Показатель твердости стали
Самый высокий показатель HRC не обязательно является лучшим.
Более твердая сталь, как правило, лучше держит кромку, чем более мягкая сталь, но она также с большей вероятностью трескается или выходит из строя. На самом деле, если она действительно твердая, она может разбиться, как стекло на бетоне!
Сталь, используемая при изготовлении ножа, также имеет большое отношение к тому, насколько хорошо нож будет удерживать кромку. Каждый отдельный стальной сплав имеет свой оптимальный диапазон, который уравновешивает твердость с производительностью и предназначением.
Так почему же показатель ножа по Роквеллу имеет значение? Что такое хорошая твердость по Роквеллу для ножа?
Твердость ножа очень важна с точки зрения его производительности и долговечности. Например, более твердая сталь с RC 58-62 будет держать кромку лучше, чем более мягкая сталь. Однако, эта же самая твердая сталь менее прочна и более склонна к растрескиванию или даже поломке
Некоторые кухонные ножи с высокой твердостью требуют особой осторожности, чтобы не повредить тонкую режущую кромку
Более мягкая сталь более долговечна за счет свой высокой упругости. В большинстве топоров и зубил используется более мягкая сталь, которая выдерживает удары, с которыми они сталкиваются в повседневной работе.
Поскольку карманные ножи и охотничьи ножи обычно не используются для строгания и рубки древесины, они выигрывают от использования более прочной стали, которая сохраняет отличную остроту для нарезки мягких материалов.
Однако, нож для выживания, к которому вы собираетесь приложить экстремальные усилия, только выиграет от твердости по Роквелу 55-58. Нож, который мог бы резать кости и твердую древесину, в первую очередь, должен быть прочным. Нож с более низкой твердостью может затупиться быстрее, но с большей вероятностью переживет большое количество ударов и механических повреждений.
Испытание по Роквеллу помогает производителям ножей уравновешивать три наиболее важных фактора, которые могут повлиять на качество их готовой продукции: твердость, гибкость и вязкость. Наличие этих трех факторов в правильном балансе позволяет им производить ножи для различных сфер использования.
Существует несколько различных аббревиатур, которые могут использоваться изготовителем ножей при указании твердости: HR, HRc, HR C, RC, Rc, C по шкале Роквелла, шкала твердости Роквелла C. Независимо от того, как написано о ножевой стали, все они ссылаются на одну и ту же шкалу С. Это может немного запутать, но просто знайте, что рейтинги сами по себе одинаковы — какое бы обозначение не использовал производитель.
Стэнли П. Роквелл был металлургом на заводе по производству шарикоподшипников в Новой Англии в 1919 году. Он разработал шкалу твердости для того, чтобы измерять твердость шариков для подшипников быстро, точно и с высокой повторяемостью.
Производители всего, начиная от пружин для часов и заканчивая колесами для поездов, давно нуждались в таком испытании и быстро применяли шкалу Роквелла для всех видов стали, а также других металлов, деталей. В конце концов, тест был адаптирован даже для испытаний неметаллических материалов — даже пластмасс.
Зачем нужны таблицы твердости?
Однако вернемся к поставленному вопросу: зачем нужны таблицы твердости?
Если отвечать кратко, они незаменимы, если используются различные методы измерения твердости. Понять о чем идет речь можно на конкретных примерах.
Пример: как измерить твердость волнистой пружины из стали 65Г
Вам нужно измерить твердость волнистой пружины из стали 65Г, но она очень тонкая, менее 0.5 мм толщиной и ее нельзя проверять на обычном аппарате Роквелла при нагрузке 150 кгс или 60 кгс, так как она продавится. Тем не менее, конечные значения нужно получить в HRC. Выйти из положения можно, если использовать аппарат Супер-Роквелл, например, на нагрузке 15 кгс (HR15N), в таком случае вы получите корректные значения твердости, которые сможете перевести в требуемые единицы с помощью таблицы.
Пример: как определить твердость бериллиевой бронзы БрБ2
Или следующий пример. Нужно определить твердость бериллиевой бронзы БрБ2, после дисперсионного старения она должна быть не менее 320 HV (по Виккерсу). Вы также можете «уколоть» ее на аппарате Супер-Роквелл, а потом полученные значения, например, в HR15N перевести в HV.
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:
- 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.
- Масса применяемого бойка с алмазным наконечником составляет 36 грамм. Этот показатель важен, так как учитывается при проводимых расчетах.
- 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.
- 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.
