Что называется твердостью металлов

Твердостью называют свойство материала сопротивляться внедрению в его поверхность индентора.

В чем измеряется твердость?

Существуют два основных способа отображения твердости материалов:

• в килограмм-силы на квадратный миллиметр (кгс/мм2);
• может обозначаться буквами HB (HBW), HRB, HRC, HV, HA, HD, HC, HOO и т.д.

По каким методам можно измерять твердость?

В настоящее время разработано много способов определения твердости металлов, таких как:

• измерение твердости вдавливанием под действием статической нагрузки (по методу Бринелля, Роквелла, Супер-Роквелла, Виккерса, М.С.Дрозда, Герца, Лудвика, монотрон Шора, пресс Бринелля);
• измерение твердости динамическим вдавливанием (по методу Мартеля, Польди, вертикальный копер Николаева, пружинный прибор Шоппера и Баумана, маятниковый копер Вальцеля, склероскоп Шора, маятник Герберта, маятниковый склерометр Кузнецова);
• измерение микротвердости статическим вдавливанием (по методу Липса, Егорова, Хрущева, Скворцова, Алехина, Терновского, Шоршорова, Берковича, Кнупа, Петерса,Эмерсона, микротвердомер Цейсса-Ганеманна и др.);
• измерение твердости царапанием (напильником Барба, по Моосу, прибор Мартенса, Хенкинса, микрохарактеризатор Бирбаума, склерометр О’Нейля, Григорович, Беркович).

Среди всех этих способов наибольшую популярность получил способ внедрения индентора под действием статической нагрузки. Основными методами для измерения твердости являются: Бринелль, Роквелл, Виккерс, Шора.

Требования к измерению твердости

К самому распространенному способу измерения твердости, предъявляются следующие требования:

• измерительный прибор должен быть надежным по конструкции, удобным в обращении, универсальным и применимым ко всем без исключения твердым телам, а сама операция по измерению твердости – простой и быстрой;
• вне зависимости от величины прилагаемого усилия или затрачиваемой энергии, значение твердости для однородного тела при постоянной температуре должно быть материальной константой;
• поверхность образца и способ его крепления должны обеспечивать надежную фиксацию, не допускают смещение образца относительно оси приложения нагрузки;
• твердость должна иметь совершенно определенный и ясный физический смысл, и правильную размерность, характеризующую сопротивление материала пластической деформации.

Как рассчитать твердость материала?

Чем выше твердость, тем более высокая нагрузка нужна для определения его твердости. Чем точнее метод, тем выше требования к подготовке испытательной поверхности материала. Соответственно нам необходимо подобрать метод определения твердости, дающий минимальную погрешность при минимальном повреждении поверхности и минимальных затратах на подготовку поверхности к испытанию.

В чем измеряется твердость стали?

Наиболее распространенный способ определения твердости стали — внедрения индентора под действием статической нагрузки по методам Бринелля, Роквелла, Виккерса (см. таблицу 1). И для каждого метода имеется своя шкала измерения твердости.

Таблица 1

Название прибора
Принцип действия и форма наконечника
Пример обозначения шкал
Формула вычисления твердости
Индентор
Шкала
Обозначение

