Техдиагностика-приборы неразрушающего контроля: твердомеры, профилометры, толщиномеры. Что такое твердость? Обозначение и определение твердости
Твердость – свойство металла оказывать сопротивление проникновению в него другого более твердого тела, минимум в 10 раз. Для определения твердости применяют: методы Бриннеля, Роквелла и Виккерса.
Метод Бриннеля : в испытуемый материал под определенной нагрузкой вдавливают стальной закаленный шарик определенного диаметра и по величине диаметра шарового отпечатка судят о тверости. Отпечаток имеет вид шарового сегмента. Твердость по Бриннелю (НВ) определяют из выражения НВ=Р/F, где Р – нагрузка, F – площадь поверхности шарового отпечатка. К недостаткам метода Б. необходимо отнести невозможность испытания металлов, имеющих твердость меньше 450 МПа или толщину больше 2 мм. При испытании с твердостью более 450 МПа возможна деформация шарика и результаты будут неточными.
Метод Роквелла : основан на том, что в испытуемый образец вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120 о или закаленный стальной шарик диаметром 1,59 мм. Алмазный конус – для твердых, шарик – для мягких металлов. Шарик/алмазный конус вдавливают в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок – предварительной (0,1 кН) и основной. Соответственно с этими нагрузками на индикаторе прибора нанесены шкалы: черные А и С и красные В. Шкала А – измерение твердости изделий с очень твердым поверхностным слоем; шкала С – для измерения твердости закаленных сталей; шкала В – незакаленные стали, цветные металлы и сплавы, имеющие твердость HRB 100. Метод Р. отличается простотой и высокой скоростью измерения, обеспечивает сохранение качественной поверхности после испытаний, позволяет испытывать металлы как низкой, так и высокой твердости, при толщине изделий до 0,8 мм. Этот метод не рекомендуется применять для сплавов с неоднородной структурой (чугуны серые, ковкие и высокопрочные).
Метод Виккреса : прибором ТП-2 (типа Виккерса) можно испытывать твердость изделий толщиной 0,15 мм и выше, а также поверхностные слои металла практически из любых материалов. Измерение методом В. заключается во вдавливании под нагрузкой в испытуемое изделие в течение определенного времени наконечника в виде правильной четырехгранной алмазной пирамиды. Определение твердости на приборе ТП-2 : получение отпечатка, оптическое измерение отпечатка, определение числа твердости. При определении твердости должны быть соблюдены следующие правила: нагрузка до необходимого значения должна возрастать плавно; поверхность испытуемого образца должна быть блестящей и не иметь посторонних включений; поверхность образца должна быть сухой и чистой; наконечник должен быть перпендикулярен к поверхности образца.
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:
- Координационного числа - чем выше число, тем выше твёрдость.
- Природы химической связи
- От направления (например, минерал дистен - его твёрдость вдоль кристалла 4, а поперёк - 7)
- Гибкости - минерал легко гнётся, изгиб не выпрямляется (например, тальк)
- Упругости - минерал сгибается, но выпрямляется (например, слюды)
- Вязкости - минерал трудно сломать (например, жадеит)
- 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 .
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 :- Эверс, Ганс Гейнц
- Боулдеринг
Смотреть что такое "Твёрдость" в других словарях:
Твёрдость (этика) - 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
Твёрдость по Шору (Метод вдавливания) - 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
Твёрдость по Шору (Метод отскока) - 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
Твёрдость металлов - 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
Твёрдость минералов - 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
Для корректной работы запчастей и прочих деталей, надо соблюдать все необходимые параметры изготовления. Именно в связи с этим процесс контроля так важен при производстве. У железных комплектующих существует много важных параметров, таких как вязкость, прочность или пластичность.
В статье мы поговорим о самом важном процессе – определении твердости металлов, расскажем про методы измерения и предложим таблицу для наглядности.
Понятие
Твердость заготовки – особенность материала, благодаря которой железо создает сопротивление при контакте или проникновении в его слои инородного объекта или тела. Оно не должно подвергаться деформации или разрушению при определенных нагрузках.
Данный параметр служит для следующих целей:
Контроль состояния металла по времени.
Добыча информации, касательно минимальных и максимальных допустимых значениях заготовки.
Анализ результатов обработки с применением высоких температур.
Данный критерий показывает, как деталь проявит себя в дальнейшем использовании, а также какой у нее срок годности. Для проведения исследований используется как необработанные элементы, так и готовые запчасти.
Как определить твердость металла: методы
Для его измерения существует много способов. Для получения наиболее точного результата используют сразу несколько методик. Ознакомимся с ними поближе:
по Бринеллю. Данное исследование заключается в том, что в заготовку вдавливается специальный шарик. После этого, по оставшемуся на железе следу, с помощью математических алгоритмов вычисляют его механический коэффициент.
по Роквеллу. В данном случае также используется шарик или алмазный конус. Параметр определяется с помощью расчетов или выводится на шкалу.
по Виккерсу. Данный способ является наиболее аккуратным и точным методом измерения. Для проведения исследований используется пирамидообразный наконечник, выполненный из алмаза.
Единицы измерения твердости металла: какой способ выбрать
При проведении тестов в лаборатории, необходимая методика подбирается в зависимости от характеристик и свойств детали. К таким относят:
Размер заготовки. Если образец слишком маленький или тонкий, для вычисления необходимого коэффициента используют метод Виккерса.
Приблизительное значение прочности. В зависимости от используемого материала и его количества принято использовать разные способы. Так например, твердость металла по Бринеллю и Роквеллу вычисляется, если заготовка выполнена из материалов с небольшой твердостью или из легированной стали и прочих сплавов.
Толщина заготовки. Один из главных факторов – ширина детали в месте проведения замера. Зачастую данный фактор относится к цементным и азотным слоям.
Также отметим, что все необходимые параметры задокументированы межгосударственным стандартом.
Определение твердости металлов по Бринеллю: особенности
Данный тип проверки железных заготовок проводится согласно следующим показателям:
Продолжительность давления. Для разных типов материала используется разное количество времени. Для стальных и чугунных заготовок – от 10 до 15 секунд, изделия из цветных металлов – 30 сек, в некоторых особых случаях время воздействия может увеличиться до 60-180 с.
Диаметр шарика. Название данного инструмента – индентор, и в зависимости от типа запчасти принято использовать проверочный инструмент разного диаметра. Величина варьируется от 1 до 10 миллиметров.
Пиковая величина твердости. При использовании шарика, выполненного из стали – 450 НВ, если используется твердый сплав – 650 НВ.
Максимальные возможные нагрузки. При измерении прочности используются специальные грузы, которые регулируют силу давления на исследуемую деталь. Минимальное значение такого элемента – 153.2 Н, максимальное – 29420 Н.
Таблица по Бринеллю:
| Твердость по Бринеллю D = 10 мм, Р = 3000 кгс), НВ | Твердость по Роквеллу (шкала С, Р = 150 кгс), HRC | Твердость по Виккерсу, HV | Твердость по Шору, HSD |
|---|---|---|---|
| 143 | - | 143 | 23 |
| 149 | - | 149 | 24 |
| 156 | - | 155 | 26 |
| 163 | 2 | 162 | 27 |
| 170 | 4 | 171 | 28 |
| 179 | 7 | 178 | 29 |
| 187 | 9 | 186 | 30 |
| 197 | 12 | 197 | 31 |
| 207 | 14 | 208 | 33 |
| 217 | 17 | 217 | 34 |
| 229 | 20 | 228 | 36 |
| 241 | 23 | 240 | 38 |
| 255 | 25 | 255 | 40 |
| 269 | 27 | 270 | 42 |
| 285 | 29 | 285 | 44 |
| 302 | 31 | 303 | 46 |
| 321 | 33 | 320 | 49 |
| 341 | 36 | 344 | 51 |
| 363 | 39 | 380 | 54 |
| 388 | 41 | 401 | 57 |
| 143 | - | 143 | 23 |
| 149 | - | 149 | 24 |
| 156 | - | 155 | 26 |
| 163 | 2 | 162 | 27 |
| 170 | 4 | 171 | 28 |
| 179 | 7 | 178 | 29 |
| 187 | 9 | 186 | 30 |
| 197 | 12 | 197 | 31 |
| 207 | 14 | 208 | 33 |
| 217 | 17 | 217 | 34 |
| 229 | 20 | 228 | 36 |
| 241 | 23 | 240 | 38 |
| 255 | 25 | 255 | 40 |
| 269 | 27 | 270 | 42 |
| 285 | 29 | 285 | 44 |
| 302 | 31 | 303 | 46 |
| 321 | 33 | 320 | 49 |
| 341 | 36 | 344 | 51 |
| 363 | 39 | 380 | 54 |
| 388 | 41 | 401 | 57 |
| 415 | 43 | 435 | 61 |
| 444 | 46 | 474 | 64 |
| 477 | 49 | 534 | 68 |
| 514 | 52 | 587 | 73 |
| 555 | 56 | 650 | 78 |
| 600 | 60 | 746 | 84 |
| 653 | 64 | 868 | 91 |
| 682 | 66 | 941 | 94 |
| 712 | 68 | 1022 | 98 |
| 745 | 70 | 1116 | 102 |
| 780 | 72 | 1220 | 106 |
Измерение твердости металлов по методу Бринелля
Для вычисления необходимого параметра данным способом необходимо выполнить следующую последовательность действий:
Проверьте заготовку на соответствие требованиям межгосударственного стандарта.
Убедитесь в исправности прибора.
Подберите подходящий наконечник, задайте необходимое усилие, а также установите грузик задайте время.
Запустите прибор и начните проверку материала.
Измерьте диаметр деформации.
Вычислите необходимую величину.
Для выполнения последнего пункта вам понадобится следующая формула:
Из этого получим:
- НВ = (0,102*F) / (T*D*h)
- D – диаметр используемого наконечника, измерения проводятся в мм,
- h – длина отпечатка вглубь, величина – миллиметры.
Данная методика отличается повышенной точностью, особенно при проверке мягких материалов. Является одним из основных и самых популярных способов измерения твердости металлов и сплавов.
Определение твердости металла по Роквеллу
Данный способ появился еще в начале 20 века и отличается более автоматизированным процессом. Отметим, что данный тип проверок используется чаще всего для заготовок из твердого металла.
К характеристикам данной методики можно отнести:
Время проверки – от 10 секунд до минуты.
Показатель на корпусе приспособления для проверки можно вычислить арифметически.
Пиковые показатели – HRA 20-800, HRB 20-100, HRC 20-70.
Инденторы. Выделяют 11 шкал в зависимости от используемого наконечника, чаще всего используют А, В или С.
Рассмотрим типы наконечников:
А – конусообразное изделие, выполненное из алмаза. Пиковая величина давления – 60 кгс. Такие приборы используют в основном для проверки тонкого проката.
В – шарообразные индентор, размер которого составляет 1,588 миллиметра. Чаще всего выполнен из закаленной стали. Его тяжесть составляет 100 кгс. Применим для заготовок из отожженных материалов.
С – алмазный наконечник, нажатие которого составляет 150 кгс. Использовать данное приспособление следует при проверке закаленных материалов.
Пробы можно проводить неоднократно. Их количество зависит лишь от размера заготовки. Расстояние между местом проведения измерения должно составлять около четырех диаметров наконечника. Также следует обратить внимание, что данный способ применим не ко всем металлам. Толщина изделия должна быть как минимум в десять раз больше, чем глубина вхождения индентора.
Таблица по Роквеллу:
Чтобы выполнить проверку данным способом вам понадобится выполнить следующие действия:
Проверьте размеры и параметры заготовки.
Выберите необходимый индентор и укажите нагрузку.
Зафиксируйте деталь.
Выполните первичную нагрузку, величина которой должна составить 10 кгс.
Проведите полную проверку.
Полученный результат появится на шкале прибора.
Для проверки результата можно вычислить итог путем математического расчета.
Если вы используете алмазный индентор, нажатие которого составляет 60-150 кгс:
- HR = 100 - ((H-h) / 0.002)
При применении железного шарообразного наконечника с давлением около 100 кгс, следует использовать следующую формулу:
- HR = 130 - ((H-h) / 0.002)
- h – длина вдавливания индентора вглубь при первом давлении,
- Н – аналогичная величина при повторной, полной нагрузке,
- 0,002 – показатель перемещения наконечника при смещении твердости на одну единицу.
Данная методика является наиболее простой из всех предложенных, однако отличается не самым точным результатом. Несмотря на это, она позволяет рассчитывать коэффициенты для сплавов из твердых металлов.
Способы определения твердости металлов: метод Виккерса
Данный тип проверки является самым простым и точным. Вся процедура заключается во вдавливании алмазного пирамидообразного индентора в корпус заготовки. У данного приема существуют следующие характеристики:
Наконечник. Используется алмазный индентор под углом 136 градусов.
Время давления – 10-15 секунд.
Пиковая величина нагрузки. Для чугуна и изделий из стали – от 5 до 100 кгс, сплавы из меди выдерживают от 2,5 до 50 кгс, заготовки из алюминия – от 1 до 100 кгс.
Проверяемые материалы. Данный способ подразумевает исследование следующих металлов – стальные сплавы и цветмет с 450-500 НВ, а также, прошедшие химическую и термическую обработку.
Следуйте инструкции для выполнения проверки данным способом:
Убедитесь в пригодности заготовки и корректной работе аппаратуры.
Назначьте максимально допустимое усилие.
Зафиксируйте запчасть.
Запустите прибор.
Получите итоговые числа на экране устройства.
Если вы хотите проверить результат путем математического анализа, обратитесь к предложенной формуле:
- HV = 1.8544 * (F / d2)
- HV – единица твердости металла,
- F – усилие, измерения производятся в кгс,
- d – величина отпечатка в миллиметрах.
Данная методика служит для высокоточных исследований тонких заготовок, а также изделий маленького размера. Способ позволяет получить максимально точную цифру.
Благодаря собственному производству мы предлагаем оборудование европейского качества по выгодным ценам. Функционал наших приборов повторяет, а во многом даже превосходит импортные системы.
Для получения подробной информации и консультации обращайтесь к нам по телефону, указанному на сайте. Наш оператор ответит на все возникшие вопросы.
Определение твердости металлов и сплавов: соответствия между разными типами измерений
Имея на руках результат одного способа проверки, можно получить данные в других шкалах. Для этого существуют таблицы соответствия. Ознакомимся с ними поближе:
Данная таблица обладает высокой точностью, так как составлена путем неоднократных исследований.
В статье мы рассказали про методы измерения твердости металлов и сплавов, рассмотрели их особенности, дали подробные инструкции и предложили таблицу соответствия. Для более точных измерений используйте качественное оборудование. Его вы найдете в нашем каталоге.
Твердость -- свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твёрдого тела -- индентора.
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.
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 2Н до 30 кН. Микродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор до 2 Н и глубину внедрения индентора больше 0,2мкм. Нанодиапазон регламентирует только глубину внедрения индентора, которая должна быть меньше 0,2 мкм. Часто твердость в нанодиапазоне называют нанотвердостью (nanohardness).
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 -- 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. Межатомных расстояний.
2. Координационного числа -- чем выше число, тем выше твёрдость.
3. Валентности.
4. Природы химической связи
5. От направления (например, минерал дистен -- его твёрдость вдоль кристалла 4, а поперёк -- 7)
6. Хрупкости и ковкости
7. Гибкости -- минерал легко гнётся, изгиб не выпрямляется
8. Упругости -- минерал сгибается, но выпрямляется
9. Вязкости -- минерал трудно сломать (например, жадеит)
10. Спайности
11. 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. Однако практическое применение этих веществ пока маловероятно. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз.
Методы определения твёрдости по способу приложения нагрузки делятся на: 1)статические и 2) динамические (ударные).
Для измерения твёрдости существует несколько шкал:
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; размерность единиц твердости по Бринеллю МПа (кг-с/ммІ). Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012-59 записывают без единиц измерения. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness, 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; размерность единиц твёрдости по Виккерсу кг-с/ммІ. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV;
Методы Шора:
Твёрдость по Шору (Метод вдавливания) -- твёрдость определяется по глубине проникновения в материал специальной закаленной стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины. В данном методе измерительный прибор именуется дюрометром. Обычно метод Шора используется для определения твердости низкомодульных материалов (полимеров). Метод Шора, описанный стандартом ASTM D2240, оговаривает 12 шкал измерения. Чаще всего используются варианты A (для мягких материалов) или D (для более твердых). Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается буквой используемой шкалы, записываемой после числа с явным указанием метода.
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.
Твёрдость по Шору (Метод отскока) -- метод определения твёрдости очень твёрдых (высокомодульных) материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боёк (основная часть склероскопа -- измерительного прибора для данного метода), падающий с определённой высоты. Твердость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка. Основные шкалы C и D. Обозначается HSx, где H -- Hardness, S -- Shore и x -- латинская буква, обозначающая тип использованной при измерении шкалы.
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.
Метод Кузнецова -- Герберта -- Ребиндера -- твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл;
Метод Польди (двойного отпечатка шарика) -- твердость оценивается в сравнении с твердостью эталона, испытание производится путем ударного вдавливания стального шарика одновременно в образец и эталон;
Шкала Мооса -- определяется по тому, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый материал, и какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом.
Метод Бухгольца -- метод определения твердости при помощи прибора «Бухгольца». Предназначен для испытания на твердость (твердость по Бухгольцу) полимерных лакокрасочных покрытий при вдавливании индентора «Бухгольца». Метод регламентируют стандарты ISO 2815, DIN 53153, ГОСТ 22233.
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.
Таганрогский Государственный Радиотехнический Университет
Кафедра Механики
Реферат
Выполнил:
Студент гр. Р-99
Андриевский В. А.
Проверил:
доцент кафедры механики
Шаповалов Р. Г.
Таганрог 2001
Методы определения твердости металлов
Одной из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность их применения в различных конструкциях и при различных условиях работы, является твердость. Испытания на твердость производятся чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.
Твёрдостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твёрдого тела. Для определения твёрдости в поверхность материала с определённой силой вдавливается тело (индентор), выполненное в виде стального шарика, алмазного конуса, пирамиды или иглы. По размерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твёрдости материала. В зависимости от способа измерения твёрдости материала, количественно её характеризуют числом твёрдости по Бринелю (НВ), Роквеллу (HRC) или Виккерсу (HV) .
Указанные механические характеристики связаны между собой, поэтому их конкретные значения могут быть найдены расчётным путём на основе данных о твёрдости с помощью формул, полученных для конкретного материала с определённой термообработкой. Так, например, предел выносливости на изгиб сталей с твёрдостью 180-350 НВ равен примерно 1,8 НВ, с твёрдостью 45-55 HRC - 18 HRC+150, связь предела выносливости с пределом прочностистали описывается соотношениями:
Конкретным образцам конструкционных материалов, а также выполненным из них изделиям, присуща индивидуальность прочностных и упругих характеристик. Разброс их значений для различных образцов, выполненных из одного и того же материала, обусловлен статистической природой прочности твёрдых тел, различием структур внешне одинаковых образцов. Из-за неопределённости реальных механических характеристик материала, неопределённости некоторых внешних нагрузок, действующих на технический объект, погрешности расчётов для обеспечения безопасной работы проектируемых конструкций должны быть приняты соответствующие проектному этапу обеспечения надёжности меры предосторожности. В качестве такой меры используется понижение в n раз относительно опасного напряжения материала (предела прочности, предела текучести, предела выносливости или предела пропорциональности) величины максимально допускаемых напряжений, используемых в условии прочности. Величина n получила название нормативного коэффициента запаса прочности , который выбирается по таблице или рассчитывается как произведение
n = n 1 * n 2 * n 3 ,
где n 1 -учитывает среднюю точность определения напряжений, n 2 -учитывает неопределённость механических характеристик материала, n 3 -учитывает среднюю
степень ответственности проектируемой детали.
Существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерять вдавливанием индентора (способ вдавливания), ударом или же по отскоку наконечника – шарика. Твердость, определенная царапаньем, характеризует сопротивление разрушению, по отскоку – упругие свойства, вдавливанием сопротивление пластической деформации. В зависимости от скорости приложения нагрузки на индентор твердость различают статическую (нагрузка прикладывается плавно) и динамическую (нагрузка прикладывается ударом).
Широкое распространение испытаний на твердость объясняется рядом их преимуществ перед другими видами испытаний:
простота измерений, которые не требуют специального образца и могут быть выполнены непосредственно на проверяемых деталях;
высокая производительность;
измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению;
возможность ориентировочно оценить по твердости другие характеристики металла, в первую очередь предел прочности.
Так,
например, зная твердость по Бринеллю
(HB),
можно определить предел прочности на
растяжение
(временное сопротивление).
,
где k – коэффициент, зависящий от материала;
k = 0,34 – сталь HB 120 … 175;
k = 0,35 – сталь HB 175 … 450;
k = 0,55 – медь, латунь и бронза отоженные;
k = 0,33 … 0,36 – алюминий и его сплавы.
Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием в испытываемый металл индентора в виде шарика, конуса и пирамиды (соответственно методы Бринелля, Роквелла и Виккерса). В результате вдавливания достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Величина внедрения наконечника в поверхность металла будет тем меньше, чем тверже испытываемый материал.
Таким образом под твердостью понимают сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела – индентора.