Твердость по методу Бринелля
Метод предложен шведским инженером Юханом Августом Бринеллем (1849—1925) в 1900 году, и стал первым широко используемым и стандартизированным методом определения твёрдости в материаловедении.
В качестве инденторов используются шарики из твердого сплава диаметром 1; 2,5; 5 и 10 мм. Величину нагрузки и диаметр шарика выбирают в зависимости от исследуемого материала, который разделен на 5 основных групп:
1 — сталь, никелевые и титановые сплавы; 2 — чугун; 3 — медь и сплавы меди; 4 — легкие металлы и их сплавы; 5 — свинец, олово. Кроме этого, вышеприведенные группы могут разделяться на подгруппы в зависимости от твердости образцов. При выборе условий испытаний следят за тем, чтобы толщина образца, как минимум, в 8 раз превышала глубину вдавливания индентора
И еще важно контролировать диаметр отпечатка, который должен находиться в пределах от 0,24D до 0,6D. Твердость по Бринеллю (НВ
) выражается отношением взятой нагрузкиР к площади поверхности отпечаткаF :HB=P/F , (1) Если вычислить поверхность отпечатка, имеющего форму шарового сегмента, тоНВ определится формулойHB=2P/(πD*√(D2-d2) (2) , где Р – приложенная нагрузка, кгс;D – диаметр шарика, мм;d – диаметр отпечатка, мм. Размер шарика выбирается в зависимости от толщины испытуемого образца: обычно пользуются шариками стандартных размеров диаметрами в 10 мм, 5 мм или 2,5 мм. Нагрузка на шарик выбирается в зависимости от рода материала и должна быть пропорциональна квадрату диаметра шарика. Условные стандартные нормы, принятые для различных материалов, следующие: для стали и чугунаР = 30D 2, для меди и медных сплавовP = 10D 2, для баббитов и свинцовистых бронзР = 2,5D 2. Более подробные сведения по выбору нагрузки, времени приложения нагрузки для различных материалов приводятся в соответствующей таблице в лаборатории испытания твердости. Кроме того, нагрузка считается выбранной правильно, если выдерживается соотношение0,2D < d < 0,6D. (3) Диаметр отпечатка измеряют с помощью лупы Бринелля или микроскопа в двух взаимно перпендикулярных направлениях и определяют как среднее арифметическое из двух измерений. Лупа имеет шкалу, малое деление которой (или цена деления) равно 0,05 мм. По результатам измерения диаметра отпечатка на данном материале твердость по Бринеллю определяется с помощью формулы (2) или по таблице определения чисел твердости по Бринеллю (таблица приводится в Приложении 1). Как отмечалось ранее, между механическими свойствами (в частности, пределом прочности σB
и твердостью по Бринеллю) существует определенная зависимость, которая может быть представлена эмпирической формулой:σB=C*HB*10 , гдеС – коэффициент пропорциональности.
Для сталей С
= 0,33…0,36 Для алюминияС = 0,4 Для медиС = 0,48 Для дуралюминаС = 0,37 Для латуни, бронзыС = 0,53
Следует отметить, что для хрупких материалов (чугун, силумин) надежной корреляции между твердостью и пределом прочности получить не удается. В частности, для определения предела прочности серого чугуна пользуются следующей эмпирической формулой: σB=10*(HB-40)/6
. Пример обозначения твердости по Бринеллю: 600 HBW 10/3000/20, где 600 — значение твердости по Бринеллю, кгс/мм2; HBW — символьное обозначение твердости по Бринеллю; 10 — диаметр шарика в мм; 3000 — приблизительное значение эквивалентной нагрузки в кгс (3000 кгс = 29420 Н); 20 — время действия нагрузки, с. Типичные значения твёрдости для различных материалов
![Таблица перевода между числами твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу и Шору В таблице использован справочник [1] d10 — Диаметр отпечатка по Бринеллю при…](https://jockeypromo.ru/wp-content/uploads/f/d/5/fd5e754a671439637d9df5832d72f229.jpeg)
| Материал | Твёрдость |
| Мягкое дерево, например сосна | 1,6 HBS 10/100 |
| Твёрдое дерево | от 2,6 до 7,0 HBS 10/100 |
| Алюминий | 15 HB |
| Медь | 35 HB |
| Дюраль | 70 HB |
| Мягкая сталь | 120 HB |
| Нержавеющая сталь | 250 HB |
| Стекло | 500 HB |
| Инструментальная сталь | 650—700 HB |
Лабораторная работа № 5
О́тжиг — вид термической обработки металлов, сплавов, заключающийся в нагреве до определённой температуры, выдержке в течение определенного времени при этой температуре и последующем, обычно медленном, охлаждении до комнатной температуры. При отжиге осуществляются процессы возврата (отдыха металлов), рекристаллизации и гомогенизации. Цели отжига — снижение твёрдости для облегчения механической обработки, улучшение микроструктуры и достижение большей однородности металла, снятие внутренних напряжений.
Методы твердометрии
В основе множественных методов измерения твердости лежат одни и те же принципы, но, в зависимости от поставленной задачи и исследуемого материала, различаются по видам используемых инденторов.
- Бриннеля. Индентором выступает стальной шарик диаметром от одного до десяти миллиметров. Метод обладает существенными недостатками – слишком большая площадь оттиска, невозможность применения на очень твердых металлах.
- Роквелла. В качестве индентора используется шарик из стального твердого сплава либо алмаз конической формы с углом вершины 120 градусов. Метод Роквелла хорошо работает на образцах из закаленной стали, которые нельзя проверить по методу Бриннеля.
- Виккерса. Индентором является алмазная пирамида, угол у вершины которой составляет 136 градусов. Отпечаток имеет квадратную форму. Способ оптимально подходит для анализа твердости закаленной стали, покрытий высокой прочности, а также швов сварки. Метод Виккерса применяют для определения микротвердости отдельных структурных составляющих на микроскопическом уровне при нагрузках от 10г.
- Кнупа. Метод подобен методу Виккерса и отличается тем, что угол при вершине пирамиды составляет 172,5 градусов, а отпечаток имеет форму ромба. Применяется для измерения твердости узких деталей или поверхностных слоев.
- Шора. В качестве индентора стальной шарик, но он не вдавливается, а падает на поверхность детали. По высоте отскока рассчитывается значение твердости. Метод применяют в основном для пластмассовых и резиновых изделий.
- Мооса. Индентор в виде иглы, которой царапают поверхность материала. Исходя из глубины царапины, определяют твердость.
Нанесение отпечатка индентора на полированную поверхность образца
Характеристики методики Виккерса
Еще один очень простой способ, который отличается скоростью и точностью, но дороговизной оборудования. Перечислим особенности:
- Используется алмазная пирамидка с более тупым углом – 136 градусов в вершине.
- Не допускается деформация более 100 кгс.
- Выдерживают время очень короткое – от 10 до 15 секунд.
- Измерять можно параметры любого материала, в том числе особенно прочного, а также сталей, которые прошли термическую обработку.
Последовательность исследования
Упрощенный алгоритм:
- Проверьте поверхностный слой детали, а также все оборудование.
- Рассчитайте допустимое усилие.
- Установите образец, закрепите его.
- Запустите аппарат и спустя 10-15 секунд проанализируйте итог.
Таблица величин твердостей различных материалов по Мосу
Таблица величин твердостей различных материалов по Мосу.
| Вещество | Твердость по Мосу | Вещество | Твердость по Мосу |
| Агат / Agate | 6-7 | Латунь / Brass | 3-4 |
| Алебастр/ Alabaster | 1.7 | Литий / Lithium | 0.6 |
| Алмаз / Diamond | 10 | Лесс / Loess (при 0°) | 0.3 |
| Алюминий / Aluminum | 2-2.9 | Магний / Magnesium | 2.0 |
| Алунд (электрокорунд) / Alundum | 9+ | Магнийтный железняк (магнетит) / Magnetite | 6 |
| Андалузит / Andalusite | 7.5 | Марганец / Manganese | 5.0 |
| Антрацит / Anthracite | 2.2 | Мрамор / Marble | 3-4 |
| Сурьма / Antimony | 3.0-3.3 | Морская пенка / Meerschaum | 2-3 |
| Апатит / Apatite | 5 | Медь / Copper | 2.5-3 |
| Арагонит (волнистый известняк) / Aragonite | 3.5 | Наждак (корунд) / Emery | 7-9 |
| Мышьяк / Arsenic | 3.5 | Натрий / Sodium | 0.4 |
| Асбест / Asbestos | 5 | Опал / Opal | 4-6 |
| Асфальт / Asphalt | 1-2 | Осмий / Osmium | 7.0 |
| Авгит / Augite | 6 | Олово / Tin | 1.5-1.8 |
| Антигорит / Serpentine | 3-4 | Полевой шпат / Orthoclase | 6 |
| Антимонит / Stibnite | 2 | Палладий / Palladium | 4.8 |
| Бария сульфат / Barite | 3.3 | Платина / Platinum | 4.3 |
| Бронза колокольная/ Bell-metal | 4 | Полевой шпат / Feldspar | 6 |
| Берилл / Beryl | 7.8 | Плавиковый шпат / Fluorite | 4 |
| Висмут / Bismuth | 2.5 | Пемза / Pumice | 6 |
| Борная кислота / Boric acid | 3 | Роговая обманка / Hornblende | 5.5 |
| Бор / Boron | 9.5 | Рубидий / Rubidium | 0.3 |
| Воск / Wax (при 0°) | 0.2 | Рутений / Ruthenium | 6.5 |
| Галенит / Galena | 2.5 | Серебро / Silver | 2.5-4 |
| Галлий / Gallium | 1.5 | Сера / Sulfur | 1.5-2.5 |
| Гранат / Garnet | 6.5-7 | Стекло / Glass | 4.5-6.5 |
| Графит / Graphite | 0.5-1 | Свинец / Lead | 1.5 |
| Гипс / Gypsum | 1.6-2 | Слюда / Mica | 2.8 |
| Диатомит / Diatomaceous Earth | 1-1.5 | Сплав платина — иридий / Plat-iridium | 6.5 |
| Долмит / Dolomite | 3.5-4 | Серный (железный) колчедан, пирит / Pyrite | 6.3 |
| Железо / Iron | 4-5 | Селен / Selenium | 2.0 |
| Золото / Gold | 2.5-3 | Сталь / Steel | 5-8.5 |
| Известковый шпат / Calcite | 3 | Сплав Вуда / Wood’s Metal | 3 |
| Индий / Indium | 1.2 | Стронций / Strontium | 1.8 |
| Иридий / Iridium | 6-6.5 | Тальк / Talc | 1 |
| Кадмий / Cadmium | 2.0 | Теллурий / Tellurium | 2.3 |
| Каламин / Calamine | 5 | Топаз / Topaz | 8 |
| Кальций / Calcium | 1.5 | Турмалин / Tourmaline | 7.3 |
| Карборунд, карбид кремния / Carborundum | 9-10 | Углерод (чистый) / Carbon | 10.0 |
| Калий / Potassium | 0.5 | Фосфор / Phosphorus | 0.5 |
| Каменная соль (галит) / Rock Salt (halite) | 2 | Фосфористая бронза / Phosphorbronze | 4 |
| Кварц / Quartz | 7 | Хром / Chromium | 9.0 |
| Квасцовый сланец / Alum | 2-2.5 | Хлорид серебра / Silver Chloride | 1.3 |
| Корунд / Corundum | 9 | Цезий / Cesium | 0.2 |
| Кремневая галька / Flint | 7 | Цинк / Zinc | 2.5 |
| Красный железняк, гематит / Hematite | 6 | Янтарь / Amber | 2-2.5 |
| Каолинит / Kaolinite | 2.0-2.5 | ||
| Кремний / Silicon | 7.0 |
Применение камня
Используется показатель твердости алмаза и в промышленности. Не все камни, которые обнаруживают в трубках на месторождениях, пригодны для ювелирной обработки. Большинство материала имеет слишком много дефектов. Такие минералы отправляются на потребности промышленности, где алмаз используется в качестве абразива. Аппаратура, которая имеет покрытие алмазной крошкой, работает дольше и качественнее. Алмаз используется в таких приборах и инструментах, как:
- оборудование в медицине (скальпели, хирургические инструменты);
- сверла, фрезы, шлифовальные круги, стеклорезы, ножницы и пилы по металлу, буровые установки;
- в телекоммуникациях и электронике алмаз используют для прохождения сигналов разных частот по одному кабелю;
- защитный элемент в химической и физической промышленности;
- космическая отрасль, где используются даже лонсдейлиты, которые прочнее алмаза.
Алмаз — вещество, которое имеет уникальные свойства. В том числе и твердость минерала дает возможность использовать его в разных сферах. Применение камня актуально, и его стоимость продолжает расти. А искусственные вещества, которые крепче алмаза, пока недоступны для широкого использования.
Способы перехода между шкалами
Тот факт, что в лабораториях используются разные методы, а также то, что нет одного стандарта, то приходится конвертировать один показатель в другую систему счисления. Следует отметить, что во всех странах преимущественно выбирают одну технологию. Но из-за активного товарооборота изготовители встречаются с непривычными маркировками. Итак, дадим таблицу с аналогичными результатами по отличающимся данным:
| Диаметр от вдавливания – в мм | По Бринеллю | По Роквеллу, категория А | В | С | По Виккерсу |
| 3,9 | 241 | 62,8 | 99,8 | 24 | 242 |
| 4,08 | 217 | 60,7 | 96,6 | 20,2 | 217 |
| 4,2 | 206 | 59,6 | 94,6 | 17,9 | 206 |
| 5 | 144 | 49,9 | 77,7 | – | 144 |
Можно отметить, что списки не обладают особо высокой точностью, поскольку в зависимости от измерений могли быть использованы разнообразные сплавы. Сводки будут верны только в том случае, если при всех пяти способах был апробирован одинаковый материал.