Прибор Бринелля	Вдавливание стального закаленного шарика диаметром 1,25; 2,5; 5 или 10 мм и др., нагрузками в диапазоне от 1 до 62,5 кгс или от 62,5 до 3000 кгс в плоскую поверхность испытуемого тела	Твердосплавный сферический индентор с ⌀2,5 и усилием 187,5 кгс	HB (w)	HB (w) 2,5/187,5	Твердость вычисляется по диагонали отпечатка как нагрузка, деленная на площадь поверхности отпечатка: , кгс/мм2
Прибор Роквелла и Супер-Роквелла	Вдавливание алмазного конуса с углом заострения 120° или стальных шариков диаметром 1/2'', 1/4'', 1/8'' или 1/16'' стандартными нагрузками 150, 100 и 60 кгс (Роквелл) или 45, 30 и 15 кгс (Супер-Роквелл)	Алмазный индентор конической формы с углом при вершине 120° с усилием 60 кгс	HRA	60 HRA	Мерой твердости служит разность глубин проникновения наконечника при приложении основной и предварительной нагрузки, измеренная в условных делениях — при измерении по шкале А (HRA) и С (HRC): HR = 100-(H-h)/0,002 Разность представляет разность глубин погружения индентора (в миллиметрах) после снятия основной нагрузки и до её приложения (при предварительном нагружении). — при измерении по шкале B (HRB): HR = 130-(H-h)/0,002
Твердосплавный сферический индентор с диаметром 1,588 мм (1/2”) и усилием 100 кгс	HRB (w)	100 HRB (w)
Алмазный индентор конической формы с углом при вершине 120° с усилием 150 кгс	HRC	150 HRC
Прибор Виккерса и Микро-Виккерса	Вдавливание алмазной пирамиды с квадратным основанием и углом при вершине между гранями 136° c нагрузками от 0,01 до 50 кгс	Алмазный индентор пирамидальной формы c 4 гранями с усилием 1 кгс с усилием 0,5 кгс	HV	HV 1,0 HV 0,5	Твердость вычисляется по диагонали отпечатка как нагрузка, деленная на площадь поверхности отпечатка Нагрузка Р может меняться от 9,8 (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Твердость по Виккерсу HV = 0.189*P/d2, МПа, если Р выражена в Н, и HV = 1,854*P/d2, кгс/мм2, если Р выражена в кгс. Твердость Н определяют по той же формуле, что и твердость по Виккерсу: H = 0.189*P/d2, если Р выражена в Н.
Алмазный индентор пирамидальной формы c 3 гранями с усилием 0,1 кгс	НК	НК 1,0

Таблица 2

Методы статического определения твердости вдавливанием

Название прибора, автор (год)
Принцип действия и форма наконечника
Измеряемый параметр, метод вычисления твердости и ее условная размерность

По методу Герца (1881)	Сдавливание полусферы и плоскости из испытуемого материала до появления следов пластической деформации или трещины	HГ = 6Р/πd2кр, кгс/мм2
Монотрон Шора (1900)	Вдавливание алмазного шарика диаметром 0,75 мм или стальных шариков диаметром 1/16″ и 2,5 мм на стандартную глубину 0,045 мм	Мерой твердости служит нагрузка (кгс), необходимая для вдавливания на стандартную глубину
По методу Лудвика (1907)	Вдавливание стального конуса с углом заострения 90° в плоскость испытуемого тела	Твердость вычисляется как нагрузка, деленная на площадь проекции
По методу М. С. Дрозда (1958)	Вдавливание шарика нагрузкой Р, измерение глубины восстановленного отпечатка h и критической нагрузки Рs, отвечающей переходу от упругого к остаточному опечатку	Н = (Р-Рs)/πDhвосст, кгс/мм2

Таблица 3

Методы динамического определения твердости

Название прибора, автор (год)
Принцип действия и форма наконечника
Измеряемый параметр, метод вычисления твердости и ее условная размерность

По методу Мартеля (1895)	Удар стальной пирамидой, укрепленной на падающем бойке	По энергии удара и диагонали отпечатка определяется твердость H = Е1/V, кгс/мм2
Вертикальный копер Николаева	Удар бойка весом 3 кгс, падающего с высоты 530 мм, по стальному шарику 10 мм, прижатому к изделию	По диаметру отпечатка и тарировонным кривым определяется НВ, кгс/мм2
Пружинный прибор Шоппера	Удар стальным шариком диаметром 10 мм с помощью сжатой пружины	По глубине отпечатка определяется НВ, кгс/мм2
Пружинный прибор Баумана	Удар бойком со стальным шариком диаметром 5 или 10 мм с помощью сжатой пружины с запасом энергии 0,15 и 0,53 кгс·см	По диаметру динамического отпечатка и тарировочным кривым находится НВ, кгс/мм2
Прибор Польди	Удар молотком по бойку, под которым находится эталон и испытуемое тело с зажатым между ними закаленным стальным шариком диаметром 10 мм	По диаметрам отпечатков на образце и эталоне определяется твердость: HВобр = 2 НВэт*d2эт/d2обр, кгс/мм2
Маятниковый копер Вальцеля (1934)	Удар стальным шариком диаметром 5 или 10 мм, укрепленным на маятниковом копре	Угол отскока в условных единицах
Склероскоп Шора	Падение бойка весом 2,3 гс с коническим алмазным наконечником с высоты 254 мм	Число условных единиц высоты отскока бойка
Маятник Герберта	Качание маятника весом 2 или 3 кгс, опирающегося на поверхность испытуемого тела стальным или рубиновым шариком диаметром 1 мм	Бремя 10 односторонних качаний маятника в секунду или амплитуда одного качания в условных единицах
Маятниковый склерометр Кузнецова (1931)	Качание маятника весом 1 кгс, опирающегося двумя стальными наконечниками или шариками на испытуемое тело	Время затухания колебаний до заданной амплитуды

