Как найти твердость стали

Твердость материала – это способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твердого материала. Она определяется величиной нагрузки необходимой для начала разрушения материала. Твердость делится на относительную и абсолютную. Относительная твердость – это твердость одного материала по отношению к другому. Абсолютная твердость определяется с помощью методов вдавливания.

Твёрдость зависит от множества факторов. Среди них: межатомные расстояния вещества, валентность, природа химической связи, хрупкости и ковкости материала, гибкости, упругости, вязкости и других качеств.

Наиболее твёрдыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода — лонсдейлит, который твёрже алмаза в полтора раза и фуллерит с превышением твёрдости алмаза в два раза. Однако среди распространённых веществ по-прежнему самым твёрдым является алмаз.

Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения). Для разных материалов они будут разными. Для измерения твердости металлов применяются методы:

Метод Бринелля — твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка. Единицами измерения являются кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твёрдость, англ.), B — Бринелль. Это один из самых старых методов, применявшийся еще в XIX веке.

Метод Роквелла — твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, обозначается HR, где H – hardness, а R – Rockwell. Твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 − kd, где d — глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k — коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу соответствует HR 100. 3-й буквой в обозначении идёт наименование типа шкалы, напр. HRA, HRB, HRC и т.д. Для ножей твердость определяется по шкале HRC, которая фактически заканчивается на 70 единицах, так как большая твердость ножа не позволяет им полноценно пользоваться из-за снижения ударной вязкости, повышения хрупкости и т.д. Эта система была самой распространенной в XX веке.

Твердость по методу Роквелла можно измерять:

1) Алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кгс. Твердость измеряется по шкале С и обозначается HRC (например, 62 HRC). Метод позволяет определять твердость закаленной и отпущенной сталей, материалов средней твердости, поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм;

2) 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;

3) Стальным шариком с общей нагрузкой 100 кгс. Твердость обозначается HRB и измеряется по 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 к 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 измеряется не менее 3 раз на одном образце, затем выводится среднее значение. 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.

Метод Виккерса – самая широкая по охвату шкала, твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Обозначается HV, где H — Hardness (твёрдость, англ.), V — Vickers (Виккерс, англ.). При испытании твердости по методу Виккерса, в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом. После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка. 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 для сталей 10 – 15 с, а для цветных металлов – 30 с. Преимущества метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.

Твёрдость по Шору (Метод вдавливания) — твёрдость определяется по глубине проникновения в материал специальной закаленной стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины. В данном методе измерения используется прибор — дюрометр. Обычно метод Шора используется для определения твердости низкомодульных материалов (полимеров). Метод Шора, предполагает 12 шкал измерения. Чаще всего используются варианты A (для мягких материалов) или D (для более твердых). Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается буквой используемой шкалы, записываемой после числа с указанием метода. В качестве примера, можно привести резину в покрышке колеса легкового автомобиля, которая имеет твердость примерно 70A, а школьный ластик — примерно 50A.

Твёрдость по Шору (Метод отскока) — метод определения твёрдости очень твёрдых материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боёк, падающий с определённой высоты. Твердость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка. Обозначается HSx, где H — Hardness, S — Shore и x — латинская буква, обозначающая тип использованной при измерении шкалы.

Метод Либу (твердомеры)

Это самый широко применяемый на сегодня метод в мире, твёрдость определяется как отношение скоростей до и после отскока бойка от поверхности. Обозначается HL, где H — Hardness (твёрдость, англ.), L — Leeb (Либ, англ.), а 3-й буквой идёт обозначение типа датчика, напр. HLD, HLC и т.д. При использовании данного метода падающий нормально к поверхности исследуемого материала боек сталкивается с поверхностью и отскакивает. Скорость бойка измеряют до и после отскакивания. Предполагается, что боек не подвергается необратимой деформации.

Метод Аскер — твёрдость определяется по глубине введения стальной полусферы под действием пружины. Используется для мягких резин. По принципу измерения соответствует методу Шора, но отличается формой поверхности щупа. Аскер использует полусферу диаметром 2.54 мм.

Метод Кузнецова — Герберта — Ребиндера — твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл.

Метод Польди (двойного отпечатка шарика) — твердость оценивается в сравнении с твердостью эталона, испытание производится путем ударного вдавливания стального шарика одновременно и в образец, и в эталон.

Твёрдость минералов.

Шкала твёрдости минералов Мооса (склерометры царапающие) – метод определения твёрдости минералов путём царапания одного минерала другим, для сравнительной диагностики твёрдости минералов между собой по системе мягче-твёрже. Испытываемый минерал либо не царапается другим минералом (эталоном Мооса или склерометром) и тогда его твёрдость по Моосу выше, либо царапается – и тогда его твёрдость по Моосу ниже. Шкала Мооса — опредедяет, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый материал, и какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом.

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.

Все о твердости стали

Твёрдость — свойство стали (или другого сплава) оказывать сопротивление сдавливанию более твёрдым телом, например, быстрорежущей сталью или победитом.

Что это такое?

Но если такое свойство не обеспечивается в полной мере, то железо подлежит переплавке. Чистое железо, не обладающее достаточной твёрдостью, присущей стали, можно встретить только в лабораториях.

Виды шкал по методу измерения

По Бринеллю

Суть метода определения твёрдости по Бринеллю сводится к диаметру отпечатка, который оставляется шариком из твёрдого сплава, вжимаемым в испытуемую поверхность. Величина твёрдости в этом случае равна отношению усилия, прилагаемого к шарику, к площади оставленного на поверхности следа испытательной нагрузки. Площадь отпечатка при этом равна площади части поверхности шарика. Значение твёрдости по Бринеллю равно килограммам силового воздействия на квадратный миллиметр. Встречающееся обозначение HB (что значит «твёрдость Бринелля») указывает на неиспользование испытательных шариков для определения искомой величины.

По Роквеллу

Метод Роквелла, по своей сути, напоминает испытание вдавления алмазного конуса в тестируемый материал. Размерность – конкретные единицы, включая производные – не задана. Несмотря на существования нескольких шкал по Роквеллу, используют лишь две из них – A (до 100 единиц) и B (до 130 по HRC). Твёрдость алмаза – максимальная, аналогов у данного материала в природе, да и при промышленном их получении, не существует. Для сравнения, эльбор имеет всего лишь 90, а не 100 единиц твёрдости.

По Моосу

Метод определения твёрдости по шкале Мооса основан на сравнении с эталонами 10 минеральных веществ – от талька до алмаза. К примеру, если испытуемая деталь процарапывается апатитом, но не поддаётся флюориту, то его твёрдость оказалась в диапазоне 4-5 единиц. Но абсолютная твёрдость колеблется от 1 до 1600 единиц.

По Виккерсу

Метод Виккерса несколько отличается от своего предыдущего аналога. Вдавливание осуществляется не конусом, а пирамидкой, из того же алмаза. Единицы измерения – как и в случае метода Бринелля.

По Шору

В отличие от метода Роквелла и иных аналогов вместо алмазного острия применяют закалённую иглу под действием настраиваемой пружины. Область применения – в основном для полимерных, а не стальных составов. Шкала в основном представлена вариантами A – для мягких пластиков, и D – для твёрдых. Для вычисления твёрдости стали определяют не глубину проникновения, а высоту отскакивания иглы или специального бойка.

Другие

Для одних и тех же сортов стали величины могут существенно отличаться, а диапазоны величин для разных марок стали одного и того же рода – располагаться так, что любые зависимости окажутся в виде отчётливых кривых на графике. А также твёрдость меняется при разных внешних температуре и давлении.

Твёрдость сталей разных марок

Для сравнения, твёрдость чугуна, содержание угля в котором превышает 2,14% по массе, преодолевает сама себя как явление: хрупкость чугуна настолько велика, что многие чугунные изделия растрескиваются от удара молотка, чего не происходит со стальными.

Как проверить в домашних условиях?

Чтобы убедиться, что перед вами стальное сверло, а не победитовое, можно попробовать им просверлить глиняный кирпич или гранитный камень. Если при этом оно быстро затупится, то вы столкнулись с обычным сверлом из стали (оно сверлит лишь дерево).

