Для того чтобы детали и механизмы служили длительно и надежно, материалы, из которых они изготовлены, должны соответствовать необходимым условиям работы. Именно поэтому важно контролировать допустимые значения их основных механических показателей. К механическим свойствам относятся твердость, прочность, пластичность. Твердость металлов - первичная конструкционная характеристика.

Понятие

Твердость металлов и сплавов - это свойство материала создавать сопротивление при проникновении в его поверхностные слои иного тела, которое не деформируется и не разрушается при сопутствующих нагрузках (индентора). Определяют с целью:

• получения информации о допустимых конструкционных особенностях и о возможностях эксплуатации;
• анализа состояния под действием времени;
• контроля результатов температурной обработки.

От этого показателя частично зависят прочность и устойчивость поверхности к старению. Исследуют как исходный материал, так и уже готовые детали.

Варианты исследования

Показателем является величина, которая называется числом твердости. Существуют различные методы измерения твердости металлов. Наиболее точные исследования заключаются в использовании различных видов вычисления, инденторов и соответствующих твердомеров:

1. Бринелля: суть работы аппарата - вдавливание шарика в исследуемый металл или сплав, вычисление диаметра отпечатка и последующее математическое вычисление механического параметра.
2. Роквелла: используются шарик или алмазный конусный наконечник. Значение отображается на шкале или определяется расчётно.
3. Виккерса: наиболее точное измерение твердости металла с применением алмазного пирамидального наконечника.

Для определения параметрических соответствий между показателями разных способов измерения для одного и того же материала существуют специальные формулы и таблицы.

Факторы, определяющие вариант измерения

В лабораторных условиях, при наличии необходимого ассортимента оборудования, выбор способа исследования осуществляется в зависимости от определенных характеристик заготовки.

1. Ориентировочное значение механического параметра. Для конструкционных сталей и материалов с небольшой твердостью до 450-650 НВ применяют метод Бринелля; для инструментальных, легированных сталей и других сплавов - Роквелла; для твердосплавов - Виккерса.
2. Размеры испытуемого образца. Особо маленькие и тонкие детали обследуются с помощью твердомера Виккерса.
3. Толщина металла в месте замера, в частности, цементированного или азотированного слоя.

Все требования и соответствия задокументированы ГОСТом.

Особенности методики Бринелля

Испытания на твердость металлов и сплавов с помощью твердомера Бринелля проводятся со следующими особенностями:

1. Индентор - шарик из легированной стали или из карбидо-вольфрамового сплава диаметром 1, 2, 2,5, 5 или 10 мм (гост 3722-81).
2. Продолжительность статического вдавливания: для чугуна и стали - 10-15 с., для цветных сплавов - 30, также возможна длительность в а в некоторых случаях - 120 и 180 с.
3. Граничное значение механического параметра: 450 НВ при измерении стальным шариком; 650 НВ при использовании твердосплава.
4. Возможные нагрузки. С помощью входящих в комплект грузов корректируется фактическая сила деформации на испытуемый образец. Их минимальные допустимые значения: 153,2, 187,5, 250 Н; максимальные - 9807, 14710, 29420 Н (гост 23677-79).

С помощью формул, в зависимости от диаметра выбранного шарика и от испытуемого материала, можно вычислить соответствующее допустимое усилие вдавливания.

Пример обозначения:

400HB10/1500/20, где 400HB - твердость металла по Бринеллю; 10 - диаметр шарика, 10 мм; 1500 - статическая нагрузка, 1500 кгс; 20 - период осуществления вдавливания, 20 с.

Для установления точных цифр рационально исследовать один и тот же образец в нескольких местах, а общий результат определять путем нахождения среднего значения из полученных.

Определение твердости по методу Бринелля

Процесс исследования протекает в следующей последовательности:

1. Проверка детали на соответствие требованиям (ГОСТ 9012-59, гост 2789).
2. Выбор необходимого шарика, определение возможного усилия, установка грузов для его формирования, периода вдавливания.
3. Запуск твердомера и деформация образца.
4. Измерение диаметра углубления.
5. Эмпирическое вычисление.

где F - нагрузка, кгс или Н; A - площадь отпечатка, мм 2 .

