Твердость – свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела, например инструмента. От твердости зависит область применения материалов, поведение их в процессе эксплуатации и сохранение внешнего вида. По этой характеристике оценивают качество металлов, пластических масс, керамики, древесины, каменных и других материалов.

Она существенно влияет на характер и трудоемкость обработки материала.

Существует несколько способов определения твердости материалов: царапание, вдавливание, прокол стандартной иглой, испытания с помощью бойка и колебаний маятника. Все они основаны на внедрении в испытываемый образец минерала, шарика, пирамиды, пуансона под определенным давлением: чем меньше усилие и больше глубина внедрения, тем ниже твердость материала, и наоборот.

Наиболее простым и распространенным на практике способом определения твердости природных каменных материалов является царапание их другими минералами шкалы твердости. Предложенная в прошлом столетии немецким ученым Ф. Моосом указанная шкала содержит 10 минералов от самого мягкого (талька) до самого твердого (алмаза), причем порядковый номер минерала в шкале соответствует его твердости и каждый следующий по порядку минерал оставляет черту (царапину) на предыдущем, а сам им не прочерчивается (см. табл. 3).

Твердость других материалов определяют различными способами, обычно на специальных приборах. Твердость металлов, бетона, древесины и пластмасс (кроме пористых) оценивают, вдавливая в образцы стальной шарик или алмазный конус. О величине твердости судят либо по глубине вдавливания шарика или конуса, либо по диаметру полученного отпечатка.

Числовыми характеристиками твердости материалов служат числа твердости, которые сведены в различные шкалы, соответствующие разным методам ее измерения. Числа твердости указываются в единицах HB (метод Бринелля), HV (метод Виккерса), HR (метод Роквелла), где H – первая буква английского слова харднесс – твердость.

При определении твердости методом Роквелла вводятся дополнительные обозначения: В (шарик), С и А (конус, при разных грузах). Поясним сказанное на примере определения твердости металлов: для незакаленных деталей применяют стальной закаленный шарик и груз массой 100 кг, твердость отсчитывают по красной шкале В и обозначают HRB для закаленных деталей высокой твердости используют алмазный конус и груз массой 150 кг, твердость отсчитывают по черной шкале С и обозначают HRC; для особо твердых или тонких, деталей применяют также алмазный конус, но груз 60 кг, твердость отсчитывают по шкале А специального прибора и обозначают HRA.

Следует отметить, что твердость материала не всегда соответствует его прочности. Например, древесина, значительно уступая бетону по твердости, имеет одинаковую с ним прочность.

Определение твердости материалов

Твердостью называется способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого материала. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструменты: резцы, сверла, фрезы, ножовочные полотна и др. Детали машин, как правило, должны иметь среднюю твердость, т.к. при большой твердости их будет трудно обрабатывать на станках, а если они будут мягкими, то на их поверхности могут образоваться вмятины и царапины. Кроме того, при средней твердости прочность удачно сочетается с вязкостью. Твердость материала определяется сравнительно просто и быстро. Поэтому определение твердости – это самый распространенный вид механических испытаний материалов.

Твердость материала простейшими способами определяется с помощью напильника, зубила или керна. Чем мягче материал, тем легче срезается металл напильником. Так, у закаленных сталей при работе напильником практически не видно царапин на поверхности, а алюминиевые детали легко повреждаются не только напильником, но и просто острым предметом. Мягкие металлы легко перерубаются зубилом при небольших усилиях, а твердые – при значительных.

Твердость металлов в производственных условиях определяется тремя способами,

Названными по именам их изобретателей: способы Бринелля, Роквелла и Виккерса.

Метод Бринелля основан на том, что в металл под нагрузкой Р вдавливают закаленный стальной шарик (рис.2) определенного диаметра D и по величине диаметра отпечатка d судят о его твердости. Твердость по Бринеллю (НВ) определяется из выражения:

, кгс/мм 2 ,

где – нагрузка, кгс (кН); – площадь поверхности отпечатка, мм 2 .

Нагрузка Р, диаметр шарика D и продолжительность выдержки шарика под нагрузкой выбираются в зависимости от вида материала, толщины образца и предполагаемой твердости по таблице 1. После нагружения шарика нагрузкой Р и выдержки под этой нагрузкой измерительной лупой определяют диаметр отпечатка d. По выше приведенной расчетной формуле или диаметру отпечатка в таблице 1 при шарике диаметром 10 мм и нагрузке30 кН (3000 кгс) находят соответствующее число твердости НВ, например, при диаметре отпечатка d = 3,5 мм будет твердость металла НВ 302.

Твердость НВ, измеренная по методу Бринелля, для ряда металлов, связана эмпирической зависимостью с пределом их прочности при растяжении s В:

s В =0,35 НВ – для сталей,

s В =0,45 НВ – для медных сплавов.

Таблица 1.

Зависимость режимов испытания (D, Р, t)

от твердости и толщины испытываемого образца

К недостаткам метода Бринелля необходимо отнести невозможность испытания металлов, имеющих твердость более НВ 450, или толщину менее 2 мм, появление остаточных следов деформации на поверхности испытанного изделия. При испытании металлов с твердостью более НВ 450 возможна деформация шарика, вследствие чего результаты будут неточными.

