Какие методы измерения твердости металлов используются сегодня? - Домашний уют - журнал
Palitra21.ru

Домашний уют — журнал
11 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Методы измерения твердости металлов

Методы измерения твердости металлов

Существует довольно большое количество различных механических характеристик металла, которые учитываются при производстве различных деталей. Многие из них зависят от химического состава материала, другие от особенностей эксплуатации. Измерение твердости металла проводится чаще других испытаний, так как это качество во многом определяет особенности эксплуатации материала. Рассмотрим особенности определения твердости подробнее.

Прямые методы

Классические способы измерения твердости представляют собой принципы, которые изобретались известными ученными и успешно проявляли себя в исследованиях на протяжении многих лет. Благодаря ним человечество сегодня имеет возможность пользоваться ископаемыми и успешно внедрять их в жизнь.

В измерении принимают участие специальное оборудование, которое устанавливается стационарно и дает большую нагрузку на материал с помощью индентора.

Способ Бринелля

Твердость металла на основе этого принципа измеряется с помощью специального твердомера. К его оправке крепится индентор из алмаза или прочного сплава в форме шарика определенного диаметра. Под заданной нагрузкой шар воздействует на металл в течение установленного времени.

После манипуляций на поверхности материала остается отпечаток индентора. На основе измерения его диаметра и площади выносится результат исследования и металлу присваивается определенный результат. Далее эта информация позволит успешно использовать материал или наоборот, убрать его из производства.

Единственный недостаток такого метода — отсутствие мобильности оборудования для измерения. Исследования можно проводить только на месте. При установке учитывается уровень поверхности пола и другие показатели, которые могу влиять на результат эксперимента.

Метод Роквелла

Основа принципа проверки заключается на твердости, которая определяется различием между глубиной углубления индентора, а также остаточным показателем проникновения под установленной нагрузкой. При этом показатели измеряются при сохранении предварительной нагрузки.

В методе исследования используется закаленный шарик или алмазный конус в качестве индентора. В отличие от предыдущего принципа, твердость исследуется на основе глубины лунки, а не ее площади.

Показатель измеряется в результате вдавливания, что позволяет получить максимально точный результат. Нагрузка дается поэтапно, согласно государственным стандартам. Сначала дается небольшое воздействие, после чего основное усилие. Современные твердомеры измеряют различие между глубиной лунок, которые получаются после вдавливания наконечника под предварительным и основным усилием.

Важно! При применении этого способа важно, чтобы на поверхности исследуемого материала не было трещин, окалин, выбоин и прочих повреждений, которые могут повлиять на правильность результата.

Следует следить за перпендикулярностью нагрузки, а также устойчивостью металла на рабочей поверхности.

Динамическое вдавливание

Бывают случаи, когда необходимо проверить показатели металла, который используется в конструкции, а переносимого образца под рукой нет. Стационарные установки для этого не подходят, поэтому предыдущие методы отходят на второй план. На помощь приходит мобильный прибор, который изготовлен на основе государственного образца.

Он представляет собой специальный молоточек и инструмент с шариком на конце. При ударе по прибору он оставляет следы на исследуемом материале. Также, следует провести аналогичные действия на эталонном образце, твердость которого уже известна.

Далее проводится сравнение отпечатков, их глубины и площади, после чего выносится результат исследования. Однако специалисты рекомендуют проверять твердость металла перед тем, как использовать его в каких-либо конструкциях важного назначения.

Принцип упругой отдачи

Помимо проблем со стационарностью оборудования, возникают ситуации, когда необходимо проверить показатели металла без нанесения ему повреждений. Для этого применяется принцип упругой отдачи, с помощью которого измеряют твердость без вдавливания и других механических воздействий.

На специальном приборе закрепляется шарик фиксированного веса на постоянной высоте. Далее он падает с нее на металл и отскакивает. Высота отскока прямо говорит о твердости. Чем больше отскок, не больше твердость металла. Производительность этого принципа является очень высокой, поэтому можно проводить около 100 измерений за один час.

Однако рекомендуется применять метод только для сравнения твердости изделий из одного материала (металла), ведь показатели упругости также могут влиять на результат исследования и должны быть одинаковыми.

Косвенные методы

Измерение показателя с помощью косвенных методов производится с помощью двух видов измерения — динамический и ультразвуковой. Они не исследуют твердость напрямую, а лишь сравнивают показатели металла и другие физические свойства.