• Таблица 4
• Методы статического определения твердости вдавливанием
• (микротвердость)

Название прибора и автор (год)
Принцип действия и форма наконечника
Вычисление твердости и ее условная размерность

По методу Лидса (1936)	Вдавливание пирамиды Виккерса 136° собственным весом индентора (35 г) и давлением воздуха на поршень	Твердость определяется как отношение нагрузки (в гс) к площади поверхности отпечатка (по диагонали, в мкм) HV = 1854,4 P/d2, кгс/мм2
Микротвердомер Цейсса— Ганеманна (1940)	Вдавливание пирамиды Виккерса нагрузкой 2—100 гс, создаваемой плоскими пружинами	То же
ПМТ-2, ПМТ-3 (Хрущов, Беркович)	Вдавливание пирамиды Виккерса сменными нагрузками 2—500 гс	То же
По методу Кнупа, Петерса, Эмерсона (1939)	Вдавливание алмазного наконечника Кнупа (пирамида с основанием в виде сильно вытянутого ромба и углами между ребрами 130° и 172°30') с нагрузкой 50—4909 гс	Твердость определяется как отношение нагрузки (в кгс) к площади поверхности невосстановленного «отпечатка», исчисляемой по длинной диагонали d (в мм): Нк = 12,87 P/d2, кгс/мм2
По методу Берковича	Вдавливание алмазной трехгранной пирамиды с углом между гранью и осью 65°	Н = 2092 Р/а2 = 1570 Р/l2, кгс/мм2; Р в гс, а и l в мкм
По методу Егорова и др. (1970)	Вдавливание алмазного лезвия, образованного двумя цилиндрами радиусом 2 мм, оси которых! пересекаются под углом 136°	Н = ЗR*sin а *Р/l3 = 4167960Р/l3, кгс/мм2 Р в гс l в мкм
По методу Калей, Хрущова, Скворцова, Алехина, Терновского, Шоршорова (1968-1973)	Вдавливание алмазной 136-градусной пирамиды с регистрацией нагрузки и глубины погружения индентора в процессе испытания	Н = 18544 P/d2, кгс/мм2 Р в гс; d в мкм

Таблица 5

Методы определения твердости царапанием

Прибор и автор (год)
Принцип действия я форма наконечняка
Измеряемый параметр, вычисление твердости я ее условная размерность

Испытание напильником,Барба (1640)	Царапание испытуемого тела стальным напильником	Если тело царапается, оно мягче напильника, если не царапается, то тверже или имеет равную твердость
Испытание по Моосу (1822)	Царапание исцытуемого тела набором 10 эталонных минералов (тальк, гипс, кальцит, флюорит, апатит, ортоклаз, кварц, топаз, корунд, алмаз)	Если испытуемое тело царапается минералом, оно мягче его, если само царапает минерал, то тверже. Твердость выражается числом 10-балльной шкалы
Прибор Мартенса (1890)	Царапание алмазным конусом с углом заострения 90° при нагрузках от 2 до 50 гс	Твердость выражается нагрузкой (в гс), отвечающей ширине царапины 10 мкм
Микрохарактеризатор Бирбаума (1920)	Царапание углом алмазного куба при нагрузке 3 гс	Твердость вычисляется по формуле H = 104b2, гдеЬ — ширина царапины в мк
Прибор Хенкинса (1923)	Царапание V-образным алмазом с усилием 1—150 гс	Твердость вычисляется по формуле H = Р/Ь2, кгс/мм2
Склерометр О’Нейля (1928)	Царапание полусферическим алмазом диаметром 1 мм	Твердость равна давлению, соответствующему царапине шириной 0,1 мм
ПМТ-3 (Григорович, 1949)	Царапание алмазной четырехгранной пирамидой с углом между гранями 136°	Твердость равна среднему контактному давлению Н = Р/Ь2/4, кгс/мм2
ПМТ-3 (Беркович)	Царапание трехгранной пирамидой	Н = 3708 Р/Ь2, кгс/мм2 Р в гс; b в мкм