Измерение твердости («hardness testing»)
Измерение твердости металлов – твердометрия («hardness testing») или дюрометрический анализ является основным неразрушающим методом оценки прочностных характеристик при экспертизе металлов. Если давать каноническое определение, то твердость – это способность материала сопротивляться пластической деформации. Твердометрия крайне широко используется в металловедческой экспертизе, благодаря скорости и простоте проведения исследования. Зачастую не нужна даже пробоподготовка, а твердость измеряют на готовом изделии.
Теперь о том, как же проводится измерение твердости. Определенной формы индентор (о формах которого поговорим ниже) вдавливается в исследуемы материал с заданной нагрузкой в течении регламентированного периода времени (5-15 с.). После снятия нагрузки в материале остается след от индентора – вмятина, площадь которой определяют. Отношение вдавливающей нагрузки к площади полученного отпечатка и является значением твердости, измеряется в кгс/мм2.
Методов твердости существует множество, все они отличаются только типом индентора, а принцип везде один и тот же. В экспертизе металлов основными видами измерения твердости являются:
измерение твердости по Бриннелю (HB).
измерение твердости по Виккерсу (HV);
измерение твердости по Роквеллу (HR);
Если говорить
Теперь давайте о каждом методе измерения твердости поподробнее.
Метод твердости по Бриннелю разработал и впервые применил на практике инженер из Швеции Юхан Бриннель. Данный способ измерения твердости заключается во вдавливании в исследуемый металл стального шарика диаметром от 1 до 10 мм. Недостатком данного метода является большой диаметр отпечатка и невозможность его использовать на высокотвердых материалах. Твердость по Бриннелю используют в основном для аттестации цветных сплавов и чугунов.
В 1914 г. свой способ измерения твердости предложили однофамильцы Роквелл Хью и Станли из США. Индентором в данном методе является стальной шарик диаметром одна шестнадцатая дюйма или алмазный конус с углом при вершине 120°. По Роквеллу можно определяют твердость образцов из закаленных сталей, что не позволяет сделать по методу Бриннелю.
В методе определения твердости по Виккерсу в качестве индентора используется квадратная алмазная пирамидка с углом у вершины 136°.
Данный способ широко используется при экспертизе закаленных сталей, высокопрочных покрытий, сварных швов. Существуют приборы микротвердости по Виккерсу, которые работают в паре с оптическим микроскопом и позволяют определять твердость отдельных структурных составляющих стали, например твердость пластинки видманшеттового феррита. для своих исследований использует микротвердомер, представленный на фото.
Твердость очень хорошо коррелирует с прочностными характеристиками, в частности с пределом прочности. Используя экспериментально определенные характеристики, можно измерив неразрушающим методом твердость, рассчитать предел прочность стали. Средний коэффициент для средней марки стали будет равен примерно 0,3, не зависимо от способа определения твердости. Так например, если твердость исследованного образца составляет 220 кгс/мм2, то примерный предел прочности будет около 660 МПа.
Кратко расскажу об экзотических, то есть редко применяемых в металловедческой экспертизе методах измерениях твердости.
Метод Мооса или метод царапания – твердость определяют по глубине царапины оставленной индентором.
Методы Шора: отскока – твердость определяют по высоте отскока стального шарика от исследуемого материала и метод вдавливания – вдавливаются разнообразные инденторы, по отпечатку определяют твердость. Используют в основном для резин и пластмасс.
<<<�предыдущая статья следующая статья>>>
Оценка механических свойств по испытаниям на твёрдость
Величина прочности по Роквеллу связана с другими прочностными характеристиками веществ. Эта связь исследовалась такими учёными-материаловедами, как Н. Н. Давиденков, М. П. Марковец и др.
Например, по результатам проверки на твёрдость вдавливанием можно определить предел текучести вещества. Для высокохромистых нержавеющих сталей после различных режимов термообработки отклонение результатов, полученных таким методом, от разрушающих методов составило всего +0,9%.
