Андрей Смирнов
Время чтения: ~15 мин.
Просмотров: 0

Твердость по шору

Понятие твердости

Твердость – свойство материалов, характеризующее способность проникновения одного, более твердого, тела в другое. Также эта характеристика определяет устойчивость к пластической деформации или разрушению поверхностных слоев при оказании сильного давления.

Все методы определения твердости материалов можно разделить на несколько основных групп:

  1. Статические. Подобные методы характеризуются тем, что нагрузка постепенно возрастает. Время выдержки может быть разным — все зависит от особенностей применяемого метода.
  2. Динамические характеризуются тем, что нагрузка на образец подается с определенной кинетической энергией. При этом показатель твердости является менее точным, так как при динамической нагрузке возникает определенная отдача из-за упругости материала. Результаты подобных испытаний зачастую называют твердостью материалов при ударе.
  3. Кинетические основаны на непрерывной регистрации показателей во время проведения испытаний, что позволяет получить не только конечный, но и промежуточный результат. Для этого применяется специальное оборудование.

Измерение твердости инструмента

Кроме этого, классификация методов определения твердости проводится по принципу приложенной нагрузки. Выделяют следующие способы испытания образца:

  1. Вдавливание является на сегодняшний день наиболее распространенным способом определения рассматриваемого показателя.
  2. При отскоке проводится замер того, как высоко боек отлетит от поверхности испытуемого образца. В данном случае просчет твердости проводится по показателю сопротивления упругой деформации. Методы подобного типа довольно часто применяются для контроля качества прокатных валиков и изделий с большими размерами.
  3. Методы, основанные на царапании и резании, сегодня применяются крайне редко. Были они разработаны два столетия назад.

Как правило, в твердомерах есть деталь, которая оказывает воздействие на испытываемую заготовку. Примером можно назвать стальные шарики различного диаметра и алмазные наконечники с формой пирамиды. Некоторые из применяемых на сегодняшний день методов рассмотрим подробнее.

Преимущества и недостатки

Недостатки
  • Метод рекомендуется применять для материалов с твёрдостью до 450 HB.
  • Твёрдость по Бринеллю зависит от нагрузки (обратный размерный эффект — англ. reverse indentation size effect).
  • При вдавливании индентора по краям отпечатка из-за выдавливания материала образуются навалы и наплывы, что затрудняет измерение как диаметра, так и глубины отпечатка.
  • Из-за большого размера тела внедрения (шарика) метод неприменим для тонких образцов.
Преимущества

Зная твёрдость по Бринеллю, можно быстро найти предел прочности и текучести материала, что важно для прикладных инженерных задач. Для стали

Для стали

σB=HB3kgfmm2=10HB3MPa{\displaystyle \sigma _{\mathrm {B} }={\frac {HB}{3}}={\frac {10HB}{3}}},

где σB{\displaystyle \sigma _{\mathrm {B} }} — предел прочности, МПа.

σT=HB6kgfmm2=10HB6MPa{\displaystyle \sigma _{T}={\frac {HB}{6}}={\frac {10HB}{6}}},

где σT{\displaystyle \sigma _{T}} — предел текучести, МПа.

Для алюминиевых сплавов

σB=,362HBkgfmm2=3,62HBMPa{\displaystyle \sigma _{\mathrm {B} }=0,362{HB}=3,62{HB}}

Для медных сплавов

σB=,26HBkgfmm2=2,6HBMPa{\displaystyle \sigma _{\mathrm {B} }=0,26{HB}=2,6{HB}}

Так как метод Бринелля — один из самых старых, накоплено много технической документации, где твёрдость материалов указана в соответствии с этим методом.

Данный метод является более точным по сравнению с методом Роквелла на более низких значениях твёрдости (ниже 30 HRC).

Также метод Бринелля менее критичен к чистоте поверхности, подготовленной под замер твёрдости.

Описание

Твердомеры представляют собой стационарные средства измерений, состоящие из устройства приложения нагрузки и измерительного блока.

