Соотношения между числами твердости. Методы измерения твердости материалов по виккерсу, бринеллю, роквеллу Твердость по виккерсу единицы измерения

Опубликовано 19.09.2016 13:08

Твердость – сопротивление твердого тела изменению формы (деформированию) либо разрушению в поверхностном слое при местных силовых контактных воздействиях. Проецируя это определение на методы неразрушающего контроля, можем получить следующее определение твердости: это свойство материала сопротивляться пластической деформации.

Наибольшее распространение для определения твердости металлов получили методы, основанные на вдавливании индентора в виде стального шарика (методы Бринелля и Роквелла), алмаза в форме пирамиды (метод Виккерса) или алмаза с округлой вершиной (также метод Роквелла) в испытуемый образец.

Давайте рассмотрим отдельной каждый из указанных методов.

Метод Роквелла – метод определения твердости материалов, преимущественно металлов, основанный на вдавливании под заданной нагрузкой в поверхность испытуемого образца специального индентора – алмаза в форме конуса либо стального закаленного шарика. Метод назван по имени разработавшего его в 1919 году американского металлурга Стенли Роквелла. Отличием данного метода является применение небольших испытательных нагрузок (60, 100 и 150 кгс), что позволяет применять его для испытания тонких образцов и окончательно обработанных изделий, а также применение специальных шкал твердости, связанных только с глубиной отпечатка.

Шкалы твердости по Роквеллу.

Существует 11 основных шкал для определения твердости по методу Роквелла. Это шкалы A; B; C; D; E; F; G; H; K; N; T, при этом, как упоминалось ранее, наиболее часто используемые среди них – это шкалы А, В и С с испытательной нагрузкой 60, 100 и 150 кгс соответственно.

Таблица 1. Наиболее широко используемые шкалы твёрдости по Роквеллу.

Важно отметить, что чем твёрже материал, тем меньше будет глубина проникновения наконечника в него. Чтобы при большей твёрдости материала не получалось меньшее число твёрдости по Роквеллу, вводят условную шкалу глубин, принимая за одно её деление глубину, равную 0,002 мм. При испытании алмазным конусом предельная глубина внедрения составляет 0,2 мм, или 0,2/0,002 = 100 делений, при испытании шариком - 0,26 мм, или 0,26/0,002 = 130 делений.

Нормативные документы для метода Роквелла.

ГОСТ 9013-59. Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу;
ISO 6508-1: Metallic Materials - Rockwell Hardness Test. Part 1: Test Method (Scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T);
ASTM E-18 Standard Methods for Rockwell Hardness and Rockwell Superficial Hardness of Metallic Materials;
ASTM E-140 Standard Hardness Conversion Tables for Metals. Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, and Scleroscope Hardness.

Метод Виккерса – метод измерения твердости металлов и сплавов, основанный на вдавливании в испытуемый материал правильной четырёхгранной алмазной пирамиды с углом 136° между противоположными гранями. При этом само значение твердости вычисляется путем деления приложенной нагрузки на площадь поверхности полученного пирамидального отпечатка.

Данный метод измерения подходит для определения значений твердости деталей малой толщины из черных и цветных металлов и сплавов; деталей, закаленных на малую глубину, а также деталей, имеющих тонкие слои гальванических покрытий. Основным недостатком метода Виккерса является зависимость измеряемой твёрдости от приложенной нагрузки или глубины внедрения индентора (явление размерного эффекта).

Нормативные документы для метода Виккерса.

ГОСТ 2999-75 (СТ СЭВ 470-77) – Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу;
ISO 6507-1:2005 Metallic materials. Vickers hardness test. Part 1: Test method.

Метод Бринелля – один из основных методов определения твердости материалов, основанный на вдавливании в поверхность испытуемого материала металлического шарика из твёрдого сплава с определенным диаметром и дальнейшем измерении диаметра полученного отпечатка. В качестве инденторов используются шарики из твёрдого сплава диаметром 1; 2; 2.5; 5 и 10 мм. Величину нагрузки и диаметр шарика выбирают в зависимости от исследуемого материала. При этом сами исследуемые материалы делят на 5 основных групп:

сталь, никелевые и титановые сплавы;
чугун;
медь и сплавы меди;
лёгкие металлы и их сплавы;
свинец, олово.

