Исторически с развитием технологий обработки металлов появлялись и совершенствовались способы контроля качества металлических изделий.Известно множество способов определения твердости металлов и сплавов:
- Вдавливание индентора под действием статической нагрузки (нагрузка прикладывается плавно) — по методу Бринелля, Роквелла, Супер-Роквелла, Виккерса, М.С.Дрозда, Герца, Лудвика, монотрон Шора;
- Динамическое вдавливание индентора (нагрузка прикладывается ударом) — по методу Мартеля, Польди, вертикальный копер Николаева, пружинный прибор Шоппера и Баумана, маятниковый копер Вальцеля, маятник Герберта, маятниковый склерометр Кузнецова;
- Измерение микротвердости статическим вдавливанием — по методу Липса, Егорова, Хрущева, Скворцова, Алехина, Терновского, Шоршорова, Берковича, Кнупа, Петерса, Эмерсона, микротвердомер Цейсса-Ганеманна;
- Метод упругого отскока бойка — склероскоп Шора;
- Измерение твердости царапанием — по Моосу, напильник Барба, прибор Мартенса, Хенкинса, микрохарактеризатор Бирбаума, склерометр О’Нейля, Григорович, Беркович).
В целом, по характеру воздействия индентора на поверхность исследуемого объекта можно узнать конкретные свойства материала: вдавливание определяет способность к сопротивлению пластической деформации, отскок показывает упругие свойства, царапанье характеризует сопротивление разрушению.
Многие приемы сейчас используются редко или вовсе ушли в прошлое.На данный момент основные и самые распространенные методы контроля твердости металлов условно делят на две группы: прямые и косвенные.
Прямые методы измерения твердостиоснованы на способности материала сопротивляться внедрению другого, более твердого тела — индентора. Инденторы изготавливаются в форме конуса или пирамиды из алмаза, в форме шарика — из закаленной стали или карбида вольфрама.
Прямые методы реализуют в основном cтационарные твердомеры по шкалам Бринелля (HB), Роквелла (HRA, HRB, HRC), Супер-Роквелла (HRN и HRT), Виккерса (HV).
Сущность испытаний заключается в том, что после внедрения индентора, при приложении заданной статической нагрузки, происходит пластическая деформация исследуемого материала. На поверхности образца остается отпечаток.
Вычисление значения твердости строится на зависимости приложенного усилия и определенных геометрических параметров отпечатка. Для каждого прямого метода предусмотрена своя зависимость (см. таблицу ниже). Например, при замерах по Роквеллу фиксируется глубина отпечатка: чем она меньше, тем выше твердость объекта.
- Плюсы: стационарные твердомеры применяются для контроля любых металлов и сплавов; выдают результат с минимальной погрешностью; не требуют дополнительной калибровки.
- Минусы: работают на одном месте, как правило в специально оборудованной лаборатории; необходимо заранее готовить образцы, либо изделие должно иметь конкретные габариты; необходима квалификация оператора; невысокая скорость выполнения исследований.
- Косвенные методы измерения твердостиподразделяются на ультразвуковой и динамический — они не напрямую измеряют твердость, а только оценивают значение твердости металла в зависимости от других физических свойств.
Косвенные методы реализуют портативные твердомеры — ультразвуковые и динамические. Результат можно получить как в самых распространенных единицах твердости, таких как Роквелл С (HRC), Бринелль (НВ), Виккерс (HV), так и в реже используемых единицах Роквелла А и В (HRA, HRB), Шора D (HSD) и других.
Ультразвуковой метод (ультразвуковой контактный импеданс) основан на фиксации степени затухания резонансной частоты колебаний металлического стержня с алмазным наконечником (индентором) при внедрении его в поверхность металлического изделия.
При глубоком внедрении индентора в мягкий металл будет большая площадь контакта алмаза с материалом, значит будет выше степень затухания частоты колебаний.
Применим к изделиям практически любых габаритов по массе и размерам; оставляет незаметный отпечаток; подходит для измерения твердости поверхностно упрочненных слоев; удобен для образцов со сложной конфигурацией (шестерни, подшипники, метизы). Применение на изделиях с крупнозернистой структурой ограничено (чугуны, бронза).
Динамический метод (Либа) основан на определении отношения скорости бойка при отскоке от поверхности измеряемого образца к скорости бойка при соударении с поверхностью образца. В качестве бойка используется твердосплавный шарик (карбид вольфрама WC-Co).
- Чем ниже твердость металла, тем больше энергии удара уходит на формирование отпечатка и тем меньше скорость отскока бойка.
- Подходит для массивных изделий; образцов с высокошероховатой поверхностью; объектов со значительной толщиной упрочненного или закаленного слоя.
- Плюсы: портативные твердомеры автономны, просты в управлении, работают в труднодоступных зонах, обладают высокой скоростью проведения замеров.
- Минусы: погрешность результатов измерений выше, чем у стационарных приборов; иногда требуется дополнительная калибровка шкал.
Общие требования к испытаниям
- Вне зависимости от величины прилагаемого усилия или затрачиваемой энергии, значение твердости для однородного тела при постоянной температуре должно быть материальной константой.
- Поверхность объекта должна быть подготовлена в соответствии с методикой измерения.
- Образец должен быть надежно зафиксирован, чтобы исключить смещение относительно оси приложения нагрузки со стороны прибора.
- Твердость должна иметь совершенно определенный и ясный физический смысл, правильную размерность, характеризующую сопротивление материала пластической деформации.
Чем выше твердость образца, тем более высокая нагрузка нужна при его исследовании. Чем точнее метод, тем выше требования к подготовке поверхности контролируемого экземпляра.
Вообще, чем тщательнее будет подготовлен образец для испытаний, тем меньше будет погрешность результата при использовании и стационарного, и портативного твердомера.
Классические прямые методы измерения твердости путем внедрения индентора под действием статической нагрузки
| Метод | Принцип вычисления твердости | Шероховатость поверхностиобразца, Ra | Индентор | Нагрузка | Шкала | Применение |
| Бринелля | По диаметру отпечатка — как приложенная нагрузка, деленная на площадь поверхности отпечатка (кгс/мм²) | 1,25 — 2,5 | Твердосплавный шарик диаметром 1; 2; 2,5; 5 и 10 мм | 1 кгс (9,8Н) — 3000 кгс (29420Н) | HB | Закаленные и незакаленные стали, мягкие металлы и сплавы (свинец, олово), титан, медь, алюминий, чугун, высокопрочные сплавы (на основе никеля, кобальта и др.), подшипниковые сплавы |
| Роквелла | По глубине вдавливания — как относительная разница в глубине вдавливания индентора при приложении основной и предварительной (10 кгс) нагрузки | 0,38 — 2,5 | Алмазный конус с углом при вершине 120° | 60 кгс (588Н) | HRA | Коррозионностойкие и жаропрочные стали |
| Твердосплавный шарик диаметром 1/16 дюйма (1,588 мм) | 100 кгс (980Н) | HRB | Сплавы меди, алюминиевые сплавы, бронза, ковкий чугун, низкоуглеродистые стали | |||
| Алмазный конус с углом при вершине 120° | 150 кгс (1471Н) | HRC | Высокоуглеродистые стали после термической или химико-термической обработки | |||
| Супер-Роквелла | 0,08 — 0,16 | Алмазный конус с углом при вершине 120° или твердосплавный шарик диаметром 1/16 дюйма (1,588 мм) | 15 кгс (147,1Н) 30 кгс (294,2Н) 45 кгс (441,3Н) | HRN, HRT | Алюминиевые сплавы, детали с упрочненными поверхностными слоями, тонкие малогабаритные образцы | |
| Виккерса | Производится деление нагрузки на площадь боковой поверхности полученного отпечатка | 0,02 — 0,04 | Алмазный индентор в форме правильной четырехгранной пирамиды с углом 136° между противоположными гранями | 1 кгс (9,8Н) — 100 кгс (980Н) | HV | Высокопрочные стали, чугун, цветные металлы и сплавы; закаленные и незакаленные стали, литье; тонкие листовые материалы; поверхности с гальваническим (цинкование, хромирование), азотированным, луженым покрытием различной толщины |
| Микро-Виккерса | 0,01 кгс (0,098Н) — 5 кгс (49Н) | Тонкие закаленные слои; анодированные, цементированные, азотированные детали; поверхности с тонким гальваническим покрытием; изделия из высокопрочных металлов и сплавов; тонколистовые стали |
Твердость по Виккерсу HV: суть метода, проведение измерений
Метод определения твердости по Виккерсу основан на исследовании зависимости глубины проникновения алмазного конуса (индентора) в исследуемый материал от величины усилия.
После снятия усилия на поверхности образца остается отпечаток, соответствующий глубине погружения индентора.
Ввиду того, что геометрические размеры индентора известны и строго регламентированы, вместо глубины погружения определяют площадь отпечатка в поверхностном слое испытуемого материала.
Определение твердости по Виккерсу возможно для веществ с самыми высокими значениями, поскольку в качестве испытательного конуса используется пирамидка из алмаза, который имеет максимальную известную твёрдость.
Индентор выполнен в виде четырехугольной пирамиды с углами между гранями 136°. Такой угол выбран для того, чтобы сблизить значения метода Виккерса с методом Бриннеля. Таким образом, значения твердости в пределах 400-450 единиц практически совпадают, особенно, в области меньших значений.
Метод Виккерса
Твердость по Виккерсу определяют путем вдавливания пирамиды в испытуемый образец под действием силы определенной величины. Зная приложенную силу и площадь отпечатка можно определить твердость поверхности испытуемого материала.
Вместо расчета площади отпечатка используются значения измеренных диагоналей ромба, между которыми находится прямая зависимость.
Итоговый результат твёрдости определяют по формуле:
HV = 1.854∙F/d2
В данной формуле F – это значение силы, а d – диагональ ромба.
Как правило, при измерениях по Виккерсу никаких вычислений по приведенной формуле не применяют, а используют табличные значения, исходя из приложенного усилия, времени воздействия и результирующей площади следа.
Скачать ГОСТ 2999-75
Значение приложенной силы регламентировано и составляет 30 кг. Время воздействия на поверхность обычно составляет 10-15 с. Это самые распространенные значения, однако во многих ситуациях необходимо воздействовать на материал образца при помощи иных значений силы.
Большинство измерительных приборов отрегулировано для некоторых дискретных и строго нормированных значений усилия.
Величина нагрузки зависит от измеряемого материала (его предполагаемой твердости). Чем тверже поверхность испытуемого образца материала, тем больше нагрузка. Это вызвано стремлением к уменьшению погрешности при определении площади и уменьшения влияния вязкости материала.
Для снижения погрешности также предъявляются ограничения по размерам испытуемого образца.
Минимальная толщина образца должна быть в 1,2-1,5 раз больше предполагаемой диагонали отпечатка в зависимости от вида металла (меньшая величина соответствует стали, большая предназначена для цветных металлов).
Расстояние между краем образца или краем предыдущего отпечатка и центром отпечатка должно быть не менее 2,5 величины диагонали.
Особые требования предъявляются также к чистоте поверхности. Ее шероховатость не должна превышать 0,16 мкм, что означает необходимость в полировке поверхности.
Таблица для определения твердости по Виккерсу
Малые линейные размеры образца требуют применение микроскопа дл измерения размеров отпечатка, причем, чем тверже образец, тем более четкую картинку должен передавать микроскоп для сохранения точности измерения.
Гост 2999-75 (ст сэв 470-77) метод измерения твердости по виккерсу
ГОСТ 2999-75 (СТ СЭВ 470-77)МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ.Метод измерения твердости по Виккерсу Metals and alloys. Vickers hardness test by diamond pyramid
ОКСТУ 1909 Дата введения 1976-07-01* ______________________________ * Ограничение срока действия снято по протоколу N 5-94 Межгосударственного Совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС N 2, 1993 год).
УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 28 июля 1975 г. № 1956
Определение твердости металлов и сплавов
Сущность метода заключается во вдавливании шарика (стального или из твердого сплава) в образец (изделие) под действием силы, приложенной перпендикулярно поверхности образца в течение определенного времени, и измерении диаметра отпечатка после снятия силы.
Твердость по Бринеллю обозначают символом НВ или HBW:
-
НВ — при применении стального шарика (для металлов и сплавов твердостью менее 450 единиц); HBW — при применении шарика из твердого сплава (для металлов и сплавов твердостью более 450 единиц).
- Символу НВ (HBW) предшествует чистовое значение твердости из тpex значащих цифр, а после символа указывают диаметр шарика, значение приложенной силы (в кгс), продолжительность выдержки, если она отличается от 10 до 15 с.
- Примеры обозначения:
- 250 НВ 5/750 — твердость по Бринеллю 250, определенная при применении стального шарика диаметром 5 мм при силе 75 кгс (7355 Н) и продолжительности выдержки от 10 до 15 с;
- 575 HBW 2,5/187,5/30 — твердость по Бринеллю 575, определенная при применении шарика из твердого сплава диаметром 2,5 мм при силе 187,5 кгс (1839 Н) и продолжительности выдержки 30 с.
- При определении твердости стальным шариком или шариком из твердого сплава диаметром 10 мм при силе 3000 кгс (29420 Н) и продолжительности выдержки от 10 до 15 с твердость по Бринеллю обозначают только числовым значением твердости и символом НВ или HBW.
- Пример обозначения: 185 НВ, 600 HBW.
Метод Виккерса. Метод измерения твердости черных и цветных металлов и сплавов при нагрузках от 9,807 Н (1 кгс) до 980,7 Н (100 кгс) по Виккерсу регламентирует ГОСТ 2999 — 75* (в редакции 1987 г.).
Измерение твердости основано на вдавливании алмазного наконечника в форме правильной четырехгранной пирамиды в образец (изделие) под действием силы, приложенной в течение определенного времени, и измерении диагоналей отпечатка, оставшихся на поверхности образца после снятий нагрузки.
Твердость по Виккерсу при условиях испытания — силовое воздействие 294,2 Н (30 кгс) и время выдержки под нагрузкой 10 … 15 с, обозначают цифрами, характеризующими величину твердости, и буквами HV.
Пример обозначения: 500 HV — твердость по Виккерсу, полученная при силе 30 кгс и времени выдержки 10 … 15 с
При других условиях испытания после букв HV указывают нагрузку и время выдержки.
Пример обозначения: 220 HV 10/40 — твердость по Виккерсу, полученная при силе 98,07 Н (10 кгс) и времени выдержки 40 с.
Общего точного перевода чисел твердости, измеренных алмазной пирамидой (по Виккерсу), на числа твердости по другим шкалам или на прочности при растяжении не существует. Поэтому следует избегать таких переводов, за исключением частных случаев, когда благодаря сравнительным испытаниям имеются основания для перевода.
Метод Роквелла. Метод измерения твердости металлов и сплавов по Роквеллу регламентирует ГОСТ 9013 — 59* (в редакции 1989 г.).
- Сущность метода заключается во внедрении в поверхность образца (или изделия) алмазного конусного (шкалы A, C, D) или стального сферического наконечника (шкалы В, Е, F, G, Н, К) под действием последовательно прилагаемых предварительной и основной сил и в определении глубины внедрения наконечника после снятия основной силы.
- Твердость по Роквеллу обозначают символом HR с указанием шкалы твердости, которому предшествует числовое значение твердости из трех значащих цифр.
- Пример обозначения: 61,5 HRC — твердость по Роквеллу 61,5 единиц по шкале C.
С целью обеспечения единства измерений введен государственный специальный эталон для воспроизведения шкал твердости Роквелла и Супер-Роквелла и передачи их при помощи образцовых средств измерений (рабочих эталонов) рабочим средствам измерений, применяемым в стране (ГОСТ 8.064 — 94).
Диапазоны шкал твердости по Роквеллу и Супер-Роквеллу, воспроизводимых эталоном, приведены в таблице.
26. Диапазоны шкал твердости по Роквеллу и Супер-Роквеллу, воспроизводимых эталоном по ГОСТ 8,064 — 94
| Шкалы | Диапазоны измерений | |
| Роквелла | A | 70 — 93 HRA |
| В | 25 — 100 HRB | |
| С | 20 — 67 HRC | |
| Супер-Роквелла | N 15 | 70 — 94 HRN 15 |
| N 30 | 40 — 86 HRN 30 | |
| N 45 | 20 — 78 HRN 45 | |
| Т 15 | 62 — 93 HRT 15 | |
| Т 30 | 15 — 82 HRT 30 | |
| Т 45 | 10 — 72 HRT 45 |
27. Сравнение чисел твердости металлов и сплавов по различным шкалам
| Виккерс HV | Бринелль НВ | Роквелл НRB | sв, МПа |
| 100 | 100 | 52,4 | 333 |
| 105 | 105 | 57,5 | 350 |
| 110 | 110 | 60,9 | 362 |
| 115 | 115 | 64,1 | 382 |
| 130 | 120 | 67,0 | 402 |
| 125 | 125 | 69,8 | 410 |
| 130 | 130 | 72,4 | 430 |
| 135 | 135 | 74,7 | 450 |
| 140 | 140 | 76,6 | 470 |
| 145 | 145 | 78,3 | 480 |
| 150 | 150 | 79,9 | 500 |
| 155 | 155 | 81,4 | 520 |
| 160 | 160 | 82,8 | 530 |
| 165 | 165 | 84,2 | 550 |
| 170 | 170 | 85,6 | 565 |
| 175 | 175 | 87,0 | 580 |
| 180 | 180 | 88,3 | 600 |
| 185 | 185 | 89,5 | 620 |
| 190 | 190 | 90,6 | 640 |
| 195 | 195 | 91,7 | 650 |
| 200 | 200 | 92,8 | 665 |
| 205 | 205 | 93,8 | 685 |
| 210 | 210 | 94,8 | 695 |
| 215 | 215 | 95,7 | 715 |
| 220 | 320 | 96,6 | 735 |
| 225 | 225 | 97,5 | 745 |
| 230 | 230 | 98,4 | 765 |
| 235 | 235 | 99,2 | 785 |
| 240 | 240 | 100,0 | 795 |
| 245 | 245 | 21,2 | 815 |
| 250 | 250 | 22,1 | 835 |
| 255 | 255 | 23,0 | 855 |
| 260 | 260 | 23,9 | 865 |
| 265 | 265 | 24,8 | 880 |
| 270 | 270 | 25,6 | 900 |
| 275 | 275 | 264 | 910 |
| 280 | 280 | 27,2 | 930 |
| 285 | 285 | 28,0 | 950 |
| 290 | 290 | 28,8 | 970 |
| 295 | 295 | 29,5 | 980 |
| 300 | 300 | 30,2 | 1000 |
| 310 | 310 | 31,6 | 1030 |
| 320 | 319 | 33,0 | 1060 |
| 330 | 328 | 34,2 | 1090 |
| 340 | 336 | 35,3 | 1120 |
| 350 | 344 | 36,3 | 1150 |
| 360 | 352 | 37,2 | 1180 |
| 370 | 360 | 38,1 | 1200 |
| 380 | 368 | 38,9 | 1230 |
| 390 | 376 | 39,7 | 1260 |
| 400 | 384 | 40,5 | 1290 |
| 410 | 392 | 41,3 | 1305 |
| 420 | 400 | 42,1 | 1335 |
| 430 | 408 | 42,9 | 1365 |
| 440 | 416 | 43,7 | 1385 |
| 450 | 425 | 44,5 | 1410 |
| 460 | 434 | 45,3 | 1440 |
| 470 | 443 | 46,1 | 1480 |
| Виккерс HV | Роквелл HRC | Виккерс HV | Роквелл HRC | Виккерс HV | Роквелл HRC | Виккерс HV | Роквелл HRC |
| 490 | 47,5 | 600 | 54,2 | 720 | 60,2 | 840 | 65,1 |
| 500 | 48,2 | 620 | 55.4 | 740 | 61,1 | 860 | 65,8 |
| 520 | 49,6 | 640 | 56,5 | 760 | 62,0 | 880 | 66,4 |
| 540 | 50,8 | 660 | 57,5 | 780 | 62,8 | 900 | 67,0 |
| 560 | 52 | 680 | 58,4 | 800 | 63,6 | 1114 | 69 |
| 580 | 53,1 | 700 | 59,3 | 820 | 64,3 | 1220 | 72 |
Примечание. Погрешность перевода чисел твердости по Виккерсу в единицы Бринелля ± 20 НВ; В единицы Роквелла — до ± 3 HRC (HRB); значения sв до ± 10 %.
В таблице приводятся приближенные соотношения между числами твердости, определенные различными методами.
С достаточной степенью точности для конструкционных углеродистых и легированных сталей перлитного класса, для которых 150 НВ, можно принять s0,2 = 0,367 НВ, для стали НВ < 150s0,2 » 0,2 НВ.
Для конструкционных сталей низколегированных и углеродистых (НВ » 150) sв» 0,345 НВ. Для более точного пересчета НВ на HRC рекомендуется пользоваться ГОСТ 22761-77.
Испытание металлов на твёрдость: определение твёрдости металлов методом Бринелля и методом Роквелла
Метод определения твердости по Виккерсу основан на исследовании зависимости глубины проникновения алмазного конуса (индентора) в исследуемый материал от величины усилия.
После снятия усилия на поверхности образца остается отпечаток, соответствующий глубине погружения индентора.
Ввиду того, что геометрические размеры индентора известны и строго регламентированы, вместо глубины погружения определяют площадь отпечатка в поверхностном слое испытуемого материала.
Определение твердости по Виккерсу возможно для веществ с самыми высокими значениями, поскольку в качестве испытательного конуса используется пирамидка из алмаза, который имеет максимальную известную твёрдость.
Индентор выполнен в виде четырехугольной пирамиды с углами между гранями 136°. Такой угол выбран для того, чтобы сблизить значения метода Виккерса с методом Бриннеля. Таким образом, значения твердости в пределах 400-450 единиц практически совпадают, особенно, в области меньших значений.
Метод Виккерса
Твердость по Виккерсу определяют путем вдавливания пирамиды в испытуемый образец под действием силы определенной величины. Зная приложенную силу и площадь отпечатка можно определить твердость поверхности испытуемого материала.
Почему на горячую не заводится бензопила «Штиль-250»
Вместо расчета площади отпечатка используются значения измеренных диагоналей ромба, между которыми находится прямая зависимость.
Итоговый результат твёрдости определяют по формуле:
HV = 1.854∙F/d2
В данной формуле F – это значение силы, а d – диагональ ромба.
Как правило, при измерениях по Виккерсу никаких вычислений по приведенной формуле не применяют, а используют табличные значения, исходя из приложенного усилия, времени воздействия и результирующей площади следа.
Скачать ГОСТ 2999-75
Значение приложенной силы регламентировано и составляет 30 кг. Время воздействия на поверхность обычно составляет 10-15 с. Это самые распространенные значения, однако во многих ситуациях необходимо воздействовать на материал образца при помощи иных значений силы.
Большинство измерительных приборов отрегулировано для некоторых дискретных и строго нормированных значений усилия.
Величина нагрузки зависит от измеряемого материала (его предполагаемой твердости). Чем тверже поверхность испытуемого образца материала, тем больше нагрузка. Это вызвано стремлением к уменьшению погрешности при определении площади и уменьшения влияния вязкости материала.
Для снижения погрешности также предъявляются ограничения по размерам испытуемого образца.
Минимальная толщина образца должна быть в 1,2-1,5 раз больше предполагаемой диагонали отпечатка в зависимости от вида металла (меньшая величина соответствует стали, большая предназначена для цветных металлов).
Расстояние между краем образца или краем предыдущего отпечатка и центром отпечатка должно быть не менее 2,5 величины диагонали.
Особые требования предъявляются также к чистоте поверхности. Ее шероховатость не должна превышать 0,16 мкм, что означает необходимость в полировке поверхности.
Таблица для определения твердости по Виккерсу
Малые линейные размеры образца требуют применение микроскопа дл измерения размеров отпечатка, причем, чем тверже образец, тем более четкую картинку должен передавать микроскоп для сохранения точности измерения.
Твердость по Виккерсу. Шкала и метод Виккерса
Укрощение строптивых. Так образно можно назвать измерение твердости по Виккерсу. Метод используют для работы с особо твердыми металлами и их сплавами.
Уровень электронный (уклономер). Советы по выбору и отзывы
К таким нужен особый подход. Присутствуют в лабораториях и алмазы. В каком качестве?
Измерение твердости по Виккерсу
Из алмазов производят наконечники инденторов. Последние вдавливаются в металл, дабы определить степень его сопротивления.
Только вот, в часть сплавов погрузиться может лишь алмаз – самый твердый минерал на Земле, с показателем по шкале Мооса в 10 баллов.
В большинстве твердомеров, к примеру, аппаратах Роквелла, на инденторе устанавливается конус из закаленной стали.
Для отдельных металлов она сгодится. Даже самый твердый уран по шкале Мооса может похвастаться всего 6-ю баллами, а закаленная сталь – 7,5-8-ю.
Однако, если брать урановые сплавы, они могут быть равнозначны 9-бальному корунду.
Специализация метода не означает, что твердость по Виккерсу запрещено проставлять на мягких материалах. Машина, способная справиться с самыми прочными, измерит и податливые.
Просто, предприятиям, работающим исключительно с мягкими сплавами, нет нужды покупать дорогостоящий твердомер с алмазным наконечником.
Измерение твердости по методу Виккерса отличается не только использованием алмазных вдавливателей, но и возможностью определить степень сопротивления предметов разной величины.
Есть наручные часы? Пружины в них проходят проверку на аппаратах Виккерса.
Каким образом они приспособлены работать одновременно и с массивными, и с миниатюрными предметами, рассмотрим в следующей главе.
Принцип измерения по Виккерсу
Для определения твердости по Виккерсу нужна четырехгранная пирамида из алмаза. Обязательна правильная форма вдавливателя.
Делаем спиральную терку своими руками
Да, да, камень именно вдавливается в поверхность испытуемого материала. Если угол между противоположными гранями пирамиды составляет ровно 136 градусов, измерения должны быть верными.
Опыты проводятся с помощью специального прибора. У него есть опорный столик, на который кладется испытуемый образец и тот самый индентор с бриллиантовой пирамидой.
Есть пресс, вдавливающий наконечник, и регуляторы нагрузки. Результаты записываются цифрами, к которым прибавляются буквы HV.
Твердость по Виккерсу соответствует диагонали отпечатка от алмазной пирамидки. Отпечаток этот подвергается изучению под микроскопом, точность которого равна 1 микрометру.
На других твердомерах подобных «дивайсов» нет. Поэтому, точность измерений по Виккерсу повышена.
Описание метода можно свести к формуле: HV=P/F(ean/ii2). Под P понимается нагрузка. F обозначает площадь отпечатка.
Интересно, что результат почти не зависит от приложенной нагрузки. Кажется, можно ведь надавить посильнее, или послабже.
Однако, выручает пирамидальная форма индентора. Профиль отпечатка треугольный, то есть, обладает свойствами подобия.
Для убеждения в правильности измерений можно повторить опыт уже на твердомере Бринелля. Это инженер из Швеции.
Его шкала твердости металлов совпадает с отметками Виккерса в пределах от 100 до 450-ти единиц. В этих границах находится, к примеру, твердость стали по Виккерсу.
Выдержка на обоих твердомерах равна 10-15-ти секундам. Это время вдавливания наконечников инденторов в испытуемую поверхность.
Она не должна быть шероховатой. Иначе, результаты могут быть неточными на обоих приборах. Это считается минусом методов.
- Применение измерений по Виккерсу
- Шкала твердости Виккерса позволяет протестировать не только часовые пружины, но и листовые материалы вплоть до гальванического покрытия.
- Гальваника – металлическое напыление, призванное защитить предмет от коррозии, улучшить свойства и эстетику.
Толщина пленки может составлять всего доли миллиметра. Ни один твердомер кроме аппарата Виккерса за такое «не возьмется».
Твердомер Виккерса способен настраиваться на нагрузку от 1-го до 500-от граммов. С таким же успехом аппарат дает давление и в полтонны.
Применение разных грузов, отлаженная электроника, делают твердомер Виккерса универсальным для любых предприятий, особенно, широкого профиля.
Твердость по Виккерсу – ГОСТ, входящий в национальный стандарт Российской Федерации. Прописаны не только требования к той, или иной, продукции, но и запросы по отношению к твердомерам.
Получается, маркировка по Виккерсу – показатель качества товаров. Особенно часто твердость требуется определить в отрасли автомобилестроения.
По Виккерсу ориентируются и конструкторы космических кораблей, спутников, воздушных судов. Все они нуждаются в корпусах и прочих деталях повышенной прочности.
Но, мало разработать сплав, должный отличаться исключительной твердостью. Нужно еще и доказать, что она именно такова, как прописано в документах. Вот и приходит на помощь твердость по Виккерсу.
Принцип определения сопротивления металлов важен и в ювелирной отрасли. Приобретая драгоценности, люди хотят, чтобы они были носкими.
Это во многом зависит от твердости сплавов. Золотое изделие может быть дорогостоящим, но потерять блеск уже через несколько месяцев эксплуатации.
На украшении останутся множественные царапины от контакта с другими поверхностями. Так что, ориентироваться стоит не только на пробу, но и показатель Виккерса.
Кроме процента главного металла, он зависит от характера и количества примесей – лигатуры. Она в пробах не указывается.
Известно, что золото – мягкий металл. По идее, чем больше лигатуры, тем тверже должен быть сплав.
Получается, из-за соображений носкости можно взять 375-ю пробу, в которой драгоценного сырья всего около 38%? Ан, нет.
Твердость 9-каратного золота ниже показателя 18-каратного (750-я проба) всего на 5 единиц. У первого по Виккерсу 120 единиц, у второго – 125.
А вот злато 585-ой пробы тверже обоих образцов минимум на 10 баллов. Это уже приличный показатель. С золотом разорались. О гальванике упомянули.
Осталось выяснить, какие еще материалы измеряются методом Виккерса. Такие данные и в космосе пригодятся, и в быту не помешают.
Какие материалы измеряются на твердость по Виккерсу
Кроме гальванизированных поверхностей, метод применим к азотированным материалам. Их обрабатывают газом в специальных камерах, насыщая исходную поверхность атомами азота.
Итог – повышенная стойкость к коррозии и выдающаяся микротвердость. Так называют сопротивляемость отдельных областей в структуре материала.
Раз азотируется поверхность, значит, твердостью отличается именно она, прикрывая более уязвимое нутро.
Знак Виккерса ставят и на цементированных поверхностях. Цемент в привычном понимании слова здесь ни при чем.
Верхний слой материала, к примеру, стали, насыщают углеродом. Это придает сплаву особую твердость до 8,5 баллов по шкале Мооса.
По Виккерсу это в районе 750-ти единиц, то есть, почти на 400 HV превосходит твердость металлов.
Виккерсу идея его твердомера пришла в первой половине 20-го столетия. Еще тогда физик решил заложить в прибор систему автоматической обработки данных.
Современные инженеры довели идею предшественника до совершенства, если оно существует.
Стационарные аппараты 21-го века компактны, снабжены всеми возможными настройками. Стоит, правда, такое совершенство немало.
Но, это, как говориться, боль производителей. Дело потребителей, — видеть в инструкциях цифры, позволяющие понять, насколько надежна та, или иная вещь.
Область применения
Измерение твердости по методу Виккерса – универсальный метод, но наиболее точные значения он дает при исследовании веществ с высокой твёрдостью. Малые усилия и, соответственно, небольшие линейные размеры отпечатка позволяют практически не нарушать поверхность измеряемого материала.
Дальнейшее развитие метод Виккерса получил при измерениях микротвердости. Величина давления при этом составляет от 2 до 500 г, а глубина погружения индентора не превышает 0,2 мкм. Столь малые величины требуют применения микроскопов с большой увеличительной способностью.
Установка для измерения твердости по Виккерсу
Причина применения данной методики заключается в измерениях прочности покрытий практически любой толщины и твердости. Таким образом, не существует принципиальных ограничений по определению характеристик анодированных, цементированных и азотированных деталей и инструментов. Это важно при определении качества гальванических и химических покрытий.
Возможны измерения очень тонких поверхностных слоев. К примеру, если использовать методику Виккерса по определению микротвердости с глубиной погружения 0,2 мкм, то допустимая толщина материала составляет 0,3 мкм. Глубина упрочненного слоя стали при использовании различных методик составляет десятые доли миллиметра, толщина слоя родия составляет десятки микрометров.
В отечественных лабораториях наиболее распространен твердомер типа ТП-7Р-1. Он имеет пять фиксированных значений испытательной нагрузки с пределами измерений HV от 8 до 2000.
Методы Виккерса и Шора для твердомеров
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:
- где Р
- — прилагаемая нагрузка (кгc),d — средняя диагональ отпечатка (мм) и
- α
— лицевой угол индентора (136°)
Загрузка...
