Способы определения твёрдости сталей

По определению, твёрдость материала – это способность сопротивляться упругой деформации, пластической деформации и (или) разрушению в поверхностном слое.
Существует три способа измерения твёрдости:

• способ упругого отскока;
• способ вдавливания;
• способ царапания.

В промышленности используется большое количество металлов и их сплавов с самыми разнообразными механическими свойствами. Это привело к тому, что в настоящее время существует около трёх десятков методов испытания твёрдости, относящиеся к указанным выше трём способам, и каждый имеет определённую область применения.
В технической литературе твёрдость всегда обозначается буквой Н (от англ. hardness – твёрдость). Следом за буквой Н всегда пишется одна или две буквы, обозначающие метод испытания твёрдости, например: НВ – твёрдость по Бринеллю; HRA, HRB, HRC – твёрдость по Роквеллу (по шкалам А, В и С); HV – твёрдость по Виккерсу; HSD – твёрдость по Шору; HP – твёрдость по Польди; Нμ – микро-твёрдость и т.д.
Наиболее распространённые методы измерения твёрдости металлов мы рассмотрим далее.

Метод Виккерса (HV) - заключается во внедрении в испытуемый металл алмазной пирамиды с углом при вершине между противоположными гранями 136°. Усилие вдавливания выбирается в зависимости от толщины и твёрдости образца и составляет от 1 до 100 кгс. Значение твёрдости получается делением приложенной к индентору нагрузки на площадь пирамидального отпечатка, которую определяют по диагонали отпечатка. Метод достаточно универсален, так как позволяет измерять, твёрдость практически любого металла и сплава. Этим методом можно измерять твёрдость тонких пластин и слоёв (до 6,05 мм). Метод требует очень тщательной подготовки поверхности – тонкого шлифования или полировки.
Метод Виккерса нежелательно применять при измерении твёрдости крупнозернистых и разнородных структур, так как при малом размере отпечатка (соизмеримом с размерами зерна) можно получить большой разброс данных.

Микротвёрдость (Нμ) - по своей сути это тот же метод Виккерса. Разница заключается в величине прилагаемой к пирамиде нагрузки – от 5 до 200 кгс. Этот метод предназначен для измерения твёрдости очень тонких и однородных по структуре слоёв, а также отдельных зёрен металла (сплава). Измерение твёрдости производится под микроскопом при увеличении от 200 до 400 раз. Метод применяется в лабораторных условиях и, как правило, в исследовательских целях. Для измерения твёрдости этим методом поверхность образца необходимо полировать.

Метод Польди (HP) - заключается в том, что между испытуемой поверхностью и эталонным образцом помещают стальной закалённый шарик диаметром 5...10 мм. Затем по эталону наносят удар молотком (со стороны противоположной шарику), в результате чего на испытуемом образце и на эталоне твёрдости получаются отпечатки. Замеряя диаметры отпечатков и зная твёрдость эталона НВ_Э (в единицах Бринелля), вычисляют твёрдость образца НВ₀ (также в единицах Бринелля). Этот метод обычно используют для приближенной оценки твёрдости и когда невозможно использовать стандартные методы, например, на металлобазах, на крупногабаритных деталях и т.д.

Метод Шора (HSD) - заключается в том, что на испытуемую поверхность с высоты 19 мм свободно падает боек массой 36 г, боёк имеет алмазный закруглённый наконечник. Под действием упругой отдачи материала боек отскакивает на высоту h. Твёрдость материала пропорциональна высоте отскока. В шкале Шора за 100 единиц твёрдости принята максимальная твёрдость закалённой на мартенсит эвтектоидной стали, что соответствует высоте отскока бойка на 13,6 мм. Этим методом можно измерять твёрдость деталей, имеющих массу не менее 5 кг, непосредственно на детали. Можно измерять твёрдость изделий массой до 100 г, но при этом изделие должно иметь толщину не менее 10 мм и располагаться на столике прибора. Возможно применение этого метода для контроля твёрдости металла, нагретого до высокой температуры.

Наиболее распространёнными методами измерения твёрдости металлических материалов являются методы Бринелля и Роквелла, относящиеся к способу вдавливания (внедрения). Совместное применение этих методов позволяет измерять твёрдость любых по твёрдости металлов и сплавов на их основе.

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЁРДОСТИ ПО МЕТОДУ БРИНЕЛЛЯ (HB)
При измерении твёрдости этим методом в поверхность изделия в течение определенного времени с усилием Р вдавливается стальной закалённый или твёрдосплавной шарик диаметром 10,5 или 2,5 мм. На поверхности образца получается отпечаток диаметром d.

Для получения значения твёрдости необходимо измерить диаметр отпечатка и рассчитать площадь F_отп шарового сегмента по следующей формуле:

Твёрдость HB (кгс/мм2) определятся делением приложенной к шарику нагрузки на площадь отпечатка:

Диаметр отпечатка измеряют специальной измерительной лупой с точностью 0,05 мм. Для получения более точного результата диаметр отпечатка следует измерять в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Время нагружения зависит от материала образца и составляет: 10 с – для чёрных металлов, 30 или 60 с – для цветных сплавов в зависимости от их твёрдости (от марки сплава). При измерении тонких образцов необходимо соблюдать следующее условие: толщина образца S должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка h. В противном случае образец может быть продавлен и результат испытания будет неверен. Методом Бринелля можно испытывать материалы, твёрдость которых не превышает 450 единиц по Бринеллю. При бóльшей твёрдости внедритель – шарик будет деформироваться, и измерение будет не точным.

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЁРДОСТИ ПО МЕТОДУ РОКВЕЛЛА (HRA, HRB, HRC)
При измерении твёрдости по Роквеллу внедрителем служит или алмазный конус с углом при вершине 120° и радиусом закругления 0,2 мм, или стальной закалённый шарик диаметром 1,588 мм (1/16 дюйма). Внедритель вдавливается в испытуемый материал под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р₀, равной 10 кгс и основной Р₁, таким образом, общая нагрузка Р на внедритель в момент нагружения равна Р = Р₀ + P₁. Предварительная нагрузка всегда равна 10 кгс (независимо от внедрителя), а основная нагрузка колеблется в зависимости от внедрителя и испытуемого материала. Если внедрителем служит алмазный конус, то основная нагрузка P1 может быть или 50, или 140 кгс (общая нагрузка 60 и 150 кгс), если внедрителем является шарик, то основная нагрузка всегда равна 90 кгс (общая 100 кгс).
При использовании в качестве внедрителя алмазного конуса твёрдость материала оценивается по двум шкалам – А и С (максимальное значение 100 единиц). При нагрузке на индентор 60 кгс твёрдость обозначается как HRA, если нагрузка составляет 150 кгс, то твёрдость в этом случае обозначается как HRC. Если же внедрителем служит шарик (нагрузка на него 100 кгс), то отсчёт твёрдости производится по шкале В (максимальное значение 130 единиц) и твёрдость в этом случае обозначается как HRB. Мерой твёрдости в методе Роквелла является глубина проникновения внедрителя в испытуемый материал: одной единице твёрдости соответствует внедрение индентора на 0,002 мм.

Вначале испытания индентор под действием предварительной нагрузки Р₀=10 кгс вдавливается в поверхность на глубину h_o. Затем прикладывается основная нагрузка P₁ и под действием этой суммарной нагрузки Р = Р₀ + P₁ индентор внедряется в испытуемую поверхность на максимальную глубину, производя пластическую и упругую деформацию материала. После того как нагружение закончилось (примерно в течение 5с), снимают основную нагрузку, оставляя предварительную. Под действием упругих сил внедритель частично поднимается вверх и занимает положение, соответствующее глубине проникновения h, которая и характеризует твёрдость металла.
Достоинством этого метода является возможность измерения твёрдости в широком диапазоне как очень твёрдых, так и сравнительно мягких материалов. Но методом Роквелла не рекомендуется измерять, например, твёрдость серых чугунов и цветных сплавов, содержащих структурные составляющие, резко отличающиеся по своим механическим свойствам. Это объясняется тем, что отпечаток, получаемый при вдавливании конуса или шарика диаметром 1,588 мм, достаточно мал и не всегда может равномерно охватить все составляющие, что приведёт к большому разбросу данных по твёрдости.
При выборе режимов испытания твёрдости необходимо ориентировочно знать примерную твёрдость сплава (твёрдый, мягкий) и толщину образца. Измерение шариком по шкале В применяется для отожжённых и нормализованных сталей, меди и её сплавов, дюралюминов и других сплавов, с твёрдостью HRB в диапазоне 25...100 ед. (НВ65...240). Минимальная толщина образца 0,7 мм. Измерение твёрдости конусом по шкале С применяется для закалённых сталей и сталей после отпуска. Пределы измерения в этом случае составляют примерно HRC 20...67 (НВ220...710). Минимальная толщина образца 0,7 мм. Измерение твёрдости конусом по шкале А применяется в тех случаях, когда нельзя применить измерение по шкале С. Например, когда измеряется твёрдость очень твёрдых материалов (твёрдые и минералокерамические сплавы и другие инструментальные материалы), применение в этом случае шкалы С, т.е. нагрузки на конус 150 кгс, может привести к поломке алмаза. Пределы измерения твёрдости по HRA составляют обычно 70…85 ед. (НВ 360…710).

Таблица сравнения твёрдости материалов, определённой различными способами.

Твёрдость по Бринеллю		Твёрдость по Роквеллу			Твёрдость по Виккерсу, HV	Твёрдость по Шору, HSD
Диаметр отпечатка d, мм	D=10 мм P=3000 кгс	HRC	HRA	HRB
2,20	782	72	89	-	1220	107
2,30	713	67	85	-	1021	96
2,40	652	63	83	-	867	88
2,50	600	59	81	-	746	81
2,55	578	58	80	-	694	78
2,60	555	56	79	-	649	75
2,65	532	54	78	-	606	72
2,70	512	52	77	-	587	70
2,75	495	51	76	-	551	68
2,80	477	49	76	-	534	66
2,85	460	48	75	-	502	64
2,90	444	47	74	-	474	61
2.95	430	45	73	-	460	59
3,00	415	44	73	-	435	57
3,05	402	43	72	-	423	55
3,10	387	41	71	-	401	53
3,15	375	40	71	-	390	52
3,20	364	39	70	-	380	50
3,25	351	38	69	-	361	49
3,30	340	37	69	-	344	47
3,35	332	36	68	-	335	46
3,40	321	35	68	-	320	45
3,45	311	34	67	-	312	44
3,50	302	33	67	-	305	42
3,55	293	31	66	-	291	41
3,60	286	30	66	-	285	40
3,65	277	29	65	-	278	39
3,70	269	28	63	-	272	38
3,75	262	27	64	-	261	37
3,80	255	26	64	-	255	36
3,85	248	25	63	-	250	36
3,90	241	24	63	100	240	35
3,95	235	23	62	99	235	34
4,00	238	22	62	98	226	33
4,05	223	21	61	97	221	33
4,10	241	20	61	97	217	32
4,15	212	19	60	96	213	31
4,20	207	18	60	95	209	30
4,25	202	-	59	94	201	30
4,30	196	-	58	93	197	29
4,35	192	-	58	92	190	29
4,40	187	-	57	91	186	28
4,45	183	-	56	89	183	28
4,50	179	-	56	88	177	27
4,55	174	-	55	87	174	27
4,60	170	-	55	86	170	26
4,65	166	-	54	85	166	26
4,70	163	-	53	84	163	25
4,75	159	-	53	83	159	25
4,80	156	-	52	82	156	24
4,85	153	-	52	81	153	24
4,90	149	-	51	80	149	23
4,95	146	-	50	79	146	23
5,00	143	-	50	78	143	22
5,05	140	-	-	77	140	21
5,10	137	-	-	75	137	21
5,15	134	-	-	74	134	19
5,20	131	-	-	73	131	19
5,25	128	-	-	72	128	19
5,30	126	-	-	71	126	19
5,35	124	-	-	70	124	19
5,40	121	-	-	68	121	19
5,45	118	-	-	67	118	19
5,50	116	-	-	65	116	19
5,55	114	-	-	64	114	18
5,60	112	-	-	63	112	18
5,65	109	-	-	61	109	18
5,70	107	-	-	60	107	18
5,75	105	-	-	58	105	18
5,80	103	-	-	57	103	18
5,85	101	-	-	56	101	17
5,90	99	-	-	55	99	17
5,95	97	-	-	53	97	17
6,00	95	-	-	51	95	17