Твердость. Методы определения твердости

Все мы знаем, что каждый материал на земле обладает разными свойствами: физическими, химическими, механическими, технологическими, эксплуатационными и многими другими. Также сюда можно отнести и твердость. Все они вместе позволяют предопределить их применение в той или иной сфере человеческой жизнедеятельности. Но что такое твердость металлов, сплавов или любых других материалов? Среди прочих свойств это наиболее интересно, поскольку нет четкого его определения.

Что представляет собой твердость?

Твердость любого материала является его важной характеристикой, поскольку от этого зависит стойкость и долговечность изготавливаемых конструкций. А так как четкого определения нет, то сам термин можно «расшифровать» так - это свойство материала оказывать сопротивление проникновению в него другого тела (инструмента). Эта характеристика позволяет оценить качество многих объектов:

металла (сплавы);
керамики;
древесины;
пластика;
камня;
графита.

Помимо этого, твердость влияет на степень обработки того или иного материала. То есть чем он тверже, тем труднее с ним работать. Справедливо и обратное. Поэтому с деревом приятно иметь дело при изготовлении различных поделок.

У разных специалистов свое понятие твердости. К примеру, в области минералогии под этим определением понимается сопротивление одного материала к появлению царапин при воздействии другого объекта.

В металлургии несколько иначе понимают, что такое твердость - сопротивляемость пластической деформации. Но основное определение, на которое ссылается большинство специалистов любой профессии, уже приведено в самом начале раздела.

Тем не менее твердость может проявляться по-разному:

жесткость;
сопротивляемость:

царапанию;
истиранию;
резанию;

деформация:

изгиб;
излом;
изменение формы.

Чем выше величина твердости, тем большая степень сопротивляемости у материала. Исходя из такого многообразия проявления такого свойства, существуют разные способы по его измерению.

Способы измерения твердости

Что характерно, испытание на твердость проводится чаще, чем определение всех остальных свойств материалов - прочности, относительного удлинения и прочих. Способов узнать, насколько тверда сталь или любой другой минерал, несколько. Но все они основываются на общем принципе: на испытываемый образец воздействуют другим объектом, прилагая определенное давление. Это может быть шарик, пирамида, пуансон.

Определение твердости производится по глубине внедрения и показателям давления. Минимальные усилия и большая глубина говорят о низких свойствах материала. Равносильно и наоборот, большие усилия и малая глубина - твердость высокая.

При этом испытания могут быть двух основных видов:

Статические.
Динамические.

Если контакт исследуемого образца и объекта происходит в течение определенного промежутка времени, то испытание носит статичный характер. В ином случае речь идет о динамичном способе определения твердости.

В настоящее время для определения твердости материалов применяют:

Метод Виккерса (ГОСТ 2999-75).
Метод Бринелля (ГОСТ 9012-59).
Метод Роквелла (ГОСТ 9013-59).
Метод Шора.
Метод Мооса.

Выбор того или иного испытания зависит от специфики применения деталей, необходимой точности результата, а также способности воспроизвести исследования при различных условиях.

Способ Виккерса

Что такое твердость по Виккерсу? Суть данной методики заключается во вдавливании пирамиды, изготовленной из алмаза, в образец. У пирамидального индентора соотношение сторон должно быть строго определенным. В результате проведения испытания на исследуемом образце остается ромбовидный отпечаток, причем иногда он может быть неправильной формы.

Твердость обознается двумя латинскими буквами - HV - и устанавливается в зависимости от значения диагонали полученного ромба. Иногда используется среднее арифметическое значение обеих диагоналей.

Оборудование, с помощью которого измеряется твердость по Виккерсу, относится к статичному типу и может быть стационарным либо переносным. При этом сама процедура выполняется следующим образом:

Образец помещается на рабочий стол оборудования исследуемой поверхностью кверху. Затем она вместе со столом поднимается вверх до легкого соприкосновения с рабочим наконечником.
При помощи реле времени задается определенный час воздействия, после чего остается опустить рычаг, который приводит в действие нагружающий механизм. По окончании времени испытания нагрузка с детали снимается и наконечник возвращается в прежнее положение.
Оборудование оснащено отсчетным микроскопом, поэтому после завершения операции нужно развернуть стол с образцом к нему и измерить диагонали отпечатка.