Принцип действия твердомеров основан:

для шкал Роквелла и Супер-Роквелла на статическом вдавливании алмазного конусного или стального шарикового наконечников с последующим измерением глубины внедрения наконечника;

для шкал Бринелля на статическом вдавливании стального шарикового наконечника с последующим измерением глубины отпечатка (метод пересчета от глубины). По шкалам Бринелля твердомеры могут применяться только для измерения твёрдости сталей.

Рама твердомера представляет собой жесткую литую конструкцию из чугуна. Измерения проводятся в автоматическом режиме при помощи моторизованного вертикального перемещения испытательного модуля при нажатии кнопки «Старт» на сенсорной панели управления.

Твердомеры позволяют справочно измерять твердость по шкалам Супер-Роквелла НЮ5Т и НК45Т. При измерениях по методу Бринелля система приложения нагрузки обеспечивает приложение трех нагрузок.

Внешний вид твердомеров с указанием мест нанесения знака утверждения типа и пломбирования приведён на рисунках 1 и 2.

Рисунок 2 — Задняя панель твердомеров

Метод — бринель

Твердость металлов по Бринелю НБ в зависимости от диаметра отпечатка шарика.

Метод Бринеля применим для определения твердости незакаленной стали и цветных металлов. Твердость закаленных сталей определять вдавливанием стального шарика нельзя, так как при этом сам шарик может деформироваться.

Определение твердости по Роквеллу. а — вдавливание.

Однако метод Бринеля имеет ряд недостатков. По этому методу нельзя испытывать образцы, если их твердость близка к твердости шарика, так как последний сам получает значительные деформации, что искажает результаты испытания. Вследствие большой глубины отпечатка нельзя определить твердость специально обработанного поверхностного слоя, так как шарик проникает через этот слой в более мягкую внутреннюю часть. Измерение диаметра отпечатка занимает сравнительно много времени и бывает неточным вследствие вспучивания выдавливаемого шариком металла около краев отпечатка.

Однако метод Бринеля имеет существенные недостатки. Вследствие этого испытания иногда приходится производить не на изделии, а на специальном образце. Испытание очень твердых закаленных сталей ( НВ 450) является малонадежным, потому что твердость их приближается к твердости самого шарика, и шарик деформируется при испытании.

Особенность метода Бринеля — возможность определения твердости при пластическом деформировании достаточно больших, по сравнению с другими методами, объемах металла и получения благодаря этому усредненной характеристики твердости металла.

К недостаткам метода Бринеля следует отнести: а) невозможность испытания металлов, имеющих твердость более НВ 450, так как шарик будет деформироваться и показания будут неточными; б) невозможность испытания твердости тонкого поверхностного слоя ( менее 1 — 2 мм), так как шарик будет продавливать тонкий слой металла; в) после испытания остаются заметные следы на поверхности изделия.

При испытании методом Бринеля поверхность должна быть совершенно гладкой. Ее необходимо тщательно зачистить напильником или наждачным кругом и наждачной бумагой. Расстояние центра отпечатка от края образца или от другого отпечатка должно быть не слишком малым во избежание искажения размеров лунки. Нагрузка должна постепенно и плавно без толчков увеличиваться в течение 15 сек. Бринелю достаточна выдержка в 10 сек.

Для испытания на твердость методом Бринеля существует много разных типов приборов с гидравлическим и с механическим приводом, а измерение нагрузки при этом производится либо манометром, либо рычажными весами, либо маятниковым динамометром.

Диаметры шариков и нагрузки для пробы твердости шариком.

Для того чтобы определить методом Бринеля твердость материала с высокой закалкой, употребляют шарики еще более высокой твердости, например шарики холодного наклепа или, еще лучше, из особо твердого металла ( видна) ( стр.