Также исследовалась связь между значениями твёрдости и другими прочностными характеристиками определяемыми при растяжении, такими, как предел прочности (временное сопротивление разрушению), относительное сужение и истинное сопротивление разрушению.
Методы измерения твердости
Все методы определения твердости металлов используют механическое воздействие на испытуемый образец – вдавливание индентора. Но при этом не происходит разрушение образца.
Метод определения твердости по Бринеллю был первым, стандартизованным в материаловедении. Принцип испытания образцов описан выше. На него действует ГОСТ 9012. Но можно вычислить значение по формуле, если точно измерить отпечаток на образце:
HB=2P/(πD*√(D2-d2),
- гдеР – прикладываемая нагрузка, кгс;
- D – окружность шарика, мм;
- d – окружность отпечатка, мм.Шарик подбирается относительно толщины образца. Нагрузку высчитывают предварительно из принятых норм для соответствующих материалов:сплавы из железа — 30D2;медь и ее сплавы — 10D2;баббиты, свинцовые бронзы — 2,5D2.
Условное изображение принципа испытания
Схематически метод исследования по Роквеллу изображается следующим образом согласно ГОСТ 9013.
Метод измерения твердости по Роквеллу
Итоговая приложенная нагрузка равна сумме первоначальной и необходимой для испытания. Индикатор прибора показывает разницу глубины проникновения между первоначальной нагрузкой и испытуемой h –h
Метод Виккерса регламентирован ГОСТом 2999. Схематически он изображается следующим образом.
Метод Виккерса
Математическая формула для расчета:HV=0.189*P/d2 МПаHV=1,854*P/d2 кгс/мм2Прикладываемая нагрузка варьируется от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Значения определяются по таблицам относительно измеренного отпечатка d.
Метод Шора
Метод считается эмпирическим и имеет большой разброс показаний. Но прибор имеет простую конструкцию и его можно использовать при измерении крупногабаритных и криволинейных деталей.
Измерить твердость по Моосу металлов и сплавов можно царапанием. Моос в свое время предложил делать царапины более твердым минералом по поверхности предмета. Он разложил известные минералы по твердости на 10 позиций. Первую занимает тальк, а последнюю алмаз.
После измерения по одной методике перевод в другую систему весьма условен. Четкие значения существуют только в соотношении твердости по Бринеллю и Роквеллу, так как машиностроительные предприятия их широко применяют. Зависимость можно проследить при изменении диаметра шарика.
| d, мм | HB | HRA | HRC | HRB |
| 2,3 | 712 | 85,1 | 66,4 | — |
| 2,5 | 601 | 81,1 | 59,3 | — |
| 3,0 | 415 | 72,6 | 43,8 | — |
| 3,5 | 302 | 66,7 | 32,5 | — |
| 4,0 | 229 | 61,8 | 22 | 98,2 |
| 5,0 | 143 | — | — | 77,4 |
| 5,2 | 131 | — | — | 72,4 |
Как видно из таблицы, увеличение диаметра шарика значительно снижает показания прибора. Поэтому на машиностроительных предприятиях предпочитают пользоваться измерительными приборами с однотипным размером индентора.
Шкалы твердости
Мера твердости по Роквеллу обозначается HRC. За время проведения тестирования различных металлов было разработано 11 шкал, которые отличаются по соотношению геометрических размеров наконечника и прилагаемой нагрузки. Стоит учитывать, что сегодня в качестве вдавливаемого тела сегодня используются не только алмазные наконечники. Распространение получили:
- сферы, изготавливаемые из закаленной стали;
- шарики из сплава карбида и вольфрама.
Обозначение проводится с использованием заглавных букв латинского алфавита.
Шкалы для определения твердости по Роквеллу
Прочему так важно учитывать тип применяемой шкалы? Причин довольно много:
- От нее зависит вид вдавливаемого индикатора. При этом есть определенная связь между геометрической формой и размерами индикатора и получаемыми данными.
- У каждого типа вдавливаемого объекта есть свое ограничение по показателю максимальной нагрузки.
Читать также: Распиновка проводов юсб кабеля
Получаемые результаты важны при изготовлении подшипников и прочих ответственных элементов, используемых при создании автомобилей или авиатехники. Размерность твердости, определяемой по Роквеллу, учитывается и при выборе изделий из закаленной стали.
Сравнение шкал измерения твёрдости
Твёрдость – свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твёрдого тела – индентора.
Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения), наиболее распространёнными среди которых являются :
- метод Бринелля (HB) – твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка. Размерность единиц твёрдости по Бринеллю – МПа. Метод не применяется для тонких материалов и материалов с большой твёрдостью;
- метод Роквелла (HRA, HRB, HRC) – твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость вычисляется по формуле :HR = HRmax – (H – h) / 0,002 , гдеHRmax – максимальная твёрдость по Роквеллу (по шкалам A и C составляет 100 единиц, а по шкале B – 130 единиц),(H – h) – разность глубин погружения индентора (в миллиметрах) после снятия основной нагрузки и до её приложения (при предварительном нагружении). Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной величиной. Метода Роквелла проще в реализации, но обладает меньшей точностью по сравнению с методами Бринелля и Виккерса. Не допускается проверка образцов с толщиной менее десятикратной глубины проникновения наконечника;
- метод Виккерса (HV) – твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение нагрузки, приложенной к пирамидке, к площади отпечатка. Размерность единиц твёрдости по Виккерсу – МПа. Позволяет определять твёрдость азотированных и цементированных поверхностей, а также тонких листовых материалов :, но обладает пониженной точностью в нижнем диапазоне (для мягких материалов).
Результаты измерения твёрдости по методам Роквелла и Виккерса могут быть переведены с помощью таблиц в единицы твёрдости по методу Бринелля (таблица 1)
Зная твёрдость по Бринеллю, можно рассчитать предел прочности и текучести материала, что важно для прикладных инженерных задач :
- для стали:σв = 3,33 × HB ;σт = 1,67 × HB ;
- для алюминиевых сплавов:σв = 3,62 × HB ;
- для медных сплавов:σв = 2,60 × HB ;
где σв
– предел прочности, МПа;σт – предел текучести, МПа.
Таблица 1 – Перевод результатов измерения твёрдости
| 100 | 52,4 | 100 |
| 105 | 57,5 | 105 |
| 110 | 60,9 | 110 |
| 115 | 64,1 | 115 |
| 120 | 67,0 | 120 |
| 125 | 69,8 | 125 |
| 130 | 72,4 | 130 |
| 135 | 74,7 | 135 |
| 140 | 76,6 | 140 |
| 145 | 78,3 | 145 |
| 150 | 79,9 | 150 |
| 155 | 81,4 | 155 |
| 160 | 82,8 | 160 |
| 165 | 84,2 | 165 |
| 170 | 85,6 | 170 |
| 175 | 87,0 | 175 |
| 180 | 88,3 | 180 |
| 185 | 89,5 | 185 |
| 190 | 90,6 | 190 |
| 195 | 91,7 | 195 |
| 200 | 92,8 | 200 |
| 205 | 93,8 | 205 |
| 210 | 94,8 | 210 |
| 215 | 95,7 | 215 |
| 220 | 96,6 | 220 |
| 225 | 97,5 | 225 |
| 230 | 98,4 | 230 |
| 235 | 99,2 | 235 |
| 240 | 100,0 | 240 |
| 245 | (21,2) | 245 |
| 250 | (22,1) | 250 |
| 255 | (23,0) | 255 |
| 260 | (23,9) | 260 |
| 265 | (24,8) | 265 |
| 270 | (25,6) | 270 |
| 275 | (26,4) | 275 |
| 280 | (27,2) | 280 |
| 285 | (28,0) | 285 |
| 290 | (28,8) | 290 |
| 295 | (29,5) | 295 |
| 300 | (30,2) | 300 |
| 310 | (31,6) | 310 |
| 319 | (33,0) | 320 |
| 328 | (34,2) | 330 |
| 336 | (35,3) | 340 |
| 344 | (36,3) | 350 |
| 352 | (37,2) | 360 |
| 360 | (38,1) | 370 |
| 368 | (38,9) | 380 |
| 376 | (39,7) | 390 |
| 384 | (40,5) | 400 |
| 392 | (41,3) | 410 |
| 400 | (42,1) | 420 |
| 408 | (42,9) | 430 |
| 416 | (43,7) | 440 |
| 425 | (44,5) | 450 |
| 434 | (45,3) | 460 |
| 443 | (46,1) | 470 |
| (47,5) | 490 | |
| (48,2) | 500 | |
| (49,6) | 520 | |
| (50,8) | 540 | |
| (52,0) | 560 | |
| (53,1) | 580 | |
| (54,2) | 600 | |
| (55,4) | 620 | |
| (56,5) | 640 | |
| (57,5) | 660 | |
| (58,4) | 680 | |
| (59,3) | 700 | |
| (60,2) | 720 | |
| (61,1) | 740 | |
| (62,0) | 760 | |
| (62,8) | 780 | |
| (63,6) | 800 | |
| (64,3) | 820 | |
| (65,1) | 840 | |
| (65,8) | 860 | |
| (66,4) | 880 | |
| (67,0) | 900 | |
| (69,0) | 1114 | |
| (72,0) | 1220 |
Перевод значений твёрдости следует использовать лишь в тех случаях, когда невозможно испытать материал при заданных условиях. Полученные переводные числа твёрдости являются лишь приближёнными и могут быть неточными для конкретных случаев. Строго говоря, такое сравнение чисел твёрдости, полученных разными методами и имеющих разную размерность, лишено всякого физического смысла, но, тем не менее, имеет вполне определённую практическую ценность.
Твердость материалов и методы ее измерения
Твердостью называют способность тела к пластическим деформациям под действием еще более твердого инструмента, называемого индентором.
Существует несколько популярных способов испытаний материалов и прежде всего металлов на твёрдость. При помощи них можно получить как некое численный эквивалент прочности изделия, так и данные по его сопротивлению знакопеременным нагрузкам.
К основным методикам определения относятся:
- 1. Метод Бринелля (приборы и сам процесс подробно будут описаны ниже). При его использовании твёрдость определяется при помощи отпечатка от твердого, чаще всего металлического шарика, вдавливаемого в ровную площадку детали. По диаметрам следов и судят о твердостях.
Рис.1 Внешний вид современного твердомера.
- 2. Способ Роквелла. По нему значение твёрдости равно относительной глубине вдавливания подобного, используемому по Бринеллю, шарика или алмазного конуса в площадку на поверхности изучаемой детали и обозначается чаще всего символами HR. Т.к. величина относительная, то максимальная величина твёрдости по Роквеллу составляет HR=100. «Роквелл» имеет широкое распространение при оценке качества рабочих узлов оборудования для переработки пластмасс и эластомеров, а также технологической оснастки.
- 3. Способ Виккерса. Подобен способу определения по Бринеллю, но при его применении используют четырёхгранную алмазную пирамиду и, соответственно, след, оставляемый ею. Численное значение твёрдости (обозначается как HV) в этом случае равно отношению нагрузки, приложенной к пирамиде, к площади следа от нее.
- 4. Твёрдость по Шору (метод вдавливания, обозначается Шор А, Шор D). Является важнейшим для определения твердости пластмасс, эластомеров и композитов. По нему величина твёрдости материала равно глубине проникновения в него специально подготовленной стальной иглы, которую приводит в напряжение калиброванная пружина. Прибором, работающим по методике Шора является дюрометр. Регулируемая международным стандартом ASTM D2240, процесс включает применение 12 шкал, однако на практике подавляющее количество более мягких материалов (например резин и эластомеров испытывают по шкале A), а более жестких (пластмасс и композитов) по шкале D.
- 5. Дюрометры и шкалы Аскер является еще одним способом, относящемуся к разработкам Шора, похожим по способу измерения на предыдущий. Он применяется для получения значения для мягких веществ, используется главным образом в Японии и имеет несущественные отличия от «Шора», например особенностями оборудования, шкал и инденторов.
- 6. Твёрдость по Шору (метод отскока). Применяется для получения значений твёрдости для очень твёрдых деталей, например металлических. Величина показателя (имеет обозначение HSx) находится по высоте отскока специального бойка, который падает со стандартной высоты.
- Кроме описанных основных способов существует еще набор более редких техник, например метод Кузнецова-Герберта-Ребиндера, методика Польди или двойного отпечатка шарика, определений по шкале Мооса, способ Бухгольца и т.п. В данной статье мы не будем рассматривать их подробнее и просим обращаться к специализированной литературе.
Метод Бринелля
Величину твердости по Бринеллю определяют по диаметру отпечатка, оставленному стальным закаленным шариком на поверхности тестируемого металла. Единицей измерения служит кгс/мм2.
Метод предложил в 1900 году шведский инженер Юхан Август Бринелль. Испытание проводится следующим образом: вначале задается предварительная нагрузка индентора на образец, а уж затем – основная. Причем материал под этой нагрузкой выдерживают до 30 секунд, после чего измеряется глубина вдавливания. Твердость по Бринеллю (обозначается как HB) рассчитывается как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности полученного отпечатка.
Некоторые значения твердости для различных материалов (по Бринеллю):
- Древесина – 2,6-7,0 HB.
- Алюминий – 15 HB.
- Медь – 35 HB.
- Мягкая сталь – 120 HB.
- Стекло – 500 HB.
- Инструментальная сталь – 650-700 HB.
