Твердость к каким свойствам относится

Твёрдость — свойство материала сопротивляться внедрению более твёрдого тела — индентора.

Метод определения восстановленной твёрдости.

Твёрдость определяется как отношение величины нагрузки к площади поверхности, площади проекции или объёму 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 измеряют в трёх диапазонах: макро, микро, нано.

Макродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор от 2 Н до 30 кН.
Микродиапазон (см. микротвёрдость) регламентирует величину нагрузки на индентор менее 2 Н и глубину внедрения индентора больше 0,2 мкм.
Нанодиапазон регламентирует только глубину внедрения индентора, которая должна быть меньше 0,2 мкм[1]. Часто твёрдость в нанодиапазоне называют нанотвердость (англ. nanohardness). Величина нанотвердости может значительно отличаться от микротвёрдости для одного и того же материала.[2][3].

Измеряемая твёрдость, прежде всего, зависит от нагрузки, прикладываемой к индентору. Такая зависимость получила название размерного эффекта (indentation size effect). Характер зависимости твердости от нагрузки определяется формой индентора:

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

Методы измерения твёрдости[править | править код]

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

Для измерения твёрдости существуют несколько шкал (методов измерения):

Метод Бринелля — твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому твердосплавным 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 см. твёрдость по Мейеру); размерность единиц твердости по Бринеллю МПа (кгс/мм²). Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HBW, где H — hardness (с англ. — «твёрдость»), B — Бринелль, W — материал индентора, затем указывают диаметр индентора, нагрузку и время выдержки. Стальные шарики в качестве инденторов для метода Бринелля уже не используются.
Метод Роквелла — твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания стального, твердосплавного шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HRA, HRB, HRC и т. д.; твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 (130) − h/e, где h — глубина относительного вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а e — коэффициент, равный 0,002 мм для метода Роквелла и 0,001 мм для супер Роквелла. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу по шкалам A и C составляет 100 единиц, а по шкале B — 130 единиц. Всего существует 54 шкалы измерения твердости по Роквеллу.
Метод Виккерса — твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение нагрузки, приложенной к пирамидке, к площади поверхности отпечатка (причём площадь поверхности отпечатка берётся как площадь части геометрически правильной пирамиды, а не как площадь поверхности фактического отпечатка); размерность единиц твёрдости по Виккерсу кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV с обязательным указанием нагрузки и времени выдержки.
Методы Шора:

Твёрдость по Шору (метод вдавливания) — твёрдость определяется по глубине проникновения в материал специальной закалённой стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины[4]. 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 твёрдых). 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[5]. Твёрдость 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[6][7].

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) — твёрдость оценивается в сравнении с твёрдостью эталона, испытание производится путём ударного вдавливания стального шарика одновременно в образец и эталон (см. иллюстрацию);
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 твёрдость (твёрдость по Бухгольцу) полимерных лакокрасочных покрытий при вдавливании «индентора Бухгольца». Метод регламентируют стандарты ISO 2815, DIN 53153, ГОСТ 22233[8][9].

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

Для инструментального определения твёрдости используются приборы, именуемые твёрдомерами. Методы определения твёрдости, 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 приближённые таблицы, связывающие шкалы отдельных методов для определённых групп и категорий материалов. Данные таблицы построены только по результатам экспериментальных тестов и не существует теорий, позволяющих расчётным методом перейти от одного способа определения твёрдости 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[править | править код]

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.

См. также[править | править код]

Микротвёрдость
Индексы Миллера

Примечания[править | править код]

↑ ISO 14577 Metallic Materials. Instrumented indentation test for hardness and materials parameters. Part 1: Test method.
↑ Мощенок В. И. Наноиндентирование и нанотвердость материалов // Автомобильный транспорт. 2008. Т. 22. С. 151—154.
↑ Нанотвёрдость
↑ ГОСТ 24621-91 (ISO 868-85) Определение твёрдости при вдавливании с помощью дюрометра (твёрдость по Шору).
↑ ГОСТ 23273-78 Металлы и сплавы. Измерение твердости методом упругого отскока бойка (по Шору).
↑ Украинская Советская Энциклопедия, Том 12, Киев, 1985 г.
↑ Новый Политехнический Словарь, Москва, Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», Москва, 2000 г.
↑ ГОСТ 22233, Раздел 7. Методы контроля, п. 7.16
↑ «Эксперт». Контроль качества лакокрасочных покрытий.

Ссылки[править | править код]

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

Источник

Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.

Это неразрушающий метод контроля, основной способ оценки качества термической обработки изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).

Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость. Схемы испытаний представлены на рис. 1.

Рис. 1. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

В результате вдавливания с достаточно большой нагрузкой поверхностные слои материала, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически 5 деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Особенность происходящей при этом деформации заключается в том, что она протекает только в небольшом объеме, окруженном недеформированным материалом.

В таких условиях возникают главным образом касательные напряжения, а доля растягивающих напряжений незначительна по сравнению с получаемыми при других видах механических испытаний (на растяжение, изгиб, кручение, сжатие). Поэтому при измерении твердости вдавливанием пластическую деформацию испытывают не только пластичные, но также металлы (например, чугун), которые при обычных механических испытаниях (на растяжение, сжатие, кручение, изгиб) разрушаются практически без пластической деформации.

Таким образом, твердость характеризует сопротивление пластической деформации и представляет собой механическое свойство материала, отличающееся от других его механических свойств, способом измерения.

Преимущества измерения твердости следующие:

1. Между твердостью пластичных металлов, определяемой способом вдавливания, и другими механическими свойствами (главным образом пределом прочности), существует количественная зависимость. Так, сосредоточенная пластическая деформация металлов (при образовании шейки) аналогична деформации, создаваемой в поверхностных слоях металла при измерении твердости вдавливанием наконечника.

Подобная количественная зависимость не наблюдается для хрупких материалов, которые при испытаниях на растяжение (или сжатие, изгиб, кручение) разрушаются без заметной пластической деформации, а при измерении твердости получают пластическую деформацию. Однако в ряде случаев и для этих металлов (например, серых чугунов) наблюдается качественная зависимость между пределом прочности и твердостью; возрастанию твердости обычно соответствует увеличение предела прочности на сжатие.

По значениям твердости можно определять также и некоторые пластические свойства металлов. Твердость, определенная вдавливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в частности меди, дуралюмина и сталей в отожженном состоянии.

2. Измерение твердости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Испытания твердости не требуют изготовления специальных образцов и выполняются непосредственно на проверяемых деталях после зачистки на поверхности ровной горизонтальной площадки, а иногда даже и без такой подготовки.

Измерения твердости выполняются быстро.

3. Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения проверяемой детали, и после измерения её можно использовать по своему назначению, в то время как для определения прочности, пластичности и вязкости необходимо изготовление специальных образцов.

4. Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях, не превышающих (для некоторых способов измерения твердости) десятых долей миллиметра, или в микрообъемах металла; в последнем случае измерения проводят способом микротвердости. Поэтому многие способы измерения твердости пригодны для оценки различных по структуре и свойствам слоев металла, например поверхностного слоя цементованной, азотированной или закаленной стали, имеющей разную твердость по сечению детали. Методом определения микротвердости можно также измерять твердость отдельных составляющих в сплавах.

Следует различать два способа определения твердости вдавливанием: измерение макротвёрдости и измерение микротвердости.

Измерение макротвердости отличается тем, что в испытуемый материал вдавливается тело, проникающее на сравнительно большую глубину, ависящую от величины прилагаемой нагрузки и свойств металла. Кроме того, во многих испытаниях вдавливается тело значительных размеров, например стальной шарик диаметром 10 мм, в результате чего в деформируемом объёме оказываются представленными все фазы и структурные составляющие сплава. Измеренная твердость в этом случае характеризует твердость всего испытуемого материала.

Выбор формы, размеров наконечника и величины нагрузки зависит от целей испытания, структуры, ожидаемых свойств, состояния поверхности и размеров испытуемого образца. Если металл имеет гетерогенную структуру с крупными выделениями отдельных структурных составляющих, различных по свойствам (например, серый чугун, цветные подшипниковые сплавы), то для испытания твердости следует выбирать шарик большого диаметра.

Если же металл имеет сравнительно мелкую и однородную структуру, то малые по объёму участки испытуемого металла могут быть достаточно характерными для оценки его твёрдости. В этих случаях испытания можно проводить вдавливанием тела меньшего размера, например алмазного конуса или пирамиды, и на меньшую глубину, и, следовательно, при небольшой нагрузке.

При испытании металлов с высокой твердостью, например закаленной или низкоотпущенной стали, приведенное условие является даже обязательным, поскольку вдавливание стального шарика или алмаза с большой нагрузкой может вызвать деформацию шарика или скалывание алмаза.

Однако значительное снижение нагрузки нежелательно, так как это приведет к резкому уменьшению деформируемого объёма и может дать значения, не характерные для основной массы металла. Поэтому величины нагрузок и размеры получаемых в материалах отпечатков не должны быть меньше некоторых определенных пределов.

Измерение микротвёрдости имеет целью определить твёрдость отдельных зерен, фаз и структурных составляющих сплава (а не «усредненную» твёрдость, как при измерении макротвёрдости). В данном случае объём, деформируемый вдавливанием, должен быть меньше объёма (площади) измеряемого зерна. Поэтому прилагаемая нагрузка выбирается небольшой. Кроме того, микротвёрдость измеряют для характеристики свойств очень малых по размерам деталей.

Значительное влияние на результаты испытаний твёрдости оказывает состояние поверхности измеряемого материала. Если поверхность неровная — криволинейная или с выступами, то отдельные участки в различной степени участвуют в сопротивлении вдавливанию и деформации, что приводит к ошибкам в измерении. Чем меньше нагрузка для вдавливания, тем более тщательно должна быть подготовлена поверхность. Она должна представлять шлифованную горизонтальную площадку, а для измерения микротвердости — полированную.

Измеряемая поверхность должна быть установлена горизонтально, т. е. перпендикулярно действию вдавливаемого тела. Противоположная сторона образца также должна быть зачищена, и не иметь окалины, так как последняя при нагружении образца сминается, что искажает результаты измерения.

Для приблизительнойердости удобно пользоваться шкалой Мооса – набором из 10 минералов, расположенных по возрастанию твердости:

Тальк – 1 Полевой шпат — 6

Гипс – 2 Кварц – 7

Кальцит – 3 Топаз – 8

Флюорит – 4 Корунд – 9

Апатит — 5 Алмаз — 10

Метод измерения твёрдости вдавливанием шарика (твердость по Бринеллю)

Этот способ универсальный и используется для определения твердости практически всех материалов.

В материал вдавливается стальной шарик, и значения твердости определяют по величине поверхности отпечатка, оставляемого шариком. Шарик вдавливают с помощью пресса.

Рис.2. Схема прибора для получения твердости вдавливанием шарика (измерение по Бринеллю): 1 — столик для центровки образца; 2 — маховик; 3 — грузы; 4 — шарик; 5 — электродвигатель.

Испытуемый образец устанавливают на столике 1 в нижней части неподвижной станины пресса (рис. 2), зашлифованной поверхностью кверху. Поворотом вручную маховика 2по часовой стрелке столик поднимают так, чтобы шарик мог вдавиться в испытуемую поверхность. В прессах с электродвигателем вращают маховик 2 до упора и нажатием кнопки включают двигатель 5.

Последний перемещает коромысло и постепенно вдавливает шарик под действием нагрузки, сообщаемой привешенным к коромыслу грузом. Эта нагрузка действует в течение определенного времени, обычно 10-60 с, в зависимости от твердости измеряемого материала, после чего вал двигателя, вращаясь в обратную сторону, соответственно перемещает коромысло и снимает нагрузку. После автоматического выключения двигателя, поворачивая маховик 2против часовой стрелки, опускают столик прибора и затем снимают образец.

В образце остается отпечаток со сферической поверхностью (лунка). Диаметр отпечатка измеряют лупой, на окуляре которой нанесена шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. Диаметр отпечатка змеряют с точностью до 0,05 мм (при вдавливании шарика диаметром 10 и 5 (мм) в двух взаимно перпендикулярных направлениях; для определения твердости следует принимать среднюю из полученных величин.

Число твердости по Бринеллю НВ вычисляют по уравнению:

где Р — нагрузка на шарик, кг · с (1кг · с – 0,1 Мпа); D — диаметр вдавливаемого шарика, мм; d — диаметр отпечатка, мм. Получаемое число твердости при прочих равных условиях тем выше, чем меньше диаметр отпечатка.

Однако получение постоянной и одинаковой зависимости между Р и d, необходимое для точного определения твердости, достигается только при соблюдении определенных условий. При вдавливании шарика на разную глубину, т. е. с разной нагрузкой для одного и того же материала, не соблюдается закон подобия между получаемыми диаметрами отпечатка.

Наибольшие отклонения наблюдаются, если шарик вдавливается с малой нагрузкой и оставляет отпечаток небольшого диаметра или вдавливается с очень большой нагрузкой и оставляет отпечаток с диаметром близким к диаметру шарика. Поэтому твердость материалов измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки Ри квадратом диаметра шарика D2. Это соотношение должно быть различным для материалов разной твердости.

В процессе вдавливания наряду с пластической деформацией измеряемого материала происходит также упругая деформация вдавливаемого шарика. Величина этой деформации, искажающей результаты определения, возрастает при измерении твердых материалов. Поэтому испытания вдавливанием шарика ограничивают измерением металлов небольшой и средней твердости (для стали с твердостью не более НВ = 450).

Известное влияние оказывает также длительность выдержки металла под нагрузкой. Легкоплавкие металлы (свинец, цинк, баббиты), имеющие низкую температуру рекристаллизации, испытывают пластическую деформацию не только в момент вдавливания, но и в течение некоторого времени после приложения нагрузки. С увеличением выдержки под нагрузкой пластическая деформация этих металлов практически стабилизируется.

Для металлов с высокими температурами плавления влияние продолжительности выдержки под нагрузкой незначительно, что позволяет применять более короткие выдержки (10-30 с).

При измерении твердости шариком определенного диаметра и с установленными нагрузками на практике пользуются заранее составленными таблицами, указывающими число НВ в зависимости от диаметра отпечатка и соотношения между нагрузкой Ри поверхностью отпечатка F. При указании твердости НВ иногда отмечают принятые нагрузку и диаметр шарика.

Между пределом прочности и числом твердости НВ различных металлов существует следующая зависимость:

Сталь с твердостью НВ:

— 120-175 sb » 0,34 HВ

— 175-450 sb » 0,35 HВ

Медь, латунь, бронза:

— отожженная sb » 0,55 HВ

— наклепанная sb » 0,40 HВ

Алюминий и алюминиевые сплавы с твердостью НВ:

— 20 — 45 sb » (0,33 — 0,36) НВ

Дуралюмин:

— отожженный sb » 0,36 HВ

— после закалки и старения sb » 0,35 HВ

Источник