Твердость металлов: в чем измеряется, шкала, определение, единицы измерения, таблица

06Дек

Содержание статьи

Все материалы, используемые во время машиностроения и изготовления прочих деталей, имеют определенные характеристики.

Перед тем как взять в работу конкретный металлический сплав, специалист проверяет все параметры, так как от них зависит и металлообработка, и эксплуатация дальнейшего изделия.

В статье расскажем про значение твердости поверхности различных металлов и что их характеризует: что это такое, что называется твердой сталью, а также в каких единицах измеряется показатель жесткости, и как происходит замер материалов.

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 прочим 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.

В каких единицах измеряется коэффициент твердости металла

Особенность данной характеристики в том, что в зависимости от метода, которым проводили замер, меняется и классическое обозначение. Так как параметр нельзя причислить к основным физическим шкалам, таким как расстояние, скорость, масса, сила, то и единого стандарта нет в так называемой системе СИ.

Если исследователь применяет один из наиболее стандартных способов, предложенный Бриннелем, о котором мы подробнее расскажем ниже, то результат будет записан в кгс/мм2, то есть в килограмм-силах, деленных на квадратный миллиметр. По шкале измерения твердости металлов можно сказать о классических примерах и их показателях в соотношении друг с другом:

• железные сплавы – в среднем 30 кгс/мм2;
• медные и никелевые составы – 10 кгс/мм2;
• алюминий, магний и их производные – 5 кгс/мм2.

Так делаем вывод, что железо в 6 раз тверже, чем мягкое алюминиевое соединение. Второй популярный метод изобрел Роквелл. Согласно ему, одно условное значение (у.е.) равно перемещению конуса на 2 мкм.

Если маркируется по данному варианту, то сперва проставляется индексация, затем одна из трех букв – А, В, С и цифровое значение. Если вы видите на заготовке твердость материала НВ, то это единицы измерения по Роквеллу.

Также индексом могут быть отмечены детали под маркировкой HR, а после 1 из трех букв:

• A – свидетельствует о том, что испытания проводились с помощью конуса из алмаза с углом вершины в 120 градусов под прилагаемой нагрузкой в 50 – 60 кг.
• В – говорит о шарике в одну шестнадцатую дюйма, который направляют к поверхности под весом в 90 – 100 кг.
• С – используется аналогичный конус, как при маркировке А, но увеличенное воздействие в 140 – 150 кг.

Дальше идет цифра, которая уже указывает на то, какая вмятина образовалась. И еще один вариант того, в чем измеряется твердость стали, – цифры плюс буквы HV. Такое измерение предлагает Виккерс. В то время как по методике Шора можно увидеть такие записи – 90 HSD.

Насколько твердыми бывают основные металлы

Большинство материалов уже обладают определенными характеристиками, их давно измерили и записали в таблицы, при этом в сводках обозначены как исходные значения необработанного железа, так и после различных типов термо- и холодной металлообработки. Но при добавлении нестандартных и новых добавок, проведенных процедур необходимо заново измерять данный показатель. Но если вы сталкиваетесь со стандартными сплавами, то следует посмотреть в подготовленные списки.

Цветмет

Они более мягкие, чем черные, потому что в них нет твердых включений, а также их не подвергают закалке и прочим методам термообработки.