Измерение твердости с применением ультразвука заключается в уровне изменения частоты колебаний металла с установленным на краю индентором. Чем больше глубина проникновения, тем мягче металл. Соответственно, чем больше площадь контакта, тем выше уровень затухания частоты. Принцип не имеет каких-либо ограничений по размерам и массе исследуемых металлов, поэтому широко используется на производствах.

Читать еще:  Зенкер по металлу: особенности и технология зенкерования

Динамический способ исследует зависимость скорости отскока индентора от поверхности металла. Он похож на один из классических способов, но, помимо высоты отскока, измеряется его скорость и глубина отпечатка после ударения.

Преимущества метода заключаются в том, что он менее требователен к состоянию поверхности металла, а также позволяет увеличить количество исследований за определенное количество времени. Именно поэтому он часто используется во многих сферах производства.

2. Косвенные методы

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

2.1. Измерение твердости ультразвуком заключается в фиксации степени изменения (затухания) частоты колебаний стержня с закрепленным на конце индентором при внедрении в поверхность образца. Чем мягче металл, тем больше глубина проникновения индентора и, соответственно, площадь его контакта с металлом, тем выше степень затухания частоты колебаний (в ультразвуковом диапазоне). Метод практически не имеет ограничений по массе и размерам испытуемых изделий, оставляет едва заметный отпечаток, применим для измерения твердости поверхностно упрочненных слоев и изделий со сложной конструкцией (шестерни, подшипники, метизы и т.д.). Ограниченно применяется на изделиях с крупнозернистой структурой.

2.2. Динамический метод реализует зависимость скорости отскока твердого тела от твердости на поверхности соударения. Чем мягче металл, тем больше энергии удара уходит на формирование отпечатка (пластическая деформация) и тем меньше скорость отскока бойка с твердосплавным шариком. Динамический метод применим для крупных, массивных изделий с весом не менее 5 кг и толщиной стенки не менее 10 мм. Подходит для измерения твердости, в том числе и на литых изделиях. Менее чувствителен к качеству поверхности, чем ультразвуковой метод.

2.3. Оба косвенных метода получили распространение в виде портативных, электронных приборов. Измерение твердости переносным твердомером основано на правильном выборе метода контроля (ультразвук или динамика) и использовании корректной калибровки прибора. Обычно портативные твердомеры изначально откалиброваны по стали на стальных мерах твердости и имеют возможность пользовательской калибровки на других металлах и сплавах при наличии образцов с известной твердостью.

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

Динамические методы

Реализуются на замерах отскока и падения бойка. Особую популярность имеет динамический твердомер. Он измеряет соотношение скорости падения индентора при падении и отскоке. Результат от сигналов анализируется преобразователем и выводится на дисплей. Компактный переносной твердомер имеет большую производительность и мобильность в отличие от оборудования для классических методов измерения.

Твердость по Шору

Метод регламентируется ГОСТом 23273-78. Регистрируется скорость падения бойка с алмазным наконечником и высота его отскока. Чем тверже металл, тем выше отскакивает боек. На основе полученных данных выводится число твердости по Шору. Единица измерения – HSD. Основная область применения этого метода – изготовление и эксплуатация прокатных валков.

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.

Измерение твердости по Бринеллю

Метод измерения твердости по Бринеллю регламентирован ГОСТ 9012.

При определении твердости этим методом стальной шарик определенного диаметра D вдавливают в тестируемый образец под действием нагрузки Р, приложенной перпендикулярно к поверхности образца, в течение определенного времени. После снятия нагрузки измеряют диаметр отпечатка d. Число твердости по Бринеллю обозначается буквами НВ, и его определяют путем деления нагрузки Р на площадь поверхности сферического отпечатка F.

Читать еще:  Сущность цианирования и нитроцементации металлов

Для удобства имеются таблицы чисел твердости по Бринеллю и зависимости от диаметра шарика D, диаметра отпечатка d и нагрузки Р.