Метод Роквелла основан на том, что в испытуемый образец вдавливается индентор (тело внедрения): алмазный конус с углом при вершине 120° или закаленный стальной шарик диаметром 1,59 мм. Алмазный конус используют для твердых металлов, а шарик – для мягких. Алмазный конус или шарик (рис.3) вдавливают в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок – предварительной Р 0 , равной 0,1 кН (10 кгс), и основной Р 1 .

При вдавливании алмаза к нему прилагается общая нагрузка Р = Р 0 +Р 1:

0,6 кН (60 кгс) – шкала твердомера А;

или 1,5 кН (150 кгс) – шкала твердомера С.

При вдавливании шарика прилагается общая нагрузка 1кН (100кгс)– шкала твердомера В.

Соответственно этим нагрузкам на индикаторе прибора имеются шкалы: черные А и С и красная В. Шкалой А пользуются при измерении твердости изделий с очень твердым поверхностным слоем, полученным посредством химико-термической обработки (цементация, азотирование и др.), а также твердых сплавов с твердостью до HRA 85. Шкалой В пользуются при измерении твердости незакаленных сталей, цветных металлов и сплавов , имеющих твердость до HRB 100. Шкалой С пользуются при измерении твердости закаленных сталей , обладающих твердостью до HRС 67. Числа твердости по Роквеллу измеряются в условных единицах и определяются при вдавливании алмазного конуса по формулам:

где 100 – число черных делений шкалы С и шкалы А циферблата индикатора прибора, а 130 – число красных делений шкалы В; h 0 – глубина (мм) внедрения алмаза (шарика) под действием предварительной нагрузки; h – глубина (мм) внедрения алмаза (шарика) под действием общей нагрузки Р, замеренной после ее снятия, но с оставлением предварительной нагрузки; 0,002 мм – глубина внедрения алмаза (шарика), соответствующая перемещению стрелки индикатора на одно деление.

Метод Роквелла отличается простотой и высокой производительностью, практически обеспечивает сохранение качества поверхности после испытаний, позволяет испытывать металлы и сплавы как низкой, так и высокой твердости при толщине изделия (слоя) до 0,8 мм. Этот метод не рекомендуется применять для сплавов с неоднородной структурой (чугуны: серые, ковкие и высокопрочные). Соотношение твердостей материалов, замеренных этими двумя различными способами, видно из таблицы 2.

Таблица 2.

Соотношение чисел твердости по Бринеллю и Роквеллу

Твердость	Твердость	Твердость
По Роквеллу	По Бринеллю	По Роквеллу	По Бринеллю	По Роквеллу	По Бринеллю
шкала	D=10 мм, Р = 3000 кгс	шкалы	D=10 мм, Р=3000 кгс	шкала	D=10 мм, Р=3000 кгс
С	Диаметр отпечатка, мм	HB	C	B	Диаметр отпечатка, мм	НВ	В	Диаметр отпечатка, мм	HB
HRC	HRC	HRB	HRB
	2,20			–	3,40			4,60
	2,25			–	3,45			4,65
	2,30			–	3,50			4,70
	2,35			–	3,55			4,75
	2,40			–	3,60			4,80
	2,45			–	3,65			4,85
	2,50			–	3,70			4,90
	2,55			–	3,75			4,95
	2,60			–	3,80			5,00
	2,65			–	3,85			5,05
	2,70				3,90			5,10
	2,75				3,95			5,15
	2,80				4,00			5,20
	2,85				4,05			5,25
	2,90				4,10			5,30
	2,95				4,15			5,35
	3,00				4,20			5,40
	3,05				4,25			5,45
	3,10				4,30			5,50
	3,15				4,35			5,55
	3,20				4,40			5,60
	3,25				4,45			5,65
	3,30				4,50			5,70
	3,35				4,55			5,75

, кгс/мм 2 ,

где – угол между противоположными гранями пирамиды при вершине, равный 136°; – среднее арифметическое значение длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки в мм.

При испытаниях применяют нагрузки, равные 50, 100, 200, 300, 500 и 1000 Н. Возможность применения малых нагрузок в 50 и 100 Н позволяет определять твердость деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, например: цементированных, цианированных и азотированных сталей.

В табл. 3 представлены варианты обозначения твердости различных материалов.

Таблица 3.

Варианты материалов с различной твердостью*

№ варианта	Значения твердости материалов
	HB 280 HRA 72 HB 470 HB 780 HRA 74	HV 130 HB 110 HRB 50 HV 530 HB 430	HRC 47 HV 420 HB 477 HRC 54 HV237	HRB 77 HRC 50 HRA 82 HRB 70 HRC 27
	HB 480 HRC 80 HV 280 HB 280 HB 470	HB 130 HV 130 HRA 30 HV 130 HRB 50	HRC 37 HRA 47 HRC 47 HRC 47 HB 477	HRB 67 HRB 67 HRA 77 HRB 77 HRA 82
	HB 780 HB 480 HRC 80 HB 410 HRC 45	HV 530 HB 130 HV 130 HRC 66 HB 170	HRC 54 HRC 37 HRA 47 HV 340 HRA 57	HRB 70 HRB 67 HRB 67 HRB 77 HV 230
	HRC 53 HB210 HV 280 HRC 51 HV 234	HV 430 HRC 35 HB 130 HRA 70 HRC 43	HB 630 HRB 75 HRC 37 HV 313 HRB 327	HRA 85 HV 150 HRA 77 HB 260 HRC 57
	HB 170 HRA 67 HRC 54 HRC 51 HV 434	HRA 60 HRC 76 HV 150 HRA 70 HRC 56	HV 330 HB 700 HB 437 HV 313 HB 210	HRC 75 HV 310 HRA 57 HB 260 HRC 29

Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю имеют одинаковую размерность и для материалов твердостью до НВ 450 практически совпадают. Вместе с тем измерения пирамидой дают более точные значения для материалов с высокой твердостью, чем измерения с использованием шарика или конуса. Алмазная пирамида имеет большие угол в вершине и диагональ ее отпечатка, что повышает точность измерения отпечатка даже при проникновении пирамиды на небольшую глубину. Диагональ отпечатка измеряют с помощью измерительного микроскопа, вмонтированного в твердомер Виккерса.

В настоящее время имеются более удобные (портативные, с цифровой индикацией твердости по Бринеллю и Роквеллу, с относительно небольшой погрешностью измерений) в работе твердомеры. Так, твердомер динамический ЭЛИТ-2 измеряет твердость стальных изделий по скорости отскока бойка от поверхности, а твердомер ультразвуковой УЗИТ-3 - методом измерения акустического импеданса при внедрении магнитостриктора с алмазом Виккерса в поверхность изделия.

Все мы знаем, что каждый материал на земле обладает разными свойствами: физическими, химическими, механическими, технологическими, эксплуатационными и многими другими. Также сюда можно отнести и твердость. Все они вместе позволяют предопределить их применение в той или иной сфере человеческой жизнедеятельности. Но что такое твердость металлов, сплавов или любых других материалов? Среди прочих свойств это наиболее интересно, поскольку нет четкого его определения.

Что представляет собой твердость?

Твердость любого материала является его важной характеристикой, поскольку от этого зависит стойкость и долговечность изготавливаемых конструкций. А так как четкого определения нет, то сам термин можно «расшифровать» так - это свойство материала оказывать сопротивление проникновению в него другого тела (инструмента). Эта характеристика позволяет оценить качество многих объектов:

• металла (сплавы);
• керамики;
• древесины;
• пластика;
• камня;
• графита.

Помимо этого, твердость влияет на степень обработки того или иного материала. То есть чем он тверже, тем труднее с ним работать. Справедливо и обратное. Поэтому с деревом приятно иметь дело при изготовлении различных поделок.

У разных специалистов свое понятие твердости. К примеру, в области минералогии под этим определением понимается сопротивление одного материала к появлению царапин при воздействии другого объекта.

В металлургии несколько иначе понимают, что такое твердость - сопротивляемость пластической деформации. Но основное определение, на которое ссылается большинство специалистов любой профессии, уже приведено в самом начале раздела.

Тем не менее твердость может проявляться по-разному:

• жесткость;
• сопротивляемость:
• царапанию;
• истиранию;
• резанию;
• деформация:
• изгиб;
• излом;
• изменение формы.

Чем выше величина твердости, тем большая степень сопротивляемости у материала. Исходя из такого многообразия проявления такого свойства, существуют разные способы по его измерению.

Способы измерения твердости

Что характерно, испытание на твердость проводится чаще, чем определение всех остальных свойств материалов - прочности, относительного удлинения и прочих. Способов узнать, насколько тверда сталь или любой другой минерал, несколько. Но все они основываются на общем принципе: на испытываемый образец воздействуют другим объектом, прилагая определенное давление. Это может быть шарик, пирамида, пуансон.

Определение твердости производится по глубине внедрения и показателям давления. Минимальные усилия и большая глубина говорят о низких свойствах материала. Равносильно и наоборот, большие усилия и малая глубина - твердость высокая.

При этом испытания могут быть двух основных видов:

• Статические.
• Динамические.

Если контакт исследуемого образца и объекта происходит в течение определенного промежутка времени, то испытание носит статичный характер. В ином случае речь идет о динамичном способе определения твердости.

В настоящее время для определения твердости материалов применяют:

• Метод Виккерса (ГОСТ 2999-75).
• Метод Бринелля (ГОСТ 9012-59).
• Метод Роквелла (ГОСТ 9013-59).
• Метод Шора.
• Метод Мооса.

Выбор того или иного испытания зависит от специфики применения деталей, необходимой точности результата, а также способности воспроизвести исследования при различных условиях.

