Твердость. Методы измерения. По Бринелю, Шору, Роквеллу

Исторически с развитием технологий обработки металлов появлялись и совершенствовались способы контроля качества металлических изделий. Известно множество способов определения твердости металлов и сплавов:

Вдавливание индентора под действием статической нагрузки (нагрузка прикладывается плавно) — по методу Бринелля, Роквелла, Супер-Роквелла, Виккерса, М.С.Дрозда, Герца, Лудвика, монотрон Шора;
Динамическое вдавливание индентора (нагрузка прикладывается ударом) — по методу Мартеля, Польди, вертикальный копер Николаева, пружинный прибор Шоппера и Баумана, маятниковый копер Вальцеля, 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;
Метод упругого отскока бойка — склероскоп Шора;
Измерение твердости царапанием — по Моосу, напильник Барба, прибор Мартенса, Хенкинса, микрохарактеризатор Бирбаума, склерометр О’Нейля, Григорович, Беркович).

В целом, по характеру воздействия индентора на поверхность исследуемого объекта можно узнать конкретные свойства материала: вдавливание определяет способность к сопротивлению пластической деформации, отскок показывает упругие свойства, царапанье характеризует сопротивление разрушению.

Многие приемы сейчас используются редко или вовсе ушли в прошлое. На данный момент основные и самые распространенные методы контроля твердости металлов условно делят на две группы: прямые и косвенные.

Прямые методы измерения твердости основаны на способности материала сопротивляться внедрению другого, более твердого тела — индентора. Инденторы изготавливаются в форме конуса или пирамиды из алмаза, в форме шарика — из закаленной стали или карбида вольфрама.

Прямые методы реализуют в основном cтационарные твердомеры по шкалам Бринелля (HB), Роквелла (HRA, HRB, HRC), Супер-Роквелла (HRN и HRT), Виккерса (HV).

Сущность испытаний заключается в том, что после внедрения индентора, при приложении заданной статической нагрузки, происходит пластическая деформация исследуемого материала. На поверхности образца остается отпечаток.

Вычисление значения твердости строится на зависимости приложенного усилия и определенных геометрических параметров отпечатка. Для каждого прямого метода предусмотрена своя зависимость (см. таблицу ниже). Например, при замерах по Роквеллу фиксируется глубина отпечатка: чем она меньше, тем выше твердость объекта.

Плюсы: стационарные твердомеры применяются для контроля любых металлов и сплавов; выдают результат с минимальной погрешностью; не требуют дополнительной калибровки.

Минусы: работают на одном месте, как правило в специально оборудованной лаборатории; необходимо заранее готовить образцы, либо изделие должно иметь конкретные габариты; необходима квалификация оператора; невысокая скорость выполнения исследований.

Косвенные методы измерения твердости подразделяются на ультразвуковой и динамический — они не напрямую измеряют твердость, а только оценивают значение твердости металла в зависимости от других физических свойств.

Косвенные методы реализуют портативные твердомеры — ультразвуковые и динамические. Результат можно получить как в самых распространенных единицах твердости, таких как Роквелл С (HRC), Бринелль (НВ), Виккерс (HV), так и в реже используемых единицах Роквелла А и В (HRA, HRB), Шора D (HSD) и других.

Ультразвуковой метод (ультразвуковой контактный импеданс) основан на фиксации степени затухания резонансной частоты колебаний металлического стержня с алмазным наконечником (индентором) при внедрении его в поверхность металлического изделия.

При глубоком внедрении индентора в мягкий металл будет большая площадь контакта алмаза с материалом, значит будет выше степень затухания частоты колебаний.

Применим к изделиям практически любых габаритов по массе и размерам; оставляет незаметный отпечаток; подходит для измерения твердости поверхностно упрочненных слоев; удобен для образцов со сложной конфигурацией (шестерни, подшипники, метизы). Применение на изделиях с крупнозернистой структурой ограничено (чугуны, бронза).

