Способы измерения твёрдости металла, резины, бетона

Твердость — свойство материала оказывать сопротивление упругой и пластической деформации или разрушению при внедре­нии в поверхностный слой материала другого, более твердого и не получающего остаточной деформации тела — индентора.

Способы определения твердости в зависимости от временного характера приложения нагрузки и измерения сопротивления вдавливанию индентора подразделяют на:

• статические
• динамические
• кинетические

Наиболее распространенными являются статические методы, при которых нагрузку к индентору прикладывают плавно и постепенно, а время выдержки под нагрузкой регламентируется стандартами на соответствующие методы.

При динамических методах определения твердости индентор подействует на образец с определенной кинетической энергией, затрачиваемой на упругую отдачу и/или формирование отпечатка, динамическую твердость часто называют также твердостью материала при ударе. Твердость при ударе характеризует сопротивление внедрению не только на поверхности образца, но и в некото­ром объеме материала.

Кинетические методы определения твердости основываются на непрерывной регистрации процесса вдавливания индентора с за­писью диаграммы «нагрузка на индентор — глубина внедрения индентора. Особенность такого подхода заключается в регистрации всей кинетики процесса упругопластического деформирования материала при вдавливании индентора, а не только конечного результата испытаний, как при других методах.

По принципу приложения нагрузки способы определения твердости можно подразделить на способы вдавливания, отскока, царапания и резания.

Способы вдавливания являются наиболее распространенными. Твердость в этом случае определяется как сопротивление, которое оказывает испытуемое тело внедрению более твердого индентора и отражает преимущественно сопротивление поверхностных слоев материала пластической деформации.

Способы отскока основаны на измерении твердости по высоте отскока бойка, падающего на испытуемую поверхность. Твердость при этом отражает преиму­щественно сопротивление упругой деформации. Измерение твердости способом отскока широко применяют для контроля качест­ва прокатных валков, больших изделий и конструкций с использо­ванием переносных приборов.

Способ измерения твердости методом царапания

Способами царапания и резания твердость определяется соответственно как сопротивление материала царапанию или резанию. Способ царапания разработал Моос в начале XIX в.; им были предложена шкала твердости минералов по способности одного наносить царапины на поверхности другого. Эта десятибалльная шкала (от талька № 1 до алмаза № 10) используется в минералогии, а также для оценки твердости технической керамики и монокристаллов.

При определении твердости всеми методами (кроме микротвердости) измеряют интегральное значение твердости материала (усредненное для всех структурных составляющих).

Значения твердости нельзя однозначно переводить в значения других механических свойств материала. Однако определение твердости является эффективным способом сравнения друг с другом однотипных материалов и контроля их качества.

Как определить твердость металла в домашних условиях

Машиностроительные детали и механизмы, а также инструменты, предназначенные для их обработки, обладают набором механических характеристик. Немалую роль среди характеристик играет твердость. Твердость металлов наглядно показывает:

• износостойкость металла;
• возможность обработки резанием, шлифованием;
• сопротивляемость местному давлению;
• способность резать другой материал и прочие.

Твердость металлов

На практике доказано, что большинство механических свойств металлов напрямую зависят от их твердости.

Измерение твердости по Бринеллю

Метод измерения твердости по Бринеллю регламентирован ГОСТ 9012.

При определении твердости этим методом стальной шарик определенного диаметра D вдавливают в тестируемый образец под действием нагрузки Р, приложенной перпендикулярно к поверхности образца, в течение определенного времени. После снятия нагрузки измеряют диаметр отпечатка d. Число твердости по Бринеллю обозначается буквами НВ, и его определяют путем деления нагрузки Р на площадь поверхности сферического отпечатка F.

Для удобства имеются таблицы чисел твердости по Бринеллю и зависимости от диаметра шарика D, диаметра отпечатка d и нагрузки Р.