В некоторых случаях твердость стали или любого другого материала по данной методике указывается со значением нагрузки. К примеру, такое обозначение HV 50 940 говорит о том, что твердость равна 940 единиц при воздействии нагрузки, равной 50 кг.

Достоинствами данного способа испытания являются:

Можно измерять детали практически с любой толщиной за счет малой площади поверхности, которую занимает индентор (самое крайнее положение).
Высокая точность результата, что обусловлено идеальной степенью твердости алмазного наконечника. Как следствие, сам он не подвержен деформации.
Диапазон измерений довольно широкий и способен охватывать как относительно непрочные металлы наподобие алюминия и меди, так и высокопрочные стали, сплавы.
Есть возможность определения твердости отдельно взятого слоя металлов. К примеру, образец прошел процесс цементации либо у детали изменен химический состав вследствие поверхностного упрочнения или легирования.

Как показывает практика, диапазон измерений твердости составляет от 145 до 1000 HV. Чтобы измерить твердость большой партии образцов, существует автоматизированное оборудование компании Reicherter из Германии, имеющее гидравлический или электромеханический привод. Расчет результата проводится автоматизировано, после чего выводится на монитор.

Твердость по Бринеллю

Твердость по этому методу обозначается тоже двумя, но уже другими буквами - HB - и тоже является статичным испытанием. Температура при исследовании должна быть в пределе 20±10 °С. Его суть в следующем - образец сдавливается стальным закаленным шариком. Также в комплекте к оборудованию имеется еще один шарик, который изготовлен из вольфрамокобальтового твердого сплава. Это позволяет увеличить диапазон измерения твердости.

Согласно стандарту, определены некоторые условия в отношении того, что такое твердость по Бринеллю:

Нагружать образец стоит в пределах от 12,25 до 29420 Н.
Размер шариков составляет 1-10 мм.
Длительность воздействия не должна превышать 10-15 с.
Отпечаток на образце не должен выходит за пределы: 0,2-0,7 D (D - диаметр шарика.)

Процесс измерения проходит так:

Образец помещается на стол и закрепляется по упору.
На приводе ставится необходимое значение нагрузки, после чего задействуется шпиндель.
По окончании процедуры рабочий наконечник принимает первоначальное положение. На экране можно увидеть стрелочный индикатор, который укажет величину диаметра отпечатка. Сама твердость устанавливается с помощью таблицы, расположенной на станине оборудования. Если необходимо поменять нагрузку, то для этого есть комплект переустанавливаемых штырей.

Существуют переносные инструменты, которые хорошо использовать в полевых условиях. Они оснащены струбциной, к которой крепится образец, а нагрузка создается рукояткой.

Рабочий диапазон по измерению твердости сплавов составляет 8-450 HB, что соответствует большинству марок сталей и сплавов, которые используются в производстве разных металлоконструкций. Но стоит только превысить верхний предел измерений, как точность уже не соответствует действительности, что обусловлено деформацией индентора. Не рекомендуется использовать твердосплавные шарики, если ожидаемая твердость 350-450 HB.

Главным преимуществом метода Бринелля можно считать возможность определять твердость горячих образцов. В то же время нельзя определить ее на кромках или краях деталей либо у тонких образцов.

Метод Роквелла

Буквы, обозначающие твердость по Роквеллу, - это HR. При этом методе в образец вдавливается стальной шарик либо алмазный конус.

Испытание проводится при следующих условиях:

Предварительно образец нагружается, что позволяет избежать влияния ряда поверхностных факторов: шероховатость, температура, скорость внедрения индентора.
Производится основная нагрузка, по которой проводится расчет результата.
Процедура завершается снятием нагрузки.

Если данный метод сравнивать с предыдущими способами определения твердости, то здесь фигурируют три шкалы.

A - обозначается HRA, индентор - алмазный конус, диапазон измерений: 60-80 HRA. Применима к высокоуглеродистым легированным инструментальным сталям, а также твердым сплавам.
B - обозначается HRB, индентор - закаленный шарик, диапазон измерений: 35-100 HRB. Это уже стали средней твердости и сплавы цветных металлов.
C - обозначается HRC, индентор - алмазный конус, диапазон измерений: 20-90 HRC. Для сталей средней твердости.

