3,5 | 302 | 66,7 | 32,5 | — |
| 4,0 | 229 | 61,8 | 22 | 98,2 |
| 5,0 | 143 | — | — | 77,4 |
| 5,2 | 131 | — | — | 72,4 |
Как видно из таблицы, увеличение диаметра шарика значительно снижает показания прибора. Поэтому на машиностроительных предприятиях предпочитают пользоваться измерительными приборами с однотипным размером индентора.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Твердостью металла называют его свойство оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии стандартного тела-наконечника на поверхностные слои материала.
Испытание на твердость – основной метод оценки качества термообработки изделия.
Определение твердости по методу Бринелля. Метод основан на том, что в плоскую поверхность под нагрузкой внедряют стальной шарик. Число твердости НВ определяется отношением нагрузки к сферической поверхности отпечатка.
Метод Роквелла (HR) основан на статическом вдавливании в испытываемую поверхность наконечника под определенной нагрузкой. В качестве наконечников для материалов с твердостью до 450 HR используют стальной шарик. В этом случае твердость обозначают как HRB. При использовании алмазного конуса твердость обозначают как HRA или HRC (в зависимости от нагрузки).
Твердость по методу Виккерса (HV) определяют путем статического вдавливания в испытуемую поверхность алмазной четырехгранной пирамиды. При испытании измеряют отпечаток с точностью до 0,001 мм при помощи микроскопа, который является составной частью прибора Виккерса.
Метод Шора. Сущность данного метода состоит в определении твердости материала образца по высоте отскакивания бойка, падающего на поверхность испытуемого тела с определенной высоты. Твердость оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка.
Твердомеры Роквелла
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.
Метод Роквелла имеет несколько разновидностей, каждая из которых применяется в определённых условиях испытаний (см. таблицу):
| 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 обозначе-ние 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 |
https://youtube.com/watch?v=g9IN9RgxyZk
Стационарные твердомеры для металлов, реализующие метод Роквелла (типа ТК), подразделяют 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 (она может быть с цифровой или аналоговой индикацией результата).
- Рабочую измерительную головку, с регулируемыми установками.
- Масляный амортизатор.
- С-образную станину.
Последовательность действия твердомера Роквелла следующая. Образец шлифованной поверхностью вверх размещают на измерительном столе, после чего перемещают его вверх, до начала вдавливания индентора в поверхность, что отслеживается по шкале твердомера. Так происходит 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. Далее, 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. После этого маховичком возвращают столик в исходное положение, и снимают с него деталь.
Условная единица твёрдости Роквелла соответствует 2 мкм перемещения рабочего наконечника индентора.
Существуют и переносные разновидности приборов Роквелла. К числу наиболее популярных относится прибор типа ТКП, испытательная головка которого прикрепляется к измеряемой детали. Нагрузку от рукоятки производит трёхкулачковый валик, передающий усилие шпинделю, в котором размещается индентор. Последовательность приложения нагрузок – предварительной и основной – в приборах типа ТКП такая же, так и в стационарных твердомерах для металла, где применяется метод Роквелла.
Применяются также и другие типы твердомеров для металла – Шора, Виккерса и пр. Их цена зависит от технических характеристик прибора. Например, диапазон цен на портативные динамические твердомеры составляет 30000…50000 руб, на стационарные установки – от 275000 до 420000 руб.
Пневмопробойник. Бестраншейная замена труб
Электроды. Обзор цен
Способы определения твердости металлов
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.
Источник
Сравнение шкал измерения твёрдости
Твёрдость – свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твёрдого тела – индентора.
Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения), наиболее распространёнными среди которых являются :
- метод Бринелля (HB) – твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка. Размерность единиц твёрдости по Бринеллю – МПа. Метод не применяется для тонких материалов и материалов с большой твёрдостью;
- метод Роквелла (HRA, HRB, HRC) – твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость вычисляется по формуле :HR = HRmax – (H – h) / 0,002 , гдеHRmax – максимальная твёрдость по Роквеллу (по шкалам A и C составляет 100 единиц, а по шкале B – 130 единиц),(H – h) – разность глубин погружения индентора (в миллиметрах) после снятия основной нагрузки и до её приложения (при предварительном нагружении). Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной величиной. Метода Роквелла проще в реализации, но обладает меньшей точностью по сравнению с методами Бринелля и Виккерса. Не допускается проверка образцов с толщиной менее десятикратной глубины проникновения наконечника;
- метод Виккерса (HV) – твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение нагрузки, приложенной к пирамидке, к площади отпечатка. Размерность единиц твёрдости по Виккерсу – МПа. Позволяет определять твёрдость азотированных и цементированных поверхностей, а также тонких листовых материалов :, но обладает пониженной точностью в нижнем диапазоне (для мягких материалов).
Результаты измерения твёрдости по методам Роквелла и Виккерса могут быть переведены с помощью таблиц в единицы твёрдости по методу Бринелля (таблица 1)
Зная твёрдость по Бринеллю, можно рассчитать предел прочности и текучести материала, что важно для прикладных инженерных задач :
- для стали:σв = 3,33 × HB ;σт = 1,67 × HB ;
- для алюминиевых сплавов:σв = 3,62 × HB ;
- для медных сплавов:σв = 2,60 × HB ;
где σв
– предел прочности, МПа;σт – предел текучести, МПа.
Таблица 1 – Перевод результатов измерения твёрдости
| 100 | 52,4 | 100 |
| 105 | 57,5 | 105 |
| 110 | 60,9 | 110 |
| 115 | 64,1 | 115 |
| 120 | 67,0 | 120 |
| 125 | 69,8 | 125 |
| 130 | 72,4 | 130 |
| 135 | 74,7 | 135 |
| 140 | 76,6 | 140 |
| 145 | 78,3 | 145 |
| 150 | 79,9 | 150 |
| 155 | 81,4 | 155 |
| 160 | 82,8 | 160 |
| 165 | 84,2 | 165 |
| 170 | 85,6 | 170 |
| 175 | 87,0 | 175 |
| 180 | 88,3 | 180 |
| 185 | 89,5 | 185 |
| 190 | 90,6 | 190 |
| 195 | 91,7 | 195 |
| 200 | 92,8 | 200 |
| 205 | 93,8 | 205 |
| 210 | 94,8 | 210 |
| 215 | 95,7 | 215 |
| 220 | 96,6 | 220 |
| 225 | 97,5 | 225 |
| 230 | 98,4 | 230 |
| 235 | 99,2 | 235 |
| 240 | 100,0 | 240 |
| 245 | (21,2) | 245 |
| 250 | (22,1) | 250 |
| 255 | (23,0) | 255 |
| 260 | (23,9) | 260 |
| 265 | (24,8) | 265 |
| 270 | (25,6) | 270 |
| 275 | (26,4) | 275 |
| 280 | (27,2) | 280 |
| 285 | (28,0) | 285 |
| 290 | (28,8) | 290 |
| 295 | (29,5) | 295 |
| 300 | (30,2) | 300 |
| 310 | (31,6) | 310 |
| 319 | (33,0) | 320 |
| 328 | (34,2) | 330 |
| 336 | (35,3) | 340 |
| 344 | (36,3) | 350 |
| 352 | (37,2) | 360 |
| 360 | (38,1) | 370 |
| 368 | (38,9) | 380 |
| 376 | (39,7) | 390 |
| 384 | (40,5) | 400 |
| 392 | (41,3) | 410 |
| 400 | (42,1) | 420 |
| 408 | (42,9) | 430 |
| 416 | (43,7) | 440 |
| 425 | (44,5) | 450 |
| 434 | (45,3) | 460 |
| 443 | (46,1) | 470 |
| (47,5) | 490 | |
| (48,2) | 500 | |
| (49,6) | 520 | |
| (50,8) | 540 | |
| (52,0) | 560 | |
| (53,1) | 580 | |
| (54,2) | 600 | |
| (55,4) | 620 | |
| (56,5) | 640 | |
| (57,5) | 660 | |
| (58,4) | 680 | |
| (59,3) | 700 | |
| (60,2) | 720 | |
| (61,1) | 740 | |
| (62,0) | 760 | |
| (62,8) | 780 | |
| (63,6) | 800 | |
| (64,3) | 820 | |
| (65,1) | 840 | |
| (65,8) | 860 | |
| (66,4) | 880 | |
| (67,0) | 900 | |
| (69,0) | 1114 | |
| (72,0) | 1220 |
Перевод значений твёрдости следует использовать лишь в тех случаях, когда невозможно испытать материал при заданных условиях. Полученные переводные числа твёрдости являются лишь приближёнными и могут быть неточными для конкретных случаев. Строго говоря, такое сравнение чисел твёрдости, полученных разными методами и имеющих разную размерность, лишено всякого физического смысла, но, тем не менее, имеет вполне определённую практическую ценность.
Шкала твердости Мооса
Шкала Мооса (минералогическая шкала твёрдости) представляет собой качественную порядковую шкалу, характерезующую стойкость различных минералов к царапанию. Используется для определения относительной твердости образцов минералов.
Основана на способности более твердого материала царапать более мягкий материал.
Шкала содержит 10 минералов в качестве эталонных, упорядочивая их в порядке возрастания твердости от очень мягкого (тальк) до очень твердого (алмаз).
Все минералы из таблицы, кроме алмаза, относительно распространены и их легко или недорого получить.
- — Тальк
- — Гипс
- — Кальцит
- — Флюорит
- — Апатит
- — Ортоклаз
- — Кварц
- — Топаз
- — Корунд
- — Алмаз
Если минерал царапет эталон, значит его твердость — выше, если он царапается эталоном — ниже.
Шкала Мооса создана в 1812 году и названа в честь изобретателя немецкого геолога и минеролога Фридриха Мооса. С тех пор было изобретено множество различных методов определения твердости: метод Бринеля, Кнупа, Роквелла, Шора, Виккерса.
Определение твердости по Моосу — это относительное целочисленное сравнение устойчивости к царапинам.
Другие методы измерения твердости оперируют устойчивостью к вдавливанию. Для испытаний используется «Индентор» который вдавливается в исследуемый образец с тщательно измеренной силой. Затем размер или глубина выемки на образце и величина силы используются для расчета значения твердости. Поскольку в каждом из этих тестов используются разные аппараты и разные расчеты, их нельзя сравнивать напрямую друг с другом.
Шкала Мооса получила широкое распространение т.к. метод определения твердости прост в исполнении, недорог и люди быстро его понимают.
Несмотря на недостаточную точность, шкала актуальна для полевых геологов, которые используют её для грубой идентификации минералов когда исследуются легко идентифицируемые образцы или когда нет возможности использовать более сложные тесты.
Некоторые используют легкодоступные предметы для быстрого испытания. Например геолог может иметь карманный нож, которым можно определить является ли образец тверже или мягче чем значение 5-6,5 по Моосу.
- 1 — Карандаш
- 2 — Повареная соль
- 2-2,5 — Можно поцарапать ногтем
- 2,5-3 — Золото, серебро
- 3 — Медная манета
- 4-4,5 — Гвоздь
- 4-5 — Железо
- 5 — Стекло
- 5-6,5 — Лезвие ножа
- 6,5 — Стальной напильник
- 7 — Легко царапает стекло
- 7+ — Напильник из закаленной стали
- 8 — Наждачная бумага, минерал очень легко царапает стекло
- 9 — Минерал режет стекло
- 10 — Используется как стеклорез
Ниже представлена расширенная таблица веществ, минералов, драгоценных камней:
| Вещество или минерал | Твердость по Моосу |
| Пирофиллит, молибденит | 1-2 |
| Боксит, уголь | 1-3 |
| Лимонит | 1-5 |
| Лед, сахар, галлий, стронций, индий, олово, барий, таллий, свинец, графит | 1,5 |
| Гипс, кальций | 1,5-2 |
| Сера | 1,5-2,5 |
| Сильвит, глауконит, кадмий, селен | 2 |
| Каменная соль, киноварь, хлорит, висмут, янтарь | 2-2,5 |
| Мусковит | 2-3 |
| Серебро, золото, галенит, медь, биотит, слюда | 2,5-3 |
| Алюминий, известняк, кальцит, борная кислота, нитрофоска | 3 |
| Арагонит, витерит, ангидрит | 3-3,5 |
| Жемчуг, латунь, мышьяк | 3-4 |
| Серпентин | 3-5 |
| Сфалерит, родохрозит, малахит, доломит, куприт, халькопирит, азурит, барит | 3,5-4 |
| Сидерит, пирротин, доломит | 3,5-4,5 |
| Флюорит, бронза фосфористая | 4 |
| Мрамор | 4-5 |
| Зубная эмаль, асбест, апатит, марганец, цирконий , палладий , обсидиан | 5 |
| Титанит, монацит | 5-5,5 |
| Нефрит, уранинит, ильменит, энстатит, керамогранит (полированный) | 5-6 |
| Магнетит | 5-6,5 |
| Нефелин, авгит, арсенопирит, актинолит, бустамит, кобальтит | 5,5-6 |
| Родонит, диопсид, опал, железняк красный | 5,5-6,5 |
| Титан, германий , ниобий , родий , уран | 6 |
| Рутил, пирит, пренит, плагиоклаз, ортоклаз, амазонит, андезин, анортоклаз, бенитоит, гельвин, иридий | 6-6,5 |
| Кремний | 6,5 |
| Яшма | 6,5-7 |
| Агат, цоизит, эпидот, касситерит, пиролюзит | 6-7 |
| Марказит | 6-7,5 |
| Гранит, танзанит, сподумен, оливин, жадеит, аксинит, хризопраз, жадеит | 6,5-7 |
| Силлиманит, гранат | 6,5-7,5 |
| Кварц, каменная галька, аметист, авантюрин, форстерит, осмий, силикон, рений , ванадий | 7 |
| Турмалин, кордиерит, альмандин, борацит, кордиерит, данбурит | 7-7,5 |
| Циркон, андалузит, эвклаз, гамбергит, сапфирин | 7,5 |
| Изумруд , закаленная сталь, вольфрам, шпинель, берилл, бериллий, аквамарин, красный берилл, ганит, пейнит | 7,5-8 |
| Топаз, Фианит | 8 |
| Хризоберилл, александрит, холтит | 8,5 |
| Керамогранит (неполированный) | 8,5 |
| Корунд, рубин, сапфир, алунд, хром | 9 |
| Муассанит, бор | 9,5 |
| Карборунд | 9-10 |
| Алмаз, карбонадо | 10 |
Как определить твердость металла по методике Бринелля: особенности
В качестве индентора, то есть самого элемента, который вдавливается в заготовку, используется идеальный шарик диаметром от 1 до 10 миллиметров. Он изготавливается из легированных соединений или из сплава карбида и вольфрама. Регламентируется производство таких шаров ГОСТом 3722 81.
Время, в которое происходит статическое, то есть неподвижное вдавливание, – от 10 до 180 секунд. Этот параметр зависит от материала. Самые минимальные временные промежутки – для чугуна и стали, а более продолжительные – для цветных металлов.
Максимальная нагрузка, которая может быть измерена таким способом, – 450 или 650 НВ, в зависимости от того, из чего сделан шарик.
На образец для правильной деформации подбирается воздействие, посмотрим по формулам в таблице, как можно их вычислить, учитывая, что D – это диаметр шара:
| Проверяемый объект | Математически вычисленное изменение |
| Свинец или олово | 1d^2 |
| Стальные соединения, титан, никель | 30d^2 |
| Легкие сплавы | от 2,5d^2 до 15d^2 |
| Чугун | 10d^2 или 30d^2 |
| Медь и составы с ее добавлением | 5d^2, 10d^2, 30d^2 |
Алгоритм применения метода Бринелля
- Проверяется сам аппарат и тело для внедрения – шар.
- Определяется максимальное усилие.
- Твердомер запускается.
- Измеряется глубина вдавливания.
- Производятся математические вычисления.
Применяемая формула НВ=P/F, где:
- P – нагрузка;
- F – площадь отпечатка.
Следует отметить, что это самый распространенный способ.
Оборудование для проведения измерения
На момент разработки рассматриваемой методики измерения твердости специального оборудования не было
После того, как в машиностроительной и других областях промышленности установили важность этой физико-механической характеристики, было разработано специальное оборудование, которое основано также на вдавливании шарика или конуса в тестируемый объект. Современное оборудование позволяет с высокой точностью контролировать величину прилагаемой силы и времени выдержки
Твердомером измеряется твердость, как правило, небольших объектов, являющимися образцами получаемой заготовки. Это связано с весьма компактными размерами большинства моделей рассматриваемых устройств.
К особенностям применяемого оборудования можно отнести нижеприведенные моменты:
- Испытуемый образец, как правило, располагается на столике.
- Алмазный наконечник опускается с помощью грузового рычага.
- Важным моментом является то, что наконечник опускается плавно. Это достигается при применении рукоятки с масленым амортизатором.
- Время выдержки применимой нагрузки зависит от размеров испытуемого образца. Как правило, показатель составляет 3-6 секунд. Сила воздействия определяется также величиной заготовки.
- Важные параметры вводятся при помощи специального пульта программирования. За счет того, что контроль прилагаемой силы и время выдержки проводит оборудование, точность получаемых результатов довольно высока.
Читать также: Обмотки трансформатора изготавливают из
Рассматриваемое оборудование производится достаточно большим количеством различных компаний. При этом стоимость предложения может колебаться в достаточно большом диапазоне.