Если оказалось, что твёрдость далека от ожидаемой, значит, вы столкнулись с подделкой, закалить и отпустить изделие, как это наблюдалось бы с заявленной маркой стали, не удастся. Такие изделия годятся лишь для переплавки в качестве металлолома.

Как повысить?

Однако, превысив температуру до 1300 и более градусов, велик риск перегреть сплав, из которого изготовлен прокаливаемый инструмент – сталь делается почти белой и окончательно теряет твёрдость.

Твердость материала – это способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твердого материала. Она определяется величиной нагрузки необходимой для начала разрушения материала. Твердость делится на относительную и абсолютную. Относительная твердость – это твердость одного материала по отношению к другому. Абсолютная твердость определяется с помощью методов вдавливания.

Твёрдость зависит от множества факторов. Среди них: межатомные расстояния вещества, валентность, природа химической связи, хрупкости и ковкости материала, гибкости, упругости, вязкости и других качеств.

Наиболее твёрдыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода — лонсдейлит, который твёрже алмаза в полтора раза и фуллерит с превышением твёрдости алмаза в два раза. Однако среди распространённых веществ по-прежнему самым твёрдым является алмаз.

Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения). Для разных материалов они будут разными. Для измерения твердости металлов применяются методы:

Метод Бринелля — твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка. 

Существуют два вида методов расчета твердости:

По методу восстановленного отпечатка твёрдость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка:

,

где:

•  — приложенная нагрузка, H;
•  — диаметр шарика, мм;
•  — диаметр отпечатка, мм.

По методу невосстановленного отпечатка твёрдость определяется как отношение приложенной нагрузки к площади внедрённой в материал части индентора:

,

где  — глубина внедрения индентора, мм.

Единицами измерения являются кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твёрдость, англ.), B — Бринелль. Это одни из самых старых методов, применявшиеся еще в XIX веке.

Метод Роквелла — твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, обозначается HR, где H – hardness, а R – Rockwell. Твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 − kd, где d — глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k — коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу соответствует HR 100. 3-й буквой в обозначении идёт наименование типа шкалы, напр. HRA, HRB, HRC и т.д. Для ножей твердость определяется по шкале HRC, которая фактически заканчивается на 70 единицах, так как большая твердость ножа не позволяет им полноценно пользоваться из-за снижения ударной вязкости, повышения хрупкости и т.д. Эта система была самой распространенной в XX веке.

Твердость по методу Роквелла можно измерять:

 1)    Алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кгс. Твердость измеряется по шкале С и обозначается HRC (например, 62 HRC). Метод позволяет  определять твердость закаленной и отпущенной сталей, материалов средней твердости, поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм; 

  2)    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;


  3)    Стальным шариком с общей нагрузкой 100 кгс. Твердость обозначается HRB и измеряется по 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 к 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 измеряется не менее 3 раз на одном образце, затем выводится среднее значение. 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.

Метод Виккерса – самая широкая по охвату шкала, твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Обозначается HV, где H — Hardness (твёрдость, англ.), V — Vickers (Виккерс, англ.). При испытании твердости по методу Виккерса, в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом. После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка. 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  для сталей 10 – 15 с, а для цветных металлов – 30 с. Преимущества метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.

Твёрдость по Шору (Метод вдавливания) — твёрдость определяется по глубине проникновения в материал специальной закаленной стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины. В данном методе измерения используется прибор — дюрометр. Обычно метод Шора используется для определения твердости низкомодульных материалов (полимеров). Метод Шора, предполагает 12 шкал измерения. Чаще всего используются варианты A (для мягких материалов) или D (для более твердых). Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается буквой используемой шкалы, записываемой после числа с указанием метода. В качестве примера, можно привести резину в покрышке колеса легкового автомобиля, которая имеет твердость примерно 70A, а школьный ластик — примерно 50A.

Твёрдость по Шору (Метод отскока) — метод определения твёрдости очень твёрдых материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боёк, падающий с определённой высоты. Твердость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка. Обозначается HSx, где H — Hardness, S — Shore и x — латинская буква, обозначающая тип использованной при измерении шкалы.