Если речь заходит про специфические условия вычисления твердости, к примеру, холоднокатаная тонколистовая сталь, то используется методика Супер-Роквелла с обозначением твердости HRN и HRT.

Оборудование тоже может быть как стационарным, так и переносным. При этом первый тип управляется при помощи электромеханического либо гидравлического привода.

Измерения по Роквеллу проводить сложнее, поскольку необходимо задавать первичную, а потом вторичную скорость перемещения индентора. К тому же алмазный рабочий наконечник имеет форму конуса, что отражается на получении результата. И определить размеры полученного отпечатка здесь гораздо сложнее.

Твердость по Шору

Метод Шора обладает главной отличительной чертой. Все описанные выше способы определения твердости металлов и прочих материалов обладали общим недостатком - на поверхности исследуемого образца появляется отпечаток. В этом случае при необходимости испытываемую деталь невозможно обратно установить в узел либо конструкцию. Методика Шора полностью исключает такую деформацию.

К тому же замер, к примеру, твердости стали, относится уже к испытанию динамического типа, и его суть сводится к следующему. К поверхности исследуемого образца подводится склероскоп (портативный твердомер), внутри которого находится стальной баек с наконечником из алмаза. Твердость определяется так: чем мягче материал, тем меньшим будет расстояние отскока, вследствие поглощения удара самим материалом. А чем тверже образец, тем большим будет отскок.

Диапазон измерений составляет от 30 до 140 HS. Закаленная высокоуглеродистая сталь соответствует значению 100 HS. А поскольку оборудование не повреждает поверхность изделий, то оно актуально для испытаний тех деталей, которые входят в конструкцию действующего узла или агрегата.

Методика проста в реализации, оценка производится довольно быстро и деталь можно снова установить в узел. Все это можно считать главными преимуществами. Тем не менее есть некоторые ограничения.

Шкала твердости HS не имеет стандарта, но есть таблицы и графики, которые позволяют перевести единицы по ШОРу в значения HV, HR или HB. На расстояние отскока бойка влияет такая характеристика, как модуль Юнга. Поэтому невозможно сопоставить единицы HS разных материалов.

К тому же твердость по ШОРу - это всего лишь сравнительное значение. Вдобавок точность результатов заметно ниже, чем у всех перечисленных выше аналогов.

Шкала Мооса

Немецкий ученый Фридрих Моос еще в далеком 1811 году предложил свой способ определения твердости разных материалов. При этом его шкала содержит значения от 1 до 10, что соответствует самым распространенным минералам, начиная с талька (самый мягкий камень) и заканчивая алмазом (самый твердый).

Сама методика очень проста и основывается на сопротивляемости исследуемого образца царапанию. К примеру, объект B может поцарапать тело C, но никак не воздействует на деталь A. Или, напротив, материал A только слегка царапает деталь B, но может сильно повредить объект C.

Несмотря на то что способ определения твердости по шкале Мооса был предложен чуть более двух веков назад, он успешно применяется по сей день. Только полученный результат дает далеко не полную информацию, поскольку здесь нет абсолютных значений и невозможно определить соотношение по твердости. Иными словами, нельзя сказать, во сколько раз один из материалов тверже либо мягче другого.

Эталоны твердости Мооса

В качестве эталона по определению твердости по методу Мооса берутся эти 10 минералов (далее в скобках будет указан присвоенноезначение):

Тальк.
Гипс.
Кальцит.
Флюорит.
Апатит.
Ортоклаз.
Кварц.
Топаз.
Корунд.
Алмаз.

Что же представляют собой эти минералы? Опишем их все вкратце ниже.

Первая пятерка

Тальк настолько мягок, что можно царапнуть ногтем. Такая же твердость у карандашей (точнее графита). По шкале соответствует единице. Многим людям он хорошо известен, так как из него изготавливается детская присыпка.

Следующий по твердости - это гипс (2), который тоже легко царапается и имеет особенное свойство. Стоит его измельчить в порошок и смешать с водой - получится пластинчатая масса, которой можно придать любую форму. Помимо белого цвета, есть оригинальные варианты желтого оттенка.

На третьем месте кальцит не случайно (3). Ногтем его уже не поцарапать, зато это можно сделать медной монетой. Такая же степень твердости у золота и серебра. Его второе название - биоминерал, и именно из него состоят раковины.

Флюорит по-другому именуется как плавиковый шпат и переводится как «текучий». Ни ногтем, ни монетой он не царапается, чего нельзя сказать про стекло или обычный нож. Его твердость, как можно понять, - 4.

На пятом месте располагается апатит (5), который еще поддается царапанию при помощи ножа или стекла (такой же характеристикой может похвастать лазурит). При помощи этого минерала добывается фосфор либо фосфорная кислота.

Вторая пятерка

Шестым в списке идет ортоклаз, который уже не берет стекло, но напильнику он противостоять не сможет. Для промышленности он ценен как источник для производства электрокерамики и фарфора. Аналогичная твердость у опала, только его нельзя использовать в качестве эталона, поскольку есть много его разновидностей и у всех свои прочностные характеристики.

На седьмом месте в нашем «рейтинге» свойств твердости располагается всем известный кварц, что соответствует его показателю - 7. Многие знают его как обычный песок. Однако он может быть и в прочих формах: в виде горного хрусталя, агата, аметиста.

Среди рассмотренных минералов самым твердым является топаз (8). Он с трудом поддается обработке, и в большинстве случаев для этого используется алмаз. Впервые он был обнаружен на острове Топазиос, что расположен в Красном море. Отсюда и пошло его название.

Корунд вроде бы идентичен по твердости алмазу, тем не менее при помощи других методик были определены его характеристики. И как итог - алмаз гораздо тверже корунда (в 90-180 раз). Рубины и сапфиры тоже приравниваются к этому минералу, а за счет своей твердости он идеально подходит для изготовления абразивных инструментов.

Замыкает всю десятку алмаз, которому из всех существующих минералов нет равных по части прочности, и его показатель по шкале твердости - заслуженная 10!

Измерение твердости металлов

В промышленности, связанной с обработкой металлов, испытания на твердость являются наиболее распространенными из всех видов механических испытаний. Они производятся значительно чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.

Для определения твердости служат специальные приборы, называемые твердомерами. Рабочим органом каждого твердомера, входящим в контакт с поверхностью испытуемого металла, является наконечник (индентор). Наконечниками могут быть тела различной геометрической формы: шарик, конус, пирамида и др., изготовленные, из материала более твёрдого, чем испытуемый, например, из закаленной стали, алмаза, твёрдого сплава.

В зависимости от характера нагрузки, прикладываемой в процессе испытания, различают статическую и динамическую твердость. В первом случае к индентору нагрузка прикладывается плавно, во втором – ударом.

Наиболее распространено определение статической твердости на твердомерах Бринелля, Роквелла и Виккерса путем вдавливания в испытуемый металл соответственно шарика, конуса, пирамиды. Величина внедрения наконечника в поверхность испытуемого металла характеризует его твердость. Чем тверже металл, тем внедрение будет меньше, и наоборот. Таким образом, твердость - свойство металла сопротивляться внедрению другого более твердого тела. При внедрении наконечника происходит контактное (местное) приложение нагрузки, под действием которой испытуемый металл пластически деформируется в ограниченном объеме. При этом деформация тем меньше, чем тверже металл. Поэтому можно сказать и так: твердость - это сопротивление металла пластической деформации при контактном приложении нагрузки.

Примерами определения динамической твердости могут служить способы Польди и Шора. В первом случае стальной шарик ударом вдавливается одновременно в испытуемый металл и эталонный образец, твердость которого известна. Сравнение полученных отпечатков на эталоне и испытуемом металле позволяет определить твердость последнего. Во втором случае твердость оценивается высотой отскока от испытуемой поверхности бойка, падающего с постоянной высоты: чем выше отскочил боек, тем тверже испытуемый металл. Способ основан на упругих свойствах металла, поэтому его называют способом определения твердости методом упругой отдачи. Выполняется он на приборе, называемом склероскопом Шора. Шкала склероскопа имеет 140 делений. Отскоку в 100 делений соответствует твердость закаленной высокоуглеродистой стали. Вес бойка 2,5 г, его наконечник выполнен из алмаза или закаленной стали. В практике механических испытаний определение динамической твердости по Шору в настоящее время ограничено. Широкое распространение испытаний на твердость объясняется рядом причин. Испытания проводятся быстро, требуют мало времени на подготовку, просты по технике выполнения. При этом часто не требуется изготовление специальных образцов, так как испытания могут выполняться непосредственно на детали без ее разрушения. С помощью переводных таблиц можно сравнить твердость металла, измеренную разными методами (приложение 1).

Между твердостью и другими механическими свойствами существует в ряде случаев зависимость. Например, зная твердость, можно судить о величине прочности на растяжение, пользуясь формулой

σ В = К ·НВ ,

где: σ В - предел прочности на растяжение (временное сопротивление), кгс/мм 2 ;

К - коэффициент;

НВ - число твердости по Бринеллю.

Значение К , по данным Н. А. Минкевича, И. А. Одинга, Н. В. Гевелинга, следующее:

сталь твердостью НВ 120-175 .............. 0,34

сталь твердостью НВ 175-450 . ……... 0,35

медь, латунь и бронза отожженные... .. 0,55

медь, латунь и бронза наклепанные. .…. 0,10

алюминий и его сплавы твердостью НВ 20-45 ...0,33-0,36

дуралюмин отожженный......………......... 0,36

дуралюмин после закалки и старения.….. 0,36.

Однако следует иметь в виду, что общего точного метода перевода чисел твердости, измеренных одним методом, на числа твердости по другим шкалам, а также на прочность при растяжении не существует. Такие переводы делаются, когда для них имеется надежная основа благодаря ранее выполненным сравнительным испытаниям.

Твердость металлов измеряют методами Бринелля, Роквелла, Виккерса, Польди и др.

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.

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 .

Следует понимать, что хотя оба этих метода являются методами измерения твёрдости, предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие названия и совпадающие обозначения шкал, это - не версии одного метода, а два принципиально разных метода с разными значениями шкал, описываемых разными стандартами.

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.

Измерение твердости металлов.

Методы измерения твердости металлов. Одним из широко распространенных видов испытания металлов является определение твердости. Твердость металла можно определять прямыми и косвенными методами.

Прямые методы испытания на твердость состоят в том, что в образец вдавливают специальный твердый наконечник (из закаленной стали, алмаза или твердого сплава) различной формы (шарик, конус, пирамиду). После снятия нагрузки остается отпечаток, величина которого характеризует твердость образца.

При косвенных методах оцениваются свойства металла, пропорциональные его твердости.

Испытания на твердость могут быть статическими и динамическими. К первому виду относятся испытания методом вдавливания, ко второму - методом ударного вдавливания.

В зависимости от характера и способа приложения нагрузки твердость косвенно характеризует различные механические свойства металлов. Если наконечник вдавливается в образец, то твердость характеризует сопротивление пластической деформации. Если наконечник царапает об-

разец, то твердость характеризует сопротивление разрушению. Твердость, определенная по отскоку наконечника, характеризует упругие свойства металла образца.

По значению твердости металла можно составить представление об уровне его свойств. Например, чем выше твердость, определенная вдавливанием наконечника, тем меньше пластичность металла, и наоборот.

Метод измерения твердости имеет ряд преимуществ перед другими методами механических испытаний металла: простота техники и быстрота испытаний, простота формы и небольшие размеры образцов, возможность проводить испытание непосредственно на изделии без его разрушения.

Твердость определяют на специальных приборах - твердомерах.

Твердомеры бывают стационарные и переносные. Принципиальное устройство твердомеров для всех методов испытаний на твердость одинаково.

Основными узлами твердомеров являются станина, рабочий столик, наконечник (узел, состоящий из оправки и индентора), нагружающее устройство, прибор для измерения величины деформации.

Общая схема испытания такова: деталь или образец помещают на рабочем столике, с помощью нагружающего устройства в образец вдавливают индентор и после снятия нагрузки определяют твердость.

В зависимости от цели испытания, свойств испытуемого металла, размеров образца выбирают форму, размер и материал индентора, величину и длительность приложения нагрузки.

Наиболее часто проводят определение твердости следующими методами: измерение твердости по Бринеллю - по ГОСТ 9012 - 59; измерение твердости по Роквеллу - по ГОСТ 9013 - 54; измерение твердости по Виккерсу - по ГОСТ 2999 - 75; изменение твердости методом ударного отпечатка - по ГОСТ 18661 - 73; измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников - по ГОСТ 9450 - 76.

Существуют общие требования к подготовке образцов и проведению испытаний:

1. Изготовление образцов и подготовка поверхности должны осуществляться способами, исключающими изменения свойств металла из-за нагрева или наклепа.

2. Поверхность образца должна быть чистой, без окислых пленок, следов ржавления или окалины, трещин и прочих дефектов.

3. Образцы должны быть определенной толщины. После нанесения отпечатка на обратной стороне образца не должно быть следов деформации.

4. Образец должен лежать на столике жестко и устойчиво. В процессе испытания образец не должен смещаться или прогибаться.

5. Прилагаемая нагрузка должна действовать перпендикулярно к поверхности образца.

6. Нагрузка должна прилагаться и возрастать плавно до заданного значения, а далее поддерживаться постоянной в течение определенного времени.

Измерение твердости по Бринеллю. При определении твердости методом Бринелля в испытуемый образец или изделие вдавливается в течение определенного времени металлический шарик (рис. 5). После снятия нагрузки на поверхности образца остается сферический отпечаток. Величина отпечатка зависит от твердости металла: чем тверже металл, тем меньше будет величина отпечатка. Число твердости по Бринеллю обозначается НВ.

Рис. 5. Схема расположения отпечатка при определении твердости методом Бринелля

Чтобы определить число твердости НВ (МПа или кгс/мм 2), надо величину приложенной нагрузки Р разделить на площадь отпечатка F :

где D - диаметр шарика, м (или мм);

d - диаметр отпечатка, м (или мм);

Чтобы не производить каждый раз вычисления, при определении числа твердости пользуются специально cоставленной таблицей (приложение к ГОСТ 9012- 59). Зная нагрузку, диаметры шарика и отпечатка, по этой таблице можно определить число твердости НВ.

Для испытания применяют шарики из закаленной стали или твердого сплава диаметром 2,5; 5,0 и 10 мм. Диаметр шарика выбирают в зависимости от толщины испытуемого образца и его твердости: чем тоньше и тверже образец, тем меньше должен быть диаметр шарика. Обычно испытание проводят на специально подготовленной горизонтальной площадке образца.

Толщина испытуемого образца должна быть не меньше десятикратной глубины отпечатка. Глубину отпечатка определяют пробным испытанием или, если известен уровень твердости, по формуле

где h - глубина отпечатка;

D - диаметр шарика;

НВ - число твердости.

Между временным сопротивлением и числом твердости HB существует следующая зависимость:

Для стали σ в = 0,34 HB;

Для медных сплавов σ в = 0,45 HB;

Для алюминиевых сплавов σ в = 0,35 HB.

Расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2,5d ,а между центрами двух соседних отпечатков - не менее 4d .Диаметр отпечатка d измеряют при помощи лупы или отсчетного микроскопа (рис. 6) в двух взаимно перпендикулярных направлениях и определяют среднее арифметическое из двух определений.

В зависимости от твердости металла нагрузка на шарик может изменяться от 15,6 до 3000 кгс. Чтобы результаты испытаний были сопоставимы при любом диаметре взятого шарика, между нагрузкой и диаметром шарика должно выдерживаться соотношение: P = 2,5D 2 , Р = 10D 2 , P = = 30D 2 .

Длительность приложения нагрузки должна быть достаточной для прохождения деформации и возрастать с уменьшением твердости испытуемого металла от 10 до 30 и 60 с.

При выборе диаметра шарика D ,нагрузки Р , продолжительности выдержки под нагрузкой t и минимальной толщины образца руководствуются табл. 1.

Запись результатов испытания проводится следующим образом. Если испытание проводится шариком диаметром D = 10 мм под нагрузкой Р = 3000 кгс с выдержкой D = 10 с, то записывается число твердости с cимвoлoм НВ. Например, твердость стали 350 НВ. Если условия испытания иные, то это показывается соответствующими индексами. Например, число твердости 230 и испытание проводилось шариком диаметром D = 5,0 мм при нагрузке 750 кгс с выдержкой под нагрузкой 10 с. В этом случае результаты записываются так: НВ 5/750/10/230.