Динамический метод (Либа) основан на определении отношения скорости бойка при отскоке от поверхности измеряемого образца к скорости бойка при соударении с поверхностью образца. В качестве бойка используется твердосплавный шарик (карбид вольфрама WC-Co).

Чем ниже твердость металла, тем больше энергии удара уходит на формирование отпечатка и тем меньше скорость отскока бойка.

Подходит для массивных изделий; образцов с высокошероховатой поверхностью; объектов со значительной толщиной упрочненного или закаленного слоя.

Плюсы: портативные твердомеры автономны, просты в управлении, работают в труднодоступных зонах, обладают высокой скоростью проведения замеров.

Минусы: погрешность результатов измерений выше, чем у стационарных приборов; иногда требуется дополнительная калибровка шкал.

В чем измеряется и как обозначается твердость

Для большинства методов измерения твердости основная единица измерения — кгс/мм2

Однако следует понимать, есть методы со своей единицей.

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)

Шкала Мооса

Шкала твердости по Моосу является относительной и применяется она исключительно для минералов. В качестве эталонных выбрано десять минералов, которые были расположены в порядке возрастания их твердости (на фотосхеме ниже). Соответственно, шкала имеет 10 баллов (от 1 до 10).

Минералогическая шкала твердости была предложена немецким ученым Фридрихом Моосом еще в 1811 году. Тем не менее в геологии она используется до сих пор.

Как определить твердость конкретного минерала по шкале Мооса? Это можно сделать при помощи внимательного рассмотрения царапины, оставленной образцом. При этом удобно пользоваться ногтем, медной монетой, куском стекла или стальным ножом.

Итак, если тестируемый минерал пишет по бумаге, не царапая ее, то его твердость равна единице. Если камень легко царапается ногтем, его твердость – 2. Три балла имеют минералы, которые легко царапаются ножом. Если же нужно приложить некоторые усилия, чтобы оставить на камне отметку, то его твердость равна 4 или 5. Минералы с твердостью 6 или выше сами оставляют царапины на лезвии ножа.

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:

Толщина образца должна быть не менее чем в 10 раз превышать глубину внедрения наконечника после снятия основного усилия.
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.
Поверхность, которой образец «ложится» на предметный столик прибора также должна быть чистой и ровной. Обе поверхности должны быть параллельны друг другу.
Изделие необходимо надежно закрепить, исключая возможность смещения образца относительно оси приложения нагрузки.

Смотрите также

Связанные свойства

Горячая твердость
Сравнение твердости
Твердость керамики
Стойкость

Прочие механизмы усиления

Укрепление границ зерен
Осадочное твердение
Упрочнение твердого раствора
Упрочнение

Шкалы твердости, инструменты и испытания

Испытание на твердость отскока по Leeb
Тестирование твердости таблеток
Маятник персоз
Тестер твердости валков
Молоток Шмидта
Тест твердости Янки
Наноиндентирование

Какие существуют методы определения твердости

Условно все методы можно разделить на 3 группы:

Методы вдавливания (внедрения)
Методы царапания
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:

Прибор Бринеля
Прибор Роквелла
Прибор Виккерса
Метод Лудвика
Метод Герца
Метод Дрозда
Монотрон Шора
Метод Берковича
Метод Егорова
Метод Хрущова
Метод Лидса
Микротвердомер Цейсса-Ганеманна
ПМТ-2, ПМТ3 (Хрущов, Беркович)
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:

Испытание по Моосу
Прибор Мартенса
Микрохарактеризатор Бирбаума
Испытание напильником, Барба
Прибор Хенкинса
ПМТ-3 (Беркович)
ПМТ-3 (Григорович)
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:

Склероскоп Шора
Метод Мартеля
Вертикальный копер Николаева
Пружинный прибор Шоппера
Пружинный прибор Баумана
Прибор Польди
Маятниковый копер Вальцеля
Маятник Герберта
Маятниковый склерометр Кузнецова

Почему важно измерять показатель?

Твердость металлов — это показатель, который означает устойчивость стали к механическому воздействию других более твердых материалов. Оцениваются показатели в единицах твердости, на основе которых делается вывод о состоянии материала.

Твердость металлов важно учитывать в большинстве видов работы с ними. Например, когда на производстве изготавливаются объемные конструкции с большим весом, где применяются несколько типов металлов, важно знать, что они будут оптимально взаимодействовать и успешно выдерживать большую нагрузку.

Особо важно учитывать показатель твердости металла в следующих сферах:

Кораблестроительство;
Изготовление автомобилей;
Сборка самолетов;
Изготовление строительных материалов на основе металла и расходников.

В любой из этих областей устойчивость к механическому воздействию определяет безопасность человека, возможность выполнить поставленную задачу и эксплуатационный срок.

Для определения твердости в металл вдавливается индентор — тело, изготовленное из твердого сплава или алмаза, которое обладает наилучшим показателем сопротивления к механическим воздействиям. Чем большую силу вдавливания выдерживает металл, тем его твердость больше.

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.

Физика

Схема кривая напряжения-деформации, показывая взаимосвязь между стресс (сила, приложенная на единицу площади) и напряжение или же деформация из пластичного металла.
В механика твердого тела, твердые тела обычно имеют три ответа на сила, в зависимости от силы и типа материала:

Они выставляют эластичность- способность временно изменять форму, но возвращаться к исходной форме при снятии давления. «Твердость» в диапазоне упругости — небольшое временное изменение формы при заданной силе — известна как жесткость в случае данного объекта или высокого модуль упругости в случае материала.
Они выставляют пластичность- способность постоянно изменять форму в ответ на силу, но оставаться цельным. В предел текучести — точка, в которой упругая деформация сменяется пластической деформацией. Деформация в пластическом диапазоне является нелинейной и описывается кривая напряжения-деформации. Этот отклик дает наблюдаемые свойства твердости к царапинам и вдавливанию, как описано и измерено в материаловедении. Некоторые материалы демонстрируют как эластичность и вязкость при пластической деформации; это называется вязкоупругость.
Они перелом- разделить на две или более части.

Сила представляет собой меру диапазона эластичности материала или диапазона эластичности и пластичности вместе взятых. Количественно это выражается как прочность на сжатие, прочность на сдвиг, предел прочности в зависимости от направления задействованных сил. Невероятная сила — это инженерная мера максимальной нагрузки, которую может выдержать часть определенного материала и определенной геометрии.

Хрупкостьв техническом использовании — это склонность материала к разрушению с очень небольшой заранее обнаруживаемой пластической деформацией или без нее. Таким образом, с технической точки зрения материал может быть как хрупким, так и прочным. В повседневном использовании термин «хрупкость» обычно относится к тенденции к разрушению под действием небольшого усилия, что проявляется как в хрупкости, так и в отсутствии прочности (в техническом смысле). Для идеально хрупких материалов предел текучести и предел прочности одинаковы, поскольку они не испытывают заметной пластической деформации. Противоположностью хрупкости является пластичность.

В стойкость материала — это максимальное количество энергия он может впитаться до разрушения, что отличается от количества сила что можно применить. Вязкость хрупких материалов обычно мала, поскольку упругие и пластические деформации позволяют материалам поглощать большое количество энергии.

Твердость увеличивается с уменьшением размер частицы. Это известно как Отношения Холла-Петча. Однако при размере зерна ниже критического твердость уменьшается с уменьшением размера зерна. Это известно как обратный эффект Холла-Петча.

Твердость материала к деформации зависит от его микропрочности или мелкомасштабности. модуль сдвига в любом направлении, не в любом жесткость или же жесткость свойства, такие как объемный модуль или же Модуль для младших. Жесткость часто путают с твердостью.[5][6] Некоторые материалы жестче алмаза (например, осмий), но не тверже и склонны к скалывание шелушение при чешуйчатой или игольчатой форме.

Механизмы и теория

Изображение кристаллической решетки, показывающее плоскости атомов.
Ключ к пониманию механизма твердости — это понимание металлического микроструктура, или структура и расположение атомов на атомном уровне. Фактически, наиболее важные металлические свойства, важные для производства современных товаров, определяются микроструктурой материала.[7] На атомном уровне атомы в металле организованы в упорядоченный трехмерный массив, называемый кристаллическая решетка. В действительности, однако, данный образец металла, вероятно, никогда не содержит последовательной монокристаллической решетки. Данный образец металла будет содержать множество зерен, причем каждое зерно будет иметь довольно согласованный рисунок массива. В еще меньшем масштабе каждое зерно содержит неровности.

Есть два типа неровностей на уровне зерен микроструктуры, которые отвечают за твердость материала. Эти неровности являются точечными и линейными дефектами. Точечный дефект — это неровность, расположенная в единственном узле решетки внутри общей трехмерной решетки зерна. Есть три основных недостатка. Если в массиве отсутствует атом, недостаток вакансии сформирован. Если в узле решетки имеется другой тип атома, который обычно должен занимать атом металла, образуется дефект замещения. Если в узле существует атом, которого обычно не должно быть, интерстициальный дефект сформирован. Это возможно, потому что существует пространство между атомами в кристаллической решетке. В то время как точечные дефекты представляют собой неровности в одном узле кристаллической решетки, линейные дефекты представляют собой неровности на плоскости атомов. Вывихи являются типом линейного дефекта, связанного с несовпадением этих плоскостей. В случае краевой дислокации полуплоскость атомов вклинивается между двумя плоскостями атомов. В случае винтовой дислокации две плоскости атомов смещены, а между ними проходит спиральный массив.[8]

В стеклах твердость, по-видимому, линейно зависит от количества топологических ограничений, действующих между атомами сети.[9] Следовательно теория жесткости позволил прогнозировать значения твердости по составу.

Плоскости атомов, расщепленные краевой дислокацией.

Дислокации обеспечивают механизм скольжения атомных плоскостей и, следовательно, метод пластической или постоянной деформации.[7] Плоскости атомов могут переворачиваться с одной стороны дислокации на другую, что позволяет дислокации проходить через материал и деформироваться безвозвратно. Движение, допускаемое этими дислокациями, приводит к снижению твердости материала.

Способ подавить движение плоскостей атомов и, таким образом, сделать их более сложными, включает взаимодействие дислокаций друг с другом и межузельными атомами. Когда дислокация пересекается со второй дислокацией, она больше не может проходить через кристаллическую решетку. Пересечение дислокаций создает точку привязки и не позволяет плоскостям атомов продолжать скольжение друг по другу.[10] Дислокация также может закрепляться за счет взаимодействия с межузельными атомами. Если дислокация соприкасается с двумя или более атомами внедрения, скольжение плоскостей снова будет нарушено. Межузельные атомы создают якорные точки или точки закрепления так же, как пересекающиеся дислокации.

Варьируя наличие межузельных атомов и плотность дислокаций, можно контролировать твердость конкретного металла. Хотя это может показаться нелогичным, но по мере увеличения плотности дислокаций создается больше пересечений и, следовательно, больше точек привязки. Точно так же, чем больше добавляется межузельных атомов, тем больше точек закрепления, которые препятствуют перемещению дислокаций, образуются. В результате, чем больше добавлено опорных точек, тем тверже станет материал.

дальнейшее чтение

Чинн, Р. Л. (2009). «Твердость, подшипники и Роквеллы». Современные материалы и процессы
.
167
(10): 29–31.
Дэвис, Дж. Р. (ред.). (2002). Поверхностное упрочнение сталей: основы.
Парк материалов, Огайо: ASM International.
Дитер, Джордж Э. (1989). Механическая металлургия.
SI Метрическая адаптация. Мейденхед, Великобритания: McGraw-Hill Education. ISBN 0-07-100406-8
Мальцбендер, J (2003). «Прокомментируйте определения твердости». Журнал Европейского керамического общества
.
23
(9): 9. Дои:10.1016 / S0955-2219 (02) 00354-0.
Реванкар, Г. (2003). «Введение в испытания на твердость». Механические испытания и оценка
, ASM Online Vol. 8.