Твердость – главный показатель качества инструмента. Что такое твердость материала?

Содержание

Этот метод позволяет легче и точнее определять твердость металлов. Принцип работы твердомера основан на вдавливании алмазного наконечника пирамидальной формы в образец.

Твердость металлов

Практически нет такой области жизни, в которой бы не использовались металлы и/или их сплавы. Этот пластик устойчив к воздействию экстремальных температур и агрессивных веществ и используется для изготовления деталей, корпусов и узлов, подвергающихся высоким динамическим и статическим нагрузкам.

Твердость — это свойство металла, характеризующее его способность сопротивляться изменению формы при контакте с другим, более твердым предметом.

По этой причине эксперты называют твердость одним из важнейших физических показателей металла. Для измерения сопротивления деформации используются различные методы, от глубины полости, образующейся при вдавливании алмазного или твердосплавного конуса в материал, до высоты, на которую отскакивает стальной шарик при падении на испытуемый объект.

В зависимости от того, как воздействовать на объект тестирования, метод называется статическим или динамическим. Таблицы Бринелля, Виккерса и Роквелла относятся к первым. Вид нагрузок, прикладываемых к материалам, силы и другие особенности их приложения во время испытаний подробно описаны в ГОСТе:

  • 1497-84 — государственный стандарт содержит процедуры определения прочности на разрыв металлических предметов. Документ рекомендует изготавливать образцы на отрезных станках с минимальными геометрическими параметрами,
  • 25.503-97 — введен взамен ГОСТ 25.503-80 для испытания прочности на разрыв под давлением,
  • 14019-80 — стандарт на испытание пластичности металлических деталей.

Динамический тест был изобретен учеными Альбертом Шором, Николаем Бауманом и другими. Исследовательские лаборатории и компании используют один или несколько методов для определения твердости металлов перед серийным производством продукции или изготовлением одной детали.

Среди методов динамических испытаний наиболее часто используется метод, разработанный Альбертом Шором. Для получения дополнительной информации о методах испытания на твердость см. эту статью.

Определение твердости металла по Бринеллю

Метод был изобретен Йоханом Бринеллом, шведским металлургом, который предложил проверять твердость металлов и сплавов статической нагрузкой. Для этого используется верстак, который может оказывать на заготовку давление не менее 30 кН. Индентор (предмет, используемый для проверки твердости материала) представляет собой шарик, изготовленный из твердого сплава.

Процедура определения характеристики выглядит следующим образом

  • заготовка помещается на рабочую поверхность верстака,
  • Головка пресса постепенно опускается на шар,
  • Давление прикладывается к стали в течение 10-15 минут,
  • Физические характеристики глубины вдавливания определяют свойства испытываемого материала.

Восстановленная твердость при вдавливании определяется как отношение между приложенной нагрузкой и площадью вдавливания по следующей формуле.

  • F — нагрузка,
  • D — диаметр вдавливания,
  • D — диаметр вдавливания; d — размер вдавливания.

Для испытаний должны использоваться шары диаметром 10 мм, но в некоторых случаях могут использоваться меньшие углубления (1, 2, 2,5, 5 мм).

Для невосстановленной выемки определение несколько иное, с учетом зависимости между нагрузкой и объемом выемки (часть вмятины, вдавленная в деталь), по формуле

где h — глубина вмятины, оставленной индентором.

Твердость металлов по Бринеллю, например, 550 HWB 10/3100/12, определяется следующим образом

550 — числовое значение в кгс/мм²,

  • 10 — диаметр шара,
  • 3100 — усилие сжатия при испытании образца в кгс,
  • 12 — это количество секунд, необходимое для проведения теста.

Определение твердости металла по Роквеллу

Впервые метод был подробно описан в книге «Конусный тест» профессора Людвига из Вены под термином «Конусный тест». Твердомер со стальной или алмазной насечкой был изобретен Хью и Стэнли Роквеллами как прибор для оценки состояния термообработки материала за очень короткое время. Роквеллам нужен был способ быстрого анализа стали для производства подшипников.

Согласно описанному методу, твердость стали и других сплавов делится на одиннадцать шкал, которые обозначаются буквами латинского алфавита от А до Т. Твердость стали измеряется сферическим тестом. Для испытания используются сферические углубления (материал — инструментальная сталь или карбид вольфрама) и конический алмазный наконечник с закругленной головкой под углом 120 градусов. Тип расчета:

В шкалах Роквелла используются стандартные нагрузки в 60, 100 или 150 кгс (чем мягче сплав, тем меньше нагрузка на образец). Обозначение твердости по Роквеллу — HS, в зависимости от шкалы добавляется третья латинская буква. Например, HSA — это шкала A для материала, испытанного наконечником с алмазным шариком при нагрузке 60 кгс, а HRC и HRG — это шкалы для образцов, испытанных с максимальной нагрузкой 150 кгс.

После воздействия вмятины на поверхности испытываемого образца или компонента остается насечка, указывающая на твердость. На практике используются кинематические, динамические и статические методы измерения твердости.

Твердость – главный показатель качества инструмента

Выбирая инструмент для работы, мы сталкиваемся со свойством его твердости, которое характеризует его качество. Чем выше твердость, тем больше способность сопротивляться пластической деформации и износу обрабатываемого материала. Это значение определяет, будет ли зуб пилы изгибаться при распиливании заготовок или какую проволоку могут перекусить кусачки.

Из всех существующих методов определения твердости сталей и цветных металлов испытание на твердость по Роквеллу является наиболее распространенным и точным.

Метод Роквелла - определение твердости металла

Метод Роквелла — определение твердости металлов

Показатели твердости по Роквеллу измеряются и определяются с помощью метода испытания на твердость по Роквеллу в соответствии с ГОСТ 9013-59. В этом методе на испытуемый материал наносят удар либо алмазным конусом, либо твердосплавным шариком. Алмазные шарики используются для испытания закаленных сталей и твердых сплавов, а твердосплавные шарики — для менее твердых и относительно мягких металлов. Измерения проводятся с помощью механических или электронных твердомеров.

Твердость по Роквеллу может быть измерена в нескольких шкалах твердости A, B, C, D, E, F, G, H (всего 54), причем каждая шкала твердости имеет наивысшую точность в относительно узком диапазоне.

Для измерения высоких значений твердости с помощью алмазного конуса обычно используются шкалы твердости «А» и «С». Они используются для испытания образцов закаленных инструментальных сталей и других твердых стальных сплавов. Напротив, сравнительно более мягкие материалы, такие как алюминий, медь, латунь и отожженные стали, испытываются с помощью вдавливания шариков по шкале B.

Примером определения твердости по Роквеллу является: 58 HRC или 42 HRB.

Предшествующие цифры обозначают число или единицу измерения. Две следующие буквы обозначают символ твердости по Роквеллу, а третья буква — испытуемую шкалу.

(!) Два одинаковых значения из разных шкал не являются одинаковыми, например, 58 HRC ≠ 58 HRA. Значения по Роквеллу можно сравнивать только в том случае, если они относятся к одной и той же шкале.

Шкала Роквелла в соответствии с ГОСТ 8.064-94

A 70-93 HR
B 25-100 HR
C 20-67 HR

Слесарный инструмент

Инструменты для ручной металлообработки (резание, разделение, опиливание, пробивка, штамповка, маркировка) изготавливаются из нелегированной и легированной инструментальной стали. Их рабочие части закаливаются до определенной твердости, которая должна находиться в определенных пределах:

Пильные диски, напильники 58 — 64 HRC
Зубила, крестовые кусачки, стамески, сверла, шаберы 54 — 60 HRC
Молотки (молоток, пальцы) 50 — 57 HRC

Монтажный инструмент

К ним относятся различные гаечные ключи, отвертки и плоскогубцы. Значения твердости их рабочих частей указаны в соответствующих стандартах. Это очень важная величина, от которой зависит износостойкость и стойкость инструмента к поломкам. Ниже приведены подходящие значения для конкретных инструментов:

Относительное измерение твердости при помощи напильников

Стационарные и портативные твердомеры стоят дорого, поэтому их приобретение оправдано только необходимостью частого использования. Многие мастера делают своим делом измерение твердости металлов и сплавов относительно подручными средствами.

Измерение твердости при помощи напильников - фото

Использование пластинок для измерения твердости

Обработка образца напильником — один из самых доступных, но не самый объективный способ проверки твердости стальных деталей, инструментов и приспособлений. Напильник должен иметь тупую, среднюю двойную насечку №3 или №4. Устойчивость к шлифованию и последующему шабрению позволяет даже при небольшом навыке отличить нечувствительную сталь от стали средней твердости (40 HRC) или закаленной стали (55 HRC).

Для более точного тестирования существуют наборы для бальзамирования напильников, также известные как тестеры твердости царапин. Они используются для проверки зубьев пил, фрез и зубчатых колес. Каждый файл содержит определенное значение Роквелла. Твердость измеряется путем кратковременного задирания металлической поверхности одним напильником из каждого набора напильников. Затем выбираются два близких по размеру — самый твердый, который оставил царапину, и наименее твердый, который не поцарапал поверхность. Твердость испытываемого металла будет находиться между значениями твердости двух камней.

Это интересно:  Замена внутреннего стекла духовки газовой плиты Гефест. Рекомендации. Как снять стекло с духовки гефест газовой плиты

Переводная таблица твердости

Существует справочная таблица для сравнения показателей твердости по Роквеллу, Бринеллю и Виккерсу, а также для пересчета из одного метода в другой:

Виккерс, Х.В. Бринелль, HB Роквелл, HRB
100 100 52.4
105 105 57.5
110 110 60.9
115 115 64.1
120 120 67.0
125 125 69.8
130 130 72.4
135 135 74.7
140 140 76.6
145 145 78.3
150 150 79.9
155 155 81.4
160 160 82.8
165 165 84.2
170 170 85.6
175 175 87.0
180 180 88.3
185 185 89.5
190 190 90.6
195 195 91.7
200 200 92.8
205 205 93.8
210 210 94.8
215 215 95.7
220 220 96.6
225 225 97.5
230 230 98.4
235 235 99.2
240 240 100
Виккерс, Х.В. Бринелль, HB Роквелл, HRC
245 245 21.2
250 250 22.1
255 255 23.0
260 260 23.9
265 265 24.8
270 270 25.6
275 275 26.4
280 280 27.2
285 285 28.0
290 290 28.8
295 295 29.5
300 300 30.2
310 310 31.6
320 319 33.0
330 328 34.2
340 336 35.3
350 344 36.3
360 352 37.2
370 360 38.1
380 368 38.9
390 376 39.7
400 384 40.5
410 392 41.3
420 400 42.1
430 408 42.9
440 416 43.7
450 425 44.5
460 434 45.3
470 443 46.1
490 47.5
500 48.2
520 49.6
540 50.8
560 52.0
580 53.1
600 54.2
620 55.4
640 56.5
660 57.5
680 58.4
700 59.3
720 60.2
740 61.1
760 62.0
780 62.8
800 63.6
820 64.3
840 65.1
860 65.8
880 66.4
900 67.0
1114 69.0
1120 72.0

После выдержки в течение 3,5 секунд под общей нагрузкой P снимается основная нагрузка P1 и измеряется глубина проникновения индентора в материал A под действием общей нагрузки P; затем снимается оставшаяся предварительная нагрузка P0.

Единицы измерения твердости

Каждый метод измерения сопротивления металла пластической деформации имеет свою собственную методику и единицы измерения.

Твердость мягких металлов измеряется по методу Бринелля. Данный метод распространяется на цветные металлы (медь, алюминий, магний, свинец, олово) и их сплавы, чугун (кроме белого чугуна) и отожженные стали.

Твердость по Бринеллю определяется путем вдавливания закаленного, полированного шарика из стали ШХ15 для подшипников. Окружность шарика зависит от испытываемого материала. Для твердых материалов — всех видов стали и чугуна — 10 мм, для более мягких материалов 1 — 2 — 2,5 — 5 мм. Необходимая нагрузка, прикладываемая к шару:

  • Черные сплавы — 30 кгс/мм2,
  • медь и никель — 10 кгс/мм2,
  • алюминий и магний — 5 кгс/мм2.

Единицей измерения твердости является числовое значение, за которым следует цифровой индекс HB, например, 200 HB.

Твердость по Роквеллу определяется путем приложения различных усилий к заготовке. Сначала прикладывается предварительная нагрузка, затем общая нагрузка, при которой в образец вдавливается выемка и оставляется стоять.

В испытуемый образец вставляется алмазная пирамидка (конус) или шарик из карбида вольфрама (закаленная сталь). Глубина углубления измеряется после снятия нагрузки.

Единица измерения твердости должна быть в условных единицах. Принято считать, что единицей измерения является осевое смещение конуса, которое равно 2 мкм. Определение твердости маркируется тремя буквами HR (A, B, C) и числовым значением. Третья буква в маркировке указывает на масштаб.

Метод указывает на тип оттиска и действующую на него нагрузку.

Тип шкалы Инструмент Применяемая нагрузка, кгс
А Алмазный конус с углом острия 120° 50-60
В 1/16″ шар 90-100
С Алмазный конус с углом острия 120° 140-150

В основном используются измерительные шкалы A и C. Например, твердость стали составляет HRC 26…32, HRB 25…29, HRA 70…75.

Измерения твердости по Виккерсу проводятся на деталях с небольшой толщиной или на деталях с тонким, твердым поверхностным слоем. В качестве лезвия используется стандартный квадратный пирамидальный нож с углом вершины 136°. Отображаемые значения твердости следующие: 220 В.

Твердость по Шору определяется путем измерения отскока падающего ударного элемента. Это обозначается цифрами и буквами, например, 90 HSD.

Испытания на микротвердость используются, когда необходимо определить размеры мелких деталей, тонких покрытий или структуру конкретного сплава. Измерение производится путем измерения краевого надреза определенной формы. Значение задается следующим образом:

0,196 — Пиковая нагрузка, Н,

2800 — числовое значение твердости, Н/мм 2 .

Твердость основных металлов и сплавов

Значение твердости измеряется на готовых деталях, поставляемых для сборки. Значение твердости проверяется на соответствие проекту и процессу производства. Для всех базовых материалов уже существуют таблицы со значениями твердости в исходном состоянии и после термообработки.

Цветные металлы

Твердость меди по Бринеллю составляет 35 HV, а твердость латуни — 42-60 единиц HV в зависимости от марки. Твердость алюминия составляет 15-20 HV, в то время как твердость дюралюминия — 70 HV.

Черные металлы

Твердость по Роквеллу HRC 22 чугуна СЧ20 составляет 220 HV. Сталь: Твердость инструмента составляет 640-700 НВ, нержавеющей стали — 250 НВ.

Таблицы используются для перевода из одной системы измерения в другую. Их ценности не являются истинными, потому что они происходят от империи. Таблица не показывает весь объем.

HB HV КПЧ HRA HSD
228 240 20 60.7 36
260 275 24 62.5 40
280 295 29 65 44
320 340 34.5 67.5 49
360 380 39 70 54
415 440 44.5 73 61
450 480 47 74.5 64
480 520 50 76 68
500 540 52 77 73
535 580 54 78 78

Значения твердости, даже если они определены одним и тем же методом, зависят от приложенной нагрузки. Чем меньше нагрузка, тем выше измеренное значение.

Методы измерения твердости

Все методы определения твердости металлов основаны на механическом воздействии на образец — вдавливании. Однако это не повреждает образец.

Метод испытания твердости по Бринеллю был первым стандартизированным методом в материаловедении. Принцип испытания образцов описан выше. Применяется ГОСТ 9012, но можно рассчитать значение по формуле, если точно измерить вдавливание в образце:

HB=2P/(pD*√(D 2-d 2 ),

  • где P — приложенная нагрузка, кгс,
  • D — окружность сферы, мм,
  • d — окружность углубления, мм. Шар должен быть выбран пропорционально толщине образца. Нагрузка рассчитывается заранее с использованием стандартов, применимых к соответствующим материалам: черные сплавы — 30D 2, медь и ее сплавы — 10D 2, бронза, свинцовая медь — 2,5D 2 .

Условное изображение принципа испытания

Иллюстрация принципа проведения теста

Процедура испытания по Роквеллу схематически изображена в соответствии с ГОСТ 9013 следующим образом

Метод измерения твердости по Роквеллу

Метод испытания на твердость по Роквеллу

Общая приложенная нагрузка равна сумме начальной нагрузки и нагрузки, необходимой для испытания. На дисплее прибора отображается разница в глубине проникновения между начальной нагрузкой и испытательной нагрузкой h-h0.

Метод Виккерса регламентирован ГОСТ 2999. Схематично это показано ниже.

Метод Виккерса

Математическая формула для расчета: HV=0,189*P/d 2 МПа HV=1,854*P/d 2 кгс/мм 2 Приложенная нагрузка составляет от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Значения определяются по таблицам в зависимости от измеренной глубины проникновения d.

Метод Шора

Метод считается эмпирическим и имеет большой разброс в измеренных значениях. Однако устройство имеет простую конструкцию и может использоваться для измерения больших и изогнутых компонентов.

Твердость по шкале Мооса металлов и сплавов можно измерить путем нанесения царапин. Однажды Моос предложил поцарапать поверхность предмета более твердым минералом. Он разделил известные минералы на десять позиций в соответствии с их твердостью. Тальк находится на первом месте, а алмаз — на последнем.

После измерения одним методом перевод в другую систему является весьма произвольным. Существуют только однозначные значения коэффициентов твердости по Бринеллю и Роквеллу, которые часто используются инженерами-механиками. Эта зависимость обусловлена изменением диаметра шарика.

г, мм HB HRA КПЧ 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

Твердость по шкале Мооса металлов и сплавов можно измерить путем нанесения царапин. Однажды Моос предложил поцарапать поверхность предмета более твердым минералом. Он разделил известные минералы на десять позиций в соответствии с их твердостью. Тальк находится на первом месте, а алмаз — на последнем.

Измерение твердости по Виккерсу

Метод Виккерса для измерения твердости регламентирован ГОСТ 2999. Метод используется для определения твердости деталей и металлических изделий с малой толщиной и тонкими поверхностными слоями с высокой твердостью.

Это интересно:  Как и сколько можно хранить бензин в домашних условиях. Сколько можно хранить бензин в канистре металлической.

Твердость по Виккерсу измеряется путем вдавливания вершины алмаза в форме правильной четырехгранной пирамиды под действием нагрузки P в течение времени выдержки t. Затем алмаз удаляется. После снятия нагрузки измеряются диагонали вмятин, оставшихся на поверхности материала, d1 и d2, и вычисляется их среднее арифметическое значение, d, мм.

Значения твердости по Виккерсу при типичных нагрузках в зависимости от длины диагонали d (мм) приведены в соответствующих таблицах.

Схема измерения твердости по Виккерсу

Используются следующие испытательные нагрузки P, кгс: 1, 2, 2.5, 3, 5, 10, 20, 30, 50, 100. Твердость по Виккерсу обозначается цифрой, указывающей значение твердости, за которой следует символ HV (например, 200 HV). Иногда символ ВН дополняется нагрузкой и временем выдержки, например: 200 HV 10/40 — твердость по Виккерсу при нагрузке P=10 кгс и времени выдержки t=40 с.

ГОСТ гласит, что не существует точного преобразования чисел твердости по Виккерсу в числа твердости, определенные другими методами, или в механические свойства при растяжении, и что таких преобразований следует избегать (за исключением особых случаев).

Измерение твердости по Роквеллу

Измерение твердости по Роквеллу регламентируется ГОСТ 9013. При испытании на твердость по этому методу в образец вдавливается вмятина (алмазный конус или стальной шарик) под действием двух последовательно приложенных сил — предварительной нагрузки P0 (обычно P0 = 10 кгс) и общей нагрузки P. Общая нагрузка представляет собой сумму предварительной и общей нагрузок. Общая нагрузка равна сумме предварительной нагрузки P0 и основной нагрузки P1:

После выдержки в течение 3,5 секунд под общей нагрузкой P снимается основная нагрузка P1 и измеряется глубина проникновения индентора в материал A под действием общей нагрузки P; затем снимается оставшаяся предварительная нагрузка P0.

Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах. Единицей твердости по Роквеллу является значение, соответствующее осевому смещению вставки на 0,002 мм. Число твердости можно прочитать на шкале индикатора (обычно это стрелка часов). Эффект вдавливания — это разница в глубине (h-h0), на которую вдавливается индентор при двух последовательных нагрузках, и поэтому вычитается из константы. Значение h0 — это глубина, на которую анкер вдавливается в испытуемый образец под действием предварительной нагрузки P0.

В зависимости от формы дюбеля и приложенной нагрузки используются три измерительные шкалы: A, B, C. Наиболее часто используемые шкалы — A и C.

Номер твердости по Роквеллу обозначается цифрами, описывающими значение твердости, за которыми следует символ HRA, HRB или HRC (в зависимости от используемой шкалы измерения), например: 28 HRC

Схема измерения твердости по Роквеллу

Шкалы для измерения твердости по Роквеллу

Шкалы используемые при измерении твердости по Роквеллу

Измерение твердости по Шору

Метод измерения твердости по Шору регламентирован ГОСТ 23273. Это основной метод определения поверхностной твердости валков при изготовлении, поставке в сталелитейную промышленность и использовании валков в прокатных станах.

При измерении твердости по Шору молоток с алмазной вставкой на конце свободно вертикально падает с определенной высоты h = 19,0 ± 0,5 мм на испытываемую поверхность. Индентор представляет собой алмазный наконечник в виде тела вращения с радиусом кривизны рабочей кромки R = 1,0 ± 0,1 мм. Масса пуансона с алмазной вставкой составляет 36,0 г. Характеристикой твердости является отскок h ударного элемента. Определенное значение отскока h100 = 13,6 ± 0,5 мм принимается за твердость 100 по Шору. Эта твердость соответствует максимальной твердости эвтектоидных углеродистых инструментальных сталей, закаленных после мартенситной закалки по ГОСТ 1435. Стандарт устанавливает, что твердость по Шору измеряется в диапазоне от 20 до 140 (HSD). Номер твердости по Шору обозначается цифрами, представляющими значение твердости, за которыми следует HSD, например, 95 HSD. Число твердости округляется до целого числа.

Нагрузка при проникновении вмятины в тело может быть в виде соскабливания, выпучивания (более распространено), разрезания или отскакивания.

Черные металлы

Твердость по Роквеллу HRC 22 чугуна СЧ20 составляет 220 HV. Сталь: Твердость инструмента составляет 640-700 НВ, нержавеющей стали — 250 НВ.

Таблицы используются для перевода из одной системы измерения в другую. Их ценности не являются истинными, потому что они происходят от империи. Таблица не показывает весь объем.

HB HV КПЧ HRA HSD
228 240 20 60.7 36
260 275 24 62.5 40
280 295 29 65 44
320 340 34.5 67.5 49
360 380 39 70 54
415 440 44.5 73 61
450 480 47 74.5 64
480 520 50 76 68
500 540 52 77 73
535 580 54 78 78

Значения твердости, даже если они определены одним и тем же методом, зависят от приложенной нагрузки. Чем меньше нагрузка, тем выше измеренное значение.

Что представляет собой твердость?

Твердость любого материала является важной характеристикой, поскольку она определяет прочность и долговечность получаемых конструкций. И поскольку четкого определения нет, сам термин можно расшифровать как свойство материала сопротивляться проникновению в него другого тела (инструмента).

Эта характеристика может быть использована для оценки качества многих объектов:

  • Металлы (сплавы),
  • керамика,
  • дерево,
  • пластик,
  • камень,
  • графит.

Твердость также влияет на степень обрабатываемости материала. То есть, чем он тверже, тем сложнее с ним работать. Обратное также верно. По этой причине дерево является приятным материалом для изготовления различных поделок.

Что называется твердостью материала?

У разных экспертов свое представление о твердости. В минералогии, например, это определение означает устойчивость материала к царапинам при контакте с другим объектом.

В металлургии твердость понимается несколько иначе, как сопротивление пластической деформации. Но основное определение, на которое ссылается большинство людей всех профессий, уже было дано в начале этого раздела.

Тем не менее, твердость может проявляться по-разному:

  • Жесткость,
  • устойчивость к: царапинам,
  • истирание,
  • резка,
    изгиб,

Чем выше значение твердости, тем выше прочность материала. Из-за этой изменчивости в проявлении такого свойства существуют различные способы его измерения.

Методы измерения твердости

Все методы определения твердости металлов основаны на механическом воздействии на образец — вдавливании. Однако это не повреждает образец.

Метод испытания твердости по Бринеллю был первым стандартизированным методом в материаловедении. Принцип испытания образцов описан выше. Применяется ГОСТ 9012, но можно рассчитать значение по формуле, если точно измерить вдавливание в образце:

HB=2P/(πD*√(D2-d2), где

P — приложенная нагрузка, кгс; D — окружность сферы, мм; d — окружность вмятины, мм.

Принцип испытания твердости по Бриннелю

Шар выбирается пропорционально толщине образца. Нагрузка рассчитывается заранее на основе действующих стандартов для соответствующих материалов:

Черные сплавы — 30D²,

Медь и ее сплавы — 10D²,

Баббиты, свинцовая медь — 2,5D².

Процедура испытания по Роквеллу схематически изображена в соответствии с ГОСТ 9013 следующим образом

Принцип измерения твердости по Роквеллу

Общая приложенная нагрузка равна сумме начальной нагрузки и нагрузки, необходимой для испытания. На дисплее прибора отображается разница в проникающей способности между начальной и испытываемой нагрузкой, h-h0.

Метод Виккерса регламентирован ГОСТ 2999. Схематично это показано ниже.

Принцип измерения твердости по Виккерсу

Математическая формула для расчета:

Прикладываемое усилие составляет от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Значения определяются по таблицам в зависимости от измеренной глубины проникновения d.

Принцип определения твердости по Шору

Метод считается эмпирическим и имеет большой разброс в измеренных значениях. Однако устройство имеет простую конструкцию и может использоваться для измерения больших и изогнутых компонентов.

Твердость по шкале Мооса металлов и сплавов можно измерить путем нанесения царапин. Однажды Моос предложил поцарапать поверхность предмета более твердым минералом. Он разделил известные минералы на десять позиций в соответствии с их твердостью. Тальк находится на первом месте, а алмаз — на последнем.

После измерения одним методом перевод в другую систему является весьма произвольным. Существуют только однозначные значения коэффициентов твердости по Бринеллю и Роквеллу, которые часто используются инженерами-механиками. Эта зависимость обусловлена изменением диаметра шарика.

г, мм HB HRA КПЧ 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 приводит к значительному уменьшению измеренного значения. Поэтому машиностроители предпочитают калибры с одинаковым размером насечки.

Это интересно:  Чистая газированная вода: бонусы и минусы газировки для здоровья. Как убрать газы из газированной воды.

В испытуемый образец вставляется алмазная пирамидка (конус) или шарик из карбида вольфрама (закаленная сталь). Глубина углубления измеряется после снятия нагрузки.

Твердость основных металлов и сплавов

Значение твердости измеряется на готовых деталях, поставляемых для сборки. Значение твердости проверяется на соответствие проекту и процессу производства. Для всех базовых материалов уже существуют таблицы со значениями твердости в исходном состоянии и после термообработки.

Цветные металлы

Твердость меди по Бринеллю составляет 35 HV, а твердость латуни — 42-60 единиц HV в зависимости от марки. Твердость алюминия составляет 15-20 HV, в то время как твердость дюралюминия — 70 HV.

Черные металлы

Твердость по Роквеллу HRC 22 чугуна СЧ20 составляет 220 HV. Сталь: Твердость инструмента составляет 640-700 НВ, нержавеющей стали — 250 НВ.

Таблицы используются для перевода из одной системы измерения в другую. Их ценности не являются истинными, потому что они происходят от империи. Таблица не показывает весь объем.

HB HV КПЧ HRA HSD
228 240 20 60.7 36
260 275 24 62.5 40
280 295 29 65 44
320 340 34.5 67.5 49
360 380 39 70 54
415 440 44.5 73 61
450 480 47 74.5 64
480 520 50 76 68
500 540 52 77 73
535 580 54 78 78

Значения твердости, даже если они определены одним и тем же методом, зависят от приложенной нагрузки. Чем меньше нагрузка, тем выше измеренное значение.

Особенности методики Бринелля

Испытания на твердость металлов и сплавов с помощью твердомера Бринелля проводятся с учетом следующих особенностей:

  1. Индентор представляет собой шарик из стали или твердосплавного сплава диаметром 1, 2, 2,5, 5 или 10 мм (ГОСТ 3722-81).
  2. Продолжительность статического вдавливания: для чугуна и стали 10-15 секунд, для цветных сплавов 30 секунд, также возможна продолжительность 60 секунд, а в некоторых случаях 120 и 180 секунд.
  3. Предел механических параметров: 450 NV при измерении стальным шариком; 650 NV при использовании твердого сплава.
  4. Возможные нагрузки. Входящие в комплект грузы используются для корректировки фактической силы напряжения образца. Их минимально допустимые значения составляют 153,2, 187,5, 250 Н; максимальные значения — 9807, 14710, 29420 Н (ГОСТ 23677-79).

Используя формулы, которые зависят от диаметра выбранного шарика и материала, подлежащего испытанию, можно рассчитать соответствующее допустимое усилие вдавливания.

Тип сплава Математический расчет нагрузки
Сталь, никелевые и титановые сплавы 30D2
Чугун 10D2, 30D2
Медь и медные сплавы 5D2, 10D2, 30D2
Легкие металлы и сплавы 2.5D2, 5D2, 10D2, 15D2
Свинец, олово 1D2

400HB10/1500/20, где 400HB — твердость металла по Бринеллю; 10 — диаметр шарика, 10 мм; 1500 — статическая нагрузка, 1500 кгс; 20 — время проникновения, 20 с.

Для получения точных данных полезно протестировать один и тот же образец в нескольких точках и определить общий результат, взяв среднее значение полученных величин.

Методы измерения твердости

Все методы определения твердости металлов основаны на механическом воздействии на образец — вдавливании. Однако это не повреждает образец.

Метод испытания твердости по Бринеллю был первым стандартизированным методом в материаловедении. Принцип испытания образцов описан выше. Применяется ГОСТ 9012, но можно рассчитать значение по формуле, если точно измерить вдавливание в образце:

HB=2P/(pD*√(D 2-d 2 ),

  • где P — приложенная нагрузка, кгс,
  • D — окружность сферы, мм,
  • d — окружность углубления, мм. Шар должен быть выбран пропорционально толщине образца. Нагрузка рассчитывается заранее с использованием стандартов, применимых к соответствующим материалам: черные сплавы — 30D 2, медь и ее сплавы — 10D 2, бронза, свинцовая медь — 2,5D 2 .

Иллюстрация принципа проведения теста

Процедура испытания по Роквеллу схематически изображена в соответствии с ГОСТ 9013 следующим образом

Метод испытания на твердость по Роквеллу

Общая приложенная нагрузка равна сумме начальной нагрузки и нагрузки, необходимой для испытания. На дисплее прибора отображается разница в проникающей способности между начальной и испытываемой нагрузкой, h-h0.

Метод Виккерса регламентирован ГОСТ 2999. Схематично это показано ниже.

Математическая формула для расчета: HV=0,189*P/d 2 МПа HV=1,854*P/d 2 кгс/мм 2 Приложенная нагрузка составляет от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Значения определяются по таблицам в зависимости от измеренной глубины проникновения d.

Метод считается эмпирическим и имеет большой разброс в измеренных значениях. Однако устройство имеет простую конструкцию и может использоваться для измерения больших и изогнутых компонентов.

Твердость по шкале Мооса металлов и сплавов можно измерить путем нанесения царапин. Однажды Моос предложил поцарапать поверхность предмета более твердым минералом. Он разделил известные минералы на десять позиций в соответствии с их твердостью. Тальк находится на первом месте, а алмаз — на последнем.

После измерения одним методом перевод в другую систему является весьма произвольным. Существуют только однозначные значения коэффициентов твердости по Бринеллю и Роквеллу, которые часто используются инженерами-механиками. Эта зависимость обусловлена изменением диаметра шарика.

г, мм HB HRA КПЧ 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 приводит к значительному уменьшению измеренного значения. По этой причине производители машин предпочитают использовать калибры с насечкой одинакового размера.

Если вы обнаружили ошибку, пожалуйста, выделите текст и нажмите Ctrl+Enter.

Таблицы используются для перевода из одной системы измерения в другую. Их ценности не являются истинными, потому что они происходят от империи. Таблица не показывает весь объем.

Требования к образцу

Согласно требованиям ГОСТа, испытываемые детали должны обладать следующими характеристиками:

  1. Деталь должна быть плоской, плотно лежать на закалочном столе, а края должны быть ровными или аккуратно обрезанными.
  2. Поверхность должна иметь минимальную шероховатость. Его необходимо отшлифовать и очистить, в том числе с помощью химических составов. В то же время, важно избежать нарастания и нагрева обрабатываемого слоя в процессе обработки.
  3. Заготовка должна соответствовать выбранному методу определения твердости на основе параметрических свойств.

Выполнение первичных требований является необходимым условием для точного измерения.

определение твердости металлов

Твердость металлов является важным фундаментальным механическим свойством, определяющим некоторые другие их механические и технологические свойства, результаты предыдущих процессов обработки, влияние временных факторов и возможных условий эксплуатации. Выбор метода испытания зависит от ориентировочных характеристик образца, его параметров и химического состава.

Шкала Мооса

Шкала твердости Мооса является относительной и используется исключительно для минералов. В качестве эталонных минералов были выбраны десять минералов, расположенных в порядке возрастания твердости (как показано на рисунке ниже). Соответственно, шкала имеет 10 баллов (от 1 до 10).

шкала твердости Мооса

Шкала твердости минералов была предложена немецким ученым Фридрихом Моосом в 1811 году. Однако он и сегодня используется в геологии.

Как можно определить твердость минерала по шкале твердости Мооса? Мы можем определить твердость минерала, внимательно изучив царапины на образце. Для этого можно использовать ноготь, медную монету, кусочек стекла или стальной нож.

Таким образом, если исследуемый минерал царапает бумагу, не царапая ее, его твердость равна единице. Если камень легко царапается ногтем, его твердость равна 2. Минералы, которые легко царапаются ножом, имеют твердость 3. Если для нанесения маркировки на камень не требуется особых усилий, его твердость равна 4 или 5. Минералы с твердостью 6 и более оставляют царапины на лезвии ножа.

Относительное измерение твердости при помощи напильников

Стационарные и портативные твердомеры стоят дорого, поэтому их приобретение оправдано только необходимостью частого использования. Многие мастера делают своим делом измерение твердости металлов и сплавов относительно подручными средствами.

Измерение твердости при помощи напильников - фото

Использование пластинок для измерения твердости

Обработка образца напильником — один из самых доступных, но не самый объективный способ проверки твердости стальных деталей, инструментов и приспособлений. Напильник должен иметь тупую, среднюю двойную насечку №3 или №4. Устойчивость к шлифованию и последующему шабрению позволяет даже при небольшом навыке отличить нечувствительную сталь от стали средней твердости (40 HRC) или закаленной стали (55 HRC).

Для более точного тестирования существуют наборы для бальзамирования напильников, также известные как тестеры твердости царапин. Они используются для проверки зубьев пил, фрез и зубчатых колес. Каждый файл содержит определенное значение Роквелла. Твердость измеряется путем кратковременного задирания металлической поверхности одним напильником из каждого набора напильников. Затем выбираются два близких по размеру — самый твердый, который оставил царапину, и наименее твердый, который не поцарапал поверхность. Твердость испытываемого металла будет находиться между значениями твердости двух камней.

Оцените статью
Build Make