Существуют многие способы испытания материалов на твердость, имеющие свои особенности — метод Бринеля, метод Рок-велла, метод Виккерса и другие. Особенности этих методов рассматриваются ниже. Стандартные методы определения твердости характеризуют, как правило, свойство материалов сопротивляться локальной пластической деформации, осуществляемой принудительным вдавливанием в поверхность образца или изделия тела сферической, пирамидальной или конической формы.

При испытании чугуна применяются преимущественно методы первой группы, а из их числа наибольшим распространением пользуется метод Бринеля. Перевод и сопоставление чисел твердости, определяемых разными методами, имеют условный характер, так как сами методы основаны на разных принципах.

Заслуживают также внимания методы царапания и снятия микростружки, так как Н. Н. Давиденкову удалось доказать, что они, в отличие от методов Бринеля, Роквелла и определения микротвердости, характеризуют сопротивление металла разрушению от среза.

Схемы испытания твердости. а — по Бринелю. б — по Роквеллу. е — по Виккерсу.

История

Измерение твёрдости по относительной глубине проникновения индентора было предложено в 1908 году венским профессором Людвигом (Ludwig) в книге «Die Kegelprobe» (дословно «испытание конусом»).

Метод определения относительной глубины проникновения индентора, предложенный Хью и Стэнли Роквеллами исключал ошибки, связанные с механическим несовершенствами измерительной системы, такими, как люфты, поверхностные дефекты и загрязнения поверхности испытуемых материалов и деталей.

Твердомер Роквелла, прибор для определения относительной глубины проникновения, был изобретён уроженцами штата Коннектикут Хью М. Роквеллом (1890—1957 гг.) и Стэнли П. Роквеллом (1886—1940 гг.). Потребность в этом устройстве была вызвана необходимостью оперативного определения результатов термообработки обойм стальных шарикоподшипников. Метод Бринелля, изобретённый в 1900 году в Швеции, был медленным, неприменимым для закалённых сталей, и оставлял слишком большой отпечаток, чтобы считать этот метод методом неразрушающего контроля.

Патентную заявку на новое устройство они подали 15 июля 1914 года; после её рассмотрения был выдан патент № 1294171 от 11 февраля 1919 года.

Во время изобретения Хью и Стэнли Роквеллы (не были прямыми родственниками) работали в компании New Departure Manufacturing (Бристоль, Коннектикут). New Departure, бывшая крупным производителем шарикоподшипников, в 1916 году стала частью United Motors, а затем — корпорации General Motors.

После ухода из компании в Коннектикуте, Стэнли Роквелл переехал в Сиракьюс (штат Нью-Йорк) и 11 сентября 1919 года подал заявку на усовершенствование первоначального изобретения, которая была утверждена 18 ноября 1924 года. Новый прибор был также запатентован под № 1516207. В 1921 году Роквелл переехал в Западный Хартфорд, в Коннектикуте, где предложил дополнительные усовершенствования.

В 1920 году Стэнли Роквелл начал сотрудничество с производителем инструментов Чарльзом Вильсоном (Charles H. Wilson) из компании Wilson-Mauelen с целью коммерциализации изобретения и разработки стандартизированных испытательных машин.

Около 1923 года Стэнли Роквелл основал фирму по термообработке Stanley P. Rockwell company, которая существует до сих пор в Хартфорде, в Коннектикуте. Через несколько лет она, переименованная в Wilson Mechanical Instrument Company, сменила владельца. В 1993 году компанию приобрела корпорация Instron.

Преимущества перед стационарными твердомерами

Работа с поверхностным слоем металла: cтационарные твердомеры под действием больших нагрузок «продавливают» поверхностный слой, подвергнутый наплавлению, напылению, механической, термической и другим видам поверхностной обработки металла.

Крупногабаритные изделия и труднодоступные места в изделиях: для стационарных твердомеров подобный контроль твердости недоступен из-за технических и конструкционных ограничений.

Измерения на месте производства и эксплуатации изделий: портативность позволяет измерять твёрдость изделия непосредственно на месте производства и эксплуатации изделий в цеховых, лабораторных и полевых условиях.

8 шкал твердости: экспресс-анализ твёрдости изделия по 8-ми различным шкалам твёрдости (в отличии от 1-3 шкал в стационарных твердомерах).

Высокая производительность: время одного измерения портативным твердомером в 5-10 раз меньше времени измерения стационарным.

Классификация твердомеров

Твердомеры классифицируются по нескольким параметрам.

Для контроля твердости в условия цеха или лаборатории применяют стационарные приборы, в полевых условиях для замеров применяют портативные (переносные) механизмы.

Портативные твердомеры обладают рядом неоспоримых достоинств:

  • подходят для измерения прочности крупногабаритных предметов;
  • обладают высокой функциональностью – для измерений в этом случае требуется минимум времени по сравнению со стационарными приборами.

Эти модели чаще всего оснащаются ультразвуком или динамическим принципом работы, т.е. измеряют скорость датчика, с которой он отталкивается от поверхности изделия. Однако ультразвуковые образцы обладают одним недостатком – они требуют систематической калибровки для замеров нестандартных материалов.

Выбирая твердомер, учитывают материал, из которого выполнено тестируемое изделие.

Твердость предметов измеряют по 4 распространенным шкалам:

Шкала по Бринеллю и Шору. Ее используют для наиболее мягких материалов. Обычно она применяется в том случае, когда нужно сделать замеры твердости алюминия, меди, мягких металлических сплавов. В поверхность образца внедряется стальной шарик, после чего микроскоп оценивает диаметр и глубину углубления.
Шкала по Супер-Роквеллу. Данный способ расширяет сферу использования шкалы Роквелла. Целесообразно использовать при небольших нагрузках. Шарик из закаленной стали вдавливается в поверхность изделия, для чего последовательно применяют две нагрузки.
Шкала по Роквеллу. Применяется для металлов средней твердости (обычно чугуна и стали). В поверхность, которую нужно испытать на прочность, внедряют алмазный или стальной наконечник в виде конуса.
Шкала по Виккерсу. Предназначена для самых твердых изделий

Механизм отличается пониженным давлением, что важно для наиболее точных характеристик. Этот способ предполагает погружение алмазной пирамиды небольших размеров

При помощи этого метода можно замерить тонкие изделия, а также пропитанные и термообработанные поверхности. Процесс полностью автоматизирован. Сделанный отпечаток анализируется при помощи специального механизма – окуляр-микрометра. Его колесико подводит маркер к вершине отпечатка. Определенный показатель твердости выводится на дисплей.

ООО «Импульс» является ведущим производителем испытательного оборудования с России и странах СНГ. На рынке компания находится более 15 лет. Ее продукция обладает всеми необходимыми сертификатами и соответствует мировым стандартам. Так что если вы заинтересованы в покупке продукции, которая будет вас устраивать по всем параметрам, обращайтесь в «Импульс». Здесь вам предложат самые выгодные условия сотрудничества. Можете быть в этом уверены.

Измерение твердости по Роквеллу

Данный метод регламентируется ГОСТ 9013. Для его проведения используется специальный прибор для измерения твердости, который позволяет создать две последовательные нагрузки, прилагаемые к поверхности образца. К особенностям проведения подобного теста можно отнести:

  1. Сначала оказывается предварительная нагрузка, после чего добавляется вторая.
  2. После выдержки под общей нагрузкой в течении 3-5 секунд вторая снимается, проводится замер глубины отпечатка, затем снимается предварительная нагрузка.
  3. Измерение полученных данных проводится в условных единицах, которые равны осевому смещению индикатора на 0,002.
  4. Определяется число твердости по Роквеллу по специальной шкале прибора.
  5. Форма применяемого индикатора может существенно отличаться. Именно поэтому было введено несколько типов измерительных шкал, которые соответствуют определенной форме индикатора.
  6. Для обозначения полученной величины могут применяться обозначения HIRA, HRC, HRB. Они соответствуют форме применяемого индикатора и шкалы обозначения.

Принцип измерения твердости по Роквеллу

В качестве индикатора могут использоваться стальной шарик и два алмазных конуса различного размера. Этот метод измерения твердости закаленных деталей проводится только при применении алмазного конуса меньшего размера, предварительная оказываемая нагрузка составляет 10 кгс, основная 50 кгс. За счет предварительной нагрузки исключается вероятность того, что из-за упругости материала полученные значения будут менее точными. Кроме этого, предварительная нагрузка позволяет проводить измерение твердости металлов и сплавов, которые прошли предварительную термическую обработку.

Основные возможности

  • измерение твёрдости металлов и сплавов по стандартизованным шкалам твёрдости Роквелла (HRC), Бринелля (HB), Виккерса (HV) и Шора (HSD);
  • наличие трех дополнительных шкал H1, H2, H3 для калибровки различных шкал твердости (например, Роквелла B, Супер-Роквелла, Бринелля (HBW) и т.д.) для контроля твердости изделий из стали и других металлов (например, сплавов алюминия, меди и т.д.);
  • использование шкалы Rm (МПа) для определения предела прочности на разрыв (для сталей перлитного класса по ГОСТ 22761);
  • возможность контроля твердости изделий, которые по габаритам недоступны для стационарных твердомеров;
  • измерение твердости любых по массе изделий толщиной от 1 мм, недоступных для динамических портативных твердомеров (металлические покрытия, малые детали, тонкостенные конструкции, трубы, резервуары, стальные листы и т.д.);
  • не оставляет видимого отпечатка на испытуемой поверхности изделия (шейки коленчатых валов, зеркальные поверхности, ножи);
  • наличие архива и программного обеспечения для связи с компьютером.

Принцип действия

Для определения значения твердости методом UCI и методом отскока (Лейба), диагонали отпечатка не определяются оптически, как это принято в классических методах. Здесь твердость определяется электронным способом, посредством измерения изменения ультразвуковой частоты (в случае использования ультразвукового датчика) и на определении отношения скоростей бойка, находящегося внутри датчика, до и после удара ( в случае использования динамического датчика).

Ультразвуковой датчик в основе своей использует стальной стержень с алмазной пирамидой Виккерса (угол между гранями 136?), который является акустическим резонатором встроенного генератора ультразвуковой частоты. При внедрении пирамиды в контролируемое изделие под действием фиксированного усилия калиброванной пружины, происходит изменение собственной частоты резонатора, определяемое твёрдостью материала. Относительное изменение частоты резонатора преобразуется электронным блоком в значение твёрдости выбранной шкалы и выводится на дисплей.

Боек, расположенный в динамическом датчике, имеет на конце твердосплавный шарик, непосредственно контактирующий с контролируемой поверхностью в момент удара. Внутри бойка находится постоянный магнит. Боёк, после нажатия спусковой кнопки, при помощи предварительно взведенной пружины, выбрасывается на измеряемую поверхность. При этом боёк перемещается внутри катушки индуктивности и своим магнитным полем наводит в ней ЭДС. Сигнал с выхода катушки индуктивности подается на вход электронного блока, где преобразуется в значение твёрдости выбранной шкалы и выводится на дисплей.

Твердомеры Роквелла

Метод определения твёрдости металлов по Роквеллу состоит во вдавливании алмазного конуса или стального закалённого шарика в предварительно зашлифованную поверхность образца. В отличие от предыдущего способа твёрдость по Роквеллу заключается в определении глубины вдавливания. Метод Роквелла считается более оперативным, а в таких твердомерах автоматизируется как процесс испытания, так и последующая обработка его результатов.

Суть метода Роквелла заключается в том, что предварительно выбирается некоторая реперная точка, и полученная для этой координаты глубина внедрения индентора вычитается из произвольно выбранной наибольшей глубины вдавливания.

Метод Роквелла имеет несколько разновидностей, каждая из которых применяется в определённых условиях испытаний (см. таблицу):

Вариант методаАВСFNT
Форма индентораКонусШарикКонусШарикКонусШарик
Материал индентораАлмазСтальАлмазСтальАлмазСталь
Условное обозначе-ние твёрдостиHRAHRBHRCHRFHRNHRT
Диапазон замера твёрдости60…8035…10030…7060…10017…925…94

Стали весьма высокой твёрдости
Стали средней твёрдости, цветные сплавы
Стали повышенной твёрдости
Тонколистовые металлы
Для испытания тонких или малогабаритных изделий

Стационарные твердомеры для металлов, реализующие метод Роквелла (типа ТК), подразделяют на приборы с электрическим и механическим приводом. Ручной твердомер ТК включает в себя:

  1. Подвижный измерительный стол, на который устанавливается деталь.
  2. Рычажный привод нагружения.
  3. Измерительную систему (она может быть с цифровой или аналоговой индикацией результата).
  4. Рабочую измерительную головку, с регулируемыми установками.
  5. Масляный амортизатор.
  6. С-образную станину.

Последовательность действия твердомера Роквелла следующая. Образец шлифованной поверхностью вверх размещают на измерительном столе, после чего перемещают его вверх, до начала вдавливания индентора в поверхность, что отслеживается по шкале твердомера. Так происходит предварительное нагружение, признаком окончания которого является вертикальное расположение большой стрелки. Это означает, что индентор внедрился в поверхность на глубину, при которой упругая деформация металла уже перешла в пластическую. Далее, освобождают рукоятку, которая амортизатором возвращается до упора, и нагружают испытуемое изделие основным усилием. В конечном положении нагрузка на деталь должна быть не менее 5…10 с., когда на индикаторе появится искомое значение твёрдости по Роквеллу. После этого маховичком возвращают столик в исходное положение, и снимают с него деталь.

Условная единица твёрдости Роквелла соответствует 2 мкм перемещения рабочего наконечника индентора.

Существуют и переносные разновидности приборов Роквелла. К числу наиболее популярных относится прибор типа ТКП, испытательная головка которого прикрепляется к измеряемой детали. Нагрузку от рукоятки производит трёхкулачковый валик, передающий усилие шпинделю, в котором размещается индентор. Последовательность приложения нагрузок – предварительной и основной – в приборах типа ТКП такая же, так и в стационарных твердомерах для металла, где применяется метод Роквелла.

Применяются также и другие типы твердомеров для металла – Шора, Виккерса и пр. Их цена зависит от технических характеристик прибора. Например, диапазон цен на портативные динамические твердомеры составляет 30000…50000 руб, на стационарные установки – от 275000 до 420000 руб.

Твердость основных металлов и сплавов

Измерение значения твердости проводится на готовых деталях, отправляющихся на сборку. Контроль производится на соответствие чертежу и технологическому процессу. На все основные материалы уже составлены таблицы значений твердости как в исходном состоянии, так и после термической обработки.

Цветные металлы

Твердость меди по Бринеллю составляет 35 НВ, значения латуни равны 42-60 НВ единиц в зависимости от ее марки. У алюминия твердость находится в диапазоне 15-20 НВ, а у дюралюминия уже 70НВ.

Черные металлы

Твердость по Роквеллу чугуна СЧ20 HRC 22, что соответствует 220 НВ. Сталь: инструментальная – 640-700 НВ, нержавеющая – 250НВ.

Для перевода из одной системы измерения в другую пользуются таблицами. Значения в них не являются истинными, потому что выведены империческим путем. Не полный объем представлен в таблице.

HBHVHRCHRAHSD
2282402060.736
2602752462.540
280295296544
32034034.567.549
360380397054
41544044.57361
4504804774.564
480520507668
500540527773
535580547878

Значения твердости, даже если они производятся одним и тем же методом, зависят от прилагаемой нагрузки. Чем меньше нагрузка, тем выше показания.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации