(2)

Площадь шарового сегмента составит:

Мм2 (3)

где D –диаметр шарика, (мм);

h – глубина отпечатка, (мм).

Так как глубину отпечатка измерить трудно, а проще измерить диаметр отпечатка d , выражают h через диаметр шарика D и отпечатка d :

, (мм) (4)

Тогда , (мм2) (5)

Число твердости по Бринеллю определяется по формуле:

, (кгс/мм2) (6)

Для перевода твердости по Бринеллю в единицы СИ необходимо умножить число твердости в кгс/мм2 на 9,81, т. е. HB =9,81* HB (МПа).

Для получения сопоставимых результатов при определении твердости HB шариками различного диаметра необходимо соблюдать условие подобия.

Подобие отпечатков при разных D и P будет обеспечено, если угол j остается постоянным (Рис. 1.1). Подставив в формулу (6) , получим следующее выражение:

font-size:13.0pt"> Из этой формулы видно, что значение HB будет оставаться постоянным, если https://pandia.ru/text/79/338/images/image017_18.gif" width="65" height="19 src=">.

В практике при определении твердости не делают вычислений по формуле (6), а пользуются таблицами, составленными для установленных диаметров шариков, отпечатков и нагрузок. Шарики применяют диаметром 10,5 и 2,5 мм. Диаметр шарика и нагрузка выбираются в соответствии с толщиной и твердостью образца (табл. 1). При этом для получения одинаковых чисел твердости одного материала при испытании шариками разных диаметров необходимо соблюдать закон подобия между получаемыми диаметрами отпечатков. Поэтому твердость измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки P и квадратом диаметра шарика D 2 . Это соотношение должно быть различным для металлов разной твердости.

Таблица 1

Условия испытания металлов на твердость по Бринеллю

Число твердости по Бринеллю, измеренное при стандартном испытании (D = 10 мм, P = 3000 кгс), записывается так: HB 350. Если испытания проведены при других условиях, то запись будет иметь следующий вид: HB 5/250/30-200, что означает – число твердости 200 получено при испытании шариком диаметром 5 мм под нагрузкой 250 кгс и длительности нагрузки 30 с.

При измерении твердости по методу бринелля необходимо выполнять следующие условия:

Ø образцы с твердостью выше HB 450 кгс/мм2 (4500 МПа) испытывать запрещается;

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

Ø диаметры отпечатков должны находиться в пределах 0,2 D £ d £ 0,6 D ;

Ø образцы должны иметь толщину не менее 10 – кратной глубины отпечатка (или менее диаметра шарика);

Ø расстояние между центрами соседних отпечатков и между центром отпечатка и краем образца должны быть не менее 4 d .

Определение твердости HB производится на прессе Бринелля (твердомер типа ТШ) в следующем порядке. Испытываемый образец (деталь) устанавливают на столике 1 (Рис. 2) шлифованной поверхностью кверху. Поворотом маховика 2 по часовой стрелке столик прибора поднимают так, чтобы шарик 4 мог вдавиться в испытываемую поверхность. Маховик 2 вращают до упора, и нажатием кнопки включают электродвигаДвигатель перемещает коромысло и постепенно нагружает шток с закрепленным в нем шариком. Шарик под действием нагрузки 3, сообщаемой приведенным к коромыслу грузом, вдавливается в испытываемый материал. Нагрузка действует в течение определенного времени (10 … 60 с), задаваемого реле времени, после чего вал двигателя, вращаясь в обратную сторону, соответственно перемещает коромысло и снимает нагрузку. После автоматического выключения двигателя, поворачивая маховик 2 против часовой стрелки, опускают столик прибора и снимают образец.

Диаметр отпечатка измеряют при помощи отсчетного микроскопа (лупы Бринелля), на окуляре которого имеется шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. Измерение проводят с точностью до 0,05 мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях; для определения твердости следует принимать среднюю из полученных величин.

Измерение твердости по ВиккерсУ

При испытании на твердость по методу Виккерса в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине a =1360 (Рис. 1.1). После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d 1 . Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки З к площади поверхности пирамидального отпечатка М:

Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки P и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм2) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой принимают для сталей 10 – 15 с, а для цветных металлов – 30 с.

Например, 450 HV 10/15 означает, что число твердости по Виккерсу 450 получено при P = 10 кгс (98,1 Н), приложенной к алмазной пирамиде в течение 15 с.

Преимущества метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материаллы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.

Измерение твердости по Роквеллу

font-size:13.0pt"> При этом методе индентором является алмазный конус или стальной закаленный шарик. В отличие от измерений по методу Бринелля твердость определяют по глубине отпечатка, а не по его площади. Глубина отпечатка измеряется в самом процессе вдавливания, что значительно упрощает испытания. Нагрузка прилагается последовательно в две стадии (ГОСТ 9013-59): сначала предварительная, обычно равная 10 кгс (для устранения влияния упругой деформации и различной степени шероховатости), а затем основная (Рис. 3).

font-size:13.0pt"> После приложения предварительной нагрузки индикатор, измеряющий глубину отпечатка, устанавливается на нуль. Когда отпечаток получен приложением окончательной нагрузки, основную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения наконечника t .

Твердость измеряют на приборе Роквелла (Рис. 4), в нижней части станции которого установлен столик 5. В верхней части станции индикатор 3, масляный регулятор 2 и шток 4, в котором устанавливается наконечник с алмазным конусом (имеющим угол при вершине 1200 и радиус закругления 0,2 мм) или стальным шариком диаметром 1,588 мм. Индикатор 3 представляет собой циферблат, на котором нанесены две шкалы (черная и красная) и имеются две стрелки – большая (указатель твердости) и маленькая – для контроля величины предварительного нагружения, сообщаемого вращением маховика 6. Столик с установленным на нем образцом для измерений поднимают вращением маховика до тех пор, пока малая стрелка не окажется против красной точки на шкале. Это означает, что наконечник вдавливается в образец под предварительной нагрузкой, равной 10 кгс.

После этого поворачивают шкалу индикатора (круг циферблата) до совпадения цифры 0 на черной шкале с большой стрелкой. Затем включают основную нагрузку, определяемую грузом 1, и после остановки стрелки считывают значение твердости по Роквеллу, представляющее собой цифру. Столик с образцом опускают, вращая маховик против часовой стрелки.

Твердомер Роквелла измеряет разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной и предварительной нагрузок. Каждое давление (единица шкалы) индикатора соответствует глубине вдавливания 2 мкм. Однако условное число твердости по Роквеллу (HR ) представляет собой не указанную глубину вдавливания t , а величину 100 – t по черной шкале при измерении конусом и величину 130 – t по красной шкале при измерении шариком.

Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и того физического смысла, который имеют числа твердости по Бринеллю, однако можно найти соотношение между ними с помощью специальных таблиц.

Твердость по методу Роквелла можно измерять:

- алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кгс. Твердость измеряется по шкале С и обозначается HRC (например, 65 HRC ). Таким образом определяют твердость закаленной и отпущенной сталей, материалов средней твердости, поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм;

- алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кгс. Твердость измеряется по шкале А, совпадающей со шкалой С, и обозначается HRA . Применяется для оценки твердости очень твердых материалов, тонких поверхностных слоев (0,3 … 0,5 мм) и тонколистового материала;

- стальным шариком с общей нагрузкой 100 кгс. Твердость обозначается HRB и измеряется по красной шкале B . Так определяют твердость мягкой (отожженной) стали и цветных сплавов.

При измерении твердости на приборе Роквелла необходимо, чтобы на поверхности образца не было окалины, трещин, выбоин и др. Необходимо контролировать перпендикулярность приложения нагрузки и поверхности образца и устойчивость его положения на столике прибора. Расстояние отпечатка должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и не менее 4 мм при вдавливании шарика.

Твердость следует измерять не менее 3 раз на одном образце, усредняя полученные результаты.

Преимущество метода Роквелла по сравнению с методами Бринелля и Виккерса заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.

Список используемой литературы

1. Геллер. Методы анализа, лабораторные работы и задачи. М.: Металлургия, 1984г.

2. Металловедение и термическая обработка стали: Справ. М. Л Бернштейн, М.: Металлургия, 1983г.

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.

Таблица 1. Наиболее широко используемые шкалы твёрдости по Роквеллу.

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.

Для определения твердости образцов существуют различные методы, такие как статический и динамический (ударный) и ультразвуковой.

Динамические и ультразвуковые методы не требуют определения твердости вручную. Твердость отображается на экране.

Для методов по Бринеллю, Виккерсу и Микро-Виккерсу существуют эмпирические таблицы и формулы для расчета твердости.

Для метода по Роквеллу существует формула для измерения глубины отпечатка.

По методу Шора измеряется глубина вдавливания индентора в поверхность исследуемого образца под действием тарированной пружины.

Как измеряют твердость методом Бринелля?

Измерение твердости по Бринеллю происходит путем внедрения с определенной нагрузкой закаленного стального шарика (диаметром 2,5 мм; 5 мм или 10 мм) в поверхность испытуемого образца. В результате на поверхности образца получается отпечаток. С помощью лупы измеряют диаметр отпечатка.

Измерение твердости по Бринеллю происходит путем внедрения с определенной нагрузкой закаленного стального шарика (диаметром 2,5 мм; 5 мм или 10 мм) в поверхность испытуемого образца. В результате на поверхности образца получается отпечаток. С помощью лупы измеряют диаметр отпечатка.

Формула расчета твердости методом Бринелля (HB, HBW):

• где НВ - при использовании стального шарика для металлов с твердостью менее 450 единиц; (HBW - при использовании шарика из твердого сплава с твердостью более 450 единиц), кгс;
• F - нагрузка, действующего на индентор, Н (кгс);
• А - площадь поверхности отпечатка, мм 2 ;
• D - диаметр стального шарика, мм;
• d - диаметр отпечатка, мм.

Нагрузку на шарик выбирают в зависимости от вида материала К и должна быть пропорциональна квадрату диаметра шарика:

Соответствующую нагрузку F и диаметр шарика D выбирают таким образом, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах:

Толщина образца должна, как минимум в 8 раз превышала глубину внедрения индентора.

Как измеряют твердость методом Роквелла?

Измерение твердости по Роквеллу основан на погружение алмазного наконечника (120 градусов) или стального закаленного шарика (диаметром 1,588 мм) с последующим измерением глубины отпечатка.

Формула твердости по Роквеллу

Формула расчета твердости по Роквеллу (HR):

• при измерении твердости алмазным наконечником (120 градусов) применяют формулу:

где H-h-разность глубин внедрения индентора (в мм) после снятия основной нагрузки и до ее приложения.

• при измерении твердости закаленным стальным шаровым индентором (диаметром 1,588 мм):

Как измеряют твердость методом Виккерса?

Измерение твердости по Виккерсу происходит путем плавного внедрения четырехгранной алмазной пирамиды (с противоположным углом 136 градусов) в исследуемую поверхность образца, с дальнейшим измерением диагонали отпечатка d и расчета твердости исследуемого образца по таблицам (подробнее в ГОСТ 2999-75).

Формула твердости по Виккерсу.

Формула расчета твердости по Виккерсу (HV):

• где F - испытательная нагрузка, действующее на индентор, кгс;
• М - площадь поверхности отпечатка, мм 2 ;
• a - наклон алмазного наконечника пирамидной формы;
• d - средняя длина диагонали отпечатка, мм.

Выбор по производителю

Не выбрано Компьютерная радиография DUERR NDT / DÜRR NDT АКС Синтез НДТ Proceq SA НПЦ Кропус Константа Центр МЕТ Bosello High Technology SaluTron® Messtechnik GmbH ЗИО "ПОЛАРИС" НПП «Промприбор» ЭЛИТЕСТ Промтест Bruker ТОЧПРИБОР FUTURE-TECH CORP. OXFORD Instruments Амкро Ньюком-НДТ Sonotron NDT YXLON International Array Corporation Raycraft General Electric Vidar systems corporation ООО «Арсенал НК» Echo Graphic НПП "Машпроект"

Методы Виккерса и Шора для твердомеров

09.11.2017

Твёрдость по Виккерсу: методика и оборудование

В результате внедрения на поверхности исследуемого образца остаётся отпечаток в виде ромба (иногда – неправильного). По значению диагонали этого ромба (или среднего арифметического значения обеих диагоналей) устанавливают число твёрдости Виккерса, которое имеет размерность механического давления.

Выпускаемое оборудование, при помощи которого определяется твердость по Виккерсу, относится к машинам статического действия. Они могут быть стационарными и переносными. Линейка видов такого оборудования отечественного производства маркируется ТП (Твёрдость Пирамидальная).

Стандартными условиями для проведения испытаний служат:

• Измерительный диапазон усилий нагружения 49-1176 Н, который в твердомерах ТП имеет 7 положений (ступенчато-изменяемых);
• Время выдержки образца под давлением – не менее 5 с.
• Принцип измерения диагоналей отпечатка

Число Виккерса (HV) рассчитывается по формуле:

HV = 2Psin (0,5α/d 2 ) = 1,8544Р/d 2 ,

При измерении твердости по Виккерсу должны быть соблюдены следующие условия:

• плавное возрастание нагрузки до необходимого значения
• обеспечение перпендикулярности приложения действующего усилия к испытуемой поверхности
• поверхность испытуемого образца должна иметь шероховатость не более 0,16 мкм
• поддержание постоянства приложенной нагрузки в течение установленного времени
• расстояние между центром отпечатка и краем образца или соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длины диагонали отпечатка
• минимальная толщина образца должна быть для стальных изделий больше диагонали отпечатка в 1,2 раза; для изделий из цветных металлов – в 1,5 раза.

Измерение твёрдости по Виккерсу HV выполняется в следующей последовательности.

• Образец или деталь устанавливается на стол прибора измеряемой поверхностью вверх. После этого стол вращением рукоятки маховика поднимают вверх, до лёгкого соприкосновения с индентором.
• Отпускают рычаг, приводя тем самым в движение нагружающий механизм. После установленной с помощью реле времени продолжительности измерения нагрузка снимается и рабочая головка, с закреплённым в ней индентором, возвращается в исходное положение.
• После этого можно развернуть приборный стол с образцом к имеющемуся на станине твердомера отсчётному микроскопу, и замерить диагонали отпечатка.