Kievuz

Методы замера твердости металлов и их структурный анализ

Измерение твердости металлов

Методы замера твердости металлов и их структурный анализ

Твердость стали является одним из важнейших механических свойств стали. Вообще говоря, твердость материала не является его внутренним свойством.

Поэтому ей нельзя дать точного и однозначного определения на основании фундаментальных единиц измерения – массы, длины и времени. Поэтому измерение твердости является результатом определенной процедуры измерения – метода измерения твердости.

Сколько методов измерения твердости – столько и определений понятия «твердость».

Самый старый метод измерения твердости

Твердость материалов с давних пор оценивали по сопротивлению царапанию или резанию. Например, материал В царапает материал С, но не царапает материал А. И, наоборот, материал А царапает материал В только слегка, а материал В – очень сильно.

Таким образом до сих пор оценивают относительную твердость минералов по минералогической шкале Мо́оса, которая была введена, немцем Моосом еще в 1811 году. По шкале Мооса максимальную твердость, 10 имеет алмаз, а минимальную твердость, 1 – тальк.

Практичный метод измерения твердости

На практике часто применяют аналогичный метод измерения твердости с помощью специального набора напильников, каждый из которых термически упрочнен на определенную твердость – от малой до большой. Такой набор из шести  напильников показан на рисунке ниже.

Рисунок — Набор напильников для измерения твердости металлов

Если напильник скользит по материалу без образования какого-либо следа, то этот материал считается более твердым, чем напильник, если след остается – менее твердым. Такой относительный метод измерения твердости ограничен практическим применением и не дает точных численных данных или шкал, особенно для современных металлов и материалов.

Что такое твердость?

Измерение твердости применяют к большинству материалов, особенно к металлам. Само понятие «твердость» имеет много определений – от физиков, металлургов и инженеров-механиков. В минералогии твердость — это сопротивление царапанию другим веществом, а у металлургов – способность материала сопротивляться пластической деформации.

Наиболее частое применяемое определение твердости металлов такое: «Сопротивление металла местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела, например, наконечника (индентора) испытательного прибора».

Однако, твердость может иметь и другие проявления такие как, например, жесткость, сопротивление царапанию, истиранию или резанию. Твердость металла дает ему способность сопротивляться необратимому деформированию — гибке, излому или изменению формы.

Чем больше твердость металла, тем больше его сопротивление он оказывает необратимой, например, пластической деформации. Это разнообразие проявлений твердости дает и разнообразие методов ее измерения.

Измерение твердости методами статического вдавливания

Для измерения твердости наиболее часто применяют методы статического вдавливания в материал шарика, алмазного конуса или алмазной пирамидки. К этим методам относятся:

  • метод Бринелля по ГОСТ 9012-59) – стальной шарик;
  • метод Роквелла по ГОСТ 9013-59) – алмазный конус;
  • метод Супер-Роквелла по ГОСТ 22975-78 – стальной шарик или алмазный конус;
  • метод Виккерса по ГОСТ 2999-75 – алмазная пирамида;
  • метод испытания микротвердости по ГОСТ 9450-75 – алмазная пирамидка.

Измерение твердости царапаньем

Это самый старый метод измерения твердости. На этом принципе основано испытание материалов царапаньем по методу Мооса, которое применяются для минералов. Кроме этого, ГОСТ 21318-75 определяет метод измерения микротвердости материала путем его царапания – нанесения канавки — специальными алмазными пирамидками.

Метод ударного отпечатка по ГОСТ 18661-73

Применяется для массивных деталей и конструкций, когда другие способы нельзя применить. Измерение твердости производится с помощью специального прибора. В прибор закладывают эталонный брусок с известной твердостью.

Прибор устанавливают на поверхности исследуемой детали. При ударе молотком по верхней части бойка шарик диаметром 10 мм вдавливается одновременно в деталь и в эталон.

Путем сравнивания лунок на детали и образце судят о твердости материала детали.

Метод упругого отскока бойка (метод Шора) по ГОСТ 23273-78

Применяют специальный прибор — склероскоп, внутри которого свободно падает боек с алмазным наконечником. Измерение твердости проводят по высоте отскока бойка.

Электромагнитный метод измерения твердости стали

Этот метод основан на зависимости магнитных характеристик стали от ее структуры.

Так как каждой структуре стали соответствует определенная твердость, то между магнитными характеристиками и твердостью можно установить некоторую  зависимость.

Эти менее точны, чем механические методы и требуют большого опыта для их применения. Их применяют при массовом контроле твердости  однотипных деталей.

Ультразвуковой метод измерения твердости стали

Этот метод измерения твердости называют методом ультразвукового контактного импеданса. Алмазную пирамидку прижимают к исследуемому образцу при постоянном усилии и возбуждают упругие колебания. Чем меньше твердость образца, тем больше индентор продавливает его поверхность. Применяется для измерения твердости в труднодоступных местах.

Источник: http://steel-guide.ru/mexanicheskie-svojstva-stali/izmerenie-tverdosti.html

Методы измерения твердости металлов

Методы замера твердости металлов и их структурный анализ

Все методы измерения твердости металлов можно условно разделить на две группы: прямые и косвенные.

 1. Прямые методы

 Это классические методы измерения твердости по Бринеллю, по Роквеллу, по Виккерсу, по Шору, по Супер-Роквеллу. Твердость металлов измеряется или оценивается в единицах твердости.

Принцип измерения твердости всеми прямыми методами вытекает из определения твердости – способности материала сопротивляться внедрению другого, более твердого тела.

В качестве более твердого тела используются инденторы, изготавливаемые, например, из алмаза или карбида вольфрама и имеющие определенную форму –шарик, конус, пирамида.

Приборы для измерения твердости прямыми методами являются стационарными установками, где к индентору, внедряющемуся в изделие или образец, прикладывается определенная нагрузка.

Например, стационарный твердомер Роквелла NOVOTEST ТС-Р комплектуется двумя инденторами – шарик с диаметром 1.

5875 мм и алмазная конусная пирамидка с углом 120°, прилагаемые испытательные нагрузки 60,100 и 150 кг.

После приложения нагрузки на поверхности образца остается отпечаток. Для каждого прямого метода определения твердости сформулирована зависимость для вычисления значения твердости по известным значениям приложенного усилия и определенным геометрическим параметрам отпечатка. Для метода Роквелла, к примеру, регистрируется глубина отпечатка.

Из достоинств прямых методов измерения твердости стоит отметить универсальность в отношении материала испытываемого образца.

Стационарные твердомеры изначально готовы к измерению твердости любых металлов и сплавов без дополнительной калибровки.

Недостатки – отсутствие мобильности, ограничение по размерам измеряемых изделии, наличие достаточно большого отпечатка, невысокий темп проведения замеров.

 2. Косвенные методы

 Косвенных методов всего два – ультразвуковой и динамический. Эти методы не напрямую измеряют твердость, а лишь оценивают значение твердости металла в зависимости от других физических свойств.

2.1. Измерение твердости ультразвуком заключается в фиксации степени изменения (затухания) частоты колебаний стержня с закрепленным на конце индентором при внедрении в поверхность образца.

Чем мягче металл, тем больше глубина проникновения индентора и, соответственно, площадь его контакта с металлом, тем выше степень затухания частоты колебаний (в ультразвуковом диапазоне).

Метод практически не имеет ограничений по массе и размерам испытуемых изделий, оставляет едва заметный отпечаток, применим для измерения твердости поверхностно упрочненных слоев и изделий со сложной конструкцией (шестерни, подшипники, метизы и т.д.). Ограниченно применяется на изделиях с крупнозернистой структурой.

2.2. Динамический метод реализует зависимость скорости отскока твердого тела от твердости на поверхности соударения.

Чем мягче металл, тем больше энергии удара уходит на формирование отпечатка (пластическая деформация) и тем меньше скорость отскока бойка с твердосплавным шариком.

Динамический метод применим для крупных, массивных изделий с весом не менее 5 кг и толщиной стенки не менее 10 мм. Подходит для измерения твердости, в том числе и на литых изделиях. Менее чувствителен к качеству поверхности, чем ультразвуковой метод.

2.3. Оба косвенных метода получили распространение в виде портативных, электронных приборов.

 Измерение твердости переносным твердомером основано на правильном выборе метода контроля (ультразвук или динамика) и использовании корректной калибровки прибора.

Обычно портативные твердомеры изначально откалиброваны по стали на стальных мерах твердости и имеют возможность пользовательской калибровки на других металлах и сплавах при наличии образцов с известной твердостью.

Преимущества переносных твердомеров NOVOTEST очевидны: мобильность, портативность, автономность, высокая скорость проведения измерений. Также стоит отметить наличие в электронных приборах возможности измерения твердости по нескольким шкалам, архивации и статистической обработки данных, связи с компьютером.

 3. Меры твердости

 Используются для настройки и проверки как портативных, так и стационарных твердомеров.

Выпускаются по каждой шкале твердости отдельно и имеют уникальные размеры и номиналы в единицах твердости в соответствии с нормативно-технической документацией.

При работе с динамическими твердомерами следует учитывать тот факт, что масса любой меры твердости меньше 5 кг. В этом случае меры притираются на массивную плиту через слой смазки.

Сергей Погорелов

Источник: https://novotest.ua/stati/metody-izmereniya-tverdosti-metallov.html

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.

Измеряется показатель в самых различных единицах в зависимости от применяемого метода.

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.

Измерение твердости по Бринеллю

Чаще всего проводится измерение твердости по Бринеллю. Этот метод регламентирован ГОСТ 9012. К особенностям испытания металлов и сплавов подобным методом можно отнести следующие моменты:

  1. В качестве тела, которое будет оказывать воздействие на испытуемый образец, используется стальной шарик.
  2. Для тестирования применяется шарик с определенным диаметром, который изготавливается из закаленной стали. К нему прилагается постоянно нарастающая нагрузка.
  3. Главным условие применения этого метода тестирования металлов и сплавов является то, что шарик должен изготавливается из более твердого материала, чем испытуемый образец.
  4. После завершения теста проводится измерение полученного отпечатка на поверхности.
  5. Данный способ позволяет получить данные, которые указываются в HB. Именно это обозначение сегодня встречается чаще других в различной справочной документации.
  6. Для удобства применения данного способа были созданы специальные таблицы, которые основаны на зависимости диаметрального размера шарика, твердости и полученного отпечатка.