Метод  Либу (твердомеры)

Это самый широко применяемый на сегодня метод в мире, твёрдость определяется как отношение скоростей до и после отскока бойка от поверхности. Обозначается HL, где H — Hardness (твёрдость, англ.), L — Leeb (Либ, англ.), а 3-й буквой идёт обозначение типа датчика, напр. HLD, HLC и т.д. При использовании данного метода падающий нормально к поверхности исследуемого материала боек сталкивается с поверхностью и отскакивает. Скорость бойка измеряют до и после отскакивания. Предполагается, что боек не подвергается необратимой деформации.

Метод Аскер  — твёрдость определяется по глубине введения стальной полусферы под действием пружины. Используется для мягких резин. По принципу измерения соответствует методу Шора, но отличается формой поверхности щупа. Аскер использует полусферу диаметром 2.54 мм.

Метод Кузнецова — Герберта — Ребиндера — твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл.

Метод Польди (двойного отпечатка шарика) — твердость оценивается в сравнении с твердостью эталона, испытание производится путем ударного вдавливания стального шарика одновременно и в образец, и в эталон.

Твёрдость минералов.

Шкала твёрдости минералов Мооса (склерометры царапающие) – метод определения твёрдости минералов путём царапания одного минерала другим, для сравнительной диагностики твёрдости минералов между собой по системе мягче-твёрже. Испытываемый минерал либо не царапается другим минералом (эталоном Мооса или склерометром) и тогда его твёрдость по Моосу выше, либо царапается – и тогда его твёрдость по Моосу ниже. Шкала Мооса — опредедяет, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый материал, и какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом.

• Что такое твердость и способы точного определения
• Метод измерения на основании шкал Роквелла
• Методика Виккерса
• Способ Бринелля
• Метод Шора
• Вывод

Заказывая металлопрокат, нужно не только оценить его размеры, но и обратить внимание на твердость стали. От этой величины зависит, как изделие будет противостоять износу и сильному давлению. Так можно спрогнозировать, какие инструменты потребуются для обработки.

Что такое твердость и способы точного определения

Твердостью называют способность стали противостоять проникновению инородного тела после статического вдавливания. Эту величину определяют, глядя на площадь полученного оттиска, глубину вдавливания предмета в сталь или диагональ оттиска.

На сегодня есть несколько методик выявления данного показателя. Производствам стоит пользоваться самыми простыми и точными вариантами, чтобы изготовить продукцию, которая соответствует установленным нормам ГОСТ.

Выбор контрольного метода зависит от таких показателей:

• исходная упругость, пластичность, прочность металла;
• размер объекта контроля или мест соединения (актуально, если нужно иметь дело с твердостью в зоне сварного шва);
• конечный итог (можно иметь дело с твердостью и самого изделия, и только его поверхности);
• условия (полевые или лабораторные);
• насколько стабильны результаты замеров (будут ли они такими же, если снова захотите провести испытание).

«Стальмет» определяет твердость по Роквеллу. Также поставляет сертифицированный металлопрокат предприятиям Санкт-Петербурга и Ленинградской области. Мы соберем партию и организуем доставку по нужному адресу. Средний срок получения металлопроката – от 2 до 10 дней.

Чтобы определить твердость, эталонный образец вдавливают в поверхность стали. На этом принципе основаны все известные на сегодня методики.

Варианты определения твердости:

• по Роквеллу;
• на основании методики Виккерса;
• по Бринеллю;
• на основании методики Шора.

Далее расскажем о главных особенностях определения твердости с использованием каждого из способов.

Метод измерения на основании шкал Роквелла

Роквелл предложил измерять твердость алмазным конусом (для закаленных сталей) или твердосплавных шариков (для отожженных сталей). Чтобы сделать замер, используют механический и электронный твердомер. Твердость по Роквеллу предполагает использование нескольких шкал испытаний. Чтобы выявить эту величину для инструментов (зубил, напильников, молотков) и крепежей, чаще всего используют шкалу С. Например, оптимальной твердостью клинка считается показатель 52-58 HRC. Если этот показатель выше, нож считается твердым, но хрупким.

Если задействован алмазный конус, для определения твердости использована шкала А или С. Поэтому можно встретить значения вроде 58 HRC, где 58 – показатель твердости, две буквы после нее (HR) указывают на методику Роквелла, а последняя буква (C) сообщает о использованной шкале испытаний.

Числовые значения разных шкал Роквелла нельзя приравнивать друг к другу. Получается, что 58 HRC и 58 HRA – это не одинаковые показатели.

Как правильно делать замер методом Роквелла?

• надежно зафиксировать заготовку;
• планомерно погружать эталонный образец;
• точно отобразить результаты определения твердости.

Метод Роквелла лежит в основе норм твердости, указанным в ГОСТ. Поэтому можно считать этот вариант самым легким, точным и широко распространенным. Однако, есть еще несколько известных методик, которые тоже заслуживают внимания.

Методика Виккерса

Чтобы узнать, с какой твердостью имеете дело, можно не только проводить замер по Роквеллу, но и использовать метод Виккерса. Этот способ подходит для работы с тонкими листовыми металлами, цементированной поверхностью. Метод основан на вдавливании в поверхность четырехугольной пирамиды. Этот эталонный образец изготовлен из алмаза – материала с максимально известной твердостью.

Требования при измерениях с использованием метода Виккерса:

• длительность давления на поверхность – до 15 секунд;
• приложенная сила – 30 кг;
• минимальная толщина измеримого листа – в 1,2 больше, чем прогнозируемая диагональ оттиска;
• полученная величина напрямую зависит от приложенной силы;
• использование методики с чистой отполированной поверхностью (показатель шероховатости – до 0,16 мкм);

Этот способ подходит для выявления микротвердости. В таком случае пирамидку погружают на глубину до 0,2 мкм. Приложенная сила – до 500 г. Если нужно иметь дело с твердостью таких маленьких величин, используем микроскоп.

Чтобы использовать этот метод и получить точный результат, нужно прилагать регламентированную величину силы, следить за длительностью воздействия. Также необходимо тщательно подготовить поверхность.

Способ Бринелля

Твердостью по Бринеллю называют процесс измерения данного показателя, основанный на вдавливании стального шарика под большой нагрузкой в измеримую поверхность. На поверхности остается полусферический оттиск. Измеряя его диаметр и глубину, можно определить, с какой твердостью работаем.

Требования к проведению измерений:

• отсутствие окалины, изгибов на поверхности;
• выдержка давления – от 10 до 180 секунд;
• образцы, отличающееся повышенной твердостью (от 450 кгс/мм2), не испытываются;
• соотношение между нагрузкой и полученным оттисков должно быть постоянным;
• не нужно измерять показатель твердости у кромки изделия.

Методика подходит для металлов и сплавов. Диаметр шарика и нагрузку определяют в зависимости от материала. Этим способом проводят измерения незакаленной стали.

Метод Шора

Твердостью по Шору называют быстрое, простое измерение данной величины для различных поверхностей, включая криволинейные. Для измерения исследуют отскок бойка, который падает вертикально на измеримую зону. На величину отскока может влиять шероховатость, структура, толщина и другие показатели, не соотносимые с твердостью.

Требования к проведению замеров:

• толщина изделия – от 6 мм;
• проведение измерений на расстоянии от 12 мм от края;
• ровная поверхность в радиусе 6 мм от кончика эталонного образца;
• есть риск отклонения результатов из-за шероховатости, перепадов поверхности;
• важно правильно расположить измерительные приборы.

Этот метод измерения твердости считается быстрым, но не очень точным. Если важно определить, с какой точно твердостью имеете дело, лучше использовать другие способы.

Вместо выводов

Использование одного из перечисленных методов определения твердости позволяет проводить испытания и получать точные результаты в полевых или лабораторных условиях. Однако при исследованиях важную роль играет и сам эталонный образец (расположение, диаметр), и приложенная сила давления, и характеристики измеримой поверхности. Обычно проведение измерений занимает до 2 минут. Так можно убедиться в том, что образец соответствует требованиям, изложенным в ГОСТ.