Измерение твердости, методы и применение мер твердости

Твёрдость — это свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твёрдого тела.

Измерение твердости объекта — самый распространённый метод выявления его механических характеристик. Полученное значение в зависимости от метода прибора будет иметь свою размерность и свои цели определения твердости.

Твёрдость материала определяется как отношение величины нагрузки к площади поверхности, площади проекции или объёму отпечатка. Различают три вида твердости: проекционную, поверхностную и объемную.

Проекционная — это отношение нагрузки к площади проекции отпечатка.

Поверхностная — это отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка.

Объёмная — это отношение нагрузки к объёму отпечатка.

Большое количество методов определения данного значения и их направленности не предоставляет возможность выбрать один из них в качестве основного.

Наиболее распространенные способы:

1. БРИНЕЛЛЯ. Данный метод разработан инженером из Швеции в далеком 1900 году и называется по его фамилии. Для получения результатов выполняется вдавливание индентора в форме шарика. При выборе условий испытаний следят, чтобы толщина образца как минимум в 8 раз превышала глубину вдавливания индентора. В настоящий момент почти все электронные портативные приборы измерения твердости универсальны (за исключением твердомеров резины по методу Шора А!!!). Стационарные твердомеры зачастую выпускаются для конкретного метода определения твердости, так как есть существенные отличия в наконечниках и изучении отпечатка.
2. РОКВЕЛЛА. Способ был впервые предложен профессором Людвигом в своей книге «Испытания конусом» в 1908 году. Метод Роквелла — это определение относительной глубины проникновения твёрдого наконечника в материал. Потребность в машине Роквелла с применением данного метода была вызвана необходимостью быстрого определения эффектов термообработки на обоймах стальных подшипников. Метод Бринелля был в то время медленным, не подходил для закалённых сталей и оставлял слишком большой отпечаток, чтобы рассматриваться как неразрушающий.
3. ВИККЕРСА. Способ основывается на вдавливании в материал исследования правильной четырёхгранной алмазной пирамиды. Твёрдость вычисляется путём деления нагрузки Р на площадь поверхности полученного пирамидального отпечатка. Метод Виккерса позволяет определять твёрдость азотированных и цементированных поверхностей, а также тонких листовых материалов.
4. ШОРА. Метод зачастую используется для резины, пластмасс и иных полимеров. Существует два типа определения значения по Шору: Метод Шора А (вдавливание) для полимеров и метод Шора D (отскок) для металлов.
5. ЛИБА. Метод разработан инженером швейцарской компании Proceq  Д. Либом в 1975г. Для определения твёрдости используется отскок бойка (измеряется соотношение скоростей бойка до и после удара).

 

Важно: для портативных твердомеров по любому методу при контроле образца от 0,03 г (при толщине изделия не менее 3 мм) до 2 кг необходимо использовать методику притирки. При толщине контролируемого объекта от 3 до 0,5 мм  требуется струбцина (дополнительная комплектация к твердомерам), для маленьких деталей сложной формы рекомендуются специальные штативы. Поверхность исследуемого образца должна быть не более 2,5 Ra !!! Для её зачистки рекомендуем применять миниатюрные шлифмашины и для более грамотной работы — измерители шероховатости.

Образцовые меры твёрдости предназначены для воспроизведения твёрдости металлов по стандартизированным шкалам твердости: Роквелл (ГОСТ 9013-59), Супер-Роквелл (ГОСТ 22975-78), Бринелль (ГОСТ 9012-59), Виккерс (ГОСТ 2999-75), Шор (ГОСТ 23273-78), Либа (ASTM A956, DIN 50156-3).

Меры твёрдости необходимы для двух основных задач:

-первая — контроль исправности и точности показаний твердомеров. Все без исключения международные стандарты рекомендуют и требуют перед началом работы по серии измерений определить точность показаний вашего прибора на мерах твердости (той шкалы, по которой будут проводиться измерения). Если показания твердомера соответствуют номинальному значению меры твёрдости в пределах паспортной погрешности, можно приступать к измерению изделий. Это касается всех типов приборов определения твердости: стационарных, портативных, статических и т. д.    

 - вторая — калибровка твердомеров. Если при контроле исправности и точности показаний твердомера на мере твёрдости выявлено завышение или занижение показаний твёрдости за пределами паспортной погрешности твердомера, такой прибор необходимо откалибровать.  Возможность самостоятельной калибровки твердомера пользователем заложена практически в каждой модели.

Не экономьте на мерах твёрдости: если рабочая поверхность меры использована более чем на 70 % (следы от уколов индентора), возьмите новую. Эта рекомендация предписана многими стандартами, в том числе российскими, из-за высокой вероятности попадания нового измерения в след от старого и, как следствие, получения некорректного результата измерения твёрдости.  Меры твёрдости металлов имеют только одну рабочую поверхность — ту, на которую нанесена градуировка (значение меры твёрдости либо поверочное клеймо).