7.2 Способы определения твердости

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

Широкое распространение метода контроля твердости объясняется тем, что не требуются специальные образцы, а также тем, что это неразрушающий метод, позволяющий оценить качество конкретного изделия (в том числе, находящегося в эксплуатации). Это основной метод оценки качества термической обработке 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.

Твердость по Бринеллю (HB) (ГОСТ 9012) схема испытаний и оборудование представлены на рис. 7.4.

а	б	в
Рисунок 7.4 – Измерение твердости по Бринеллю: схема испытаний (а), стационарный пресс (б), лупа Бринелля (в).

В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5 или 10 мм, в зависимости от толщины изделия.

Нагрузка Р назначается в зависимости от диаметра шарика и измеряемой твердости: для термически обработанной стали и чугуна – Р = 30D², литой бронзы и латуни – Р = 10D², алюминия и других очень мягких металлов – Р = 2,5D².

Продолжительность выдержки : для стали и чугуна – 10 с, для латуни и бронзы – 30 с.

Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях с точностью до сотых долей миллиметра при помощи лупы Бринелля.

Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р (МПа) к сферической поверхности отпечатка F (мм²):

, (МПа).

Стандартными условиями являются: D = 10 мм; Р = 3,0 МПа;  = 10 с. В этом случае твердость по Бринеллю обозначается, например: НВ 250; в других случаях через знак «/»указываются условия измерения в следующей последовательности: НВ D / P /  - значение твердости; например, для бронзы: НВ 5/ 200 /30 – 80.

Твердость по Роквеллу (HR) (ГОСТ 9013).

Схема испытаний и оборудование представлены на рис. 7.5.

а	б
Рисунок 7.5 – Измерение твердости по Роквеллу: схема испытаний (а), твердомеры Роквелла (б).

Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1/16” (1,6 мм), для более твердых материалов – конус алмазный.

Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка Р₀ (1,0 МПа) для плотного соприкосновения наконечника с образцом, шкала прибора выставляется «на нуль». Затем прикладывается основная нагрузка Р₁ и в течение 5 с действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой Р₀ (по отклонению стрелки прибора от нулевой отметки).

В зависимости от природы материала и его предварительной обработки используются сменные инденторы при соответствующем изменении нагрузки, в связи с чем существует три шкалы твердости (табл. 7.1).

Твердость по Виккерсу (HV) (ГОСТ 2999).

Схема испытаний и оборудование представлены на рис. 7.6.

В качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине 136.

Таблица 7.1

Условия испытаний твердости по Роквеллу

Шкала	Обозначение	Индентор	Нагрузка, МПа			Область применения
			Р0	Р1	Р2
А	HRA	Алмазный конус	1,0	5,0	6,0	Особо твердые материалы (инструмен-тальные)
В	HRB	Стальной шарик	1,0	9,0	10,0	Относительно мягкие материалы (цветные металлы и сплавы, неметаллы)
С	HRC	Алмазный конус	1,0	14,0	15,0	Относительно твердые материалы (стали, чугуны)

а	б	в
Рисунок 7.6 – Измерение твердости по Виккерсу: схема испытаний (а), стационарный (б) и портативный (в) твердомеры.

Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P (МПа) к площади поверхности отпечатка F (мм²):

, (МПа).

Нагрузка Р составляет (0,5…10) МПа. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе.

Преимущество данного способа в том, что можно измерять с высокой точностью и чувствительностью твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои.

Способ микротвердости – для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра).

Аналогичен способу Виккерса (рис. 7.7). Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании (0,5…50) кПа.

а	б	в
Рисунок 7.7 – Измерение микротвердости: стационарный (а) и переносной (б) микротвердомеры, автоматический измерительный комплекс (в).

Метод царапания (относительной твердости по Моосу). Алмазным конусом, пирамидой или шариком наносится царапина, которая является мерой. При нанесении царапин на другие материалы и сравнении их с мерой судят о твердости материала (рис. 7.8). Можно нанести царапину шириной 10 мм под действием определенной нагрузки. Наблюдают за величиной нагрузки, которая дает эту ширину.

а	б	в
Рисунок 7.8 – Измерение твердости царапанием: твердомеры шариковый (а), алмазный (б), автоматический цифровой (в).

За эталоны шкалы твердости приняты 10 минералов, располагаемые в порядке повышения твердости (табл. 7.2).

Таблица 7.2

Относительная шкала твердости минералов, металлов

Эталонный минерал	Твердость, ед.	Обрабатываемость	Материалы аналогичной твердости
Тальк	1	Царапается ногтем	Графит, тепло и электроизоляционные материалы
Гипс	2	Царапается ногтем	Хлорит, галит, асбест, электроизоляционные материалы
Кальцит	3	Царапается медной монетой	Биотит, золото, серебро, медь, магниевые сплавы
Флюорит	4	Царапается стальным лезвием, стеклом	Доломит, сфалерит, низкоуглеродистые стали, медные сплавы, алюминиевые сплавы
Апатит	5
Ортоклаз	6	Обрабатывается напильником	Опал, рутил, углеродистые стали, в т.ч. термически обработанные, чугуны, титановые сплавы
Кварц	7	Обрабатываются алмазом, царапают стекло	Гранат, турмалин, берилл, термически обработанные углеродистые стали, инструментальные стали и сплавы
Топаз	8
Корунд	9		Инструментальные твердые сплавы, абразивные материалы
Алмаз	10	Режет стекло	Инструментальные материалы на основе синтетического алмаза

Динамический метод Шора (HSD) (ГОСТ 23273). Шарик бросают на поверхность (рис. 7.9) с заданной высоты h₁ (19 мм), он отскакивает на определенную величину h. Чем больше величина отскока, тем тверже материал. Высота h = 13,6±0,3 мм принимается за 100 ед. HSD.

а	б	в
Рисунок 7.9 – Измерение твердости по Шору: схема испытаний (а), стационарный (б) и портативный (в) твердомеры.

Величины твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу имеют точные значения взаимного перевода (см. Приложение 1). Методы Мооса и Шора являются относительными, поэтому точного перевода значений измеряемых величин не имеют.