Кроме этого, вышеприведенные группы могут разделяться на подгруппы в зависимости от твёрдости образцов.

Нормативные документы для метода Бринелля.

ISO 6506-1:2014 «Metallic materials - Brinell hardness test - Part 1: Test method»;
ДСТУ ISO 6506-1:2007 «Визначення твердості за Брінеллем. Частина 1. Метод випробування»;
ASTM E-10 «Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials»;
ASTM E140-07 «Standard Hardness Conversion Tables for Metals Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, and Scleroscope Hardness».

Важно, также, отметить, что по ISO 6506-1:2005 (ГОСТ 9012-59) регламентированы следующие основные нагрузки для метода Бринелля: 9.807 Н; 24.52 Н; 49.03 Н; 61.29 Н; 98.07 Н; 153.2 Н; 245.2 Н; 294.2 Н; 306.5 Н; 612.9 Н; 980.7 Н; 1226 Н; 2452 Н; 4903 Н; 7355 Н; 9807 Н; 14 710 Н; 29 420 Н.

Среди недостатков метода можно отметить следующие: применим для материалов с твердостью не более 450 HB; измеряемые значения твердости напрямую зависят от приложенной нагрузки (обратный размерный эффект); по краям отпечатка от индентора образуются навалы и наплывы, что затрудняет измерение как диаметра, так и глубины отпечатка; из-за относительно большого диаметра используемых шариков данный метод неприменим для тонких образцов.

Для измерения твердости материалов по указанным методам используются специальные приборы: портативные и стационарные твердомеры . Подробнее о каждом из видов мы расскажем в следующих статьях.

Метод заключается во вдавливании алмазного наконечника (индентора), имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136 °, в образец (изделие) под действием нагрузки Р и измерении диагонали отпечатка d , оставшегося после снятия нагрузки (рис. 1.6 ).

Рис. 1.6. Метод Виккерса: а − схема измерения; б − вид отпечатка

может меняться от 9,8 (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Твердость по Виккерсу рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P к площади поверхности отпечатка F :

[МПа], (1.6)

если Р выражена в Н, и

[кгс/мм 2 ], (1.7)

если Р выражена в кгс.

Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе. Число твердости по Виккерсу HV определяют по специальным таблицам по измеренной величине d .

Метод используют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость. Как правило, используют небольшие нагрузки: 10, 30, 50, 100, 200, 500 Н. Чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка.

Кинематическая схема прибора для измерения твердости методом Виккерса показана на рис. 1.7 .

Рис. 1.7. Схема прибора для измерения твердости по Виккерсу:

1 − Столик для установки образца; 2 − маховик; 3 − шток с алмазной пирамидой;

4− Педаль пускового рычага;5− подвеска с призмой;6− микроскоп

Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои. Высокая точность и чувствительность метода.

Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю для материалов, имеющих твердость до 450 НВ , практически совпадают.

Вместе с тем измерения пирамидой дают более точные значения для металлов с высокой твердостью, чем измерения шариком или конусом. Алмазная пирамида имеет большой угол в вершине (136 °) и диагональ ее отпечатка примерно в семь раз больше глубины отпечатка, что повышает точность измерения отпечатка даже при проникновении пирамиды на небольшую глубину и делает этот способ особенно пригодным для определения твердости тонких или твердых сплавов.

При испытании твердых и хрупких слоев (азотированного, цианированного) около углов отпечатка иногда образуются трещины (отколы), по виду которых можно судить о хрупкости измеряемого слоя.

Метод микротвердости − метод Хрущева-Берковича

Измерение микротвердости (ГОСТ 9450-76) имеет целью определить твердость отдельных зерен, фаз и структурных составляющих сплава (рис. 1.8 ), очень тонких слоев (сотые доли миллиметра), а не «усредненную» твердость, как при измерении макротвердости.