НВ=(0,102*F)/(π*D*h),

где D - диаметр шарика, мм; h - глубина отпечатка, мм.

Твердость металлов, измеренная этим способом, имеет эмпирическую связь с вычислением параметров прочности. Метод точен, особенно для мягких сплавов. Является основополагающим в системах определения значений этого механического свойства.

Особенности методики Роквелла

Этот способ измерения был изобретен в 20-х годах XX века, более автоматизирован, чем предыдущий. Применяется для более твердых материалов. Основные его характеристики (ГОСТ 9013-59; гост 23677-79):

1. Наличие первичной нагрузки в 10 кгс.
2. Период выдержки: 10-60 с.
3. Граничные значения возможных показателей: HRA: 20-88; HRB: 20-100; HRC: 20-70.
4. Число визуализируется на циферблате твердомера, также может рассчитываться арифметически.
5. Шкалы и инденторы. Известно 11 различных шкал в зависимости от типа индентора и предельно-допустимой статической нагрузки. Наиболее распространённые в использовании: А, В и С.

А: алмазный конусный наконечник, угол при вершине 120˚, общая допустимая сила статического влияния - 60 кгс, HRA; исследуются тонкие изделия, в основном прокат.

С: также алмазный конус, рассчитанный на максимальное усилие 150 кгс, HRC, применим для твердых и закаленных материалов.

В: шарик размером 1,588 мм, изготовленный из закаленной стали или из твердого карбидо-вольфрамового сплава, нагрузка - 100 кгс, HRB, используется для оценки твердости отожжённых изделий.

Шарикообразный наконечник (1,588 мм) применим для шкал Роквелла B, F, G. Также существуют шкалы E, H, K, для которых используется шарик диаметром 3,175 мм (ГОСТ 9013-59).

Количество проб, проделанных с помощью твердомера Роквелла на одной площади, ограничивается размером детали. Допускается повторная проба на расстоянии 3-4 диаметра от предыдущего места деформации. Толщина испытуемого изделия также регламентируется. Она должна быть не меньше увеличенной в 10 раз глубины внедрения наконечника.

Пример обозначения:

50HRC - твердость металла по Роквеллу, измерена с помощью алмазного наконечника, ее число равно 50.

План исследования по методу Роквелла

Измерение твердости металла более упрощено, нежели для

1. Оценка размеров и характеристик поверхности детали.
2. Проверка исправности аппарата.
3. Определение типа наконечника и допустимой нагрузки.
4. Установка образца.
5. Осуществление первичного усилия на материал, величиной в 10 кгс.
6. Осуществление полного соответствующего усилия.
7. Чтение полученного числа на шкале циферблата.

Также возможен математический расчет с целью точного определения механического параметра.

При условии использования алмазного конуса с нагрузкой 60 или 150 кгс:

HR=100-((H-h)/0,002;

при совершении испытания с помощью шарика под усилием 100 кгс:

HR=130-((H-h)/0,002,

где h - глубина внедрения индентора при первичном усилии 10 кгс; H - глубина внедрения индентора при полной нагрузке; 0,002 - коэффициент, регламентирующий величину перемещения наконечника при изменении числа твердости на 1 единицу.

Является простым, но недостаточно точным. В то же время он позволяет измерять показатели механического свойства для твердых металлов и сплавов.

Характеристики методики Виккерса

Определение твердости металлов по данному способу наиболее просто и точно. Работа твердомера основана на вдавливании в образец алмазного пирамидального наконечника.

Основные особенности:

1. Индентор: алмазная пирамида с углом при вершине 136°.
2. Предельно допустимая нагрузка: для и стали - 5-100 кгс; для медных сплавов - 2,5-50 кгс; для алюминия и сплавов на его основе - 1-100 кгс.
3. Период выдержки статической нагрузки: от 10 до 15 с.
4. Испытуемые материалы: сталь и с твердостью более 450-500 НВ, в том числе изделия после химико-термической обработки.

Пример обозначения:

где 700HV - число твердости по Виккерсу; 20 - нагрузка, 20 кгс; 15 - период статического усилия, 15 с.

Последовательность исследования Виккерса

Порядок действий предельно упрощен.

1. Проверка образца и аппаратуры. Особое внимание уделяется поверхности детали.
2. Выбор допустимого усилия.
3. Установка испытуемого материала.
4. Запуск твердомера в работу.
5. Чтение результата на циферблате.

Математический расчет по этому способу выглядит следующим образом:

HV=1,8544*(F/d 2),

где F - нагрузка, кгс; d - среднее значение длин диагоналей отпечатка, мм.

Он позволяет измерять высокую твердость металлов, тонких и небольших деталей, при этом предоставляя высокую точность результата.

Способы перехода между шкалами

Определив диаметр отпечатка с помощью специального оборудования, можно с помощью таблиц определить твердость. Таблица твердости металлов - проверенный помощник в вычислении данного механического параметра. Так, если известно значение по Бринеллю, можно легко определить соответствующее число Виккерса или Роквелла.

Пример некоторых значений соответствия:

Диаметр отпечатка,	Метод исследования
	Бринелля	Роквелла			Виккерса

Таблица твердости металлов составлена на основе экспериментальных данных и имеет высокую точность. Также существуют графические зависимости твердости по Бринеллю от содержания углерода в железоуглеродистом сплаве. Так, в соответствии с такими зависимостями, для стали с количеством карбона в составе равному 0,2% она составляет 130 НВ.

Требования к образцу

В соответствии с требованиями ГОСТов, испытуемые детали должны соответствовать следующим характеристикам:

1. Заготовка должна быть ровная, твердо лежать на столе твердомера, ее края должны быть гладкими или тщательно обработаны.
2. Поверхность должна иметь минимальную шероховатость. Должна быть отшлифована и очищена, в том числе с помощью химических составов. Одновременно, во время процессов механической обработки, важно предупредить образование наклепа и повышения температуры обрабатываемого слоя.
3. Деталь должна соответствовать выбранному методу определения твердости по параметрическим свойствам.

Выполнение первичных требований - обязательное условие точности измерений.

Твердость металлов - важное основополагающее механическое свойство, определяющее их некоторые остальные механические и технологические особенности, результаты предыдущих процессов обработки, влияние временных факторов, возможные условия эксплуатации. Выбор методики исследования зависит от ориентировочных характеристик образца, его параметров и химического состава.

Твердость – свойство металла оказывать сопротивление проникновению в него другого более твердого тела, минимум в 10 раз. Для определения твердости применяют: методы Бриннеля, Роквелла и Виккерса.

Метод Бриннеля : в испытуемый материал под определенной нагрузкой вдавливают стальной закаленный шарик определенного диаметра и по величине диаметра шарового отпечатка судят о тверости. Отпечаток имеет вид шарового сегмента. Твердость по Бриннелю (НВ) определяют из выражения НВ=Р/F, где Р – нагрузка, F – площадь поверхности шарового отпечатка. К недостаткам метода Б. необходимо отнести невозможность испытания металлов, имеющих твердость меньше 450 МПа или толщину больше 2 мм. При испытании с твердостью более 450 МПа возможна деформация шарика и результаты будут неточными.

Метод Роквелла : основан на том, что в испытуемый образец вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120 о или закаленный стальной шарик диаметром 1,59 мм. Алмазный конус – для твердых, шарик – для мягких металлов. Шарик/алмазный конус вдавливают в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок – предварительной (0,1 кН) и основной. Соответственно с этими нагрузками на индикаторе прибора нанесены шкалы: черные А и С и красные В. Шкала А – измерение твердости изделий с очень твердым поверхностным слоем; шкала С – для измерения твердости закаленных сталей; шкала В – незакаленные стали, цветные металлы и сплавы, имеющие твердость HRB 100. Метод Р. отличается простотой и высокой скоростью измерения, обеспечивает сохранение качественной поверхности после испытаний, позволяет испытывать металлы как низкой, так и высокой твердости, при толщине изделий до 0,8 мм. Этот метод не рекомендуется применять для сплавов с неоднородной структурой (чугуны серые, ковкие и высокопрочные).

Метод Виккреса : прибором ТП-2 (типа Виккерса) можно испытывать твердость изделий толщиной 0,15 мм и выше, а также поверхностные слои металла практически из любых материалов. Измерение методом В. заключается во вдавливании под нагрузкой в испытуемое изделие в течение определенного времени наконечника в виде правильной четырехгранной алмазной пирамиды. Определение твердости на приборе ТП-2 : получение отпечатка, оптическое измерение отпечатка, определение числа твердости. При определении твердости должны быть соблюдены следующие правила: нагрузка до необходимого значения должна возрастать плавно; поверхность испытуемого образца должна быть блестящей и не иметь посторонних включений; поверхность образца должна быть сухой и чистой; наконечник должен быть перпендикулярен к поверхности образца.

Твёрдость – один из важнейших эксплуатационных показателей деталей механизмом и машин, который во многом определяет их стойкость и долговечность. Поэтому у нас в стране испытания на твёрдость стандартизированы, и проводятся в строго определённо последовательности.

Независимо от метода значение твёрдости устанавливается по результату контактирования рабочего элемента – индентора – с предварительно подготовленной поверхностью изделия. Если такой контакт происходит в течение некоторого времени, то испытание на твёрдость называют статическим , в противном случае – динамическим .

Выбор метода определения твёрдости зависит от условий работы детали, точности полученного результата и воспроизводимости испытания при различных условиях его проведения

Твёрдость по Виккерсу: методика и оборудование

Твёрдость по Виккерсу (HV) определяется путём вдавливания алмазной пирамиды, которая имеет угол при вершине в 136 0 .

Пирамидальный индентор прибора Виккерса должен обладать строго определённым соотношением сторон и площади основания пирамиды, которые оговариваются ГОСТ 2999. В результате внедрения на поверхности исследуемого образца остаётся отпечаток в виде ромба (иногда – неправильного). По значению диагонали этого ромба (или среднего арифметического значения обеих диагоналей) устанавливают число твёрдости Виккерса , которое имеет размерность механического давления.

Выпускаемое оборудование , при помощи которого можно определить твёрдость по Виккерсу относится к машинам статического действия. Они могут быть стационарными и переносными. Линейка видов такого оборудования отечественного производства маркируется ТП (Твёрдость Пирамидальная).

Стандартными условиями для проведения испытаний служат:

• Измерительный диапазон усилий нагружения 49….1176 Н, который в твердомерах ТП имеет 7 ступенчато изменяемых положений;
• Время выдержки образца под давлением – не менее 5 с.
• Принцип измерения диагоналей отпечатка.

Измерение твёрдости по Виккерсу HV выполняется в следующей последовательности.

• Образец или деталь устанавливается на стол прибора измеряемой поверхностью вверх. После этого стол вращением рукоятки маховика поднимают вверх, до лёгкого соприкосновения с индентором.
• Отпускают рычаг, приводя тем самым в движение нагружающий механизм. После установленной с помощью реле времени продолжительности снимается, и рабочая головка, с закреплённым в ней индентором, возвращается в исходное положение.
• После этого можно развернуть приборный стол с образцом к имеющемуся на станине твердомера отсчётному микроскопу , и замерить диагонали отпечатка.

Предварительные установки твердомера Виккерса производят при помощи рукоятки настройки. При этом с уменьшением толщины образца нагрузку следует принимать меньшей. Твёрдость по Виккерсу иногда указывается при значении рабочей нагрузки. Например , обозначение HV 50 940 отмечает, что твёрдость по Виккерсу в 940 единиц была получена после нагружения образца усилием 50 кг.

Достоинствами метода Виккерса являются:

1. Постоянство отношения диагоналей получаемого отпечатка при изменении рабочей нагрузки.
2. Возможность определения твёрдости сколь угодно тонких слоёв материала изделия, поскольку в своём крайнем положении индентор имеет весьма малую площадь поверхности.
3. Повышенная точность результата , вследствие высокой твёрдости алмазной пирамидки индентора и, следовательно, отсутствием деформации самой испытательной головки.
4. Широкий диапазон измерений , который охватывает как сравнительно мягкие металлы — алюминий, медь, так и высокопрочные стали и твёрдые сплавы.
5. Метод Виккерса позволяет определять твёрдость отдельных слоёв металла , например, цементированного при химико-тнермической обработке образца, или слоя с изменённым химическим составом — после поверхностного упрочнения, либо легирования.

Практический диапазон измерения твёрдости по Виккерсу – 145….1000HV. Ввиду высокой точности метода, для оценки параметра НV больших партий заготовок широко применяются автоматизированные установки Briviscope и Briro от немецкой фирмы Reicherter с гидравлическим и электромеханическим приводом, а также с автоматизацией отсчёта результатов, которые выводятся на монитор.

Твёрдость по Бринеллю: методика и оборудование

Метод определения твёрдости по Бринеллю (НВ) заключается в вдавливании стального закалённого шарика.

Условия измерения твёрдости стандартизированы ГОСТ 9012, и распространяются на сталь, чугун, цветные металлы и сплавы, при этом температура испытания должна находиться в пределах 20±10 0 С. Метод Бринелля также относится к статическим.

Определяя НВ, полагают, что твёрдость испытуемой детали будет зависеть от площади отпечатка . В некоторых приборах в комплект рабочего индентора входит также шарик из вольфрамокобальтового твёрдого сплава , в связи с чем практический диапазон измеряемой твёрдости увеличивается.

Стандартом определены следующие начальные условия для оценки твёрдости по методу Бринелля:

• Нагрузка на поверхность должна находиться в пределах 12,25…29420 Н;
• Размерный ряд стальных шариков – 1,0…10 мм;
• Длительность нагружения 10…15 с.
• Диапазон отпечатков на образце не должен выходить за пределы (0,2…0,7) D, где D – диаметр шарика.

Измерение твёрдости производится с применением отечественных твердомеров Бринелля типа ТШ (Твёрдость Шариком), а также более современными приборами типа БТБ . С целью измерения величины НВ в полевых условиях, либо непосредственно у машины/конструкции выпускаются переносные твердомеры типа ТШП . Для измерения размеров полученного отпечатка необходим также специальный отсчётный микроскоп МПБ-2 , что делает сам процесс определения твёрдости менее мобильным.

Измерение твёрдости на твердомере БТБ происходит так:

• Изделие устанавливают на измерительный стол и фиксируют по упору.
• На приводе набирается требуемое значение нагрузки и через шпиндель прикладывают её к образцу .
• После выдержки под давлением рабочая головка с индентором возвращается в исходное положение, а на экране перед рабочей головкой стрелочный индикатор показывает величину диаметра отпечатка .
• Само значение НВ устанавливается по отсчётным таблицам на станине твердомера. Для смены рабочей нагрузки предназначен комплект переустанавливаемых штырей.

Переносные твердомеры Бринелля при помощи струбцины прикрепляются к требуемому месту на детали, а нагрузка создаётся поворотом рукоятки, снабжённой упорной резьбой.

Практический диапазон измерения твёрдости НВ составляет от 8 до 450 НВ. Это соответствует основной массе марок сталей и сплавов, применяемых для производства металлоконструкций.

При превышении верхнего предела точность метода Бринелля падает, поскольку происходит деформация самого индентора. Шарики из твёрдого сплава не рекомендуется применять, если ожидаемое значение твёрдости по Бринеллю будет находиться в диапазоне 350…450 НВ.

Методом Бринелля можно оценивать и твёрдость деталей в горячем состоянии – это положительная особенность способа. К числу недостатков следует отнести невозможность определения твёрдости на кромках и краях образцов, а также у деталей с малой толщиной.

Твёрдость по Роквеллу: методика и оборудование

Число твёрдости по Роквеллу (НR) — условная величина, которая зависит от глубины вдавливания в образец стального шарика, либо алмазного конуса.

Условия проведения испытания регламентированы ГОСТ 9013, и включают в себя:

• Предварительное нагружение изделия, в ходе которого ликвидируется влияние всех поверхностных факторов: шероховатости, температуры, скорости внедрения индентора и др.;
• Нагружение основным усилием , при котором и выполняется отсчёт.
• Снятие загрузки .

В отличие от предыдущих методов, твёрдость по Роквеллу принимается по одной из трёх шкал :

• Шкалы А (обозначение твёрдости НRA алмазный конус ), которая используется для весьма твёрдых высокоуглеродистых легированных инструментальных сталей и твёрдых сплавов . Диапазон измерений 60…80 HRA;
• Шкалы В (обозначение твёрдости НRВ , в качестве индентора используется стальной закалённый шарик ), которая используется для сталей средней твёрдости и сплавов цветных металлов . Диапазон измерений 35…100 HRВ;
• Шкалы С (обозначение твёрдости НRС , в качестве индентора используется алмазный конус ), которая испольуется для сталей средней твёрдости . Диапазон измерений 20…90 HRС.

Кроме того, для специфических условий измерения твёрдости (например, для холоднокатаных тонколистовых сталей ) применяется группа методов СуперРоквелл (шкалы HRN и HRT) .

Как и в предыдущем случае, твердомеры Роквелла — типа ТК (Твёрдость Конусом) могут быть стационарными и переносными. Стационарные твердомеры управляются электромеханическим или гидравлическим приводом. Замеры твёрдости по Роквеллу отличаются большей сложностью, что обуславливается необходимостью задать сначала первичную, а затем — вторичную скорость перемещения индентора.

В отличие от индентора на приборе Виккерса, в твердомерах Роквелла алмазный наконечник имеет форму конуса, поэтому точность измерения размеров отпечатка здесь несколько хуже.

Твёрдость по Шору: методика и оборудование

Твёрдость по Шору (НS) устанавливается после удара по этой поверхности стальным бойком. Она является функцией величины отскока бойка.

Все предыдущие способы измерения твёрдости отличаются одним недостатком – на поверхности исследуемой детали остаётся отпечаток. Иногда это не даёт возможность вновь установить деталь в узел или конструкцию. Метод Шора позволяет определять твёрдость изделия HS без деформации его поверхности .

Установка определения твердости по Шёру: 1 — Боек во взведённом состоянии. 2 — Образец испытаний. 3 — Направляющая труба. 4 — Положение отскочившего бойка

Способ Шора относится к динамическим , и заключается в следующем. К измеряемой поверхности (она может быть вертикальной или горизонтальной) подводится портативный твердомер Шора, чаще называемый склероскопом. Если материал – мягкий , то величина отскока будет меньше, поскольку энергия удара будет поглощаться поверхностью детали. Наоборот, если деталь – твёрдая , то вся энергия перейдёт в работу упругого отскока.

Рабочим органом склероскопа Шора является стальной боёк с алмазным наконечником . Сравнивая расстояние, на которое возвратился боёк после удара. Можно установить твёрдость испытуемой детали.

Диапазон измерений твёрдости по Шору составляет 30…140 НS, при этом твёрдости закаленной высокоуглеродистой стали соответствует значение 100 НS. Склероскоп Шора не повреждает поверхность изделия, а потому может использоваться в тех случаях, когда необходимо оценить твёрдость детали, находящейся в составе какого-либо действующего узла. Этим обеспечивается предупреждающая оперативная диагностика механизма или металлоконструкции.

Метод Шора прост в применении, отличается быстротой оценки твёрдости, возможностью повторного использования прибора на той же детали. Однако имеются и ограничения:

• Параметр НS не стандартизирован (хотя в справочниках имеются пересчётные таблицы и графики для перевода единиц твёрдости по Шору в единицы HV, HR или НB);
• Высота отскока бойка зависит от модуля Юнга материала детали, а потому сопоставимость единиц твёрдости по Шору для разных материалов невозможна;
• Поскольку критерием твёрдости НS является величина отскока бойка, то рассматриваемый параметр имеет лишь сравнительное значение ;
• Точность измерений на склероскопе Шора ниже , чем на твердомерах, которые были рассмотрены ранее.

Иные методы

Кроме перечисленных методов для оценки твёрдости ограниченно применяются также способ Мооса (царапанием сапфировой иглой по поверхности образца), пластико-динамический способ Польди и ряд других. Необходимо отметить, что для определения твёрдости тонких поверхностных слоёв широко применяют метод микротвёрдости с использованием прибора ПМТ-3 . По сути, это способ Виккерса, модернизированный под малые толщины измеряемых поверхностей.

Перевод единиц твёрдости

Перевод единиц определённой разными способами, можно выполнить с помощью следующей таблицы.

HB	HRA	HRC	HV	HS
688	84,5	65	940	96
660	83	63	867	93
627	82	61	800	90
611	81	59	756	86
588	80,5	58	704	83
569	80	57	682	81
555	79,5	56	653	79,5
547	79	55	635	77,5
534	78,5	54	618	76,5
518	78	53	594	74,5
507	77	52	578	73,5
500	76	51	563	71,5
482	76	49	542	70,5
470	76	49	521	67,5
457	75	48	503	66
445	74	47	450	64,5
435	73	46	474	63,5
426	73	45	461	61,5
415	73	44	442	59,5
402	72	43	420	56,5
393	72	42	417	56,5
383	71	41	401	55
373	70,5	40	389	53,5
362	70	39	378	52,5
350	69	38	362	50
341	69	37	351	49
330	68	36	343	48,5
321	68	35	330	46,5
311	67	34	319	44
302	67	33	307	43
297	66,5	32	302	42,5
288	66	31	294	41
282	66	30	288	39,5
275	65	29	280	39,5
266	65	28	274	39
260	64	27	262	37
253	64	26	255	36,5
245	63	25	246	35,5
240	62,5	24	241	34,5
232	62	23	233	33,5
228	62	22	229	32,5
222	61	21	222	32
219	61	20	222	31,5

Промежуточные данные получаются интерполяцией.

Твердость -- свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твёрдого тела -- индентора.

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.

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 2Н до 30 кН. Микродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор до 2 Н и глубину внедрения индентора больше 0,2мкм. Нанодиапазон регламентирует только глубину внедрения индентора, которая должна быть меньше 0,2 мкм. Часто твердость в нанодиапазоне называют нанотвердостью (nanohardness).

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 -- 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:

1. Межатомных расстояний.

2. Координационного числа -- чем выше число, тем выше твёрдость.

3. Валентности.

4. Природы химической связи

5. От направления (например, минерал дистен -- его твёрдость вдоль кристалла 4, а поперёк -- 7)

6. Хрупкости и ковкости

7. Гибкости -- минерал легко гнётся, изгиб не выпрямляется

8. Упругости -- минерал сгибается, но выпрямляется

9. Вязкости -- минерал трудно сломать (например, жадеит)

10. Спайности

11. 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. Однако практическое применение этих веществ пока маловероятно. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз.

Методы определения твёрдости по способу приложения нагрузки делятся на: 1)статические и 2) динамические (ударные).

Для измерения твёрдости существует несколько шкал:

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; размерность единиц твердости по Бринеллю МПа (кг-с/ммІ). Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012-59 записывают без единиц измерения. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness, 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; размерность единиц твёрдости по Виккерсу кг-с/ммІ. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV;

Методы Шора:

Твёрдость по Шору (Метод вдавливания) -- твёрдость определяется по глубине проникновения в материал специальной закаленной стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины. В данном методе измерительный прибор именуется дюрометром. Обычно метод Шора используется для определения твердости низкомодульных материалов (полимеров). Метод Шора, описанный стандартом ASTM D2240, оговаривает 12 шкал измерения. Чаще всего используются варианты A (для мягких материалов) или D (для более твердых). Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается буквой используемой шкалы, записываемой после числа с явным указанием метода.

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.

Твёрдость по Шору (Метод отскока) -- метод определения твёрдости очень твёрдых (высокомодульных) материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боёк (основная часть склероскопа -- измерительного прибора для данного метода), падающий с определённой высоты. Твердость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка. Основные шкалы C и D. Обозначается HSx, где H -- Hardness, S -- Shore и x -- латинская буква, обозначающая тип использованной при измерении шкалы.

Следует понимать, что хотя оба этих метода являются методами измерения твёрдости, предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие названия и совпадающие обозначения шкал это -- не версии одного метода, а два принципиально разных метода с разными значениями шкал, описываемых разными стандартами.

Метод Кузнецова -- Герберта -- Ребиндера -- твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл;

Метод Польди (двойного отпечатка шарика) -- твердость оценивается в сравнении с твердостью эталона, испытание производится путем ударного вдавливания стального шарика одновременно в образец и эталон;

Шкала Мооса -- определяется по тому, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый материал, и какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом.

Метод Бухгольца -- метод определения твердости при помощи прибора «Бухгольца». Предназначен для испытания на твердость (твердость по Бухгольцу) полимерных лакокрасочных покрытий при вдавливании индентора «Бухгольца». Метод регламентируют стандарты ISO 2815, DIN 53153, ГОСТ 22233.

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.

Измерение твердости металлов

В промышленности, связанной с обработкой металлов, испытания на твердость являются наиболее распространенными из всех видов механических испытаний. Они производятся значительно чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.

Для определения твердости служат специальные приборы, называемые твердомерами. Рабочим органом каждого твердомера, входящим в контакт с поверхностью испытуемого металла, является наконечник (индентор). Наконечниками могут быть тела различной геометрической формы: шарик, конус, пирамида и др., изготовленные, из материала более твёрдого, чем испытуемый, например, из закаленной стали, алмаза, твёрдого сплава.

В зависимости от характера нагрузки, прикладываемой в процессе испытания, различают статическую и динамическую твердость. В первом случае к индентору нагрузка прикладывается плавно, во втором – ударом.

Наиболее распространено определение статической твердости на твердомерах Бринелля, Роквелла и Виккерса путем вдавливания в испытуемый металл соответственно шарика, конуса, пирамиды. Величина внедрения наконечника в поверхность испытуемого металла характеризует его твердость. Чем тверже металл, тем внедрение будет меньше, и наоборот. Таким образом, твердость - свойство металла сопротивляться внедрению другого более твердого тела. При внедрении наконечника происходит контактное (местное) приложение нагрузки, под действием которой испытуемый металл пластически деформируется в ограниченном объеме. При этом деформация тем меньше, чем тверже металл. Поэтому можно сказать и так: твердость - это сопротивление металла пластической деформации при контактном приложении нагрузки.

Примерами определения динамической твердости могут служить способы Польди и Шора. В первом случае стальной шарик ударом вдавливается одновременно в испытуемый металл и эталонный образец, твердость которого известна. Сравнение полученных отпечатков на эталоне и испытуемом металле позволяет определить твердость последнего. Во втором случае твердость оценивается высотой отскока от испытуемой поверхности бойка, падающего с постоянной высоты: чем выше отскочил боек, тем тверже испытуемый металл. Способ основан на упругих свойствах металла, поэтому его называют способом определения твердости методом упругой отдачи. Выполняется он на приборе, называемом склероскопом Шора. Шкала склероскопа имеет 140 делений. Отскоку в 100 делений соответствует твердость закаленной высокоуглеродистой стали. Вес бойка 2,5 г, его наконечник выполнен из алмаза или закаленной стали. В практике механических испытаний определение динамической твердости по Шору в настоящее время ограничено. Широкое распространение испытаний на твердость объясняется рядом причин. Испытания проводятся быстро, требуют мало времени на подготовку, просты по технике выполнения. При этом часто не требуется изготовление специальных образцов, так как испытания могут выполняться непосредственно на детали без ее разрушения. С помощью переводных таблиц можно сравнить твердость металла, измеренную разными методами (приложение 1).

Между твердостью и другими механическими свойствами существует в ряде случаев зависимость. Например, зная твердость, можно судить о величине прочности на растяжение, пользуясь формулой

σ В = К ·НВ ,

где: σ В - предел прочности на растяжение (временное сопротивление), кгс/мм 2 ;

К - коэффициент;

НВ - число твердости по Бринеллю.

Значение К , по данным Н. А. Минкевича, И. А. Одинга, Н. В. Гевелинга, следующее:

сталь твердостью НВ 120-175 .............. 0,34

сталь твердостью НВ 175-450 . ……... 0,35

медь, латунь и бронза отожженные... .. 0,55

медь, латунь и бронза наклепанные. .…. 0,10

алюминий и его сплавы твердостью НВ 20-45 ...0,33-0,36

дуралюмин отожженный......………......... 0,36

дуралюмин после закалки и старения.….. 0,36.

Однако следует иметь в виду, что общего точного метода перевода чисел твердости, измеренных одним методом, на числа твердости по другим шкалам, а также на прочность при растяжении не существует. Такие переводы делаются, когда для них имеется надежная основа благодаря ранее выполненным сравнительным испытаниям.

Твердость металлов измеряют методами Бринелля, Роквелла, Виккерса, Польди и др.

Онлайн калькуляторы