Твердость характеризует сопротивление материала проникновению в него более твердого тела (например, при вдавливании или царапании). Твердость связана с прочностью материала и в определенной степени характеризует его сопротивление износу.
Твердость обычно характеризуют числом твердости . Для пластичных материалов (металлов и сплавов), тканей зуба число твердости определяется как отношение нагрузки F , действующей на вдавливаемое тело (индентор), к площади S поверхности отпечатка, образовавшегося в материале после снятия нагрузки.
Методы измерения твердости различаются между собой формой индентора и материалом, из которого он сделан. Например, при определении твердости методом Бринелля в образец вдавливается стальной шарик, а методом Виккерса и Кнуппа – алмазная пирамидка.
Обозначения твердости : Н B (или НВ ) – твердость по Бринеллю, Н V (или HV ) – твердость по Виккерсу, Н К (или HК ) – твердость по Кнуппу.
Метод Бринелля используется в стоматологической практике для определения макротвёрдости металлов и их сплавов. В данном случае в испытуемый образец под действием нагрузки (Р ) в течение определённого времени вдавливается металлический шарик. После снятия нагрузки на поверхности образца остается сферический отпечаток площадью S и диаметром М (рис. 8). Величина отпечатка зависит от твёрдости металла: чем он твёрже, тем меньше величина отпечатка.
Рис. 8 Схематичное представление испытания материала на твердость по методу Бринеля
Число твердости по Бринеллю обозначается НВ и определяется по формуле: или
где D –диаметр шарика; М – диаметр отпечатка;
В случае определения твёрдости НВ шариком с D = 10 мм при нагрузке Р = 3000 кгс и времени выдержки t = 10 с число твёрдости записывают так: НВ 400, НВ 250, НВ 500 и т.д. При использовании других условий испытания индекс НВ дополняют цифрами, указывающими диаметр использованного шарика (мм), нагрузку (кгс) и продолжительность выдержки (с). Например, НВ 5/750/30-350 – это число твёрдости по Бринеллю (350 кгс/мм 2), полученное при вдавливании шарика с D = 5мм нагрузкой Р = 750кгс, в течении t = 30 c.
Основными современными способами определения твёрдости следует считатьметод Виккерса и его усовершенствованный вариант - метод Кнуппа .
При измерении твёрдости по методу Виккерса в поверхность испытуемого образца или изделия вдавливают алмаз в форме пирамиды, в основании которой лежит квадрат с углом между противоположными гранями 136°.
Рис. 9 Схематическое представление испытания на твердость по методу Виккерса
Число твердости по Виккерсу (HV ), вычисляют по формуле:
HV = 1,854 - среднее арифметическое длин обеих диагоналей отпечатка, мм.
При испытаниях применяют нагрузки от 50 до 1000 Н (от 5 до 100 кгс). Обычными условиями испытания считаются: нагрузка 300 Н (30 кгс) и время выдержки 10 – 15с. В этом случае твёрдость по Виккерсу записывается, например HV 400, т.е. она равна 400 кгс/мм 2 . Если условия испытания другие, то это отражается цифрами, причём сначала указывается величина нагрузки, потом – время выдержки. К примеру, запись HV 20/40 – 250 означает, что при нагрузке 200 Н (20 кгс) и времени выдержки 40 с, твёрдость по Виккерсу равна 250 кгс/мм 2 .
Для оценки твёрдости в малых объёмах, например, на зёрнах металла и его структурных составляющих применяют способ измерения микротвердости по Виккерсу , где в качестве индентора используется пирамида Виккерса. Нагрузка на индентор в этом случае невелика 0,05–5Н (0,005 – 0,5кгс), а размер отпечатка 5–30мкм. Ценность данного метода состоит и в том, что при его использовании вследствие малых нагрузок вдавливания удается испытывать очень тонкие и хрупкие образцы, определять твёрдость тонких поверхностных слоев материала и различных фаз, входящих в его состав. Поэтому метод можно использовать также для определения твёрдости структур, формирующих зуб. Важно и то, что, в отличие от метода Бринелля, метод Виккерса позволяет определить твёрдость мелких готовых изделий, не разрушая и не портя их вследствие малой величины отпечатка.
При определении твердости по методу Кнуппа используется алмазный индентор в виде ромбической пирамиды. При этом создается отпечаток в виде ромба, в котором одна диагональ в 7 раз длиннее другой.
Число твёрдости, определённое по методу Кнуппа (НК ) определяется по формуле:
HK =12,87 ,
- величина длинной диагонали, мм.Метод Кнуппа наиболее универсален, так как позволяет измерять твёрдость зубной эмали, дентина, металлических сплавов, золота, фарфора, резины и т.д.
В основе метода Мооса лежит использование шкалы Мооса – десятибалльной шкала твёрдости материалов, предложенной немецким минерологом Ф. Моосом. В этой шкале за эталоны приняты твёрдости следующих 10 материалов, начиная с наиболее мягкого: талька – принята за 1, гипса – 2, кальция – 3, флюорита – 4, апатита – 5, ортоклаза – 6, кварца – 7, топаза – 8, корунда – 9, алмаза – 10. Для определения твёрдости и места в шкале Мооса какого-либо материала его пробуют царапаньем: он будет мягче того минерала, который оставляет на нём царапину и тверже того, на котором он сам оставляет черту.
Твердость измеряется в СИ в H/м 2 = Па или для больших значений в МПа, ГПа (1 Па = 10 –9 ГПа = 10 –6 МПа). Однако на практике часто используют внесистемные единицы, в первую очередь, кгс/мм 2:
1 кгс (килограмм-сила) = 1кг × 9,81 м/с 2 ≈ 10 кг×м/с 2 = 10 Н;
1 кгс/мм 2 ≈ 10 Н/мм 2 = 10 7 Н/м 2 = 10 МПа.
Твердость – свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела, например инструмента. От твердости зависит область применения материалов, поведение их в процессе эксплуатации и сохранение внешнего вида. По этой характеристике оценивают качество металлов, пластических масс, керамики, древесины, каменных и других материалов.
Она существенно влияет на характер и трудоемкость обработки материала.
Существует несколько способов определения твердости материалов: царапание, вдавливание, прокол стандартной иглой, испытания с помощью бойка и колебаний маятника. Все они основаны на внедрении в испытываемый образец минерала, шарика, пирамиды, пуансона под определенным давлением: чем меньше усилие и больше глубина внедрения, тем ниже твердость материала, и наоборот.
Наиболее простым и распространенным на практике способом определения твердости природных каменных материалов является царапание их другими минералами шкалы твердости. Предложенная в прошлом столетии немецким ученым Ф. Моосом указанная шкала содержит 10 минералов от самого мягкого (талька) до самого твердого (алмаза), причем порядковый номер минерала в шкале соответствует его твердости и каждый следующий по порядку минерал оставляет черту (царапину) на предыдущем, а сам им не прочерчивается (см. табл. 3).
Твердость других материалов определяют различными способами, обычно на специальных приборах. Твердость металлов, бетона, древесины и пластмасс (кроме пористых) оценивают, вдавливая в образцы стальной шарик или алмазный конус. О величине твердости судят либо по глубине вдавливания шарика или конуса, либо по диаметру полученного отпечатка.
Числовыми характеристиками твердости материалов служат числа твердости, которые сведены в различные шкалы, соответствующие разным методам ее измерения. Числа твердости указываются в единицах HB (метод Бринелля), HV (метод Виккерса), HR (метод Роквелла), где H – первая буква английского слова харднесс – твердость.
При определении твердости методом Роквелла вводятся дополнительные обозначения: В (шарик), С и А (конус, при разных грузах). Поясним сказанное на примере определения твердости металлов: для незакаленных деталей применяют стальной закаленный шарик и груз массой 100 кг, твердость отсчитывают по красной шкале В и обозначают HRB для закаленных деталей высокой твердости используют алмазный конус и груз массой 150 кг, твердость отсчитывают по черной шкале С и обозначают HRC; для особо твердых или тонких, деталей применяют также алмазный конус, но груз 60 кг, твердость отсчитывают по шкале А специального прибора и обозначают HRA.
Следует отметить, что твердость материала не всегда соответствует его прочности. Например, древесина, значительно уступая бетону по твердости, имеет одинаковую с ним прочность.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ
Определение твердости является одним из распространенных испытаний металлов. Оно отличается простотой техники, быстротой измерений и возможностью проведения их непосредственно на изделии.
Твердость металлов измеряют при помощи воздействия на их поверхность специального наконечника (индентора), изготовленного из малодеформирующегося материала (закаленная сталь, алмаз, твердый сплав) и имеющего форму шарика, конуса, пирамиды или иглы.
По способу воздействия индентора на испытуемый материал различают:
* статические методы определения твердости (метод вдавливания и метод царапания);
* динамические методы определения твердости (метод отскока падающего наконечника) и другие методы.
Метод вдавливания характеризует сопротивление металла пластической деформации при внедрении в него индентора из более твердого материала. Метод царапания характеризует сопротивление разрушению при воздействии на материал индентора в виде алмазной иглы. Метод отскока падающего наконечника характеризует сопротивление упругой деформации при динамическом воздействии на материал индентора в виде шарика.
Самым распространенным из перечисленных методов является метод вдавливания, который используется в приборах - твердомерах:
Роквелла
Виккерса
приборе для определения микротвердости (ПМТ).
Между твердостью пластичных материалов и другими механическими свойствами существует зависимость. Чем больше твердость металла определяемого вдавливанием, тем выше и его прочность, т.к. оба эти свойства представляют сопротивление пластической деформации. По этой же причине, чем тверже данный металл, тем ниже его пластичность.
Принципиальное устройство перечисленных твердомеров одинаково и может быть рассмотрено на примере прибора Бринеля (рис. 1). Основными узлами твердомеров являются станина, рабочий столик для измерения твердости образца или детали, наконечник (индентор), нагружающее устройство и прибор для измерения деформации.
Рисунок 1 – Устройство прибора Бринеля
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЮ
Измерение твердости по Бринелю производится в соответствии с ГОСТ 9012-59, срок действия которого продлен до настоящего времени.
При измерении твердости по Бринелю стальной закаленный шарик диаметром D вдавливается в испытуемый образец или изделие под действием нагрузки P в течение определенного времени. После удаления нагрузки измеряется диаметр d полученного при этом сферического отпечатка (рис. 2.а).
Рисунок 2. Схемы определения твердости:
а- по Бринелю;
Б - по Роквеллу;
в - по Виккерсу
В качестве индентора при работе на приборе Бринеля используют стальной закаленный шарик диаметром d = 1; 2; 2,5; 5 и 10 мм.
Для того, чтобы значения твердости при разных испытаниях были сопоставимы, величину нагрузки при данном диаметре шарика следует выбирать используя соотношение:
(2)
ЗначенияK могут быть равны 30; 15; 10; 5; 2,5; 1 в зависимости от твердости контролируемого материала. Так для черных металлов и их сплавов (железо, сталь) и других высокопрочных материалов K = 30; для алюминия, меди, никеля и их сплавов K = 10; для олова, свинца и сплавов на их основе K = 2,5.
При выборе условий испытания также важно учитывать толщину металла и продолжительность выдержки образца под нагрузкой, в соответствии со стандартами.
Перед началом испытаний выбранный индентор закрепляется в шпинделе твердомера, с помощью сменных грузов устанавливается выбранная нагрузка. Затем, образец подлежащий измерению, устанавливается на столик прибора и столик поднимается вверх, прижимая образец к шарику, пока не загорится сигнальная лампочка. Таким образом на образец подается предварительная нагрузка, которая на приборе Бринеля составляет 100 кгс (981 Н). Затем нажатием кнопки на корпусе прибора включается механизм, который автоматически осуществляет полное нагружение, выдержку образца под нагрузкой и ее снятие.
После этого нужно опустить столик, снять образец, измерить диаметр полученного отпечатка с помощью специального микроскопа (рис. 3) и определить твердость.
Рисунок 3 – Измерение диаметра отпечатка по шкале лупы
Твердость, определяемая на приборе Бринеля обозначается HB и определяется как отношение нагрузки, действующей на индентор, к площади поверхности сферического отпечатка F :
А так как площадь сферического отпечатка равна:
(4)
Следовательно значение твердости будет равно:
(5)
Если нагрузка выражена в ньютонах, то значение твердости умножается на коэффициент равный 0,102 .
Таким образом, диаметр отпечатка является критерием твердости по Бринелю.
Обычно вычисления твердости по вышеуказанной формуле не производят, а определяют твердость по таблице, которая приведена в ГОСТ 9012-59 или справочной литературе.
Зная число твердости по Бринелю, можно приближенно оценить временное сопротивление металла разрыву (предел прочности), используя количественное соотношение между этими характеристиками, установленное опытным путем. Например, для углеродистых сталей с твердостью HB от 120 до 175 используется соотношение:
s В = 3,4 HB (6)
Временное сопротивление определяется в МПа (Н/мм 2).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО РОКВЕЛЛУ
В ряде случаев определение твердости на приборе Бринеля оказывается невозможным. Нельзя, например, испытывать закаленную сталь, так как, индентор прибора Бринеля также изготовлен из закаленной стали. Нельзя измерять твердость тонких поверхностноупрочненных слоев изделий, подвергнутых химико-термической обработке, и твердость различных поверхностных покрытий.
В этих случаях возможно применение других приборов - Роквелла, Виккерса, ПМТ.
Измерение твердости по Роквеллу проводится в соответствии с ГОСТ 9013-59. При этом индентором может служить алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,588мм (1/16 дюйма). При проведении испытаний индентор вдавливается в образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р о и основной:
Р = Р о + Р 1 , (7)
Принципиальное отличие измерения твердости на приборе Роквелла от измерения на приборе Бринеля состоит в том, что твердость определяют не по площади отпечатка, полученного при вдавливании индентора, а по его глубине, которая и является критерием твердости при этом испытании.
Глубину вдавливания h определяют после снятия основной нагрузки и по ее значениям вычисляется величина твердости по Роквеллу HR. Естественно, чем больше глубина полученного отпечатка, тем меньше значение твердости.
Твердость по Роквеллу выражается в условных единицах. За единицу твердости принята безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 0,002 мм.
При испытаниях твердость можно измерять по трем шкалам: А , В , С .
При использовании в качестве индентора алмазного конуса твердость определяют по двум шкалам: А и С , при использовании шарика - по шкале В .
Число твердости по Роквеллу вычисляется по формулам:
При измерении по шкалам А и С:
HRC (HRA) = 100 – e (8)
При измерении по шкале В:
HRB = 130 – e (9)
где e = (h - ho) / 0,002 (10)
При выборе условий испытания целесообразно руководствоваться следующими данными (табл. 1):
Таблица 1
Результаты определения твердости фиксируются на индикаторе прибора, где имеются две шкалы - черная ми красная. Черная используется при измерениях с помощью алмазного конуса или конуса таких же размеров, изготовленного из твердого сплава (А и С ). Красная шкала для измерений с помощью шарика (В ).
Испытания проводятся в следующем порядке:
Устанавливается образец на столике прибора; образец приводится в соприкосновение с индентором с помощью механизма подъема и осуществляется предварительное нагружение. При этом индентор вдавливается в поверхность образца на глубину h о . Достижение предварительной нагрузки Р о = 10 кгс (98 Н) отмечается на шкале установкой маленькой стрелки на красной точке. Положение большой стрелки должно при этом совпадать с цифрой “0” черной шкалы. Если этого не произошло необходимо повернуть шкалу маховичком до точного совпадения этой стрелки с указанной отметкой.
Нажать на клавишу механизма нагружения, в результате чего на индентор подается основная нагрузка Р 1 , под действием которой он углубляется в образец. Выдержка под нагрузкой и снятие нагрузки происходит автоматически. В конечном положении большая стрелка указывает на значение твердости по соответствующей шкале.
Твердость по Роквеллу обозначается цифрами, характеризующими величину твердости, и буквами HR с указанием шкалы, например: 61,0 HRC; 42,0 HRB.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО ВИККЕРСУ И МИКРОТВЕРДОСТИ
В ряде случаев необходимо определить твердость тонких поверхностных слоев или распределение ее по сечению образца. Выполнить эти задачи на приборах Бринеля или Роквелла невозможно из-за больших размеров отпечатков. Для таких измерений используют приборы Виккерса или микротвердости (ПМТ).
В указанных приборах в качестве индентора используется четырехгранная алмазная пирамида с углами при вершине 136° (рис. 2.в). Число твердости по Виккерсу и микротвердость определяются как отношение действующей нагрузки Р к площади боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка:
(11)
где d - среднее арифметическое длин обеих диагоналей отпечатка.
Для удобства и ускорения вычислений следует пользоваться таблицами, рассчитанными по приведенной формуле.
Испытательные нагрузки при измерениях на приборе Виккерса (ГОСТ 2999 - 75) выбираются в пределах от 5 до 120 кгс (от 49 до 1176 Н). При измерениях микротвердости нагрузки значительно ниже: от 0,005 до 0,5 кгс (от 0,05 до 5 Н). Благодаря этому в последнем случае значительно меньше и размеры полученных отпечатков, что делает возможным определение твердости отдельных структурных составляющих.
Измерение диагоналей полученных отпечатков проводится с помощью микроскопов.
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
1. Перед проведением практической части работы необходимо ознакомиться с приборами, на которых предстоит проводить измерения, с техникой измерений и методикой определения результатов.
2. Провести измерение твердости углеродистой отожженной стали (40, 60), дюралюминия и меди на приборе Бринеля. Для этого:
a. Выбрать нагрузку, исходя из данных, приведенных в методических указаниях;
b. Получить отпечаток индентора на перечисленных материалах;
c. При помощи специального микроскопа определить диаметр полученного отпечатка с точностью до сотых долей миллиметра;
d. Используя формулу для определения твердости по Бринелю (5) определить значение твердости испытуемых материалов и занести данные в таблицу 2;
e. При помощи таблиц проконтролировать правильность определения значений твердости и табличные данные также занести в таблицу 2.
3. Провести измерение твердости инструментальной закаленной стали У8 и конструкционной низкоуглеродистой стали 30 на приборе Роквелла. Для этого:
a. В соответствии с таблицей выбрать шкалу, по которой будет проводиться измерение твердости;
Твёрдость
Твёрдость - это способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела - индентора во всем диапазоне нагружения: от момента касания с поверхностью и до вдавливания на максимальную глубину. Существуют методы определения восстановленной и невосстановленной твёрдости.
Метод определения восстановленной твёрдости.
Твёрдость определяется как отношение величины нагрузки к площади поверхности, площади проекции или объему 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.
Метод определения невосстановленной твёрдости.
Твёрдость определяется как отношение силы сопротивления к площади поверхности, площади проекции или объему внедренной в материал части индентора. Различают поверхностную , проекционную и объемную твёрдость:
- поверхностная твёрдость - отношение силы сопротивления к площади поверхности внедренной в материал части индентора;
- проекционная твёрдость - отношение силы сопротивления к площади проекции внедренной в материал части индентора;
- объёмная твёрдость - отношение силы сопротивления к объёму внедренной в материал части индентора.
Твёрдость измеряют в трёх диапазонах: макро, микро, нано. Макродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор от 2 до 30 кН. Микродиапазон 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 твердость в нанодиапазоне называют нанотвердостью (nanohardness) [неизвестный термин ] .
Измеряемая твердость, 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 твердость увеличивается - обратный размерный эффект (reverse indentation size effect );
- для индентора в виде пирамиды Виккерса или Берковича - с увеличением нагрузки твердость уменьшается - прямой или просто размерный эффект (indentation size effect );
- для сфероконического индентора (типа конуса для твердомера Роквелла) - с увеличением нагрузки твердость сначала увеличивается, когда внедряется сферическая часть индентора, а затем начинает уменьшаться (для сфероконической части индентора).
Косвенно твердость также может зависеть от:
- Координационного числа - чем выше число, тем выше твёрдость.
- Природы химической связи
- От направления (например, минерал дистен - его твёрдость вдоль кристалла 4, а поперёк - 7)
- Гибкости - минерал легко гнётся, изгиб не выпрямляется (например, тальк)
- Упругости - минерал сгибается, но выпрямляется (например, слюды)
- Вязкости - минерал трудно сломать (например, жадеит)
- и ряда других физико-механических свойств материала.
Наиболее твёрдыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода - лонсдейлит , на 58 % превосходящий по твёрдости алмаз и фуллерит (примерно в 2 раза твёрже алмаза ). Однако практическое применение этих веществ пока маловероятно. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз (10 единиц по шкале Мооса, см. ниже).
Методы измерения твёрдости
Прибор Польди
Методы определения твёрдости по способу приложения нагрузки делятся на: 1) статические и 2) динамические (ударные).
Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения):
- Метод Бринелля - твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим 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 (твердость по Мейеру)); размерность единиц твердости по Бринеллю МПа (кг-с/мм²). Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012-59 записывают без единиц измерения. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твёрдость, англ. ), B - Бринелль;
- Метод Роквелла - твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA; твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 (130) − kd , где d - глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k - коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу по шкалам A и C составляет 100 единиц, а по шкале B - 130 единиц.
- Метод Виккерса - твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение нагрузки, приложенной к пирамидке, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части поверхности пирамиды, а не как площадь ромба); размерность единиц твёрдости по Виккерсу кг-с/мм² . Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV;
- 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 .
Методы измерения твёрдости делятся на две основные категории: статические методы определения твёрдости и динамические методы определения твёрдости.
Для инструментального определения твёрдости используются приборы, именуемые твердомерами. Методы определения твердости, в зависимости от степени воздействия на объект, могут относиться как к неразрушающим, так и к разрушающим методам.
Существующие методы определения твёрдости не отражают целиком какого-нибудь одного определённого фундаментального свойства материалов, поэтому не существует прямой взаимосвязи между разными шкалами и методами, но существуют приближенные таблицы, связывающие шкалы отдельных методов для определённых групп и категорий материалов. Данные таблицы построены только по результатам экспериментальных тестов и не существует теорий, позволяющих расчетным методом перейти от одного способа определения твердости к другому.
Конкретный способ определения твёрдости выбирается исходя из свойств материала, задач измерения, условий его проведения, имеющейся аппаратуры и др.
В СНГ стандартизированы не все шкалы твёрдости.
Нормативные документы
- ГОСТ 8.062-85 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственный специальный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений твердости по шкалам Бринелля»
- ГЭТ 33-85 «Государственный специальный эталон единиц твердости по шкалам Бринелля»
- ГОСТ 24621-91 (ISO 868-85) «Определение твёрдости при вдавливании с помощью дюрометра (твёрдость по Шору)».
- ГОСТ 263-75 «Резина. Метод определения твёрдости по Шору А».
- ГОСТ 23273-78 «Металлы и сплавы. Измерение твердости методом упругого отскока бойка (по Шору)».
- ISO 2815 «Paints and varnishes - Buchholz indentation test».
- DIN 53153 «Buchholz hardness».
- ISO 14577 Metallic Materials. Instrumented indentation test for hardness and materials parameters. Part 1: Test method.
Примечания
Ссылки
- Сравнительная таблица твёрдостей в разных шкалах. (Прим.: В таблице шкала Шора соответствует методу отскока.)
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :- Эверс, Ганс Гейнц
- Боулдеринг
Смотреть что такое "Твёрдость" в других словарях:
Твёрдость (этика) - У этого термина существуют и другие значения, см. Твёрдость (значения). Твёрдость (также твёрдость характера, твёрдость воли) черта характера, характеризующаяся последовательностью и упорством в достижении целей или отстаивании взглядов.… … Википедия
Твёрдость по Шору (Метод вдавливания) - У этого термина существует и другое значение, см. Твёрдость по Шору. При этом следует понимать, что хотя в другом значении этот метод также является методом измерения твёрдости, оба метода предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие… … Википедия
твёрдость - и; ж. 1) к твёрдый 2), 3), 4), 5), 6), 7), 8), 9) Твёрдость древесины. Твёрдость духа. Твёрдость воли, характера, убеждений. Твёрдость памяти. Твёрдость решения. Твёрдость движений … Словарь многих выражений
Твёрдость по Шору (Метод отскока) - У этого термина существует и другое значение, см. Твёрдость по Шору. При этом следует понимать, что хотя в другом значении этот метод так же является методом измерения твёрдости, оба метода предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие… … Википедия
твёрдость по Мартенсу - склерометрическая твёрдость твёрдость по склероскопу — Тематики нефтегазовая промышленность Синонимы склерометрическая твёрдостьтвёрдость по склероскопу EN… … Справочник технического переводчика
Твёрдость металлов - сопротивление металлов вдавливанию. Т. м. не является физической постоянной, а представляет собой сложное свойство, зависящее как от прочности и пластичности, так и от метода измерения. Т. м. характеризуется числом твёрдости. Наиболее… …
Твёрдость по Бринеллю - Бринелля метод [по имени шведского инженера Ю.А.Бринелля (J.A.Brinell)] способ определения твёрдости материалов вдавливанием в испытываемую поверхность стального закалённого шарика диаметром 2,5; 5 и 10 мм пр нагрузке P от 625 H до 30 кН. Число… … Металлургический словарь
Твёрдость по Виккерсу - Виккерса метод [по названию английского военно промышленного концерна Виккерс (Vickers Limited)] способ определения твёрдости материалов вдавливанием в поверхность образца или изделия алмазного индентора имеющего форму правильной четырёхгранной … Металлургический словарь
Твёрдость по Роквеллу - Роквелла метод [по имени американского металлурга С.Роквелла (S.Rockwell), разработавшего этод метод] способ определения твёрдости материалов (главным образом металлов) вдавливанием в испытываемую поверхность алмазного индентора с углом при… … Металлургический словарь
Твёрдость минералов - свойство минералов оказывать сопротивление проникновению в них др. тел. Твёрдость важный диагностический и типоморфный признак минерала, функция его состава и структуры, которые в различной мере отражают условия минералообразования. Т. м … Большая советская энциклопедия
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Саратовский государственный технический университет
Определение твердости материалов
Методические указания к учебно-исследовательской лабораторной работе для студентов всех специальностей
дневной, вечерней и заочной форм обучения
Одобрено
редакционно-издательским советом
Саратовского государственного
технического университета
Саратов 2009
Цель работы: ознакомить студентов с методами определения твердости материалов
Определение твердости является широко применяемым в лабораторных и заводских условиях способом испытаний для характеристики механических свойств материалов.
Твердость металлов измеряют при помощи воздействия на поверхность металла наконечника, изготовленного из малодеформирующего материала (твердая закаленная сталь, алмаз, сапфир, или твердый сплав). Наконечник может иметь форму шарика, конуса, пирамиды или иглы.
Существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника: вдавливание наконечника, царапание поверхности, удар наконечника-шарика.
Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием. В результате вдавливания поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Особенность происходящей при этом деформации в том, что она протекает только в небольшом объеме, окруженном недеформированным металлом. Таким образом, твердость характеризует сопротивление металла пластической деформации и представляет собой его механическое свойство.
Следует различать два способа определения твердости вдавливанием: измерение макротвердости и измерение микротвердости:
1. Измерение твердости (макротвердости) характерно тем, что в испытуемый металл вдавливается тело значительных размеров (например, стальной шарик диаметром 10 мм), проникающее на сравнительно большую глубину. В результате чего в деформируемом объеме оказываются представленными все фазы и структурные составляющие сплава. Измеренная твердость должна в этом случае характеризовать твердость всего испытуемого материала (“усредненная” твердость).
Выбор формы, размеров наконечника и величины нагрузки зависят от целей испытания, структуры, ожидаемых свойств, состояния поверхности и размеров испытуемого образца.
2. Измерение микротвердости имеет целью определить твердость отдельных зерен, фаз и структурных составляющих сплава. В этом случае объем, деформированный вдавливанием, должен быть меньше объема измеряемого зерна. Поэтому прилагаемая нагрузка выбирается небольшой.
Наиболее широко применяются следующие способы измерения твердости:
вдавливанием стального шарика (метод Бринелля);
вдавливанием алмазного конуса (метод Роквелла);
вдавливанием четырехгранной алмазной пирамиды (метод Виккерса).
ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ВДАВЛИВАНИЕМ ШАРИКА
(ТВЕРДОСТЬ ПО БРИНЕЛЛЮ)
Этот способ используется для определения твердости как металлов, так и неметаллических материалов.
При измерении твердости металлов по Бринеллю в материал вдавливается стальной закаленный шарик под действием заданной нагрузки в течении определенного времени. В результате на поверхности образца образуется отпечаток, диаметр которого измеряют. Значение твердости определяют по величине поверхности отпечатка, оставляемого шариком. Шарик вдавливается с помощью пресса (рис. 1). Испытуемый образец (деталь) 3 устанавливается на столик 1, прошлифованной поверхностью кверху. Поворотом вручную маховика 2 по часовой стрелке столик поднимают вверх, и образец 3 прижимается к шарику 4. Нагрузка прилагается автоматически с помощью электродвигателя 5 при нажатии пусковой кнопки. Эта нагрузка, создаваемая грузом 6, действует обычно 10-60 с в зависимости от твердости измеряемого материала. После автоматического выключения двигателя, поворачивая маховик 2 против часовой стрелки, опускают столик прибора и снимают образец 3.
Рис. 1. Схема измерения твердости по Бринеллю
На образце остается отпечаток со сферической поверхностью (лунка). Диаметр отпечатка, измеряют обычно лупой, на окуляре которой нанесена шкала с делениями, соответствующими 0,1 мм. Схема испытания на твердость по методу Бринелля и отсчет по шкале показаны на рис. 1.
Число твердости по Бринеллю, обозначаемая НВ, определяется путем деления нагрузки на площадь поверхности сферического отпечатка, и может быть определено по формуле:
выражена в Ньютонах или
,
В этих выражениях
А – площадь поверхности отпечатка, мм;
D - диаметр вдавливаемого шарика, мм;
d - диаметр отпечатка, мм.
Диаметр шарика, нагрузку и продолжительность выдержки под нагрузкой выбирают в зависимости от твердости и толщины испытуемого изделия или образца. Для испытания используют образцы с чистой и гладкой поверхностью, а толщина образцов должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка.
Нормы испытания на твердость по Бринеллю приведены в табл. 1.
Таблица 1
Нормы испытания на твердость по Бринеллю
При измерении твердости шариком определенного диаметра и установленными нагрузками нет необходимости проводить расчет по указанной выше формуле. На практике используется заранее составленными таблицами, указывающими число НВ от диаметра отпечатка.
Измерение твердости по Бринеллю не является универсальным способом, поскольку не позволяет:
а) использовать материалы с твердостью более НВ4500Н, так как шарик будет деформироваться и показания будут не точны;
б) измерять твердость тонкого поверхностного слоя (толщиной 1-2 мм), так как шарик будет продавливать тонкий слой металла.
ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ВДАВЛИВАНИЕМ
АЛМАЗНОГО КОНУСА ИЛИ СТАЛЬНОГО ШАРИКА
(ТВЕРДОСТЬ ПО РОКВЕЛЛУ)
Принципиальное отличие измерения твердости по способу Роквелла от измерения по способу Бринелля состоит в том, что ее измеряют не по диаметру, а по глубине отпечатка получаемого в результате вдавливания алмазного конуса с углом при вершине равным 120 о или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм. Конус или шарик вдавливают в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р 0 и основной будет равна: Р= Р 0 + Р 1 .
При испытании сначала прикладывают предварительную нагрузку Р 0 =100 Н, затем общую нагрузку Р , равную: при вдавливании шарика (шкала В) 1000 Н; при вдавливании алмазного конуса (шкала С) 1500 Н; при вдавливании алмазного конуса (шкала А) 600 Н (рис. 2).
Рис.2. Разновидность глубины проникновения наконечника под действием двух нагрузок
Твердость по Роквеллу обозначается цифрами и буквами HR с указанием шкалы твердости (А,В,С).
Число твердости по Роквеллу определяют по формуле
HR = (k-(h-h 0 )/c
где h 0 - глубина внедрения наконечника под действием силы Р 0 ;
h - глубина внедрения наконечника под действием общей
нагрузки Р ;
к - постоянная величина, для шарика 0,26; для конуса 0,2;
с - цена деления циферблата индикатора.
При измерении твердости нагрузка должна действовать строго перпендикулярно к поверхности образца. Нагрузки следует прилагать плавно.
Твердость измеряют на приборе, представленном на рис. 3.
Рис.3. Схема прибора для измерения твердости по Роквеллу
Стол 1 служит для установки на нем испытуемого образца 3. Вращая по часовой стрелке маховик 2, подводят образец до соприкосновения с наконечником 4. При дальнейшем вращении маховика наконечник начинает внедряться в образец, а на шкале индикатора наблюдают за поворотом малой стрелки. Предварительное нагружение производят до тех пор, пока малая стрелка индикатора не совпадет с красной точкой.
Когда образец получает предварительную нагрузку 100 Н (10 кГс), большая стрелка индикатора принимает вертикальное положение (или близкое к нему). Точную установку шкалы индикатора на ноль производят при помощи барабана 6. Затем нажимают на клавишу 7, при этом обеспечивается действие основной нагрузки и создается общая нагрузка (предварительная + основная).
При таком нагружении большая стрелка перемещается по циферблату индикатора против часовой стрелки. Время приложения общей нагрузки 5-7 с. Затем основная нагрузка снимается автоматически и остается только предварительная. Большая стрелка индикатора перемещается по часовой стрелке. Цифра, которую укажет на циферблате индикатора большая стрелка, представляет число твердости по Роквеллу. Далее поворачивают маховик 2 против часовой стрелки, опускают столик и снимают образец.
Твердость на приборе Роквелла можно измерять:
1) алмазным конусом с общей нагрузкой 1500 Н (150 кГс). В этом случае значение твердости определяют по черной шкале “С” индикатора и обозначают НRC. Эта шкала применяется при испытании закаленных сталей (до HRC 67);
2) алмазным конусом с общей нагрузкой 600 Н (60 кГс). В этом случае значения твердости также определяются по черной шкале “С”, но обозначают HRA. Числа HRA можно перевести на числа HRC по формуле: HRC = 2 HRA - 104. Эта шкала применяется для испытания сверхтвердых сплавов (например на основе карбидов вольфрама, обладающих твердостью HRC>68), тонкого листового материала и для измерения твердости тонких поверхностных слоев (0,3-0,5 мм);
3) стальным шариком с общей нагрузкой 1000 Н (100 кГс).
В этом случае значения твердости определяют по красной шкале “В” и обозначают HRB. Шкала В служит для испытания металлов средней твердости и для испытания изделия толщиной от 0,8 до 2 мм.
К достоинствам метода Роквелла следует отнести высокую производительность, простоту обслуживания, точность измерения и сохранение качественной поверхности после испытаний.
ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ВДАВЛИВАНИЯ
АЛМАЗНОЙ ПИРАМИДЫ
(ТВЕРДОСТЬ ПО ВИККЕРСУ)
Этот способ используется для измерения твердости черных и цветных металлов и сплавов.
Твердость по методу
Виккерса определяют путем вдавливания
в испытуемую поверхность алмазной
четырехгранной пирамиды с углом при
вершине 136 0
под нагрузкой 50, 100, 200, 300, 500, 1000 Н. По
диагоналям h
1
и h
2
отпечатка, пирамиды и углу
при вершине пирамиды определяют площадь
поверхности отпечатка и рассчитывают
по формуле:
HV = (2 P sin ( /2)/ d 2 ) = 1,854 (P / d 2 ),
- угол между противоположными гранями пирамиды (136 0);
d – среднеарифметические значения длин обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм.
Испытания проводят на приборе (рис. 4), имеющем неподвижную станину, в нижней части которой установлен столик 1, перемещающийся по вертикали вращением маховика 2. Образец 3 устанавливают на столик испытуемой поверхностью кверху и поднимают столик почти до соприкосновения образца с алмазной пирамидой 4. Нажатием педали пускового рычага 5 приводят в действие нагружающий механизм, который через рычаг передает давление грузов 6. Продолжительность нагружения при испытании составляет от 10 до 60 с, что регистрируется сигнальной лампочкой на приборе. После снятия нагрузки столик опускают и подводят микроскоп 7, с помощью которого определяют длину диагонали отпечатка.
Рис.4. Схема прибора для измерения твердости по Виккерсу
В окуляре микроскопа (рис. 5,б) имеются подвижная шкала и три штриха - два основных 1 и 2, и один дополнительный 3 (рис. 5,б). Вращением винта 1 (рис. 5,а) подводят штрих 1 к левому углу отпечатка (рис. 5,б). Вращением микрометрического винта 2 (рис. 5,а) подводят штрих 2 к правому углу отпечатка. Полученную величину диагонали отпечатка записать в протокол испытания.
Рис.5. Схемы: а). микрометрического винта; б). определения величины отпечатка
Измерять необходимо обе диагонали отпечатка и принимать среднюю величину измерений. Полученный результат перевести в значение твердости HV, пользуясь таблицами. Возможность применения малых нагрузок 50, 100 Н позволяет определить твердость деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, например, цементированных, азотированных и других.
Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю для материалов твердостью до НВ 4500 практически совпадают. Вместе с тем, измерения пирамидой дают более точные значения для металлов с высокой твердостью, чем измерения шариком или конусом. Алмазная пирамида имеет большой угол в вершине (136 0) и диагональ его отпечатка примерно в 7 раз больше глубины отпечатка, что повышает точность измерения даже при проникновении пирамиды на небольшую глубину.
ИЗМЕРЕНИЕ МИКРОТВЕРДОСТИ
Для изучения
свойств и превращений в сплавах необходимо
знать не только «усредненную» твердость,
представляющую твердость в результате
суммарного влияния присутствующих в
сплаве фаз и структурных составляющих.
В некоторых случаях необходимо знать
твердость отдельных фаз и структур.
Микротвердость определяют вдавливанием
алмазной пирамиды. Для этого используют
прибор типа ПМТ-3 (рис.6), разработанный
М.Н. Хрущевым и Е.С. Берковичем. Прибор
состоит из штатива 8, вертикальной
микроскопа с тубусом, который перемещается
вверх и вниз с помощью макрометрического
винта 6 и микрометрического винта 5. На
верхний конец тубуса насажен окулярный
микрометр 7, а в нижнем конце закреплены
шток 2 с алмазной пирамидой, опакиллюминатор
9 и объективы 11. С помощью микрометрических
винтов 13 перемещают столик в необходимом
направлении. Ручка 1 служит для поворота
столика на 90 о.
Прибор снабжен двумя объективами для
просмотра микрошлифа при увеличениях
в 478 и 135 раз. Окуляр увеличивает в 15 раз.
Окулярный микрометр имеет неподвижную
сетку, отсчетный микрометрический
барабанчик и каретку с подвижной сеткой.
На неподвижной сетке нанесены штрихи
с цифрами и угольник с прямым углом,
вершина которого совпадает с цифрой 0.
Для определения микротвердости применяют
несколько типов наконечников: с
квадратным основанием; с основанием в
виде равностороннего треугольника; с
ромбическим основанием; с бицилиндрическим
основанием. Наиболее широко используют
алмазный наконечник. Наконечник имеет
угол между гранями на вершине 136 о
(такой же как для измерения твердости
по Виккерсу). Нагрузка для вдавливания
создается грузами 3, которые устанавливаются
на шток 2. В приборе применяются грузы
от 1 до 500 граммов в зависимости от
особенностей изучаемой структуры. Для
измерения специально готовят образцы,
которые шлифуют и полируют, а при
необходимости подвергают травлению
реактивами. Приготовленный микрошлиф
устанавливают на столике 12, чтобы
поверхность микрошлифа была обращена
вверх. Установленный микрошлиф
просматривают через окуляр. С помощью
винтов столик перемещают и выбирают
необходимый участок на микрошлифе. Этот
участок размещают в середине поля зрения
микроскопа точно в вершине угла
неподвижной сетки. Затем устанавливают
груз. После этого опускают шток с алмазной
пирамидой, чтобы алмаз коснулся образца.
В этом положении выдерживают 5 – 10
секунд, после чего шток поднимают. Столик
12 поворачивают на 180 о
под объектив микроскопа и измеряют
диагонали отпечатка. Длина диагонали
указывается на микрометрическом
барабанчике прибора. Определяют длину
обеих диагоналей и вычисляют среднюю
длину. Полученную среднюю длину переводят
по таблице в число микротвердости.
Измерения проводят не менее 2-3 раз. Числа
твердости в таблице вычислены по формуле
и представляют числа твердости по
Виккерсу. Прибор позволяет фотографировать
микроструктуру сплава с полученными
отпечатками.
Рис.6. Схема прибора ПМТ-3
ЗАДАНИЕ 1
Изучить работу прибора для измерения твердости по Бринеллю.
Определить твердость образцов из углеродистых конструкционных и инструментальных сталей, и сравнить полученные результаты.
Перевести числа твердости по Бринеллю в числа твердости по Роквеллу.
Сделать вывод о влиянии состава сплава на его твердость.
Протокол испытаний на твердость по методу Бринелля
Таблица 1
ЗАДАНИЕ 2
Изучить работу прибора для измерения твердости по методу Роквелла.
Определить твердость образцов стали в оттоженном состоянии и закаленном состоянии, сплавов цветных металлов и твердых сплавов.
Результаты измерений внести в протокол испытаний.
Сделать вывод о влиянии состава материала на его твердость.
ЗАДАНИЕ 3
Изучить работу прибора для измерения твердости по методу Виккерса.
Определить твердость образцов из малоуглеродистой стали после цементации, азотирования.
Результаты измерений записать в протокол испытаний.
1. Цель работы.
2. Задание.
3. Описание методики проведения испытаний.
4. Протокол испытания на твердость.
5. Выводы по работе.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
Что такое твердость материалов?
Как измеряется твердость материалов?
Определение твердости по Бринеллю; по Роквеллу; по Виккерсу.
Обозначения твердости.
Область применения методов определения твердости по Бринеллю; по Роквеллу и по Виккерсу.
ЛИТЕРАТУРА
Геллер Ю. А. , Рахштадт Л. Г. Материаловедение. М.: Металлургия. 1975.- 345с.
Самоходний А. И., Кунявский М. Н. Лабораторные работы по металловедению и термической обработки металлов. М.: Машиностроение. 1981.
Советова Л.В., Гусев В.И. Руководство к лабораторной работе «Определение твердости материалов». Саратов, СПИ, 1982г.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ
Методические указания к учебно-исследовательской лабораторной работе для студентов всех специальностей
дневной, вечерней и заочной форм обучения
Составил:
Федоров Юлий Степанович