Прибор для определения микротвердости типа ПМТ-3, разработанный М. М. Хрущевым и Е. С. Берковичем (рис. 1.9 ), имеет штатив 1 вертикального микроскопа с тубусом, перемещающимся вверх и вниз с помощью макрометрического винта 2 и микрометрического винта 3 . На верхний конец тубуса насажен окулярный микрометр 4 , а в нижнем конце закреплены шток 5 с алмазной пирамидой, опак-иллюминатор 6 и объективы 7 , В опак-иллюминаторе имеется лампочка напряжением 6 В, питаемая от электросети через трансформатор.

Прибор снабжен двумя объективами для просмотра микрошлифа при увеличениях в 478 × и 135 × . Окуляр увеличивает в 15 раз.

Окулярный микрометр имеет неподвижную сетку, остаточный микрометрический барабанчик и каретку с подвижной сеткой. На неподвижной сетке длиной 5 мм нанесены штрихи с цифрами и угольник с прямым углом, вершина которого совпадает с цифрой 0. На подвижной сетке нанесен угольник с прямым углом и две риски.

Рис. 1.9. Схема прибора ПМТ-3 для измерения микротвердости:

1 − микроскоп;2 − микрометрический винт;3 − микрометрический винт;4 − окулярныймикрометр; 5 − шток с алмазной пирамидой; 6 – опак-иллюминатор;7 − объектив;8 − стол для установки микрошлифа;9 − ручка стола;10 − винт стола;11 − регулировочные винты;

Министерство образования Российской Федерации

Таганрогский Государственный Радиотехнический Университет

Кафедра Механики

Реферат

Выполнил:

Студент гр. Р-99

Проверил:

доцент кафедры механики

Таганрог 2001

Методы определения твердости металлов

О дной из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность их применения в различных конструкциях и при различных условиях работы, является твердость. Испытания на твердость производятся чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.

Указанные механические характеристики связаны между собой, поэтому их конкретные значения могут быть найдены расчётным путём на основе данных о твёрдости с помощью формул, полученных для конкретного материала с определённой термообработкой. Так, например, предел выносливости на изгиб сталей с твёрдостью 180-350 НВ равен примерно 1,8 НВ, с твёрдостью 45-55 HRC - 18 HRC+150, связь предела выносливости с пределом прочности стали описывается соотношениями:

Конкретным образцам конструкционных материалов, а также выполненным из них изделиям, присуща индивидуальность прочностных и упругих характеристик. Разброс их значений для различных образцов, выполненных из одного и того же материала, обусловлен статистической природой прочности твёрдых тел, различием структур внешне одинаковых образцов. Из-за неопределённости реальных механических характеристик материала, неопределённости некоторых внешних нагрузок, действующих на технический объект, погрешности расчётов для обеспечения безопасной работы проектируемых конструкций должны быть приняты соответствующие проектному этапу обеспечения надёжности меры предосторожности. В качестве такой меры используется понижение в n раз относительно опасного напряжения материала (предела прочности, предела текучести, предела выносливости или предела пропорциональности) величины максимально допускаемых напряжений, используемых в условии прочности. Величина n получила название нормативного коэффициента запаса прочности , который выбирается по таблице или рассчитывается как произведение

n = n1 * n2 * n3 ,

где n1 -учитывает среднюю точность определения напряжений, n2 -учитывает неопределённость механических характеристик материала, n3 -учитывает среднюю

степень ответственности проектируемой детали.

Существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерять вдавливанием индентора (способ вдавливания), ударом или же по отскоку наконечника – шарика. Твердость, определенная царапаньем, характеризует сопротивление разрушению, по отскоку – упругие свойства, вдавливанием сопротивление пластической деформации. В зависимости от скорости приложения нагрузки на индентор твердость различают статическую (нагрузка прикладывается плавно) и динамическую (нагрузка прикладывается ударом).

