Понятие твердости
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 |
