Методы определения твердости металла

Методы определения твердости металла

Твердость — это способность металла сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела.

Твердость металла является весьма важной характеристикой, так как тесно связана с такими основными характеристиками металлов и сплавов, как прочность, износостойкость и др.

В настоящее время имеется много способов определения твердости металлов. Рассмотрим некоторые из них, наиболее широко применяемые в промышленности.

Определение твердости вдавливанием стального шарика (метод Бринелля)

Стальной шарик, изготовленный из закаленной шарикоподшипниковой стали, под действием усилия вдавливается в поверхность металла.

С помощью специальной лупы измеряется диаметр лунки. По таблицам, приложенным к прибору, определяется значение твердости НЕ.

Для испытания применяют специальный пресс типа Бринелля, внешний вид которого показан на рисунке

Стальной шарик крепится в оправке 2.

Исследуемый образец ставится на предметный столик 1 и поднимается к шарику штурвалом 4.

При включении мотора 5 грузы пресса 3 опускаются и вдавливают стальной шарик в образец.

Для стали значение твердости, определенное этим методом, связано с пределом прочности соотношением, которым на практике иногда пользуются:

Определение твердости по глубине вдавливания алмазного конуса (метод Роквелла)

Алмазный конус с углом при вершине 120° вдавливается в металл предварительной постоянной нагрузкой 10 кг, а затем полкой нагрузкой 60 или 150 кг.

Для испытания используют специальный пресс, внешний вид которого показан на рис. 25.

Алмазный конус крепится в оправке 4.

Образец устанавливается «на столик 3 и поднимается с помощью штурвала 2 до нагрузки 10 кг.

Ручка 1 освобождает грузы6, которые создают усилие для вдавливания конуса в металл. Глубину вдавливания, т.е. значение твердости, отмечает индикатор 5.

Значения твердости этим методом определяются по разности глубины вдавливания алмазного конуса под действием полной и предварительной нагрузок.

Чем тверже металл, тем на меньшую глубину проникает алмаз при вдавливании, тем больше будет число твердости.

Стандартной нагрузкой при этом методе является 150 кг.

Обозначается твердость НRC. В некоторых случаях, например при измерении твердости на тонком образце или при измерении твердости поверхностного слоя металла, нагрузку применяют до 60 кг.

Измерение твердости мягких материалов

На этом же приборе можно производить измерение твердости мягких материалов (цветные металлы, отожженная сталь).

В этом случае используют стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм (1/16»). Стандартной нагрузкой является 100 кг, и величина твердости обозначается индексом НRB.

Определение твердости динамическим вдавливанием шарика

При изменении твердости массивных деталей и конструкций, когда нельзя использовать описанные выше приборы, применяют переносный прибор, показанный на рисунке:

В прибор закладывают эталонный образец 1. При ударе по прибору молотком специальный шарик 2 наносит отпечатки на исследуемый предмет и эталонный образец, твердость которого известна.

Сопоставляя значения диаметров лунок образца и детали по таблицам, определяют твердость детали.

Определение твердости методом упругой отдачи

В тех случаях, когда нельзя применять методы вдавливания, чтобы не испортить поверхности изделия, используется прибор, определяющий твердость металла методом упругой отдачи.

На рисунке показан внешний вид прибора:

С постоянной высоты на металл падает определенного веса боек и отскакивает. По величине отскока судят о твердости. Чем больше твердость, тем больше отскок бойка.

Производительность этого метода испытаний очень велика (несколько сот измерений в час). Однако применять его можно только для сравнения между собой твердости изделий из одного и того же металла или из металлов, имеющих одинаковые упругие свойства.

Твёрдость зависит 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 — вдоль его твёрдость 4, а поперёк 7)
6) Хрупкости и ковкости
7) Гибкости — минерал легко гнётся, изгиб не выпрямляется. Пр: «тальк»
8) Упругости — минерал сгибается, но выпрямляется. Пр: «слюды»
9) Вязкости — минерал трудно сломать. Пр:«жадент»— разновидность пироксена.
10) Спаянности

Наиболее твёрдым из существующих на сегодняшний день материалов является ультратвёрдый фуллерит (примерно в 1,17—1,52 твёрже алмаза). Однако этот материал доступен только в микроскопических количествах. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз (10 единиц по шкале Мооса, см. ниже) [1]

Определение твердости по Бринеллю – о цифрах и буквах

Результаты исследований выражаются в буквенно-цифровой записи. Из букв в ней присутствуют либо HB, либо HBW. Первое обозначение актуально для стального шарика. Вторая запись указывает на то, что вдавливали сферу из карбида вольфрама. К буквам добавляют 2 или 3 числа. Первое – показатель твердости. Максимально возможный по Бринеллю – 650. Такой показатель измеряется карбидным индентором. Стальной вдавливается в материалы твердостью до 450-ти единиц.

Второе число в записи – диаметр шарика-наконечника. Он не указывается лишь в том случае, если максимальный, то есть равен 10-ти миллиметрам. Третье число в обозначении – сила, с которой давили на испытуемый образец. Рассмотрим такой перевод твердости по Бринеллю: 500 HBW 5/800. Запись HBW свидетельствует о применение карбидного шарика. Его диаметр составил 5 миллиметров.

Сила давления была равна 800-от килограммов силы (кгс). 500- итоговая твердость материала. Вычисляется она по формуле отношения приложенного усилия к площади отпечатка. Интересно, что со значениями шкалы Бринелля совпадает еще одна – Виккерса. Обе начинаются со 100 единиц. Правда наивысшая твердость по Виккерсу и Бринеллю разнится.

У Виккерса значения доходят до 1 200-от. Записи результатов отличаются лишь буквами. Шкала Виккерса обозначается HV. Стоит учитывать это, выбирая товары с указанием твердости. То, что по Бринеллю тверже стали, по Виккерсу – материал весьма податливый.

Кстати, согласно большинству словарей, твердость – это свойства пластичности, упругости и сопротивления деформациям, или иным разрушениям, при вдавливании в верхний слой испытуемого образца другого, более твердого вещества. Ну, вот, уточнили о чем речь. Пора разобраться, какая твердость и для каких материалов считается приемлемой.

8. Борид магния-алюминия (AlMgB14) — твердость до 51 ГПа

Состав представляет собой смесь алюминия, магния, бора с невысокими показателями трения скольжения, а также высокой твердостью. Эти качества могли бы стать находкой для производства современных машин и механизмов, работающих без смазки. Но использование материала в такой вариации пока что считается непомерно дорогим.

AlMgB14 — специальные тоненькие пленки, создающиеся при помощи лазерного напыления импульсного типа, имеют способность обладать микротвердостью до 51 ГПа.

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 60 с., 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).
Читайте также  Как пользоваться нутромером

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

Металлоподобные соединения

Высокой твердостью и износостойкостью обладают металлоподобные карбиды переходных металлов с незаполненными d-электронными оболочками. Некоторые детали из карбидов изготовляют методами порошковой металлургии (прессование с последующим спеканием или горячее прессование). Карбиды широко используют в качестве основного компонента твёрдых сплавов, наплавочных материалов, поверхностных покрытий. Карбиды служат в качестве упрочняющей фазы легированных сталей и поверхностных слоёв, образующихся при цементации, нитроцементации, карбонитрации и др.

Карбид Кристаллическая решётка Плотность, т/м 3 Tпл, o C E x 10 -5 , МПа
TiC (карбид титана) Кубическая 4,94 3067 4,94
ZrC0,97 (карбид циркония) Кубическая 6,56 3420 4,01
Mo2C (карбид молибдена) Гексагональная 9,18 2400 5,37
WC (карбид вольфрама) Гексагональная 15,67 2776 7,37

Прочность материала

У стали есть одно важное свойство — прочность. Чтобы установить прочность материала, производятся испытания. Стержень из стали выбранной марки растягивают, а потом проверяют, как изменился образец после прикладываемых усилий. По итогам испытаний составляют график, где указывают приложенное усилие (напряжение) и уровень деформации.

У металла есть такой важный параметр, как предел текучести. Обнаружить предел текучести образца можно в результате тестирования. Если к заготовке были приложены незначительные нагрузки, то ее форма будет восстановлена. Когда напряжение, прикладываемое к заготовке, перейдет за предел текучести, образец получит необратимые изменения.

Цель испытаний — определить максимальное напряжение, которое может выдержать образец. Поэтому тесты продолжаются до тех пор, пока образец не разорвется. При этом испытатели узнают, какова у стали прочность на растяжение.

Твердость материала

Техническая информация → Твердость металлов

Методы определения твердости по способу приложения нагрузки делятся на статические и динамические (ударные).

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 и кинетические.

Статические методы: нагрузку к индентору прикладывают плавно и постепенно, а время выдержки под нагрузкой регламентируется стандартами на соответствующие методы.

Динамические методы: индентор подействует на образец с определенной кинетической энергией, затрачиваемой на упругую отдачу 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 некото¬ром объеме материала.

Кинетические методы: 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.

Метод Роквелла — твердость определяется по относительной глубине вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твердость, определенная по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA; твердость вычисляется по формуле:

HR = 100 — kd, где

d — глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки;
k — коэффициент.

Таким образом, максимальная твердость по Роквеллу соответствует HR 100.

Твердость по Шору (Метод вдавливания) — твердость 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). Твердость, определенная по этому методу, обозначается буквой используемой шкалы, записываемой после числа с явным указанием метода.

Твердость по Шору (Метод отскока) — метод определения твердости очень твердых (высокомодульных) материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боек (основная часть склероскопа — измерительного прибора для данного метода), падающий с определенной 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.

Хотя оба метода Шора являются методами измерения твердости, предложены одним и тем же автором и имеют совпадающие названия и обозначения шкал, это не версии одного метода, а два принципиально разных метода с разными значениями шкал, описываемых разными стандартами.

Метод Бринелля — твердость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твердость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка (причем площадь отпечатка берется как площадь части сферы, а не как площадь круга (так измеряется твердость по Мейеру). Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012-59 записывают без единиц измерения. Твердость, определенная по этому методу, обозначается HB, где H — hardness (твердость, англ.), B — Бринелль;

Метод Виккерса — твердость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырехгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твердость вычисляется как отношение нагрузки, приложенной к пирамидке, к площади отпечатка (причем площадь отпечатка берется как площадь части поверхности пирамиды, а не как площадь ромба). Твердость, определенная по этому методу, обозначается HV.

Применение

Значение твердости материалов по Шору применяется широко. Ее применяют люди разных профессий и специальностей – от художников до строителей.

В частности, важны показатели твердости по Шору для полимеров и эластомеров, особенно для последних. Исходя из данных по твердости тот или иной материал во многом выбирается для выпуска конкретного изделия. Особенно это касается изделий из каучуков, резин, эластомеров, термоэластопластов и т.д.

В области строительства показатели твердости важны для герметиков, уплотнительных материалов – колец, прокладок, сальников. Тоже самое можно сказать про машиностроение. Для строительной индустрии также важны значения твердости защитных касок для персонала. При использовании каски из мягкого материала с Шором до 70 единиц по шкале Dможно получить травму и нанести вред здоровью.

Даже для канцелярских и учебных товаров твердость эластомера по Шору может иметь значение, например для выбора ластиков для корректировки документов. А вот твердость пишущих карандашей определяется по-другому и обозначается по собственной шкале: Н, В, HB, Т и т.д.

Очень важна твердость по Шору для самых разнообразных шин. Твердость велосипедных шин должна быть невысока, автомобильные шины уже тверже, еще более высокой твердостью обладают различные специальные колеса, например для роликовых коньков, скейтбордов, автопогрузчиков и прочей подобной спецтехники.

Рис2. Ранжирование широко используемых изделий по их твердости

В области медицины значение твердости эластичных материалов учитывают при подборе специальных бинтов, предназначенных для фиксации шин при повреждениях конечностей и травмах костей. Дело в том, что бинты с низкой твердостью могут недостаточно зафиксировать шину, а при очень высокой есть риск пережатия сосудов и нарушения кровотока.

Читайте также  Ленточная пила своими руками

Государство старается стандартизировать значения твердостей наиболее распространенных и важных материалов. Изначально еще в СССР в 1975 году такие стандарты были разработаны и приняты для того, чтобы регламентировать твердость резины. И на сегодня этот стандарт действует со множеством исправлений.

В заключение статьи отметим, что метод твердости Шора уже около ста лет является актуальным способом измерения и сравнения значений для многих применений. Это обусловлено его объективностью и доступностью для использования в различных условиях.

Объявления о покупке и продаже оборудования можно посмотреть на

Обсудить достоинства марок полимеров и их свойства можно на

Зарегистрировать свою компанию в Каталоге предприятий