В качестве инденторов используют полированные (Ra

При измерении твердости по Шору боек определенной массы с алмазным индентором на конце свободно надает по вертикали с определенной высоты h падения =19,0 ± 0,5 мм на испытуемую поверхность. Индентор представляет собой алмазный наконечник в виде тела вращения с радиусом закруглений рабочего конца R =1,0 ± 0,1 мм. Масса бойка вместе с алмазным индентором составляет 36,0 г. За характеристику твердости принимается высота отскока бойка h. За 100 единиц твердости по Шору принимается определенная величина отскока бойка h100 = 13,6 ± 0,5 мм. Такая твердость соответствует максимальной твердости стабилизированной после закалки на мартенсит углеродистой эвтектоидной инструментальной стали по ГОСТ 1435. Согласно стандарту, твердость по Шору измеряют в диапазоне от 20 до 140 единиц (HSD). Число твердости по Шору обозначается цифрами, характеризующими величину твердости, со стоящими после них символом HSD, например 95 HSD. Число твердости указывается с округле­нием до целого числа.

Назначение твердомера

  • Быстрый контроль материалов и деталей, в том числе и сложной формы, контроль качества термообработки, определение твердости различных деталей механизмов при их ремонте.
  • Информационный слой для динамического датчика составляет порядка 0,8 мм. Это указывает на возможность разработки методики контроля глубины азотированного слоя до 0,7 — 0,75 мм для изделий из конструкционных сталей (например, марок 38хмюа, 18х2н4ма и др.).

Основные возможности

Дополнительные возможности

Методы твердометрии

В основе множественных методов измерения твердости лежат одни и те же принципы, но, в зависимости от поставленной задачи и исследуемого материала, различаются по видам используемых инденторов.

  • Бриннеля. Индентором выступает стальной шарик диаметром от одного до десяти миллиметров. Метод обладает существенными недостатками – слишком большая площадь оттиска, невозможность применения на очень твердых металлах.
  • Роквелла. В качестве индентора используется шарик из стального твердого сплава либо алмаз конической формы с углом вершины 120 градусов. Метод Роквелла хорошо работает на образцах из закаленной стали, которые нельзя проверить по методу Бриннеля.
  • Виккерса. Индентором является алмазная пирамида, угол у вершины которой составляет 136 градусов. Отпечаток имеет квадратную форму. Способ оптимально подходит для анализа твердости закаленной стали, покрытий высокой прочности, а также швов сварки. Метод Виккерса применяют для определения микротвердости отдельных структурных составляющих на микроскопическом уровне при нагрузках от 10г.
  • Кнупа. Метод подобен методу Виккерса и отличается тем, что угол при вершине пирамиды составляет 172,5 градусов, а отпечаток имеет форму ромба. Применяется для измерения твердости узких деталей или поверхностных слоев.
  • Шора. В качестве индентора стальной шарик, но он не вдавливается, а падает на поверхность детали. По высоте отскока рассчитывается значение твердости. Метод применяют в основном для пластмассовых и резиновых изделий.
  • Мооса. Индентор в виде иглы, которой царапают поверхность материала. Исходя из глубины царапины, определяют твердость.

Нанесение отпечатка индентора на полированную поверхность образца

Твердость. Измерение твердости по Роквеллу, Бринеллю, Виккерсу

Твердость – сопротивление твердого тела изменению формы (деформированию) либо разрушению в поверхностном слое при местных силовых контактных воздействиях. Проецируя это определение на методы неразрушающего контроля, можем получить следующее определение твердости: это свойство материала сопротивляться пластической деформации.

Наибольшее распространение для определения твердости металлов получили методы, основанные на вдавливании индентора в виде стального шарика (методы Бринелля и Роквелла), алмаза в форме пирамиды (метод Виккерса) или алмаза с округлой вершиной (также метод Роквелла) в испытуемый образец.

Давайте рассмотрим отдельной каждый из указанных методов.

Метод Роквелла – метод определения твердости материалов, преимущественно металлов, основанный на вдавливании под заданной нагрузкой в поверхность испытуемого образца специального индентора – алмаза в форме конуса либо стального закаленного шарика. Метод назван по имени разработавшего его в 1919 году американского металлурга Стенли Роквелла. Отличием данного метода является применение небольших испытательных нагрузок (60, 100 и 150 кгс), что позволяет применять его для испытания тонких образцов и окончательно обработанных изделий, а также применение специальных шкал твердости, связанных только с глубиной отпечатка.

Шкалы твердости по Роквеллу.

Существует 11 основных шкал для определения твердости по методу Роквелла. Это шкалы A; B; C; D; E; F; G; H; K; N; T, при этом, как упоминалось ранее, наиболее часто используемые среди них – это шкалы А, В и С с испытательной нагрузкой 60, 100 и 150 кгс соответственно.

Читать еще:  Как правильно выбрать марку стали пищевой нержавейки

Таблица 1. Наиболее широко используемые шкалы твёрдости по Роквеллу.

Шкала

Индентор

Нагрузка, кгс

Алмазный конус с углом 120° при вершине

Шарик диаметром 1/16 дюйма из карбида вольфрама (или закалённой стали)

Алмазный конус с углом 120° при вершине

Важно отметить, что чем твёрже материал, тем меньше будет глубина проникновения наконечника в него. Чтобы при большей твёрдости материала не получалось меньшее число твёрдости по Роквеллу, вводят условную шкалу глубин, принимая за одно её деление глубину, равную 0,002 мм. При испытании алмазным конусом предельная глубина внедрения составляет 0,2 мм, или 0,2/0,002 = 100 делений, при испытании шариком — 0,26 мм, или 0,26/0,002 = 130 делений.

Нормативные документы для метода Роквелла.

  • ГОСТ 9013-59. Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу;
  • ISO 6508-1: Metallic Materials — Rockwell Hardness Test. Part 1: Test Method (Scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T);
  • ASTM E-18 Standard Methods for Rockwell Hardness and Rockwell Superficial Hardness of Metallic Materials;
  • ASTM E-140 Standard Hardness Conversion Tables for Metals. Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, and Scleroscope Hardness.

Метод Виккерса – метод измерения твердости металлов и сплавов, основанный на вдавливании в испытуемый материал правильной четырёхгранной алмазной пирамиды с углом 136° между противоположными гранями. При этом само значение твердости вычисляется путем деления приложенной нагрузки на площадь поверхности полученного пирамидального отпечатка.

Данный метод измерения подходит для определения значений твердости деталей малой толщины из черных и цветных металлов и сплавов; деталей, закаленных на малую глубину, а также деталей, имеющих тонкие слои гальванических покрытий. Основным недостатком метода Виккерса является зависимость измеряемой твёрдости от приложенной нагрузки или глубины внедрения индентора (явление размерного эффекта).

Нормативные документы для метода Виккерса.

  • ГОСТ 2999-75 (СТ СЭВ 470-77) – Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу;
  • ISO 6507-1:2005 Metallic materials. Vickers hardness test. Part 1: Test method.

Метод Бринелля – один из основных методов определения твердости материалов, основанный на вдавливании в поверхность испытуемого материала металлического шарика из твёрдого сплава с определенным диаметром и дальнейшем измерении диаметра полученного отпечатка. В качестве инденторов используются шарики из твёрдого сплава диаметром 1; 2; 2.5; 5 и 10 мм. Величину нагрузки и диаметр шарика выбирают в зависимости от исследуемого материала. При этом сами исследуемые материалы делят на 5 основных групп:

  • сталь, никелевые и титановые сплавы;
  • чугун;
  • медь и сплавы меди;
  • лёгкие металлы и их сплавы;
  • свинец, олово.

Кроме этого, вышеприведенные группы могут разделяться на подгруппы в зависимости от твёрдости образцов.

Нормативные документы для метода Бринелля.

  • ISO 6506-1:2014 «Metallic materials — Brinell hardness test — Part 1: Test method»;
  • ДСТУ ISO 6506-1:2007 «Визначення твердості за Брінеллем. Частина 1. Метод випробування»;
  • ASTM E-10 «Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials»;
  • ASTM E140-07 «Standard Hardness Conversion Tables for Metals Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, and Scleroscope Hardness».

Важно, также, отметить, что по ISO 6506-1:2005 (ГОСТ 9012-59) регламентированы следующие основные нагрузки для метода Бринелля: 9.807 Н; 24.52 Н; 49.03 Н; 61.29 Н; 98.07 Н; 153.2 Н; 245.2 Н; 294.2 Н; 306.5 Н; 612.9 Н; 980.7 Н; 1226 Н; 2452 Н; 4903 Н; 7355 Н; 9807 Н; 14 710 Н; 29 420 Н.

Среди недостатков метода можно отметить следующие: применим для материалов с твердостью не более 450 HB; измеряемые значения твердости напрямую зависят от приложенной нагрузки (обратный размерный эффект); по краям отпечатка от индентора образуются навалы и наплывы, что затрудняет измерение как диаметра, так и глубины отпечатка; из-за относительно большого диаметра используемых шариков данный метод неприменим для тонких образцов.

Для измерения твердости материалов по указанным методам используются специальные приборы: портативные и стационарные твердомеры. Подробнее о каждом из видов мы расскажем в следующих статьях.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector