Главная / СТАТЬИ / Краткая характеристика методов измерения твердости металлов и сплавов

Краткая характеристика методов измерения твердости

84

В настоящее время существует множество способов определения твердости металлов и сплавов:

  • Измерение твердости вдавливанием под действием статической нагрузки - по методу Бринелля, Роквелла, Супер-Роквелла, Виккерса, М.С.Дрозда, Герца, Лудвика, монотрон Шора.
  • Измерение твердости динамическим вдавливанием - по методу Либа, Мартеля, Польди, склероскоп Шора, 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 и др.
  • Измерение твердости царапанием - по Моосу, напильник Барба, прибор Мартенса, Хенкинса, микрохарактеризатор Бирбаума, склерометр О’Нейля, Григорович, Беркович).

Наиболее распространенный способ измерения твердости металлов - внедрение индентора под действием статической нагрузки по методам Бринелля, Роквелла, Виккерса.

Портативный твердомер ТКМ-459C производства Машпроект

Общие требования к процессу измерения твердости

  • Измерительный прибор любой конструкции должен быть надежным и удобным в обращении.
  • Прибор должен оперативно выдавать результаты замеров твердости.
  • Вне зависимости от величины прилагаемого усилия или затрачиваемой энергии, значение твердости для однородного тела при постоянной температуре должно быть материальной константой.
  • Поверхность образца должна быть подготовлена в соответствии с методом измерения.
  • Образец должен быть надежно зафиксирован, чтобы исключить смещение относительно оси приложения нагрузки со стороны прибора.
  • Твердость должна иметь совершенно определенный и ясный физический смысл, правильную размерность, характеризующую сопротивление материала пластической деформации.

Как выбрать оптимальный способ измерения твердости металла?

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

В зависимости от скорости приложения нагрузки на наконечник (индентор) прибора твердость различают статическую (нагрузка прикладывается плавно) и динамическую (нагрузка прикладывается ударом).

Также различают способы измерения твердости металлов по характеру воздействия индентора на контролируемый образец:

  • вдавливание в поверхность --- определяет способность к сопротивлению пластической деформации,
  • отскок от поверхности --- показывает упругие свойства материала,
  • царапанье поверхности --- характеризует сопротивление разрушению.

Популярные методы измерения твердости за счет внедрения индентора под действием статической нагрузки

Название

Принцип действия и форма наконечника

Допустимая шероховатость поверхности, Ra

Пример обозначения шкал

Принцип вычисления твердости

Индентор

Шкала

Обозначение

Метод Бринелля

Вдавливание стального закаленного шарика диаметром 1; 2; 2,5; 5 и 10 мм с нагрузками в диапазоне:

  • 1кгс (9,8Н) - 62,5кгс (612,9Н)
  • 62,5кгс (612,9Н) - 3000кгс (29420Н)

1,25 - 2,5

Твердосплавный сферический индентор

с ⌀2,5 и усилием 187,5 кгс

HB

HB 2,5/187,5

Твердость вычисляется по диаметру отпечатка -- как приложенная  нагрузка, деленная на площадь поверхности отпечатка (кгс/мм²)

Метод Роквелла

 

 

 

Супер-Роквелла

Вдавливание алмазного конуса с углом при вершине 120° или твердосплавного (стального) шарика диаметром 1/8 дюйма (3,175 мм) или 1/16 дюйма (1,588 мм) с нагрузками 

60кгс (588Н), 100кгс (980Н), 150кгс (1471Н)

 

с нагрузками

15кгс (147,1Н), 30кгс (294,2Н), 45кгс (441,3Н) 

 

 

0,38 - 2,5

 

 

 

0,08 - 0,16

Алмазный конус с углом 120° при вершине с усилием 60 кгс

HRA

60 HRA

Величина твёрдости определяется как относительная разница в глубине проникновения (вдавливания) индентора при приложении основной и предварительной (10 кгс) нагрузки.

Шарик диаметром 1/16 дюйма (1,588 мм) из карбида вольфрама (или закаленной стали) с усилием 100 кгс

HRB

100 HRB

Алмазный конус с углом 120° при вершине с усилием 150 кгс

HRC

150 HRC

 

Метод Виккерса и Микро-Виккерса

Вдавливание алмазного наконечника в форме правильной черырехгранной пирамиды с углом 136° между противоположными гранями

- c нагрузками по Виккерсу 9,807 Н (1 кгс) - 980,7 Н (100 кгс)

- c нагрузками по Микро-Виккерсу

0,01кгс (0,098Н) - 5кгс (49Н)

0,02 - 0,04

Алмазный индентор пирамидальной формы c 4 гранями

с усилием 1 кгс

с усилием 0,5 кгс

HV

HV 1,0

HV 0,5

Твёрдость вычисляется путём деления нагрузки Р на площадь поверхности полученного пирамидального отпечатка.

 

Алмазный индентор пирамидальной формы c 3 гранями

с усилием 0,1 кгс

НК

НК 1,0

Другие 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

 

Шерохов. 0,63 - 1,25

 

алмазный или стальной наконеник

Мерой твердости служит нагрузка (кгс), необходимая для вдавливания на стандартную глубину

 

по заданной глубине отпечатка

По методу Лудвика (1907)

Вдавливание стального конуса с углом заострения 90° в плоскость испытуемого тела

 

Нагрузка 20000 Н

победитовый конус

Твердость вычисляется как нагрузка, деленная на площадь проекции

 

по диаметру отпечатка

 

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

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

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

Методы определения твердости царапанием

Прибор и автор (год)

Принцип действия и форма наконечника

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

 

алмазный конус или пирамида

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