Способ Виккерса

Что такое твердость по Виккерсу? Суть данной методики заключается во вдавливании пирамиды, изготовленной из алмаза, в образец. У пирамидального индентора соотношение сторон должно быть строго определенным. В результате проведения испытания на исследуемом образце остается ромбовидный отпечаток, причем иногда он может быть неправильной формы.

Твердость обознается двумя латинскими буквами - HV - и устанавливается в зависимости от значения диагонали полученного ромба. Иногда используется среднее арифметическое значение обеих диагоналей.

Оборудование, с помощью которого измеряется твердость по Виккерсу, относится к статичному типу и может быть стационарным либо переносным. При этом сама процедура выполняется следующим образом:

• Образец помещается на рабочий стол оборудования исследуемой поверхностью кверху. Затем она вместе со столом поднимается вверх до легкого соприкосновения с рабочим наконечником.
• При помощи реле времени задается определенный час воздействия, после чего остается опустить рычаг, который приводит в действие нагружающий механизм. По окончании времени испытания нагрузка с детали снимается и наконечник возвращается в прежнее положение.
• Оборудование оснащено отсчетным микроскопом, поэтому после завершения операции нужно развернуть стол с образцом к нему и измерить диагонали отпечатка.

В некоторых случаях твердость стали или любого другого материала по данной методике указывается со значением нагрузки. К примеру, такое обозначение HV 50 940 говорит о том, что твердость равна 940 единиц при воздействии нагрузки, равной 50 кг.

Достоинствами данного способа испытания являются:

• Можно измерять детали практически с любой толщиной за счет малой площади поверхности, которую занимает индентор (самое крайнее положение).
• Высокая точность результата, что обусловлено идеальной степенью твердости алмазного наконечника. Как следствие, сам он не подвержен деформации.
• Диапазон измерений довольно широкий и способен охватывать как относительно непрочные металлы наподобие алюминия и меди, так и высокопрочные стали, сплавы.
• Есть возможность определения твердости отдельно взятого слоя металлов. К примеру, образец прошел процесс цементации либо у детали изменен химический состав вследствие поверхностного упрочнения или легирования.

Как показывает практика, диапазон измерений твердости составляет от 145 до 1000 HV. Чтобы измерить твердость большой партии образцов, существует автоматизированное оборудование компании Reicherter из Германии, имеющее гидравлический или электромеханический привод. Расчет результата проводится автоматизировано, после чего выводится на монитор.

Твердость по Бринеллю

Твердость по этому методу обозначается тоже двумя, но уже другими буквами - HB - и тоже является статичным испытанием. Температура при исследовании должна быть в пределе 20±10 °С. Его суть в следующем - образец сдавливается стальным закаленным шариком. Также в комплекте к оборудованию имеется еще один шарик, который изготовлен из вольфрамокобальтового твердого сплава. Это позволяет увеличить диапазон измерения твердости.

Согласно стандарту, определены некоторые условия в отношении того, что такое твердость по Бринеллю:

• Нагружать образец стоит в пределах от 12,25 до 29420 Н.
• Размер шариков составляет 1-10 мм.
• Длительность воздействия не должна превышать 10-15 с.
• Отпечаток на образце не должен выходит за пределы: 0,2-0,7 D (D - диаметр шарика.)

Процесс измерения проходит так:

• Образец помещается на стол и закрепляется по упору.
• На приводе ставится необходимое значение нагрузки, после чего задействуется шпиндель.
• По окончании процедуры рабочий наконечник принимает первоначальное положение. На экране можно увидеть стрелочный индикатор, который укажет величину диаметра отпечатка. Сама твердость устанавливается с помощью таблицы, расположенной на станине оборудования. Если необходимо поменять нагрузку, то для этого есть комплект переустанавливаемых штырей.

Существуют переносные инструменты, которые хорошо использовать в полевых условиях. Они оснащены струбциной, к которой крепится образец, а нагрузка создается рукояткой.

Рабочий диапазон по измерению твердости сплавов составляет 8-450 HB, что соответствует большинству марок сталей и сплавов, которые используются в производстве разных металлоконструкций. Но стоит только превысить верхний предел измерений, как точность уже не соответствует действительности, что обусловлено деформацией индентора. Не рекомендуется использовать твердосплавные шарики, если ожидаемая твердость 350-450 HB.

Главным преимуществом метода Бринелля можно считать возможность определять твердость горячих образцов. В то же время нельзя определить ее на кромках или краях деталей либо у тонких образцов.

Метод Роквелла

Буквы, обозначающие твердость по Роквеллу, - это HR. При этом методе в образец вдавливается стальной шарик либо алмазный конус.

Испытание проводится при следующих условиях:

• Предварительно образец нагружается, что позволяет избежать влияния ряда поверхностных факторов: шероховатость, температура, скорость внедрения индентора.
• Производится основная нагрузка, по которой проводится расчет результата.
• Процедура завершается снятием нагрузки.

Если данный метод сравнивать с предыдущими способами определения твердости, то здесь фигурируют три шкалы.

• A - обозначается HRA, индентор - алмазный конус, диапазон измерений: 60-80 HRA. Применима к высокоуглеродистым легированным инструментальным сталям, а также твердым сплавам.
• B - обозначается HRB, индентор - закаленный шарик, диапазон измерений: 35-100 HRB. Это уже стали средней твердости и сплавы цветных металлов.
• C - обозначается HRC, индентор - алмазный конус, диапазон измерений: 20-90 HRC. Для сталей средней твердости.

Если речь заходит про специфические условия вычисления твердости, к примеру, холоднокатаная тонколистовая сталь, то используется методика Супер-Роквелла с обозначением твердости HRN и HRT.

Оборудование тоже может быть как стационарным, так и переносным. При этом первый тип управляется при помощи электромеханического либо гидравлического привода.

Измерения по Роквеллу проводить сложнее, поскольку необходимо задавать первичную, а потом вторичную скорость перемещения индентора. К тому же алмазный рабочий наконечник имеет форму конуса, что отражается на получении результата. И определить размеры полученного отпечатка здесь гораздо сложнее.

Твердость по Шору

Метод Шора обладает главной отличительной чертой. Все описанные выше способы определения твердости металлов и прочих материалов обладали общим недостатком - на поверхности исследуемого образца появляется отпечаток. В этом случае при необходимости испытываемую деталь невозможно обратно установить в узел либо конструкцию. Методика Шора полностью исключает такую деформацию.

К тому же замер, к примеру, твердости стали, относится уже к испытанию динамического типа, и его суть сводится к следующему. К поверхности исследуемого образца подводится склероскоп (портативный твердомер), внутри которого находится стальной баек с наконечником из алмаза. Твердость определяется так: чем мягче материал, тем меньшим будет расстояние отскока, вследствие поглощения удара самим материалом. А чем тверже образец, тем большим будет отскок.

Диапазон измерений составляет от 30 до 140 HS. Закаленная высокоуглеродистая сталь соответствует значению 100 HS. А поскольку оборудование не повреждает поверхность изделий, то оно актуально для испытаний тех деталей, которые входят в конструкцию действующего узла или агрегата.

Методика проста в реализации, оценка производится довольно быстро и деталь можно снова установить в узел. Все это можно считать главными преимуществами. Тем не менее есть некоторые ограничения.

Шкала твердости HS не имеет стандарта, но есть таблицы и графики, которые позволяют перевести единицы по ШОРу в значения HV, HR или HB. На расстояние отскока бойка влияет такая характеристика, как модуль Юнга. Поэтому невозможно сопоставить единицы HS разных материалов.

К тому же твердость по ШОРу - это всего лишь сравнительное значение. Вдобавок точность результатов заметно ниже, чем у всех перечисленных выше аналогов.

Шкала Мооса

Немецкий ученый Фридрих Моос еще в далеком 1811 году предложил свой способ определения твердости разных материалов. При этом его шкала содержит значения от 1 до 10, что соответствует самым распространенным минералам, начиная с талька (самый мягкий камень) и заканчивая алмазом (самый твердый).

Сама методика очень проста и основывается на сопротивляемости исследуемого образца царапанию. К примеру, объект B может поцарапать тело C, но никак не воздействует на деталь A. Или, напротив, материал A только слегка царапает деталь B, но может сильно повредить объект C.

Несмотря на то что способ определения твердости по шкале Мооса был предложен чуть более двух веков назад, он успешно применяется по сей день. Только полученный результат дает далеко не полную информацию, поскольку здесь нет абсолютных значений и невозможно определить соотношение по твердости. Иными словами, нельзя сказать, во сколько раз один из материалов тверже либо мягче другого.

Эталоны твердости Мооса

В качестве эталона по определению твердости по методу Мооса берутся эти 10 минералов (далее в скобках будет указан присвоенноезначение):

1. Тальк.
2. Гипс.
3. Кальцит.
4. Флюорит.
5. Апатит.
6. Ортоклаз.
7. Кварц.
8. Топаз.
9. Корунд.
10. Алмаз.

Что же представляют собой эти минералы? Опишем их все вкратце ниже.

Первая пятерка

Тальк настолько мягок, что можно царапнуть ногтем. Такая же твердость у карандашей (точнее графита). По шкале соответствует единице. Многим людям он хорошо известен, так как из него изготавливается детская присыпка.

Следующий по твердости - это гипс (2), который тоже легко царапается и имеет особенное свойство. Стоит его измельчить в порошок и смешать с водой - получится пластинчатая масса, которой можно придать любую форму. Помимо белого цвета, есть оригинальные варианты желтого оттенка.

На третьем месте кальцит не случайно (3). Ногтем его уже не поцарапать, зато это можно сделать медной монетой. Такая же степень твердости у золота и серебра. Его второе название - биоминерал, и именно из него состоят раковины.

Флюорит по-другому именуется как плавиковый шпат и переводится как «текучий». Ни ногтем, ни монетой он не царапается, чего нельзя сказать про стекло или обычный нож. Его твердость, как можно понять, - 4.

На пятом месте располагается апатит (5), который еще поддается царапанию при помощи ножа или стекла (такой же характеристикой может похвастать лазурит). При помощи этого минерала добывается фосфор либо фосфорная кислота.

Вторая пятерка

Шестым в списке идет ортоклаз, который уже не берет стекло, но напильнику он противостоять не сможет. Для промышленности он ценен как источник для производства электрокерамики и фарфора. Аналогичная твердость у опала, только его нельзя использовать в качестве эталона, поскольку есть много его разновидностей и у всех свои прочностные характеристики.

На седьмом месте в нашем «рейтинге» свойств твердости располагается всем известный кварц, что соответствует его показателю - 7. Многие знают его как обычный песок. Однако он может быть и в прочих формах: в виде горного хрусталя, агата, аметиста.

Среди рассмотренных минералов самым твердым является топаз (8). Он с трудом поддается обработке, и в большинстве случаев для этого используется алмаз. Впервые он был обнаружен на острове Топазиос, что расположен в Красном море. Отсюда и пошло его название.

Корунд вроде бы идентичен по твердости алмазу, тем не менее при помощи других методик были определены его характеристики. И как итог - алмаз гораздо тверже корунда (в 90-180 раз). Рубины и сапфиры тоже приравниваются к этому минералу, а за счет своей твердости он идеально подходит для изготовления абразивных инструментов.

Замыкает всю десятку алмаз, которому из всех существующих минералов нет равных по части прочности, и его показатель по шкале твердости - заслуженная 10!

Методы измерения твердости

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.

Твердостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твердого тела. Для определения твердости в поверхность материала с определунной силой вдавливается тело (индентор), выполненное в виде стального шарика, алмазного конуса, пирамиды или иглы. По размерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твердости материала. Таким образом, под твердостью понимают сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела – индентора. В зависимости от способа измерения твердости материала, количественно ее характеризуют числами твердости по Бринеллю (НВ), Роквеллу (HRC) или Виккерсу (HV).

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. Перспективным и высокоточным методом является метод непрерывного вдавливания, при котором записывается диаграмма перемещения, возникающего при внедрении индентора, с одновременной регистрацией усилий. В зависимости от скорости приложения нагрузки на индентор твердость различают статическую (нагрузка прикладывается плавно) и динамическую (нагрузка прикладывается ударом).

Таблица 1 - Особенности различных методов измерени твердости

Способ измерения

Форма индентора

Нагружение F, H

Допустимая шероховатость поверхности Ra

Бринелля

по диаметру отпечатка

стальной шарик

статичиское

Роквелла

по глубине вдавливания

алмазный конусный наконечник или стальной шариковый

статическое

Супер-Роквелла

по глубине вдавливания

алмазный конус или стальной шарик

статическое

Виккерса

по глубине вдавливания или по диагонали отпечатка

алмазный наконечник в форме правильной черырехгранной пирамиды

статическое

по диаметру отпечатка

победитовый конус

статическое

Шора (Монотрон)

по заданной глубине отпечатка

алмазный или стальной наконеник

статическое

Мартенса

по ширине царапины

алмазный конус или пирамида

динамическое а

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

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 (например предел прочности).

Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием в испытываемый металл индентора в виде шарика, конуса и пирамиды (соответственно методы Бринелля (рис.1, а)), Роквелла (рис.1, б)) и Виккерса (рис.1, в))). 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.

Рисунок 1 - Схемы испытаний на твердость: а - по Бринеллю; б - по Роквеллу; в - по Виккерсу.

КЛАССИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЛЮ

Рисунок 2 - Схема испытиний на твердость 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. 2). В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка).

Число твердости по Бринеллю, обозначаемое HB (при применении стального шарика для металлов с твердостью не более 450 единиц) или HBW

(при применении шарика из твердого сплава для металлов с твердостью не более 650 единиц), представляет собой отношение нагрузки P к площади поверхности сферического отпечатка F и измеряется в кгс/мм2 или МПа:

, (1)

Площадь шарового сегмента составит:

, мм2, (2)

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 (3) , мм2 (4)

Число твердости по Бринеллю определяется по формуле:

, кгс/мм2 (5)

В практике при определении твердости не делают вычислений по формуле (5), а пользуются таблицами, составленными для установленных диаметров шариков, отпечатков и нагрузок. Шарики применяют диаметром 1,2; 2,5; 5; 10 мм. Диаметр шарика и нагрузка выбираются в соответствии с толщиной и твердостью образца. 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 D2. Это соотношение должно быть различным для металлов разной твердости.

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 или 200 HB 5/250/30, что означает – число твердости 200 получено при испытании шариком диаметром 5 мм под нагрузкой 250 кгс и длительности нагрузки 30 с. При испытании на твёрдость шаром из карбида вольфрама обозначение НВ дополняется буквой W с сохранением указанных индексов.

При измерении твердости по методу Бринелля необходимо выполнять следующие условия:

Образцы с твердостью выше HB 450/650 кгс/мм2 испытывать запрещается;

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

Диаметры отпечатков должны находиться в пределах 0,2D

Образцы должны иметь толщину не менее 10-кратной глубины отпечатка (или менее диаметра шарика);

Расстояние между центрами соседних отпечатков и между центром отпечатка и краем образца должны быть не менее 4d;

Продолжительность выдержки под нагрузкой должна быть от 10 до 15 с для чёрных металлов, для цветных металлов и сплавов – от 10 до 180 с, в зависимости от материала и его твёрдости.

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 РОКВЕЛЛУ

Твердость по Роквеллу - твердость, определяемая разностью между условной максимальной глубиной проникновения индентора и остаточной глубиной его внедрения под действием основной нагрузки F1, после снятия этой нагрузки, но при сохранении предварительной нагрузки Fo. 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.1, б)).

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 h.

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 h, а величину 100 – h по черной шкале при измерении конусом и величину 130 – h 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.

HRA, HRC, HRD – твердость по Роквеллу измеренная при внедрении в поверхность образца алмазного конуса.

HRB, HRE, HRF, HRG, HRH, HRK - твердость по Роквеллу измеренная при внедрении в поверхность образца стального сферического наконечника.

Твёрдость

Твёрдость - это способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела - индентора во всем диапазоне нагружения: от момента касания с поверхностью и до вдавливания на максимальную глубину. Существуют методы определения восстановленной и невосстановленной твёрдости.

Метод определения восстановленной твёрдости.

Твёрдость определяется как отношение величины нагрузки к площади поверхности, площади проекции или объему отпечатка. Различают поверхностную , проекционную и объемную твёрдость:

• поверхностная твёрдость - отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка;
• проекционная твёрдость - отношение нагрузки к площади проекции отпечатка;
• объёмная твёрдость - отношение нагрузки к объёму отпечатка.

Метод определения невосстановленной твёрдости.

Твёрдость определяется как отношение силы сопротивления к площади поверхности, площади проекции или объему внедренной в материал части индентора. Различают поверхностную , проекционную и объемную твёрдость:

• поверхностная твёрдость - отношение силы сопротивления к площади поверхности внедренной в материал части индентора;
• проекционная твёрдость - отношение силы сопротивления к площади проекции внедренной в материал части индентора;
• объёмная твёрдость - отношение силы сопротивления к объёму внедренной в материал части индентора.

Твёрдость измеряют в трёх диапазонах: макро, микро, нано. Макродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор от 2 до 30 кН. Микродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор до 2 Н и глубину внедрения индентора больше 0,2 мкм . Нанодиапазон регламентирует только глубину внедрения индентора, которая должна быть меньше 0,2 мкм . Часто твердость в нанодиапазоне называют нанотвердостью (nanohardness) [неизвестный термин ] .

Измеряемая твердость, прежде всего, зависит от нагрузки, прикладываемой к индентору. Такая зависимость получила название размерного эффекта , в англоязычной литературе - indentation size effect . Характер зависимости твердости от нагрузки определяется формой индентора:

• для сферического индентора - с увеличением нагрузки твердость увеличивается - обратный размерный эффект (reverse indentation size effect );
• для индентора в виде пирамиды Виккерса или Берковича - с увеличением нагрузки твердость уменьшается - прямой или просто размерный эффект (indentation size effect );
• для сфероконического индентора (типа конуса для твердомера Роквелла) - с увеличением нагрузки твердость сначала увеличивается, когда внедряется сферическая часть индентора, а затем начинает уменьшаться (для сфероконической части индентора).

Косвенно твердость также может зависеть от:

1. Координационного числа - чем выше число, тем выше твёрдость.
2. Природы химической связи
3. От направления (например, минерал дистен - его твёрдость вдоль кристалла 4, а поперёк - 7)
4. Гибкости - минерал легко гнётся, изгиб не выпрямляется (например, тальк)
5. Упругости - минерал сгибается, но выпрямляется (например, слюды)
6. Вязкости - минерал трудно сломать (например, жадеит)
7. и ряда других физико-механических свойств материала.

Наиболее твёрдыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода - лонсдейлит , на 58 % превосходящий по твёрдости алмаз и фуллерит (примерно в 2 раза твёрже алмаза ). Однако практическое применение этих веществ пока маловероятно. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз (10 единиц по шкале Мооса, см. ниже).

Методы измерения твёрдости

Прибор Польди

Методы определения твёрдости по способу приложения нагрузки делятся на: 1) статические и 2) динамические (ударные).

Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения):

• Метод Бринелля - твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части сферы, а не как площадь круга (твердость по Мейеру)); размерность единиц твердости по Бринеллю МПа (кг-с/мм²). Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012-59 записывают без единиц измерения. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твёрдость, англ. ), B - Бринелль;
• Метод Роквелла - твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA; твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 (130) − kd , где d - глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k - коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу по шкалам A и C составляет 100 единиц, а по шкале B - 130 единиц.
• Метод Виккерса - твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение нагрузки, приложенной к пирамидке, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части поверхности пирамиды, а не как площадь ромба); размерность единиц твёрдости по Виккерсу кг-с/мм² . Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV;
• Методы Шора:

• Дюрометры и шкалы Аскер - по принципу измерения соответствует методу вдавливания (по Шору). Фирменная и нац. японская модификация метода. Используется для мягких и эластичных материалов. Отличается от классического метода Шора некоторыми параметрами измерительного прибора, фирменными наименованиями шкал и инденторами .

Следует понимать, что хотя оба этих метода являются методами измерения твёрдости, предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие названия и совпадающие обозначения шкал это - не версии одного метода, а два принципиально разных метода с разными значениями шкал, описываемых разными стандартами.

Методы измерения твёрдости делятся на две основные категории: статические методы определения твёрдости и динамические методы определения твёрдости.

Для инструментального определения твёрдости используются приборы, именуемые твердомерами. Методы определения твердости, в зависимости от степени воздействия на объект, могут относиться как к неразрушающим, так и к разрушающим методам.

Существующие методы определения твёрдости не отражают целиком какого-нибудь одного определённого фундаментального свойства материалов, поэтому не существует прямой взаимосвязи между разными шкалами и методами, но существуют приближенные таблицы, связывающие шкалы отдельных методов для определённых групп и категорий материалов. Данные таблицы построены только по результатам экспериментальных тестов и не существует теорий, позволяющих расчетным методом перейти от одного способа определения твердости к другому.

Конкретный способ определения твёрдости выбирается исходя из свойств материала, задач измерения, условий его проведения, имеющейся аппаратуры и др.

В СНГ стандартизированы не все шкалы твёрдости.

Нормативные документы

• ГОСТ 8.062-85 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственный специальный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений твердости по шкалам Бринелля»
• ГЭТ 33-85 «Государственный специальный эталон единиц твердости по шкалам Бринелля»
• ГОСТ 24621-91 (ISO 868-85) «Определение твёрдости при вдавливании с помощью дюрометра (твёрдость по Шору)».
• ГОСТ 263-75 «Резина. Метод определения твёрдости по Шору А».
• ГОСТ 23273-78 «Металлы и сплавы. Измерение твердости методом упругого отскока бойка (по Шору)».
• ISO 2815 «Paints and varnishes - Buchholz indentation test».
• DIN 53153 «Buchholz hardness».
• ISO 14577 Metallic Materials. Instrumented indentation test for hardness and materials parameters. Part 1: Test method.

Примечания

Ссылки

• Сравнительная таблица твёрдостей в разных шкалах. (Прим.: В таблице шкала Шора соответствует методу отскока.)

Wikimedia Foundation . 2010 .

Синонимы :

Смотреть что такое "Твёрдость" в других словарях:

У этого термина существуют и другие значения, см. Твёрдость (значения). Твёрдость (также твёрдость характера, твёрдость воли) черта характера, характеризующаяся последовательностью и упорством в достижении целей или отстаивании взглядов.… … Википедия

У этого термина существует и другое значение, см. Твёрдость по Шору. При этом следует понимать, что хотя в другом значении этот метод также является методом измерения твёрдости, оба метода предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие… … Википедия

твёрдость - и; ж. 1) к твёрдый 2), 3), 4), 5), 6), 7), 8), 9) Твёрдость древесины. Твёрдость духа. Твёрдость воли, характера, убеждений. Твёрдость памяти. Твёрдость решения. Твёрдость движений … Словарь многих выражений

У этого термина существует и другое значение, см. Твёрдость по Шору. При этом следует понимать, что хотя в другом значении этот метод так же является методом измерения твёрдости, оба метода предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие… … Википедия

твёрдость по Мартенсу - склерометрическая твёрдость твёрдость по склероскопу — Тематики нефтегазовая промышленность Синонимы склерометрическая твёрдостьтвёрдость по склероскопу EN… … Справочник технического переводчика

Сопротивление металлов вдавливанию. Т. м. не является физической постоянной, а представляет собой сложное свойство, зависящее как от прочности и пластичности, так и от метода измерения. Т. м. характеризуется числом твёрдости. Наиболее… …

Твёрдость по Бринеллю - Бринелля метод [по имени шведского инженера Ю.А.Бринелля (J.A.Brinell)] способ определения твёрдости материалов вдавливанием в испытываемую поверхность стального закалённого шарика диаметром 2,5; 5 и 10 мм пр нагрузке P от 625 H до 30 кН. Число… … Металлургический словарь

Твёрдость по Виккерсу - Виккерса метод [по названию английского военно промышленного концерна Виккерс (Vickers Limited)] способ определения твёрдости материалов вдавливанием в поверхность образца или изделия алмазного индентора имеющего форму правильной четырёхгранной … Металлургический словарь

Твёрдость по Роквеллу - Роквелла метод [по имени американского металлурга С.Роквелла (S.Rockwell), разработавшего этод метод] способ определения твёрдости материалов (главным образом металлов) вдавливанием в испытываемую поверхность алмазного индентора с углом при… … Металлургический словарь

Свойство минералов оказывать сопротивление проникновению в них др. тел. Твёрдость важный диагностический и типоморфный признак минерала, функция его состава и структуры, которые в различной мере отражают условия минералообразования. Т. м … Большая советская энциклопедия