Отдел продаж: +38 (056) 767-20-25
Твердомеры
Главная arrow Производители arrow Ultracon arrow Методы измерения твердости  
24.10.2018
Методы измерения твердости Версия для печати Отправить на e-mail

Одной из наиболее распространенныххарактеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность ихприменения в различных конструкциях и при различных условиях работы, являетсятвердость. Испытания на твердость производятся чаще, чем определение другихмеханических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.
Твердостью материала называют способность оказыватьсопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другоготвердого тела. Для определения твердости в поверхность материала с определунной силой вдавливается тело (индентор),выполненное в виде стального шарика, алмазного конуса, пирамиды или иглы. Поразмерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твердости материала.Таким образом, под твердостью понимают сопротивление материала местнойпластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела –индентора. В зависимости от способа измерениятвердости материала, количественно ее характеризуют числами твердости по Бринеллю (НВ), Роквеллу (HRC) или Виккерсу(HV).

Существует несколько способов измерения твердости,различающихся по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерятьвдавливанием индентора (способ вдавливания), ударомили же по отскоку наконечника – шарика. Твердость, определенная царапаньем,характеризует сопротивление разрушению, по отскоку – упругие свойства,вдавливанием - сопротивление пластической деформации. Перспективным ивысокоточным методом является метод непрерывного вдавливания, при котором записываетсядиаграмма перемещения, возникающего при внедрении индентора,с одновременной регистрацией усилий. В зависимости от скорости приложениянагрузки на индентор твердость различают статическую(нагрузка прикладывается плавно) и динамическую (нагрузка прикладываетсяударом).

Таблица 1 - Особенностиразличных методов измерени твердости 

Методы

Способ измерения

Форма индентора


Нагружение F, H

Допустимая шероховатость поверхности Ra

Бринелля

по диаметру отпечатка

стальной шарик

статичиское
24,5 - 29430

1,25 - 2,5

Роквелла

по глубине вдавливания

алмазный конусный наконечник или стальной шариковый

статическое
490,3-1373

0,38 - 2,5

Супер-Роквелла

по глубине вдавливания

алмазный конус или стальной шарик

статическое
147,1-441,3

0,08 - 0,16

Виккерса

по глубине вдавливания или по диагонали отпечатка

алмазный наконечник в форме правильной черырехгранной пирамиды

статическое
9,807-980,7

0,02 - 0,04

Людвика

по диаметру отпечатка

победитовый конус

статическое
20000

а

Шора (Монотрон)

по заданной глубине отпечатка

алмазный или стальной наконеник

статическое

0,63 - 1,25

Мартенса

по ширине царапины

алмазный конус или пирамида

динамическое

а

Широкое распространениеиспытаний на твердость объясняется рядом их преимуществ перед другими видамииспытаний:

  • простота измерений, которые не требуют специального образца и могут быть выполнены непосредственно на проверяемых деталях;
  • высокая производительность;
  • измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению;
  • возможность ориентировочно оценить по твердости другие характеристики металла (например предел прочности).


   Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием виспытываемый металл индентора в виде шарика, конуса ипирамиды (соответственно методы Бринелля (рис.1, а)),Роквелла (рис.1, б))и Виккерса (рис.1, в) )). Врезультате вдавливания достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла,находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. Послеснятия нагрузки остается отпечаток. Величина внедрения наконечника вповерхность металла будет тем меньше, чем тверже испытываемый материал.

image001.jpg 

Рисунок 1 - Схемы испытанийна твердость: а- по Бринеллю; б - по Роквеллу;в - по Виккерсу.
             
                                                           

КЛАССИЧЕСКИЕМЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ

ИЗМЕРЕНИЕТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЛЮ


image002.jpg

Рисунок 2 - Схема испытиний на твердость по Бринеллю

      Твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012-59) измеряют вдавливанием в испытываемый образец стального шарика определенного диаметра D под действием заданной нагрузки P в течение определенного времени (рис. 2). В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка).
    Число твердости по Бринеллю, обозначаемое HB (при применении стального шарика для металлов с твердостью не более 450 единиц) или HBW

(при применении шарика из твердого сплава дляметаллов с твердостью не более 650 единиц), представляет  собой  отношение   нагрузки    P  кплощади поверхности сферического отпечатка F и измеряется вкгс/мм2 или МПа:                

 image003.jpg(1)


Площадь шарового сегмента составит:
 
image003.jpg ,  мм2,                                              (2)
где D –диаметр шарика, (мм);
      h– глубина отпечатка, (мм).

Так как глубину отпечатка измерить трудно, а проще измерить диаметр отпечатка d, выражают hчерез диаметр шарика D и отпечатка d:
 

image005.jpg, мм                                      (3)


Тогда,   image006.jpg, мм2                      (4)
Число твердости по Бринеллю определяется по формуле:
image007.jpg, кгс/мм2             (5)
      В практике при определении твердости не делаютвычислений по формуле (5), а пользуются таблицами, составленными дляустановленных диаметров шариков, отпечатков и нагрузок. Шарики применяютдиаметром 1,2; 2,5; 5; 10 мм.Диаметр шарика и нагрузка выбираются в соответствии с толщиной и твердостьюобразца. При этом для получения одинаковых чисел твердости одного материала прииспытании шариками разных диаметров необходимо соблюдать закон подобия междуполучаемыми диаметрами отпечатков. Поэтому твердость измеряют при постоянномсоотношении между величиной нагрузки P и квадратом диаметрашарика D2. Это соотношение должно быть различнымдля металлов разной твердости.
    Число твердости по Бринеллю, измеренное при стандартномиспытании (D = 10мм, P = 3000 кгс), записывается так: HB350. Если испытания проведены при других условиях, то запись будет иметьследующий вид: HB 5/250/30-200 или 200 HB 5/250/30, что означает – числотвердости 200 получено при испытании шариком диаметром 5 мм под нагрузкой 250 кгс идлительности нагрузки 30 с. Прииспытании на твёрдость шаром из карбида вольфрама обозначение НВ дополняетсябуквой W с сохранением указанных индексов.

При измерении твердости по методу Бринелля необходимо выполнять следующие условия:

  • образцы с твердостью выше HB 450/650 кгс/мм2 испытывать запрещается;
  • поверхность образца должна быть плоской и очищенной от окалины и других посторонних веществ;
  • диаметры отпечатков должны находиться в пределах 0,2D<d<0,6D;
  • образцы должны иметь толщину не менее 10-кратной глубины отпечатка (или менее диаметра шарика);
  • расстояние между центрами соседних отпечатков и между центром отпечатка и краем образца должны быть не менее 4d;
  • продолжительность выдержки под нагрузкой должна быть от 10 до 15 с для чёрных металлов, для цветных металлов и сплавов – от 10 до 180 с, в зависимости от материала и его твёрдости.

 

     Диаметр отпечаткаизмеряют при помощи отсчетного микроскопа (лупы Бринелля), на окуляре которогоимеется шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. Измерениепроводят с точностью до 0,05мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях; дляопределения твердости следует принимать среднюю из полученных величин.

ИЗМЕРЕНИЕТВЕРДОСТИ ПО РОКВЕЛЛУ

    Твердость по Роквеллу - твердость, определяемая разностью между условноймаксимальной глубиной проникновения индентора  иостаточной глубиной его внедрения под действием основной нагрузки F1,после снятия этой нагрузки, но при сохранении предварительной нагрузки Fo. При этом методе инденторомявляется алмазный конус или стальной закаленный шарик. В отличие от измеренийпо методу Бринелля твердость определяют по глубине отпечатка, а не по егоплощади. Глубина отпечатка измеряется в самом процессе вдавливания, чтозначительно упрощает испытания. Нагрузка прилагается последовательно в двестадии (ГОСТ 9013-59): сначала предварительная, обычно равная 10 кгс (дляустранения влияния упругой деформации и различной степени шероховатости), азатем основная (рис.1, б)).
    После приложения предварительной нагрузки индикатор,измеряющий глубину отпечатка, устанавливается на нуль. Когда отпечаток полученприложением окончательной нагрузки, основную нагрузку снимают и измеряютостаточную глубину проникновения наконечника h.
    Твердомер Роквелла измеряетразность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника поддействием основной и предварительной нагрузок. Каждое давление (единица шкалы)индикатора соответствует глубине вдавливания 2 мкм. Однако условное числотвердости по Роквеллу (HR) представляет собой неуказанную глубину вдавливания h, а величину 100– h по черной шкале при измерении конусом ивеличину 130 – h по красной шкале при измерениишариком. Числа твердости по Роквеллу не имеютразмерности и того физического смысла, который имеют числа твердости поБринеллю, однако можно найти соотношение между ними с помощью специальныхтаблиц.

HRA, HRC, HRD – твердость по Роквеллу измеренная при внедрении в поверхность образца алмазного конуса.

HRB, HRE, HRF, HRG, HRH, HRK -  твердость по Роквеллу измеренная при внедрении в поверхность образца стального сферического наконечника.

   Наконечник алмазный конусный имеетугол при вершине 120°. Наконечник шариковый стальной имеет диаметр 1,588 (шкалыB, F, G) и 3,175 (шкалы E, H, K).

Твердость по методу Роквелла можно измерять:
  • алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кгс. Твердость измеряется по шкале С и обозначается HRC (например, 65 HRC). Таким образом определяют твердость закаленной и отпущенной сталей, материалов средней твердости, поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм;
  • алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кгс. Твердость измеряется по шкале А, совпадающей со шкалой С, и обозначается HRA. Применяется для оценки твердости очень твердых материалов, тонких поверхностных слоев (0,3 … 0,5 мм) и тонколистового материала;
  • стальным шариком с общей нагрузкой 100 кгс. Твердость обозначается HRB. Так определяют твердость мягкой (отожженной) стали и цветных сплавов.

     При измерениитвердости методом Роквелла необходимо, чтобы наповерхности образца не было окалины, трещин, выбоин и др. Необходимоконтролировать перпендикулярность приложения нагрузки и поверхности образца иустойчивость его положения на столике прибора. Расстояние отпечатка должно бытьне менее 1,5 ммпри вдавливании конуса и не менее 4мм при вдавливании шарика. Толщина образца должна неменее чем в 10 раз превышать глубину внедрения наконечника после снятияосновной нагрузки. Твердость следует измерять не менее 3 раз на одном образце,усредняя полученные результаты.

Преимущество метода Роквеллапо сравнению с методом Бринелля:

  • возможность проводить испытания высокой твёрдости путём отсчёта по шкале индикатора без вычисления или пользования специальными таблицами;
  • малая повреждаемость  поверхности в результате его применения;
  • высокая производительность измерения.

 

ИЗМЕРЕНИЕТВЕРДОСТИ ПО ВИККЕРСУ

     При испытании натвердость по методу Виккерса в поверхность материалавдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине  равеным 136о (рис.1, в)).После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d. Число твердости по ВиккерсуHV подсчитывается как отношение нагрузки Р кизмеренному значению диагонали отпечатка М:
image008.jpg,                         (6)
     Число твердости по Виккерсуобозначается символом HV с указанием нагрузки P и времени выдержки поднагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм2) не ставится.Продолжительность выдержки индентора под нагрузкойпринимают для сталей 10 – 15 с, а для цветных металлов – 30 с.
     Например, 450 HV10/15 означает, чточисло твердости по Виккерсу 450 получено при P = 10кгс (98,1 Н), приложенной к алмазной пирамиде в течение 15 с.

При измерении твердости по Виккерсу должны быть соблюдены следующие условия:
  • плавное возрастание нагрузки до необходимого значения;
  • обеспечение перпендикулятности приложения действующего усилия к испытуемой поверхности;
  • поверхность испытуемого образца должна иметь шероховатость не более 0,16 мкм;
  • поддержание постоянства приложенной нагрузки в течении установленного времени;
  • расстояние между центром отпечатка и краем образца или соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длины диагонали отпечатка;
  • минимальная толщина образца должна быть для стальных изделий больше диагонали отпечатка в 1,2 раза; для изделий из цветных металлов – в 1,5 раза.При измерении твердости по Виккерсу должны быть соблюдены следующие условия:
  • плавное возрастание нагрузки до необходимого значения;
  • обеспечение перпендикулятности приложения действующего усилия к испытуемой поверхности;
  • поверхность испытуемого образца должна иметь шероховатость не более 0,16 мкм;
  • поддержание постоянства приложенной нагрузки в течении установленного времени;
  • расстояние между центром отпечатка и краем образца или соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длины диагонали отпечатка;
  • минимальная толщина образца должна быть для стальных изделий больше диагонали отпечатка в 1,2 раза; для изделий из цветных металлов – в 1,5 раза.

      Преимущество методаВиккерса по сравнению с методом Бринелля заключаетсяв том, что методом Виккерса можно испытывать материаллы более высокой твердости из-за примененияалмазной пирамиды.

 ИСПЫТАНИЕНА ТВЕРДОСТЬ МЕТОДОМ УДАРНОГО ОТПЕЧАТКА

     Метод основан навнедрении в поверхности испытуемого объекта твердосплавного конического индентора  (для испытания стали с твердостью <HV850) или стального шара (для испытания стали с твёрдостью <HV350). Измерение сравнительной твердости стали по Виккерсу,Бринеллю и пластической твердости осуществляется с помощью переносныхтвердомеров ударного действия при начальной скорости удара от 1 до 5 м/с.
    При измерении сравнительной твердости стали по Виккерсу твердосплавный наконечник в форме двустороннего иодностороннего конуса с углами 136° при вершинах внедряют в поверхностииспытуемого объекта под действием кратковременной динамической нагрузки,создаваемой ударным механизмом. После снятия инденторас испытуемой поверхности измеряют диаметры отпечатков конуса на поверхностяхконтрольного бруска dэи испытуемого образца d0.
    Число сравнительной твердости испытуемого объекта по Виккерсу (HVc) вычисляют поформуле: 
image009.jpg,                             (7)
где HVэ -  среднеезначение твердости контрольного бруска по Виккерсу,измеренное посредством статического стационарного прибора; 
      nкэи nк0  - динамическиекоэффициенты твёрдости материалов стального контрольного бруска и испытуемогообъекта при ударном внедрении конуса.
    При измерении этим методом сравнительной твердости поБринеллю стальной шарик диаметром D одновременно внедряют вповерхности стального контролируемого бруска и испытуемого объекта поддействием кратковременной нагрузки Рд,создаваемой ударным методом. После снятия индентора сиспытуемой поверхности измеряют диаметры отпечатковшарика на поверхностях контрольного бруска dэи испытуемого объекта d0 илиглубины восстановленных отпечатков на поверхностях объекта  h0и стального контрольного бруска hэ.
   Число сравнительной твердости испытуемого объекта по Бринеллю (HBc) вычисляют по формуле: 
image010.jpg,                     (8)
где HBэ - среднее значение твердости контрольного бруска по Бринеллю стальногоконтрольного бруска, измеренное посредством статических стационарных приборовТШ и ТК;
      D  – диаметр шарика,мм;
    dэ – диаметр восстановленного ударного отпечатка на поверхности контрольногобруска, мм;
    d0 – диаметр восстановленногоударного отпечатка на поверхности испытуемого образца, мм; 
   nшэи nш0  -динамические коэффициенты твердости материалов стального контрольного бруска ииспытуемого объекта при ударном внедрении шарика со скоростью 0,72 - 2 м/с.
    Диаметры отпечатков измеряют в двух взаимно прерпендикулярных направлениях и определяют как среднееарифметическое результатов двух измерений.
    Измерение диаметров ударных отпечатков конического индентора на испытуемой поверхности и поверхностиконтрольного бруска должно осуществляться с помощью отсчётного оптическогомикроскопа, погрешность которого не должна превышать ±0,01мм на одно наименьшееделение шкалы. Измерение диаметров ударных отпечатков шарика на испытуемойповерхности и поверхности контрольного бруска должно осуществляться с помощьюотсчётного оптического микроскопа, погрешность которого не должна превышать ±0,5 мм на одно наименьшееделение шкалы.

КОСВЕННЫЕМЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ

МЕТОДИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ПО ШОРУ

     Суть метода заключается втом, что боек определенной массы с алмазным наконечником свободно и вертикальнопадает с определенной высоты на испытуемую поверхность. Высота отскока бойкапринимается за характеристику твердости и измеряется в условных единицах. Массаизделия при измерении твердомерами, установленными непосредственно на изделие,должна быть не менее 5 кг. Образцы, устанавливаемые на столик твердомера,должны иметь массу не менее 0,1кг и толщину не менее 10 мм.

Прибор для измерения твердости по Шору должен обеспечивать:

- высоту отскока бойка для 100 единиц твёрдости по Шору 13,6 ± 0,3 мм;

- высоту падения бойка 19,0 ± 0,5 мм;

- цену деления индикатора (измерителя высоты отскока бойка) не более 1 единици шкалы HSP;

- масса бойка с алмазным наконечником должна быть 36 г.

    Твердость по Шору указывают с округлением до целой единицы.  Вшкале Шора за 100 единиц принята максимальнаятвёрдость   стабилизированного  после  закалки  на мартенсит  образца  из  углеродистой инструментальной  стали,  что соответствует высоте падения бойка13,6± 0,3 мм.

АКУСТИЧЕСКИЙИДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ ОБРАЗЦА

      Во многих случаяхприменение классических твердомеров для измерения может стать проблематичным. Во-первых, когда контролируемое изделие являетсякрупногабаритным и его нельзя поднести к прибору. Кроме этого, вырезкафрагмента из изделия для последующего измерения твёрдости приводит к порчеизделия. Во-вторых – когда требуется достаточно высокая производительностьконтроля.

image011.jpg

 

     Чтобы избежать тех недостатков, которые присущи классическим методам твердометрии, были разработаны твердомеры, использующие акустический и динамический методы.
     Акустический метод основан на измерении относительных изменений механического импеданса колебательной системы преобразователя в зависимости от механических свойств поверхности образца. Акустический преобразователь представляет собой стержень из магнитострикционного материала (например, никеля), на конце которого укреплён индентор в виде алмазной призмы. К стержню прикреплён пьезоэлемент, возбуждающий в преобразователе продольные упругие колебания частотой 30-40 кГц. Стержень с индентором прижимают к контролируемому объекту с постоянной силой. При этом индентор внедряется в поверхность изделия тем глубже, чем меньше твёрдость его материала. Площадь зоны соприкосновения индентора с изделием с уменьшением твёрдости растёт, а модуль упругого сопротивления увеличивается.
    Изменение импеданса определяют по изменению собственной частоты нагруженного преобразователя, которую измеряют частотомером . Шкалу индикатора градуируют в единицах твёрдости по Роквеллу.

     Принцип работы динамическихтвердомеров основан на измерении отношения скоростей индентора при падении и отскоке его от поверхностиконтролируемого изделия. Отношение скоростей перемещения инденторапри отскоке и падении характеризуют твёрдость контролируемого изделия.
     Преобразователь включает в себя механическую систему,обеспечивающую перемещение индентора относительноповерхности контролируемого материала, и электрическую катушку. Вовзведенномположении преобразователя цанга спускового механизма удерживаетиндентор. При нажатии спусковой кнопки цанга разжимается и индентор поддействием предварительно сжатой пружинысбрасывается на контролируемую поверхность. На конце инденторарасположен твердосплавный шарик, непосредственно контактирующий сиспытуемымматериалом. Внутри индентора находится постоянныймагнит. При пересечении магнитным полем витков катушки в последнейнаводится э.д.с., пропорциональная скорости движения индентора.
 Измеряемая твердость является функцией отношения сигналов U1и U2:
image012.jpg,                                           (9)
где  U1- скорость сброса;  U2-скорость отскока.

 
< Пред.   След. >

developed by vladimir.malyk@gmail.com