В качестве инденторов используют полированные (Ra <� 0,04 мкм) шарики из стали ШХ15 с номинальными диаметрами D =1; 2; 2,5; 5 и 10 мм, последние считаются более предпочтительными, как обеспечивающие большую точность измерения твердости.

Минимально допустимая толщина образца для корректного измерения твердости НВ должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка h.

Испытания проводят при комнатной температуре в отсутствие вибраций и ударов. Время выдержки под нагрузкой т для черных металлов составляет 10…15 с, а для цветных металлов и сплавов от 10 до 180 с. Нагрузку на индентор выбирают с учетом соотношения К=Р/D2:

Металлы и сплавы К, кгс/мм2

Сталь, чугун и другие высокопрочные сплавы ………..30

Медь, никель и их сплавы………………………………………..10

Алюминий, магний и их сплавы…………………………………5

Например, при испытании сталей и чугунов при диаметре шарика D =10 мм нагрузка должна быть 3000 кгс, а время выдержки под нагрузкой 10…15 с. Число твердости в этом случае обозначается цифрами со стоящим после них символом НВ (например, 250 НВ). Иногда после букв НВ указывают условия испытаний — НВ D/P/τ, например: 250 НВ 5/750/25 — твердость по Бринеллю 250, полученная при диаметре шарика D =5 мм, нагрузке Р= 750 кгс и времени выдержки под нагрузкой т=25 с. Измерение твердости по Бринеллю не рекомендуется применять для стали с твердостью более 450 НВ, а для цветных металлов более 200 НВ

Как проверить твердость металла – главные секреты

Когда речь заходит о металлах, имеет значение важный показатель как его твердость.

Фактор такого плана играет значимую роль в выборе, использовать или нет тот или иной металл в производстве для изготовления изделий определенного предназначения.

Стоит разобраться подробнее в этом вопросе, для чего требуется проверка твердости металла в производственной линии разных отраслей деятельности.

Что такое твердость металла

Под данным понятием подразумевают характеристику, тесно связанную с металлами и их сплавами. Это способность не поддаваться разрушениям при синхронизации верхнего слоя с более твердым металлом.

На основе этих знаний изготавливают различное оборудование, детали, играющие роль в долговечности эксплуатации предметов, конструкций, машин, инструментов. Проще говоря, устойчивость к деформации.

Проверять этот параметр можно разными способами.

Методы проверки твердости металлов

Эксперты различают несколько вариантов проверок характеристики:

• Согласно методу Бриннеля, в процессе проверки принимает участие стальной шарик. Его под большим давлением вдавливают в металлическую поверхность. Затем специальная лупа вступает в действие, и с ее помощью специалист замеряет диаметр лунки. Твердость определяется по табличным данным. Этот способ – первый метод определения характера металла. Так измеряются мягкие сплавы.
• Методика Роквелла предполагает воздействие на металлическую поверхность с помощью алмазного конуса. В деле измерения твердости мягких, цветных, тонких Ме применяют специальный пресс. Его не относят к очень точным, хотя успешно он участвует для исследования твердых сплавов.
• Аналогичные действия с предыдущим заложены в метод Викксера, предполагающий обращение к алмазной пирамиде, только угол вершины не 120, а 136 градусов. Нагрузка осуществляется в строго перпендикулярном виде к металлу и медленно увеличивается. Относится к высокоточным способам.
• Способ Шора подразумевает наличие бойка с наконечником из алмазного напыления. Он падает с конкретной высоты на поверхность испытуемого материала. Твердость измеряется по высоте отскока бойка. Отличается эта методология большим разбросом показаний, по большей части применяется для измерения криволинейных предметов, крупногабаритных деталей.

В домашних условиях показатель также измеряется, но ожидать высокой точности не стоит. При обращении к профессионалам можно получить высокоточный результат, и это ответственный момент.

Некоторые проводят домашний ликбез по определению этой величины, используя обычную бутылку и царапая по ней металлическим предметом, например, лезвием ножа.

Металл в 62 единицы легко царапает стекло, чего не сказать о 56 единицах.

О чем говорит твердость металла, что это дает

Возникает вопрос, зачем вообще нужно замерять данный параметр. Характеристики металлов имеют значение для специалистов, занятых в отрасли термообработки сталей. Вывод о механических свойствах сварочного шва получают также при исследовании околошовной поверхности.

Целесообразность проводимых исследований также предопределена намерением производителей получить высокопрочные изделия, чтобы они могли выдержать разные условия эксплуатации, температурные перепады, обеспечить надежность. Твердость металлоизделия относится к первичной конструкционной характеристике.

Исследования производятся, ставя следующие цели.

• Проанализировать состояние материала под действием времени.
• Получить сведения о вероятных деструктивных последствиях для улучшения эксплуатационных возможностей.
• Осуществить контроль полученных итогов в рамках температурной обработки.

По сведениям, приобретенным в ходе экспериментов, удается выяснить устойчивость к истиранию, износу исходного материала.

Заключение

Для проведения анализа выдвигаются определенные условия к испытываемому материалу. В частности заготовку подбирают ровную. Она должна плотно прилегать к твердомеру, с тщательно обработанными краями.

В результате добиваются основополагающего механического качества, играющего роль в производстве добротных изделий.

Специалисты используют результаты, полученные в ходе исследования, сверяют их с ранее известным анализом, и это большая работа, помогающая определиться с методикой производства. Информация необходима для машиностроительных, металлообрабатывающих, металлургических предприятий.

Понятие «твердость» связано с упругостью, пластичностью, прочностью, хотя прямой связи между механическими качествами нет. Важно обращаться к профессионалам для выполнения подобных работ, домашняя методика годится только для задач по закаливанию ножей.

Измерение твердости по Виккерсу

Метод измерения твердости по Виккерсу регламентируется ГОСТ 2999. Метод используют для определения твердости деталей и металлопродукции малой толщины, а также тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.

Твердость по Виккерсу измеряют путем вдавливания в образец алмазного наконечника в форме правильной четырехгранной пирамиды под действием нагрузки Р в течение времени выдержки τ. После снятия нагрузки измеряют диагонали оставшегося на поверхности материала отпечатка –d1, d2 и вычисляют их среднее арифметическое значение — d, мм.

Значения твердости по Виккерсу при стандартных нагрузках н зависимости от длины диагонали d (мм) даны в соответствующих таблицах.

При испытаниях применяют следующие нагрузки Р, кгc: 1; 2; 2,5; 3; 5; 10; 20; 30; 50; 100. Число твердости по Виккерсу обозначают цифрами, характеризующими величину твердости со стоящим после них символом HV (например, 200 HV). Иногда после символа HV указывают нагрузку и время выдержки, например: 200 HV 10/40 — твердость по Виккерсу, полученная при нагрузке Р= 10 кгс и времени выдержки под нагрузкой т=40 с.

В ГОСТе сказано, что точного перевода чисел твердости по Виккерсу на числа твердости, полученные другими методами, или на механические свойства при растяжении не существует и таких переводов (за исключением частных случаев) следует избегать.

Понятие твердости

Твердость материала – это стойкость к разрушению при внедрении во внешний слой более твердого материала. Другими словами, способность к сопротивлению деформирующим усилиям (упругой или пластической деформации).

Определение твердости металлов производится посредством внедрения в образец твердого тела, именуемого индентором. Роль индентора выполняет: металлически шарик высокой твердости; алмазный конус или пирамида.

После воздействия индентора на поверхности испытуемого образца или детали остается отпечаток, по размеру которого определяется твердость. На практике используются кинематические, динамические, статические способы измерения твердости.

В основе кинематического метода лежит составление диаграммы на основе постоянно регистрирующихся показаний, которые изменяются по мере вдавливания инструмента в образец. Здесь прослеживается кинематика всего процесса, а не только конечного результата.

Динамический метод заключается в следующем. Измерительный инструмент воздействует на деталь. Обратная реакция позволяет рассчитать затраченную кинетическую энергию. Данный метод позволяет проводить испытание на твердость не только поверхности, но и некоторого объема металла.

Статические методы – это неразрушающие способы, позволяющие определить свойства металлов. Методы основаны на плавном вдавливании и последующей выдержке в течение некоторого времени. Параметры регламентируются методиками и стандартами.

Прилагаемая нагрузка может прилагаться:

• вдавливанием;
• царапанием;
• резанием;
• отскоком.

Машиностроительные предприятия на данный момент для определения твердости материалов используют методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, а также метод микротвердости.

На основе проводимых испытаний составляется таблица, в которой указываются материалы, прилагаемые нагрузки и полученные результаты.

Измерение твердости по Роквеллу

Метод измерения твердости по Роквеллу регламентирован ГОСТ 9013. При определении твердости этим методом тестируемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок — предварительной P0 (обычно Р0 =10 кгс) и общей Р — вдавливают индентор (алмазный конус или стальной шарик). При этом общая нагрузка равна сумме предварительной P0 и основной Р1 нагрузок:

P = P0+P1

После выдержки под приложенной общей нагрузкой Р в течение 3…5 с основную нагрузку Р1 снимают и измеряют глубину проникновения индентора в материал А под действием общей нагрузки Р затем снимают оставшуюся предварительную нагрузку P0.

Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 0,002 мм. Число твердости опре­деляется по шкале индикатора (как правило, часового типа). Индикатор показывает результат вычитания разности глубин (h –h0), на которые вдавливается индентор под действием двух последовательно приложенных нагрузок, из некоторой константы. Величина h0 — глубина внедрения индентора в испыту­емый образец под действием предварительной нагрузки P0.

В зависимости от формы индентора и прилагаемой нагрузки введены три измерительные шкалы: А, В, С. Наиболее часто используемыми шкалами являются А и С.

Число твердости по Роквеллу обозначается цифрами, характе­ризующими величину твердости, со стоящим после них символом HRA, HRB или HRC (в зависимости от используемой шкалы измерения), например: 28 HRC

Шкалы, использующиеся при измерении твердости по Роквеллу

Типы методов

В зависимости от способа и продолжительности вдавливания идентора в металл все методы делятся на такие группы:

• Статические

Реализуются в таких способах: по Бринеллю, по Роквеллу, по Кнупу, во Виккерсу.

• Динамические

Проводятся такими способами: по Бауману, по Шору, по Шварцу, по Граве, по Морину. В последние годы активно используются также косвенные методы. Исследования проводятся с помощью высокоточных электронных приборов, регистрирующих смежные характеристики, а не саму твердость. Один из таких приборов – твердомер портативный ультразвуковой регистрирует скорость затухания колебаний стержня с индентором. Метод не имеет требований к весу, размеру или геометрии исследуемого объекта. Единственное ограничение – крупнозернистая структура металлического изделия.

Измерение твердости по Шору

Метод измерения твердости по Шору регламентирован ГОСТ 23273. Это — основной метод определения твердости поверхности прокатных валков при их изготовлении, поставке на металлургическое предприятие, а также в процессе эксплуатации валков на прокатных станах.

При измерении твердости по Шору боек определенной массы с алмазным индентором на конце свободно надает по вертикали с определенной высоты h падения =19,0 ± 0,5 мм на испытуемую поверхность. Индентор представляет собой алмазный наконечник в виде тела вращения с радиусом закруглений рабочего конца R =1,0 ± 0,1 мм. Масса бойка вместе с алмазным индентором составляет 36,0 г. За характеристику твердости принимается высота отскока бойка h. За 100 единиц твердости по Шору принимается определенная величина отскока бойка h100 = 13,6 ± 0,5 мм. Такая твердость соответствует максимальной твердости стабилизированной после закалки на мартенсит углеродистой эвтектоидной инструментальной стали по ГОСТ 1435. Согласно стандарту, твердость по Шору измеряют в диапазоне от 20 до 140 единиц (HSD). Число твердости по Шору обозначается цифрами, характеризующими величину твердости, со стоящими после них символом HSD, например 95 HSD. Число твердости указывается с округле­нием до целого числа.