Рис. 6. Измерение диаметра отпечатка по шкале лупы

Таблица 1

Выбор параметров испытания при определении твердости

методом Бринелля

Материал	Интервал твердости в числах Бринелля	Минимальная толщина испытуемого образца, мм	Соотношение между нагрузкой Р и диаметром шарика	Диаметр шарика D, мм	Выдержка под нагрузкой, с
Черные металлы	140-150	От 6 до 3 От 4 до 2 <2	P = 30D 2	10,0 5,0 2,5	187,5
<140	>6 От 6 до 3 <3	P = 10D 2	10,0 5,0 2,5	62,5
Цветные металлы	>130	От 6 до 3 От 4 до 2 >2	P = 30D 2	10,0 5,0 2,5	187,5
35-130	От 6 до 3 От 6 до 3 <2	P = 10D 2	10,0 5,0 2,5	62,5
8-35	>6 От 6 до 3 <3	P = 2,5D 2	10,0 5,0 2,5	62,5 15,6

Измерение твердости по Роквеллу. При измерении твердости этим методом алмазный конус или стальной шарик вдавливается в испытуемый образец под действием общей нагрузки Р. Причем сначала прилагается предварительная нагрузка Р 0 , а затем основная P 1 , т. е. Р = Р 0 + P 1 . Твердость определяют по глубине отпечатка (рис. 7). За единицу твердости по Роквеллу принята условная величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. В зависимости от твердости испытуемого образца испытание проводят вдавливанием алмазного конуса или шарика при различной величине основной и общей нагрузки. При испытании твердость можно измерять по трем шкалам: А, В и С (табл. 2).

Поверхность для испытания может быть плоской и криволинейной. Радиус кривизны поверхности должен быть не менее 15 мм. Минимальная толщина образца должна быть не меньше восьмикратной глубины внедрения индентора после снятия основной нагрузки P 1 .

При измерении твердости расстояние между центрами двух соседних отпечатков или расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 3,0 мм. На каждом образце проводят не менее трех измерений.

Рис. 7. Схема испытания на твердость по методу Роквелла

Таблица 2

Выбор параметров при определении твердости методом Роквелла

Измерение твердости по Виккерсу. При измерении твердости по этому методу в образец вдавливается алмазный наконечник, имеющий форму правильной четырехгранной пирамиды. Нагрузка Р действует в течение определенного времени.

Величина нагрузки может быть следующей: 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 20,0; 30,0; 50,0; 100,0 кгс. Чем больше нагрузка, тем более точным получается результат.

Продолжительность выдержки образца под нагрузкой составляет обычно 10-15 с.

Поверхность испытуемого образца должна быть хорошо подготовлена - шероховатость ее не должна превышать 0,16 мкм. Минимальная толщина стального образца должна быть больше диагонали отпечатка в 1,2 раза, а образцов из цветных металлов в 1,5 раза. Радиус кривизны поверхности должен быть не менее 5 мм.

Отпечатки ставят так, чтобы расстояние между центром отпечатка и краем образца или краем соседнего отпечатка было не менее 2,5 длины диагонали отпечатка (рис. 8).

Рис. 8. Схема расположения отпечатка при определении твердости методом

Виккерса

Погрешность при измерении диагоналей должна быть не более ±0,001 мм при длине диагонали до 0,2 мм, а при большей длине не более 0,5%.

Твердость по Виккерсу (HV) вычисляют по формуле:

α - угол между противоположными гранями пирамиды при вершине, равный 136°;

d - среднее арифметическое значение длин обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм.

Если испытания проводятся в стандартных условиях, то, чтобы не проводить вычисления, пользуются таблицей (приложение к ГОСТ 2999-75), в которой приведена твердость в зависимости от длины диагонали отпечатка при различной нагрузке.

При записи результатов испытаний в обычных условиях твердость по Виккерсу обозначается символом HV. Обычными условиями испытания считаются нагрузка 300 Н (30 кгс) и время выдержки 10-15 с. В этом случае твердость записывается,например, HV 300. Если условия испытания другие, то это указывается индексами, причем сначала указывается величина нагрузки, потом время выдержки. Например, запись HV 20/40 - 250 значит, что при нагрузке 200 Н (20 кгс) и времени выдержки 40 с твердость по Виккерсу 250.