Широкое распространение испытаний на твердость объясняется рядом их преимуществ перед другими видами испытаний:

Ø простота измерений, которые не требуют специального образца и могут быть выполнены непосредственно на проверяемых деталях;

Ø высокая производительность;

Ø измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению;

Ø возможность ориентировочно оценить по твердости другие характеристики металла, в первую очередь предел прочности.

Так, например, зная твердость по Бринеллю (HB ), можно определить предел прочности на растяжение (временное сопротивление).

где k – коэффициент, зависящий от материала;

k = 0,34 – сталь HB 120 … 175;

k = 0,35 – сталь HB 175 … 450;

k = 0,55 – медь, латунь и бронза отоженные;

k = 0,33 … 0,36 – алюминий и его сплавы.

Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием в испытываемый металл индентора в виде шарика, конуса и пирамиды (соответственно методы Бринелля, Роквелла и Виккерса). В результате вдавливания достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Величина внедрения наконечника в поверхность металла будет тем меньше, чем тверже испытываемый материал.

Таким образом под твердостью понимают сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела – индентора.

Измерение твердости по Бринеллю

font-size:13.0pt"> Твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012-59) измеряют вдавливанием в испытываемый образец стального шарика определенного диаметра

D под действием заданной нагрузки P в течение определенного времени (Рис. 1). В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка). Число твердости по Бринеллю, обозначаемое HB , представляет собой отношение нагрузки P к площади поверхности сферического отпечатка F и измеряется в кгс/мм2 или МПа:

(2)

Площадь шарового сегмента составит:

Мм2 (3)

где D –диаметр шарика, (мм);

h – глубина отпечатка, (мм).

Так как глубину отпечатка измерить трудно, а проще измерить диаметр отпечатка d , выражают h через диаметр шарика D и отпечатка d :

, (мм) (4)

Тогда , (мм2) (5)

Число твердости по Бринеллю определяется по формуле:

, (кгс/мм2) (6)

Для перевода твердости по Бринеллю в единицы СИ необходимо умножить число твердости в кгс/мм2 на 9,81, т. е. HB =9,81* HB (МПа).

Для получения сопоставимых результатов при определении твердости HB шариками различного диаметра необходимо соблюдать условие подобия.

Подобие отпечатков при разных D и P будет обеспечено, если угол j остается постоянным (Рис. 1.1). Подставив в формулу (6) , получим следующее выражение:

font-size:13.0pt"> Из этой формулы видно, что значение HB будет оставаться постоянным, если https://pandia.ru/text/79/338/images/image017_18.gif" width="65" height="19 src=">.

В практике при определении твердости не делают вычислений по формуле (6), а пользуются таблицами, составленными для установленных диаметров шариков, отпечатков и нагрузок. Шарики применяют диаметром 10,5 и 2,5 мм. Диаметр шарика и нагрузка выбираются в соответствии с толщиной и твердостью образца (табл. 1). При этом для получения одинаковых чисел твердости одного материала при испытании шариками разных диаметров необходимо соблюдать закон подобия между получаемыми диаметрами отпечатков. Поэтому твердость измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки P и квадратом диаметра шарика D 2 . Это соотношение должно быть различным для металлов разной твердости.

Таблица 1

Условия испытания металлов на твердость по Бринеллю

Число твердости по Бринеллю, измеренное при стандартном испытании (D = 10 мм, P = 3000 кгс), записывается так: HB 350. Если испытания проведены при других условиях, то запись будет иметь следующий вид: HB 5/250/30-200, что означает – число твердости 200 получено при испытании шариком диаметром 5 мм под нагрузкой 250 кгс и длительности нагрузки 30 с.

При измерении твердости по методу бринелля необходимо выполнять следующие условия:

Ø образцы с твердостью выше HB 450 кгс/мм2 (4500 МПа) испытывать запрещается;

Ø поверхность образца должна быть плоской и очищенной от окалины и других посторонних веществ;

Ø диаметры отпечатков должны находиться в пределах 0,2 D £ d £ 0,6 D ;

Ø образцы должны иметь толщину не менее 10 – кратной глубины отпечатка (или менее диаметра шарика);

Ø расстояние между центрами соседних отпечатков и между центром отпечатка и краем образца должны быть не менее 4 d .