Титан составляет исключение. Приведем технологию, используемую Бриннелем:

Материал	Особенности	В нв
Медь	Имеет высокую пластичность и низкую прочность. Если добавляются специальные примеси, получаются новые марки, тогда показатель может увеличиваться	35
Латунь	Это двойной или многокомпонентный состав, который включает медь. Но она более надежная, дополнительно включены цинк или олово	42 – 60
Алюминий	Может быть мягким или твердым, с увеличенной или уменьшенной пластичностью	15 – 20
Дюралюминий	Современный, легкий, активно применяется в авиастроении. Есть добавки – медь, магний, марганец	70
Титан	Очень крепкий цветмет	160

Черные металлы

Это железо и стали, ферросплавы и чугуны. Иногда к этой категории относят ванадий, марганец. Общая характеристика:

• Способ получения – обработка железной руды.
• Увеличенная прочность.
• Невосприимчивость к механическим воздействиям.
• Высокая износостойкость.
• Хорошая свариваемость.
• Невысокая стоимость.

Поэтому железо активно применяют. Нецелесообразно приводить полный список всех марок, рассмотрим только основные:

• Чугун – 220 НВ.
• Инструментальные стальные сплавы – до 700 НВ, из нее делаются режущие инструменты.
• Нержавейка – до 250 НВ.

Методы измерения

Как мы упомянули, есть несколько эффективных технологий, по которым определяют данный показатель. Одни являются более точными, другие – наиболее просты в реализации. Объединяет их то, что в поверхность вдавливается предмет по структуре наиболее стойкий. Итогом измерений становится то, как плоскость противостоит воздействию.

Как определить твердость металла по методике Бринелля: особенности

В качестве индентора, то есть самого элемента, который вдавливается в заготовку, используется идеальная сфера 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.

Как измерить твердость металла по методике Роквелла: особенности

Если предыдущая технология называется классической, то данную можно именовать современной, поскольку она более автоматизированная. Точность намного выше и сфер применения тоже, поскольку можно работать даже с очень прочными материалами.

Характеристики метода:

• Изначальное давление в 10 кгс.
• Напряжение выдерживают от 10 секунд до 1 минуты.
• Результат не рассчитывается математически, он высвечивается на цифровом табло.
• Используются разные наконечники, в зависимости от этого ставится маркировка, которая начинается с букв А, В, С. Мы уже подробнее указывали расшифровку индексов, просто напомним, что в качестве индентора может выступать стальной шарик или алмазный конус.

Есть также менее известные и используемые шкалы Е, Н, К с шаром меньшего диаметра. На процедуру накладываются ограничения:

• Делать пробы на одной заготовке можно только на расстоянии по 3-4 у.е., равных размеру проверяющего объекта, друг от друга.
• Толщина не может быть меньше, чем умноженная на 10 глубина проникновения наконечника в сталь.

План исследования по методу Роквелла

Алгоритм проведения аналогичный и даже более упрощенный:

• Необходимо оценить деталь и проверить работоспособность станка.
• Вычислить максимальную нагрузку.
• Установить образец и применить первичное напряжение.
• Выдержать определенный промежуток времени.
• Зафиксировать результат, указанный на табло.

Посмотрим, как выглядит твердомер, а также как им пользоваться:

Характеристики методики Виккерса

Еще один очень простой способ, который отличается скоростью и точностью, но дороговизной оборудования. Перечислим особенности:

• Используется алмазная пирамидка с более тупым углом – 136 градусов в вершине.
• Не допускается деформация превышающая 100 кгс.
• Выдерживают время очень короткое – от 10 до 15 секунд.
• Измерять можно параметры любого материала, в том числе особенно прочного, а также сталей, которые прошли термическую обработку.

Последовательность исследования

Упрощенный алгоритм:

• Проверьте поверхностный слой детали, а также все оборудование.
• Рассчитайте допустимое усилие.
• Установите образец, закрепите его.
• Запустите аппарат и спустя 10-15 секунд проанализируйте итог.

Способы перехода между шкалами

Тот факт, что в лабораториях используются разные методы, а также то, что нет одного стандарта, то приходится конвертировать один показатель в другую систему счисления.

Следует отметить, что во всех странах преимущественно выбирают единственную технологию. Но из-за активного товарооборота изготовители встречаются с непривычными маркировками.

Итак, дадим таблицу с аналогичными результатами по отличающимся данным:

Диаметр от вдавливания – в мм	По Бринеллю	По Роквеллу, категория А	В	С	По Виккерсу
3,9	241	62,8	99,8	24	242
4,08	217	60,7	96,6	20,2	217
4,2	206	59,6	94,6	17,9	206
5	144	49,9	77,7	–	144

Можно отметить, что списки не обладают особо высокой точностью, поскольку в зависимости от измерений могли быть использованы разнообразные сплавы. Сводки будут верны только в том случае, если при всех пяти способах был апробирован одинаковый материал.

Требования к образцу

В начале каждого объяснения, как проходит алгоритм исследования, мы давали рекомендацию – проверить аппаратуру и заготовку. Если с первым все понятно, то есть работоспособность станка определить возможно, то со вторым необходимо объяснить. Особенности экспериментальных частей:

• Ровная поверхность определенной шероховатости без дефектов, микротрещин и любых повреждений. Следует предварительно прогнать верхний слой с помощью фрезерного станка или посредством шлифовальной обработки.
• Максимальная шлифовка и даже полировка. Чем выше шероховатость, тем больше будет неточностей результата, что очень негативно скажется на измерениях в целом.
• Также стоит предупредить наклеп. Это утолщение, упрочнение, которое образуется при заданной температуре (она ниже, чем точка рекристаллизации) и посредством пластических деформаций.
• Все параметры должны соответствовать нормам и прописанным ГОСТам.

Все перечисленные требования обязательны при проведении. Однако на настоящий момент часто это оказывается излишним, поскольку существуют сводные таблицы. Сделаем вывод.

В статье мы рассказали про обозначение единиц измерения твердости металла, а также дали описание термину и перечислили все основные применяемые технологии. Это важная характеристика для стали, поэтому данная процедура имеет ценность для науки материаловедения и для заводов-производителей.

При выборе металлообработки необходимо заранее определять все химические и механические свойства. Посмотрим подробный видеоролик:

После того как прочтете статью, можете ознакомиться с нашим ассортиментом ленточнопильных изделий. Компания «Рокта» уже 15 лет на российском рынке. За это время мы охватили практически все города страны.

Что такое твердость? Методы измерения величины

• Содержание:
• 1. Что такое твердость
• 2. В чем измеряется и как обозначается твердость
• 3. Для чего измеряется
• 4. От чего зависит твердость
• 5. Какие требования предъявляются к изделию для измерения
• 6. Какие существуют методы определения твердости
• 7. Твердость гальванических покрытий
• 8. Заказать контроль твердости в Екатеринбурге

1. Что такое твердость

Единого общепринятого определения твердости не существует, т.к. методов определения этой метрологической величины огромное множество и все они разнообразны.

Тем не менее, наиболее подходит следующий термин:

Твердость – способность материала сопротивляться деформации или разрушению в поверхностном слое.

2. В чем измеряется и как обозначается твердость

1. Для большинства методов измерения твердости основная единица измерения  — кгс/мм2
2. Однако следует понимать, есть методы со своей единицей. 
3. Обозначение твердости так же зависит от метода.

Буквой «H» всегда обозначают «твердость (от англ. Hardness), а далее указывают буквы, обозначающие метод определения. Наиболее популярные обозначения:

• HB – по методу Бринеля (вдавливание шарика из стали)
• HRA – по методу Роквелла, шкале A (вдавливание алмазного или стального конуса)
• HRB – по методу Роквелла, шкале B
• HRC – по методу Роквелла, шкале C
• HV – по методу Викерса (вдавливание алмазной пирамиды)
• HSD – твердость по Шору и тп. (метод отскока)

3. Для чего измеряется твердость

Твердость необходимо знать для уверенности в надежности и долговечности изделия/конструкции. Ее требуется замерять при проведении входного и выходного контроля качества сырья или продукции. Твердомеры широко используются металлургии, машиностроении, энергетике, строительстве, да почти во всех сферах промышленности.

4. От чего зависит твердость

Твердость полностью зависит от элементного состава материала.

Например, если в первом сплаве (черная сталь) преимущественно железо и углерод, а во втором (нержавейка) – хром, никель, титан, то второй сплав будет значительно тверже первого. Просто потому что каждый элемент в составе тверже.

5. Какие требования предъявляются к изделию для измерения

Твердость прямопропорциональна нагрузке для ее определения. Высокая твердость – высокая нагрузка. 

Чем точнее метод, тем выше требования к подготовке поверхности изделия. Поверхность изделия, на которой определяется твердость, должна отвечать ряду требований:

1. Толщина образца должна быть не менее чем в 10 раз превышать глубину внедрения наконечника после снятия основного усилия.
2. В месте контроля она должна быть зачищена до блеска, быть ровной и плоской, не должна иметь окалины, ржавчины, масложировых и лакокрасочных загрязнений, выбоин и царапин. Шероховатость Ra не более 2,5мкм по ГОСТ 2789, если нет других требований нормативно-технической документации.
3. Поверхность, которой образец «ложится» на предметный столик прибора также должна быть чистой и ровной. Обе поверхности должны быть параллельны друг другу.
4. Изделие необходимо надежно закрепить, исключая возможность смещения образца относительно оси приложения нагрузки.

6. Какие существуют методы определения твердости

Условно все методы можно разделить на 3 группы:

1. Методы вдавливания (внедрения)
2. Методы царапания
3. Методы упругого отскока

Методы вдавливания (внедрения). Смысл методов заключается во вдавливании в испытуемый металл так называемого индентора – твердого предмета определенной формы (обычно стального шарика или алмазной пирамиды) с определенным усилием. После вдавливания замеряется диаметр (для шарика) или глубина (для пирамиды) полученного отпечатка.

• В этом случае твердость определяется как отношение величины нагрузки к площади отпечатка после вдавливания.
• Наиболее распространенными  являются методы Бринеля (HB) и Роквелла (HRA, HRB, HRC).
• Методы измерения толщины вдавливанием:

1. Прибор Бринеля
2. Прибор Роквелла
3. Прибор Виккерса
4. Метод Лудвика
5. Метод Герца
6. Метод Дрозда
7. Монотрон Шора
8. Метод Берковича
9. Метод Егорова
10. Метод Хрущова
11. Метод Лидса
12. Микротвердомер Цейсса-Ганеманна
13. ПМТ-2, ПМТ3 (Хрущов, Беркович)
14. Метод Эмерсона, Кнупа, Петерса

Методы царапания.  Простые методы.  Если наконечник, которым производится царапина, оставляет след на испытуемом металле, то твердость металла меньше твердости наконечника. При этом твердости наконечника изначально известны (используются корундовые, алмазные, гипсовые и др. наконечники). Наиболее популярен метод  Мооса.

Методы царапания:

1. Испытание по  Моосу
2. Прибор Мартенса
3. Микрохарактеризатор Бирбаума
4. Испытание напильником, Барба
5. Прибор Хенкинса
6. ПМТ-3 (Беркович)
7. ПМТ-3 (Григорович)
8. Склерометр О’Нейля

Методы упругого отскока.  Редко используются. На испытуемую поверхность с фиксированной высоты свободно падает боек. Под действием упругой отдачи материала боек отскакивает на определенную высоту. Твердость материала пропорциональна высоте отскока. Наиболее популярен метод  Шора.

Методы упругого отскока:

1. Склероскоп Шора
2. Метод Мартеля
3. Вертикальный копер Николаева
4. Пружинный прибор Шоппера
5. Пружинный прибор Баумана
6. Прибор Польди
7. Маятниковый копер Вальцеля
8. Маятник Герберта
9. Маятниковый склерометр Кузнецова

7.Твердость гальванических покрытий

В случае гальванических покрытий следует учитывать, что из-за их небольшой толщины многие методы (особенно методы вдавливания) могут не подойти. Наиболее распространены методы Мооса и Викерса.

Для измерения твердости требуется нанести покрытие с минимальной толщиной в 2мкм. Если требуется меньшая толщина – используйте ГОСТ 9013-59, ГОСТ 9012-59, ГОСТ 22761-77

Принцип измерения тот же. После нанесения покрытия и его сушки в отделе контроля качества производится замер и выносится решение – отгружать изделие или отправлять его на перепокрытие.

Важную роль здесь играет как электролит, в котором наносится покрытие, так и режим нанесения покрытия (температура, плотность тока). Так например в одном электролите хромирования можно получить хромовое покрытие с твердостью от 500 до 1100 кгс/мм2.

Если говорить об электролите – важнейшую роль играет количество и качество блескообразователей в нем. Матовое цинковое покрытие будет значительно мягче, чем блестящее. Поэтому если Вы хотите суперблестящее покрытие – имейте в виду, оно будет твердое, возникнет вероятность его растрескивания или отслоения при малейшей гибке изделия.

8. Заказать контроль твердости в Екатеринбурге

Мы занимаемся измерением твердости только для наших гальванических покрытий. Если Вам необходимо замерить  – свяжитесь с нами, мы бесплатно предоставим контакты наших партнеров – предприятий машиностроения и лабораторий.

Твердость металлов

Машиностроительные детали и механизмы, а также инструменты, предназначенные для их обработки, обладают набором механических характеристик. Немалую роль среди характеристик играет твердость. Твердость металлов наглядно показывает:

• износостойкость металла;
• возможность обработки резанием, шлифованием;
• сопротивляемость местному давлению;
• способность резать другой материал и прочие.

На практике доказано, что большинство механических свойств металлов напрямую зависят от их твердости.

Понятие твердости

Твердость материала – это стойкость к разрушению при внедрении во внешний слой более твердого материала. Другими словами, способность к сопротивлению деформирующим усилиям (упругой или пластической деформации).

Определение твердости металлов производится посредством внедрения в образец твердого тела, именуемого индентором. Роль индентора выполняет: металлически шарик высокой твердости; алмазный конус или пирамида.

После воздействия индентора на поверхности испытуемого образца или детали остается отпечаток, по размеру которого определяется твердость. На практике используются кинематические, динамические, статические способы измерения твердости.

В основе кинематического метода лежит составление диаграммы на основе постоянно регистрирующихся показаний, которые изменяются по мере вдавливания инструмента в образец. Здесь прослеживается кинематика всего процесса, а не только конечного результата.

Динамический метод заключается в следующем. Измерительный инструмент воздействует на деталь. Обратная реакция позволяет рассчитать затраченную кинетическую энергию. Данный метод позволяет проводить испытание на твердость не только поверхности, но и некоторого объема металла.

Статические методы – это неразрушающие способы, позволяющие определить свойства металлов. Методы основаны на плавном вдавливании и последующей выдержке в течение некоторого времени. Параметры регламентируются методиками и стандартами.

Прилагаемая нагрузка может прилагаться:

• вдавливанием;
• царапанием;
• резанием;
• отскоком.

Машиностроительные предприятия на данный момент для определения твердости материалов используют методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, а также метод микротвердости.

На основе проводимых испытаний составляется таблица, в которой указываются материалы, прилагаемые нагрузки и полученные результаты.

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.

Измерение твердости по методу Шора производится путем замера высоты отскока упавшего бойка. Обозначается цифрами и буквами, например, 90 HSD.

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.

Твердость основных металлов и сплавов

Измерение значения твердости проводится на готовых деталях, отправляющихся на сборку. Контроль производится на соответствие чертежу и технологическому процессу. На все основные материалы уже составлены таблицы значений твердости как в исходном состоянии, так и после термической обработки.

Цветные металлы

Твердость меди по Бринеллю составляет 35 НВ, значения латуни равны 42-60 НВ единиц в зависимости от ее марки. У алюминия твердость находится в диапазоне 15-20 НВ, а у дюралюминия уже 70НВ.

Черные металлы

Твердость по Роквеллу чугуна СЧ20 HRC 22, что соответствует 220 НВ. Сталь: инструментальная – 640-700 НВ, нержавеющая – 250НВ.

Для перевода из одной системы измерения в другую пользуются таблицами. Значения в них не являются истинными, потому что выведены империческим путем. Не полный объем представлен в таблице.

HB	HV	HRC	HRA	HSD
228	240	20	60.7	36
260	275	24	62.5	40
280	295	29	65	44
320	340	34.5	67.5	49
360	380	39	70	54
415	440	44.5	73	61
450	480	47	74.5	64
480	520	50	76	68
500	540	52	77	73
535	580	54	78	78

Значения твердости, даже если они производятся одним и тем же методом, зависят от прилагаемой нагрузки. Чем меньше нагрузка, тем выше показания.

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*√(D2-d2), где

Р – прикладываемая нагрузка, кгс;
D – окружность шарика, мм;

d – окружность отпечатка, мм.