Все металлы и сплавы металлом обладают способностью удерживать свою форму под влиянием механической деформации. Это свойство – способность сохранять форму называют твердостью. При этом контроль твердости металла измеряют влиянием на образец более твердого объекта – индентора.
Чтобы правильно подобрать металл или сплав для изготовления конкретной детали или сборки механизма, используют различные методы измерения твердости металлов.
Эти способы не унифицированы в единый международный стандарт. Для разных задач и целей можно применять свой метод измерения твердости металла, уникальный набор приборов и технологий, видов контроля, оптимизируя затраты на контроль сырья, полуфабрикатов или контроль готовой продукции.
Вместе с тем приняты определенные способы, которые имеют свою шкалу твердости, технику исполнения и продуктивность, точность. Прежде чем проводить испытание, следует определить критерии и требования к испытаниям.
Общие требования к испытаниям
Независимо от того какие способы выбраны экспертами для испытания, базовые требования остаются неизменными:
- поверхность объекта – детали, образца металлической заготовки – должна быть подготовлена для испытаний одинаковым для всех видов контроля, способом;
- образец, подлежащий измерению, обязательно фиксируется на измерительной площадке или другой измерительной поверхности жестко, с прогнозируемым отсутствием смещения по месту прикладывания усилия;
- определение твердости образца должно соответствовать базовым методологическим принципам измерений – математически выверенной схеме измерений без искажения физического смысла свойства материала, математической соразмерности используемых единиц измерений.
Среди обязательных требований – методы измерения твердости металлов должны включать необходимость контроля оборудования перед началом испытаний, работоспособности твердомеров, отсутствия видимых повреждений или указаний на потенциальную некорректность получаемых данных.
Важно, чтобы метод не был полностью разрушающим. Такой результат испытания не дает возможности объективно измерять твердость. Он будет указывать только на механическое воздействие оборудования, превышающее границы прочности материала.
Рекомендуется использовать прием, где толщина заготовки или полуфабриката будет минимум в 10 раз больше глубины проникновения индентора твердомера.
Точное выполнение общепринятых параметров определения твердости, действующих госстандартов, гарантирует гармонизацию показателей испытаний, их релевантность, независимо от того какие способы и виды контроля используются в конкретном случае.
Основные методы измерения твердости
Существует множество методик контроля, которые в основном применяют три варианта испытаний твердомером: вдавливание, царапание и упругий отскок.
В основном применяют методы Шора, Роквелла, Виккерса, Бринелля и их модернизированные или специализированные разновидности контроля: микро – Виккерса или супер – Роквелла.
Популярные способы используют специальный набор приборов и устройств, которые обязательно проверяются перед применением. Также оборудование может проходить не постоянную, а обязательную регулярную, установленную специальным регламентом, проверку. Таким образом каждое испытание будет давать на выходе корректные данные контроля для объективного решения по использованию металла.
Метод Бринелля
Этот способ измерения отличается простотой и распространенностью из-за доступности и достаточной точности. После воздействия твердомера необходимо измерить отпечаток индентора на образце – по диаметру отпечатка. Чтобы точно измерить твердость металла, показатель приложенной нагрузки прибора делят на полученную площадь отпечатка шарика на поверхности образца. Средний показатель шероховатости поверхности образца должен составлять не более Ra 2,5.
Ключевое преимущество применения прибора по методу Бринелля – доступность оборудования, а также:
- широкий диапазон возможных измерений прибора с применением нагрузки от 1 до 3 тысяч кг;
- неразрушающий характер работы оборудования, что необходимо для ценных и пластичных металлов;
- возможность использования твердомера этого типа практически в любых условиях, включая использование портативных систем большим кругом пользователей.
Метод Виккерса и Микро-Виккерса
По способу воздействия способ похож на метод Бринелля, однако со своей особенностью. Измерения по Виккерсу осуществляют с помощью индентора в форме пирамиды из алмаза с расположением граней под углом 136°.
Для того чтобы измерить твердость, пресс оказывает воздействие на образец от 5 до 15 секунд. В результате работы прибора производят измерения полученного оттиска пирамиды на теле объекта, вследствие удара индентором измерительного оборудования. Приложенное усилие на образец твердомером сопоставляют с полученным результатом.
Измерять прочность этим приемом можно при шероховатости поверхности 0,02 - 0,04 Ra, а применяемое усилие оборудования составляет не более 100 кгс.
Для некоторых видов материалов применяют способ микро Викерса, в котором используется усилие твердомера на образец не выше 5 кгс или 49Н. Минимальное усилие прибора здесь составляет от 0,01 кгс.
Для измерений могут использоваться образцы из сталей высокой прочности, а также стальные полуфабрикаты и готовые изделия с закаленной или незакаленной поверхностью. Измерять прочность можно также различных цветных металлов.
Преимущество метода Виккерса – высокая точность твердомера и возможность использовать алмазный индентор в приборе длительное время без замены или корректировки его параметров.
Метод Роквелла и Супер-Роквелла
Определение показателей способом Роквелла относится к еще одному очень распространенному варианту статически нагруженного измерения твердости металлов твердомерами. В этом случае используется в качестве индентора алмазный конус или твердосплавный шарик. Как и в других способах применяется определение твердости сопоставлением усилия и глубины полученного отпечатка на образце. Ключевое отличие от других методов измерения твердости металла – наличие основной и предварительной нагрузки прибором на поверхность образца.
Диапазон нагрузки твердомера на образец – от 60 до 100 кгс, а шероховатость поверхности – не менее Ra 0,38 и не более Ra 2,5. Метод супер Роквелла применяется при шероховатости материала в диапазоне от 0,08 до 0,16 Ra. Измерять прочность можно на усилие, не превышающее показатель 45 кгс.
Преимущество метода Роквелла – универсальность использования. Образцами для измерений прибором Роквелла могут быть как высокопрочные стали с антикоррозионной поверхностью, так и легкие алюминиевые композиты с минимальной твердостью.
Метод Шора
Определение твердости по методу Шора – это применение другой технологии, по сравнению с перечисленными выше способами. Здесь используется измерение с помощью упругого отскока от поверхности образца.
Чтобы проводить измерения методом Шора, используют стержень или шарик с прочным завершением. Расстояние отскока от поверхности укажет на твердость материала.
Особенность использования и важное преимущество замеров метода Шора – технологическая простота оборудования. Еще одно преимущество метода Шора – возможность быстрого получения относительно точного результата. Для измерений применяют только образцы мягких или средней твердости металлов и их сплавов.