Определение твердости HB производится на прессе Бринелля (твердомер типа ТШ) в следующем порядке. Испытываемый образец (деталь) устанавливают на столике 1 (Рис. 2) шлифованной поверхностью кверху. Поворотом маховика 2 по часовой стрелке столик прибора поднимают так, чтобы шарик 4 мог вдавиться в испытываемую поверхность. Маховик 2 вращают до упора, и нажатием кнопки включают электродвигаДвигатель перемещает коромысло и постепенно нагружает шток с закрепленным в нем шариком. Шарик под действием нагрузки 3, сообщаемой приведенным к коромыслу грузом, вдавливается в испытываемый материал. Нагрузка действует в течение определенного времени (10 … 60 с), задаваемого реле времени, после чего вал двигателя, вращаясь в обратную сторону, соответственно перемещает коромысло и снимает нагрузку. После автоматического выключения двигателя, поворачивая маховик 2 против часовой стрелки, опускают столик прибора и снимают образец.

Диаметр отпечатка измеряют при помощи отсчетного микроскопа (лупы Бринелля), на окуляре которого имеется шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. Измерение проводят с точностью до 0,05 мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях; для определения твердости следует принимать среднюю из полученных величин.

Измерение твердости по ВиккерсУ

При испытании на твердость по методу Виккерса в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине a =1360 (Рис. 1.1). После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d 1 . Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки З к площади поверхности пирамидального отпечатка М:

Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки P и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм2) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой принимают для сталей 10 – 15 с, а для цветных металлов – 30 с.

Например, 450 HV 10/15 означает, что число твердости по Виккерсу 450 получено при P = 10 кгс (98,1 Н), приложенной к алмазной пирамиде в течение 15 с.

Преимущества метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материаллы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.

Измерение твердости по Роквеллу

font-size:13.0pt"> При этом методе индентором является алмазный конус или стальной закаленный шарик. В отличие от измерений по методу Бринелля твердость определяют по глубине отпечатка, а не по его площади. Глубина отпечатка измеряется в самом процессе вдавливания, что значительно упрощает испытания. Нагрузка прилагается последовательно в две стадии (ГОСТ 9013-59): сначала предварительная, обычно равная 10 кгс (для устранения влияния упругой деформации и различной степени шероховатости), а затем основная (Рис. 3).

font-size:13.0pt"> После приложения предварительной нагрузки индикатор, измеряющий глубину отпечатка, устанавливается на нуль. Когда отпечаток получен приложением окончательной нагрузки, основную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения наконечника t .

Твердость измеряют на приборе Роквелла (Рис. 4), в нижней части станции которого установлен столик 5. В верхней части станции индикатор 3, масляный регулятор 2 и шток 4, в котором устанавливается наконечник с алмазным конусом (имеющим угол при вершине 1200 и радиус закругления 0,2 мм) или стальным шариком диаметром 1,588 мм. Индикатор 3 представляет собой циферблат, на котором нанесены две шкалы (черная и красная) и имеются две стрелки – большая (указатель твердости) и маленькая – для контроля величины предварительного нагружения, сообщаемого вращением маховика 6. Столик с установленным на нем образцом для измерений поднимают вращением маховика до тех пор, пока малая стрелка не окажется против красной точки на шкале. Это означает, что наконечник вдавливается в образец под предварительной нагрузкой, равной 10 кгс.

После этого поворачивают шкалу индикатора (круг циферблата) до совпадения цифры 0 на черной шкале с большой стрелкой. Затем включают основную нагрузку, определяемую грузом 1, и после остановки стрелки считывают значение твердости по Роквеллу, представляющее собой цифру. Столик с образцом опускают, вращая маховик против часовой стрелки.

Твердомер Роквелла измеряет разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной и предварительной нагрузок. Каждое давление (единица шкалы) индикатора соответствует глубине вдавливания 2 мкм. Однако условное число твердости по Роквеллу (HR ) представляет собой не указанную глубину вдавливания t , а величину 100 – t по черной шкале при измерении конусом и величину 130 – t по красной шкале при измерении шариком.

Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и того физического смысла, который имеют числа твердости по Бринеллю, однако можно найти соотношение между ними с помощью специальных таблиц.

Твердость по методу Роквелла можно измерять:

- алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кгс. Твердость измеряется по шкале С и обозначается HRC (например, 65 HRC ). Таким образом определяют твердость закаленной и отпущенной сталей, материалов средней твердости, поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм;

- алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кгс. Твердость измеряется по шкале А, совпадающей со шкалой С, и обозначается HRA . Применяется для оценки твердости очень твердых материалов, тонких поверхностных слоев (0,3 … 0,5 мм) и тонколистового материала;

- стальным шариком с общей нагрузкой 100 кгс. Твердость обозначается HRB и измеряется по красной шкале B . Так определяют твердость мягкой (отожженной) стали и цветных сплавов.

При измерении твердости на приборе Роквелла необходимо, чтобы на поверхности образца не было окалины, трещин, выбоин и др. Необходимо контролировать перпендикулярность приложения нагрузки и поверхности образца и устойчивость его положения на столике прибора. Расстояние отпечатка должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и не менее 4 мм при вдавливании шарика.

Твердость следует измерять не менее 3 раз на одном образце, усредняя полученные результаты.

Преимущество метода Роквелла по сравнению с методами Бринелля и Виккерса заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.

Список используемой литературы

1. Геллер. Методы анализа, лабораторные работы и задачи. М.: Металлургия, 1984г.

2. Металловедение и термическая обработка стали: Справ. М. Л Бернштейн, М.: Металлургия, 1983г.

Министерство образования Российской Федерации

Таганрогский Государственный Радиотехнический Университет

Кафедра Механики

Реферат

Выполнил:

Студент гр. Р-99

Андриевский В. А.

Проверил:

доцент кафедры механики

Шаповалов Р. Г.

Таганрог 2001

Методы определения твердости металлов

Одной из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность их применения в различных конструкциях и при различных условиях работы, является твердость. Испытания на твердость производятся чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.

Твёрдостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твёрдого тела. Для определения твёрдости в поверхность материала с определённой силой вдавливается тело (индентор), выполненное в виде стального шарика, алмазного конуса, пирамиды или иглы. По размерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твёрдости материала. В зависимости от способа измерения твёрдости материала, количественно её характеризуют числом твёрдости по Бринелю (НВ), Роквеллу (HRC) или Виккерсу (HV) . Указанные механические характеристики связаны между собой, поэтому их конкретные значения могут быть найдены расчётным путём на основе данных о твёрдости с помощью формул, полученных для конкретного материала с определённой термообработкой. Так, например, предел выносливости на изгиб сталей с твёрдостью 180-350 НВ равен примерно 1,8 НВ, с твёрдостью 45-55 HRC - 18 HRC+150, связь предела выносливости с пределом прочности стали описывается соотношениями:

Простота измерений, которые не требуют специального образца и могут быть выполнены непосредственно на проверяемых деталях;

Высокая производительность;

Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению;

Возможность ориентировочно оценить по твердости другие характеристики металла, в первую очередь предел прочности.

Так, например, зная твердость по Бринеллю (HB), можно определить предел прочности на растяжение

(временное сопротивление). ,

где k – коэффициент, зависящий от материала;

k = 0,34 – сталь HB 120 … 175;

k = 0,35 – сталь HB 175 … 450;

k = 0,55 – медь, латунь и бронза отоженные;

k = 0,33 … 0,36 – алюминий и его сплавы.

Измерение твердости по Бринеллю

Твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012-59) измеряют вдавливанием в испытываемый образец стального шарика определенного диаметра D под действием заданной нагрузки P в течение определенного времени (Рис. 1). В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка). Число твердости по Бринеллю, обозначаемое HB, представляет собой отношение нагрузки P к площади поверхности сферического отпечатка F и измеряется в кгс/мм 2 или МПа: (2)

Площадь шарового сегмента составит:

, мм 2 (3)

где D –диаметр шарика, (мм);

h – глубина отпечатка, (мм).

Так как глубину отпечатка измерить трудно, а проще измерить диаметр отпечатка d, выражают h через диаметр шарика D и отпечатка d:

, (мм) (4)

, (мм 2) (5)

Число твердости по Бринеллю определяется по формуле:

, (кгс/мм 2) (6)

Подобие отпечатков при разных D и P будет обеспечено, если угол j остается постоянным (Рис. 1.1). Подставив в формулу (6)

, получим следующее выражение:

Из этой формулы видно, что значение HB будет оставаться постоянным, если и .

Таблица 1

Условия испытания металлов на твердость по Бринеллю

При измерении твердости по методу бринелля необходимо выполнять следующие условия:

Образцы с твердостью выше HB 450 кгс/мм 2 (4500 МПа) испытывать запрещается;

Укрощение строптивых. Так образно можно назвать измерение твердости по Виккерсу . Метод используют для работы с особо твердыми металлами и их сплавами.

К таким нужен особый подход. Присутствуют в лабораториях и . В каком качестве?

Измерение твердости по Виккерсу

Из производят наконечники инденторов. Последние вдавливаются в металл, дабы определить степень его сопротивления.

Только вот, в часть погрузиться может лишь – самый твердый минерал на Земле, с показателем по в 10 баллов.

В большинстве твердомеров, к примеру, аппаратах , на инденторе устанавливается конус из закаленной стали.

Для отдельных металлов она сгодится. Даже самый твердый уран по шкале Мооса может похвастаться всего 6-ю баллами, а закаленная сталь – 7,5-8-ю.

Однако, если брать урановые сплавы, они могут быть равнозначны 9-бальному корунду.

Специализация метода не означает, что твердость по Виккерсу запрещено проставлять на мягких материалах. Машина, способная справиться с самыми прочными, измерит и податливые.

Просто, предприятиям, работающим исключительно с мягкими сплавами, нет нужды покупать дорогостоящий твердомер с наконечником.

Измерение твердости по методу Виккерса отличается не только использованием вдавливателей, но и возможностью определить степень сопротивления предметов разной величины.

Есть наручные ? Пружины в них проходят проверку на аппаратах Виккерса.

Каким образом они приспособлены работать одновременно и с массивными, и с миниатюрными предметами, рассмотрим в следующей главе.

Принцип измерения по Виккерсу

Для определения твердости по Виккерсу нужна четырехгранная пирамида из . Обязательна правильная форма вдавливателя.

Да, да, камень именно вдавливается в поверхность испытуемого материала. Если угол между противоположными гранями пирамиды составляет ровно 136 градусов, измерения должны быть верными.

Опыты проводятся с помощью специального прибора. У него есть опорный столик, на который кладется испытуемый образец и тот самый индентор с пирамидой.

Есть пресс, вдавливающий наконечник, и регуляторы нагрузки. Результаты записываются цифрами, к которым прибавляются буквы HV .

Твердость по Виккерсу соответствует диагонали отпечатка от пирамидки. Отпечаток этот подвергается изучению под микроскопом, точность которого равна 1 микрометру.

На других твердомерах подобных «дивайсов» нет. Поэтому, точность измерений по Виккерсу повышена.

Описание метода можно свести к формуле: HV=P/F(ean/ii 2). Под P понимается нагрузка. F обозначает площадь отпечатка.

Интересно, что результат почти не зависит от приложенной нагрузки. Кажется, можно ведь надавить посильнее, или послабже.

Однако, выручает пирамидальная форма индентора. Профиль отпечатка треугольный, то есть, обладает свойствами подобия.

Для убеждения в правильности измерений можно повторить опыт уже на твердомере Бринелля. Это инженер из Швеции.

Его шкала металлов совпадает с отметками Виккерса в пределах от 100 до 450-ти единиц. В этих границах находится, к примеру, твердость стали по Виккерсу .

Выдержка на обоих твердомерах равна 10-15-ти секундам. Это время вдавливания наконечников инденторов в испытуемую поверхность.

Она не должна быть шероховатой. Иначе, результаты могут быть неточными на обоих приборах. Это считается минусом методов.

Применение измерений по Виккерсу

Шкала твердости Виккерса позволяет протестировать не только пружины, но и листовые материалы вплоть до гальванического покрытия.

– металлическое напыление, призванное защитить предмет от коррозии, улучшить свойства и эстетику.

Толщина пленки может составлять всего доли миллиметра. Ни один твердомер кроме аппарата Виккерса за такое «не возьмется».

Твердомер Виккерса способен настраиваться на нагрузку от 1-го до 500-от граммов. С таким же успехом аппарат дает давление и в полтонны.

Применение разных грузов, отлаженная электроника, делают твердомер Виккерса универсальным для любых предприятий, особенно, широкого профиля.

Твердость по Виккерсу – ГОСТ , входящий в национальный стандарт Российской Федерации. Прописаны не только требования к той, или иной, продукции, но и запросы по отношению к твердомерам.

Получается, маркировка по Виккерсу – показатель качества товаров. Особенно часто твердость требуется определить в отрасли автомобилестроения.

По Виккерсу ориентируются и конструкторы космических кораблей, спутников, воздушных судов. Все они нуждаются в корпусах и прочих деталях повышенной прочности.

Но, мало разработать сплав, должный отличаться исключительной твердостью. Нужно еще и доказать, что она именно такова, как прописано в документах. Вот и приходит на помощь твердость по Виккерсу.

Принцип определения сопротивления металлов важен и в ювелирной отрасли. Приобретая драгоценности, люди хотят, чтобы они были носкими.

Это во многом зависит от твердости сплавов. изделие может быть дорогостоящим, но потерять уже через несколько месяцев эксплуатации.

На останутся множественные царапины от контакта с другими поверхностями. Так что, ориентироваться стоит не только на , но и показатель Виккерса.

Кроме процента главного металла, он зависит от характера и количества примесей – . Она в не указывается.

Известно, что золото – мягкий металл. По идее, чем больше лигатуры, тем тверже должен быть .

Получается, из-за соображений носкости можно взять 375-ю пробу, в которой драгоценного сырья всего около 38%? Ан, нет.

Твердость 9-каратного ниже показателя 18- (-я проба) всего на 5 единиц. У первого по Виккерсу 120 единиц, у второго – 125.

А вот злато -ой пробы тверже обоих образцов минимум на 10 баллов. Это уже приличный показатель. С разорались. О гальванике упомянули.

Осталось выяснить, какие еще материалы измеряются методом Виккерса. Такие данные и в космосе пригодятся, и в быту не помешают.

Какие материалы измеряются на твердость по Виккерсу

Кроме гальванизированных поверхностей, метод применим к азотированным материалам. Их обрабатывают газом в специальных камерах, насыщая исходную поверхность атомами .

Итог – повышенная стойкость к коррозии и выдающаяся микротвердость. Так называют сопротивляемость отдельных областей в структуре материала.

Раз азотируется поверхность, значит, твердостью отличается именно она, прикрывая более уязвимое нутро.

Знак Виккерса ставят и на цементированных поверхностях. Цемент в привычном понимании слова здесь ни при чем.

Верхний слой материала, к примеру, стали, насыщают углеродом. Это придает сплаву особую твердость до 8,5 баллов по шкале Мооса.

По Виккерсу это в районе 750-ти единиц, то есть, почти на 400 HV превосходит твердость металлов.

Виккерсу идея его твердомера пришла в первой половине 20-го столетия. Еще тогда физик решил заложить в прибор систему автоматической обработки данных.

Современные инженеры довели идею предшественника до совершенства, если оно существует.

Стационарные аппараты 21-го века компактны, снабжены всеми возможными настройками. Стоит, правда, такое совершенство немало.

Но, это, как говориться, боль производителей. Дело потребителей, — видеть в инструкциях , позволяющие понять, насколько надежна та, или иная вещь.