Измерение микротвердости

Метод измерения микротвердости регламентирован ГОСТ 9450. Определение микротвердости (твердости в микроскопически малых объемах) проводят при исследовании отдельных структурных составляющих сплавов, тонких покрытий, а также при из­мерении твердости мелких деталей. Прибор для определения микротвердости состоит из механизма для вдавливания алмазной пи­рамиды под небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа. В испытываемую поверхность вдавливают алмазную пира­миду под нагрузкой 0,05…5 Н.

Микротвердость измеряют путем вдавливания в образец (изделие) алмазного индентора под действием статической нагрузки Р в течении определенного времени выдержки т. Число твердости определяют (как и по Виккерсу) делением приложенной нагрузки в Н или кгс на условную площадь боковой поверхности полученного отпечатка в мм2.

Основным вариантом испытания является так называемый метод восстановленного отпечатка, когда размеры отпечатков определяются после снятия нагрузки. Для случая, когда требуется определение дополнительных характеристик материала (упругое восстановление, релаксация, ползучесть при комнатной температуре и др.) допускается проводить испытание по методу невосстановленного отпечатка. При этом размеры отпечатка определяют на глубине вдавливания индентора в процессе приложения нагрузки.

Практически микротвердость определяют по стандартным таблицам дня конкретной формы индентора, нагрузки Р и полученных в испытании размеров диагоналей отпечатка.

В качестве инденторов используют алмазные наконечники разных форм и размеров в зависимости от назначения испытании микротвердости. Основным и наиболее распространенным нконечником является четырехгранная алмазная пирамида с квадратым основанием (по форме подобна индентору, применяющемуся при определении твердости по Виккерсу).

Число микротвердости обозначают цифрами, характеризующими величину твердости со стоящим перед ними символом H с указанием индекса формы наконечника, например, Н□ =3000. Допускается указывать после индекса формы наконечника величину прилагаемой нагрузки, например: Н□ 0,196 =3000 — число микротвердости 3000 Н/мм2, полученное при испытании с четырех гранной пирамидой при нагрузке 0,196 Н. Размерность микротвердости (Н/мм2 или кгс/мм2) обычно не указывают. Если микротвердость определяли по методу невосстановленного отпечанка, то к индексу формы наконечника добавляют букву h (Н□h).

Соотношение значений твердости

При сопоставлении значений твердости, полученных разными методами, между собой и с механическими свойствами материалов необходимо помнить, что приводимые в литературных источниках таблицы или зависимости для такого сопоставительного перевода являются чисто эмпирическими. Физического смысла такой перевод лишен, так как при вдавливании paзличных по форме и размерам инденторов и с разной нагрузкой твердость определяется при совершенно различных напряженных состояниях материала. Даже при одном и том же способе измерения твердости значение сильно зависит от нагрузки: при меньших нагрузках значения твердости получаются более высокими.

Выше были рассмотрены основные методы контроля твердости. Существуют и другие методики контроля, которые основаны на косвенных измерениях значений механических свойств. Например электрические, магнитные, акустические и т.д. Все эти методы основаны на составлении экспериментальных корреляционных таблиц «измеряемый параметр — параметр механических свойств», где все параметры постоянны (химический состав металла, номер плавки, количество загрязнений), а меняются лишь табличные параметры. Такие методы на производстве практически не работают, т.к. например химический состав металлов по ГОСТам требуется в селекте, т.е. может быть в заданном пределе и меняться от плавки к плавке. Составление градуировочных таблиц на каждую партию металла — очень трудоёмкая работа.
Pla пластик растворитель — https://www.dcpt.ru