Измерение по методу Бринеллю

Стоит учитывать, что по Бринеллю не рекомендуется тестировать стали и сплавы, твердость которых превышает значение 450HB. Цветные металлы должны обладать показателем ниже 200 HB.

Измерение твердости по Виккерсу

Также выделяют метод измерения твердости по Виккерсу, который регламентирован ГОСТ 2999. Получил он распространение при определении твердости деталей и заготовок, который имеют небольшую толщину. Кроме этого, он может применяться для измерения твердости деталей, имеющих поверхностный твердый слой.

К особенностям этого способа тестирования образца можно отнести нижеприведенные моменты:

  1. Применяется так называемый алмазный наконечник, который имеет форму пирамиды с четырьмя гранями и равными сторонами.
  2. Выбирается определенное время выдержки.
  3. После того, как снимается нагрузка, проводится измерение размеров диагоналей получившегося отпечатка и вычисляется среднее арифметическое значение.
  4. Величина прилагаемой нагрузки регламентирована, может выбираться в зависимости от типа тестируемого материала.
  5. Полученные результаты в ходе проведения исследований обозначаются HV.

Метод Виккерса

В некоторых случаях после полученного значения указывается время выдержки и величина прилагаемой нагрузки, что позволяет с большей точностью определить значение твердости.

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.

Измерение твердости по Шору

Метод определения твердости по Шору применяется для тестирования прокатных валиков на момент их изготовления. Кроме этого, проверка рассматриваемого показателя может проводиться при эксплуатации валиков на прокатных станках, так как из-за оказываемого воздействия структура металла может изменяться, ухудшая эксплуатационные качества. Регламентирован метод Шора ГОСТ 23273.

Шкала твердости по Шору

Рассматривая измерение твердости по Шору, следует отметить следующие моменты:

  1. В отличие от предыдущих способов, рассматриваемый основан на свободном падении алмазного индикатора на тестируемую поверхность с определенной высоты. Для тестирования применяется специальное оборудование, которое позволяет фиксировать точно высоту отскока.
  2. Масса применяемого бойка с алмазным наконечником составляет 36 грамм. Этот показатель важен, так как учитывается при проводимых расчетах.
  3. Твердость определяется по высоте отскока, измерение проводится в условных единицах. Падение образца на поверхность происходит с образованием небольшого углубления, а упругость приводит к обратному отскоку. Этот метод хорош тем, что позволяет проводить тестирование образцов, которые прошли предварительную термическую обработку. При постепенном вдавливании возникающая нагрузка может стать причиной деформирования используемого наконечника или шарика. В этом случае вероятность их деформации весьма мала.
  4. За 100 единиц твердости в этом случае принято считать высоту отскока 13,6 мм с возможностью небольшого отклонения в большую или меньшую сторону. Этот показатель можно получить при тестировании углеродистой стали, прошедшей процесс закалки. В качестве обозначения применяется аббревиатура HSD.

Сегодня этот способ измерения твердости применяется довольно редко из-за высокой погрешности и сложности замера высоты отскока байка от тестируемой поверхности.

Как ранее было отмечено, существует довольно большое количество методов измерения рассматриваемого показателя. Однако из-за сложности проведения тестов и большой погрешности многие уже не применяются.

В некоторых случаях проводится тестирование на микротвердость. Для измерения этого показателя прилагается статическая нагрузка к телу с формой пирамиды, и оно входит в испытуемые образец. Время выдержки может варьироваться в большом диапазоне. Показатель вычисляется примерно так же, как при методе Виккерса.

Соотношение значений твердости

При выборе метода измерения твердости поверхности следует учитывать, что между полученными данными нет никакой связи. Другими словами, выполнить точный перевод одной единицы измерения в другую нельзя.

Применяемые таблицы зависимости не имеют физического смысла, так как они эмпирические.

Отсутствие зависимости также можно связать с тем, что при тестировании применяется разная нагрузка, различные формы наконечников.

Существующие таблицы следует применять с большой осторожностью, так как они дают только приблизительные результаты. В некоторых случаях рассматриваемый перевод может оказаться весьма точным, что связано с близкими физико-механическими свойствами испытуемых металлов.

В заключение отметим, что значение твердости связано со многими другими механическими свойствами, к примеру, прочностью, упругостью и пластичностью. Поэтому для определения основных свойств металла довольно часто проводят измерение именно твердости. Однако прямой зависимости между всеми механическими свойствами металлов и сплавов нет, что следует учитывать при проведении измерений.

, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник: http://StankiExpert.ru/tehnologii/izmerenie-tverdosti.html

ovdmitjb

Add comment