Методы измерения твердости – Методы измерения твердости

alexxlab | 18.09.2019 | 0 | Разное

Содержание

Методы определения твердости – Компания «Метротест»

Что такое твердость?

Твердость – это способность материалов сопротивляться проникновению в его поверхность индентора, который должен быть тверже исследуемого образца.

Основные методы определения твердости?

Основными исторически сложившимися определениями твердости являются методы: Бринелля (HB, HBW), Роквелла (HRA, HRB, HRC), Супер-Роквелла (HRN и HRT), Виккерса (HV), Микро-Виккерса (HV) и Шора (HА, НD, НОО и др.).

Во всех перечисленных методах при внедрении индентора происходит пластическая деформация исследуемого образца. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем на меньшую глубину проникает индентор и тем выше твердость.

Какие исследуемые образцы подвергаются к испытанию методом Бринелля?

По методу Бринелля измеряют твердость более мягких материалов с максимальной твердостью до 650 HBW, например: стали, чугун (кроме белого), медь, мягкие сплавы, черные и цветные металлы, прессованная древесина и фанера при больших нагрузках.

Какие исследуемые образцы подвергаются к испытанию методом Роквелла?

По методу Роквелла измеряют твердость очень твердых и относительно мягких металлов, например: графит и пластмассы, металлы и сплавы после термической обработки при больших нагрузках.

Какие исследуемые образцы подвергаются к испытанию методом Супер-Роквелла?

Метод Супер-Роквелла в отличие от метода Роквелла подходит также для определения твердости алюминиевых сплавов, тонких металлических плит, подшипниковых сталей, толстых защитных покрытий при небольших нагрузках.

Какие исследуемые образцы подвергаются к испытанию методом Виккерса и Микро-Виккерса?

По методу Виккерса позволяют испытывать с высокой твердостью (благодаря использованию алмазного индентора) образцов из твердых сплавов, черных и цветных металлов, тонколистовых сталей, закаленных и не закаленных сталей, литья, полудрагоценных и драгоценных камней, цинкованных, хромированных и луженых покрытий поверхностей при больших нагрузках.

Метод Микро-Виккерса подходит для определения твердости малых образцов или металлической фольги, сталей, керамики, тонких пленок, покрытий, твердых сплавов, тонких закаленных слоев при малых нагрузках.

Какие исследуемые образцы подвергаются к испытанию методом Шора?

По методу Шору измеряют твердость резины и пластмасс, строительных утеплителей, ПВХ, продуктов из натурального каучука, твердых смол, полиэстера, печатных пластин, неопрена, и полиграфических валов.

Как измеряют твердость по методу Бринелля?

Метод измерения твердости по Бринелля описан в ГОСТ 9012-59 и основан на плавном внедрении твердосплавного стального шарика (определенного диаметра) в образец. После окончания испытания с помощью микроскопа измеряют диаметр отпечатка.

Применяют стальные или твердосплавные шарики с диаметрами 2,5 мм; 5 мм; 10 мм (также для определения твердости пластиков и твердых полимерных материалов применяются сферические шарики диаметрами 7,5 и 12 мм).

Как измеряют твердость по методам Роквелла и Супер-Роквелла?

Метод определения твердости по Роквеллу и Супер-Роквеллу в полном соответствии с ГОСТ 9013-59 проводится путем статического внедрения стального шарового индентора диаметром 1,5875 мм или алмазного индентора с углом при вершине 120 градусов с определенным усилием на поверхность исследуемого образца, и измерением глубины отпечатка во время испытания.

Преимущество метода Роквелла.

Преимуществом по Роквеллу является простота метода измерения твердости не требующего замера диаметра отпечатка и поиска твердости по таблице.

Как измеряют твердость по методам Виккерса и Микро-Виккерса?

Метод измерения твердости по Виккерсу и Микро-Виккерсу основан на плавном внедрении правильной четырехгранной алмазной пирамиды (с противоположным углом 136 градусов) в поверхность испытуемого изделия с определенным усилием (P), с последующим измерением диагонали отпечатка и расчета твердости образца по таблицам (ГОСТ 2999-75).

Преимущество метода Виккерса.

Преимущество по методу Виккерсу заключается в том, что возможно измерять твердость очень малых или тонких образцов.

Как измеряют твердость методом Шора?

Метод измерения твердости по Шору заключается во внедрении стального закаленного индентора (с определенной формой) с определенным усилием в поверхность исследуемого образца в соответствии с ГОСТ 263-75, 24622-91, 24621-91, ASTM D2240, ISO 868-85.

Преимущество метода Шора.

Преимуществом твердомеров по методу Шору является простота в использовании для определения твердости, небольшая масса и габариты.

metrotest.ru

Методы измерения твердости – часть 2

Наконечник алмазный конусный имеет угол при вершине 120°. Наконечник шариковый стальной имеет диаметр 1,588 (шкалы B, F, G) и 3,175 (шкалы E, H, K).

Твердость по методу Роквелла можно измерять:

– алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кгс. Твердость измеряется по шкале С и обозначается HRC (например, 65 HRC). Таким образом определяют твердость закаленной и отпущенной сталей, материалов средней твердости, поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм;

– 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;

– стальным шариком с общей нагрузкой 100 кгс. Твердость обозначается HRB. Так определяют твердость мягкой (отожженной) стали и цветных сплавов.

При измерении твердости методом Роквелла необходимо, чтобы на поверхности образца не было окалины, трещин, выбоин и др. Необходимо контролировать перпендикулярность приложения нагрузки и 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. Толщина образца должна не менее чем в 10 раз превышать глубину внедрения наконечника после снятия основной нагрузки. Твердость следует измерять не менее 3 раз на одном образце, усредняя полученные результаты.

Преимущество метода Роквелла по сравнению с методом Бринелля:

– возможность проводить испытания высокой твёрдости путём отсчёта по шкале индикатора без вычисления или пользования специальными таблицами;

– малая повреждаемость поверхности в результате его применения;

– высокая производительность измерения.

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО ВИККЕРСУ

При испытании на твердость по методу Виккерса в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине равеным 136о (рис.1, в)). После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d. Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки Р к измеренному значению диагонали отпечатка М:

, (6)

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 принимают для сталей 10 – 15 с, а для цветных металлов – 30 с.

Например, 450 HV10/15 означает, что число твердости по Виккерсу 450 получено при P = 10 кгс (98,1 Н), приложенной к алмазной пирамиде в течение 15 с.

При измерении твердости по Виккерсу должны быть соблюдены следующие условия:

– плавное возрастание нагрузки до необходимого значения;

– обеспечение перпендикулятности приложения действующего усилия к испытуемой поверхности;

– поверхность испытуемого образца должна иметь шероховатость не более 0,16 мкм;

– поддержание постоянства приложенной нагрузки в течении установленного времени;

– расстояние между центром отпечатка и краем образца или соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длины диагонали отпечатка;

– минимальная толщина образца должна быть для стальных изделий больше диагонали отпечатка в 1,2 раза; для изделий из цветных металлов – в 1,5 раза.

Преимущество метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материаллы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.

ИСПЫТАНИЕ НА ТВЕРДОСТЬ МЕТОДОМ УДАРНОГО ОТПЕЧАТКА

Метод основан на внедрении в поверхности испытуемого объекта твердосплавного конического индентора (для испытания стали с твердостью < HV850) или стального шара (для испытания стали с твёрдостью < HV350). Измерение сравнительной твердости стали по Виккерсу, Бринеллю и пластической твердости осуществляется с помощью переносных твердомеров ударного действия при начальной скорости удара от 1 до 5 м/с.

При измерении сравнительной твердости стали по Виккерсу твердосплавный наконечник в форме двустороннего и одностороннего конуса с углами 136° при вершинах внедряют в поверхности испытуемого объекта под действием кратковременной динамической нагрузки, создаваемой ударным механизмом. После снятия индентора с испытуемой поверхности измеряют диаметры отпечатков конуса на поверхностях контрольного бруска dэ и испытуемого образца d0.

Число сравнительной твердости испытуемого объекта по Виккерсу (HVc) вычисляют по формуле:

, (7)

где HVэ – среднее значение твердости контрольного бруска по Виккерсу, измеренное посредством статического стационарного прибора;

nкэ и nк0 – динамические коэффициенты твёрдости материалов стального контрольного бруска и испытуемого объекта при ударном внедрении конуса.

При измерении этим методом сравнительной твердости по Бринеллю стальной шарик диаметром D одновременно внедряют в поверхности стального контролируемого бруска и испытуемого объекта под действием кратковременной нагрузки Рд, создаваемой ударным методом. После снятия индентора с испытуемой поверхности измеряют диаметры отпечатков шарика на поверхностях контрольного бруска dэ и испытуемого объекта d0 или глубины восстановленных отпечатков на поверхностях объекта h0 и стального контрольного бруска hэ.

Число сравнительной твердости испытуемого объекта по Бринеллю (HBc) вычисляют по формуле:

, (8)

где HBэ – среднее значение твердости контрольного бруска по Бринеллю стального контрольного бруска, измеренное посредством статических стационарных приборов ТШ и ТК;

D – диаметр шарика, мм;

dэ – диаметр восстановленного ударного отпечатка на поверхности контрольного бруска, мм;

d0 – диаметр восстановленного ударного отпечатка на поверхности испытуемого образца, мм;

nшэ и nш0 – динамические коэффициенты твердости материалов стального контрольного бруска и испытуемого объекта при ударном внедрении шарика со скоростью 0,72 – 2 м/с.

Диаметры отпечатков измеряют в двух взаимно прерпендикулярных направлениях и определяют как среднее арифметическое результатов двух измерений.

Измерение диаметров ударных отпечатков конического индентора на испытуемой поверхности и поверхности контрольного бруска должно осуществляться с помощью отсчётного оптического микроскопа, погрешность которого не должна превышать ±0,01мм на одно наименьшее деление шкалы. Измерение диаметров ударных отпечатков шарика на испытуемой поверхности и поверхности контрольного бруска должно осуществляться с помощью отсчётного оптического микроскопа, погрешность которого не должна превышать ±0,5 мм на одно наименьшее деление шкалы.

КОСВЕННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ

МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ПО ШОРУ

Суть метода заключается в том, что боек определенной массы с алмазным наконечником свободно и вертикально падает с определенной высоты на испытуемую поверхность. Высота отскока бойка принимается за характеристику твердости и измеряется в условных единицах. Масса изделия при измерении твердомерами, установленными непосредственно на изделие, должна быть не менее 5 кг. Образцы, устанавливаемые на столик твердомера, должны иметь массу не менее 0,1 кг и толщину не менее 10 мм.

Прибор для измерения твердости по Шору должен обеспечивать:

– высоту отскока бойка для 100 единиц твёрдости по Шору 13,6 ± 0,3 мм;

– высоту падения бойка 19,0 ± 0,5 мм;

– цену деления индикатора (измерителя высоты отскока бойка) не более 1 единици шкалы HSP;

– масса бойка с алмазным наконечником должна быть 36 г.

Твердость по Шору указывают с округлением до целой единицы. В шкале Шора за 100 единиц принята максимальная твёрдость стабилизированного после закалки на мартенсит образца из углеродистой инструментальной стали, что соответствует высоте падения бойка 13,6± 0,3 мм.

АКУСТИЧЕСКИЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ ОБРАЗЦА

Во многих случаях применение классических твердомеров для измерения может стать проблематичным. Во-первых, когда контролируемое изделие является крупногабаритным и его нельзя поднести к прибору. Кроме этого, вырезка фрагмента из изделия для последующего из

mirznanii.com

Методы измерения твердости металлов

Все методы измерения твердости металлов можно условно разделить на две группы: прямые и косвенные.

1. Прямые методы

Это классические методы измерения твердости по Бринеллю, по Роквеллу, по Виккерсу, по Шору, по Супер-Роквеллу. Твердость металлов измеряется или оценивается в единицах твердости. Принцип измерения твердости всеми прямыми методами вытекает из определения твердости – способности материала сопротивляться внедрению другого, более твердого тела. В качестве более твердого тела используются инденторы, изготавливаемые, например, из алмаза или карбида вольфрама и имеющие определенную форму –шарик, конус, пирамида.

Приборы для измерения твердости прямыми методами являются стационарными установками, где к индентору, внедряющемуся в изделие или образец, прикладывается определенная нагрузка. Например, стационарный твердомер Роквелла NOVOTEST ТС-Р комплектуется двумя инденторами – шарик с диаметром 1.5875 мм и алмазная конусная пирамидка с углом 120°, прилагаемые испытательные нагрузки 60,100 и 150 кг.

После приложения нагрузки на поверхности образца остается отпечаток. Для каждого прямого метода определения твердости сформулирована зависимость для вычисления значения твердости по известным значениям приложенного усилия и определенным геометрическим параметрам отпечатка. Для метода Роквелла, к примеру, регистрируется глубина отпечатка.

Из достоинств прямых методов измерения твердости стоит отметить универсальность в отношении материала испытываемого образца. Стационарные твердомеры изначально готовы к измерению твердости любых металлов и сплавов без дополнительной калибровки. Недостатки – отсутствие мобильности, ограничение по размерам измеряемых изделии, наличие достаточно большого отпечатка, невысокий темп проведения замеров.

2. Косвенные методы

Косвенных методов всего два – ультразвуковой и динамический. Эти методы не напрямую измеряют твердость, а лишь оценивают значение твердости металла в зависимости от других физических свойств.

2.1. Измерение твердости ультразвуком заключается в фиксации степени изменения (затухания) частоты колебаний стержня с закрепленным на конце индентором при внедрении в поверхность образца. Чем мягче металл, тем больше глубина проникновения индентора и, соответственно, площадь его контакта с металлом, тем выше степень затухания частоты колебаний (в ультразвуковом диапазоне). Метод практически не имеет ограничений по массе и размерам испытуемых изделий, оставляет едва заметный отпечаток, применим для измерения твердости поверхностно упрочненных слоев и изделий со сложной конструкцией (шестерни, подшипники, метизы и т.д.). Ограниченно применяется на изделиях с крупнозернистой структурой.

2.2. Динамический метод реализует зависимость скорости отскока твердого тела от твердости на поверхности соударения. Чем мягче металл, тем больше энергии удара уходит на формирование отпечатка (пластическая деформация) и тем меньше скорость отскока бойка с твердосплавным шариком. Динамический метод применим для крупных, массивных изделий с весом не менее 5 кг и толщиной стенки не менее 10 мм. Подходит для измерения твердости, в том числе и на литых изделиях. Менее чувствителен к качеству поверхности, чем ультразвуковой метод.

2.3. Оба косвенных метода получили распространение в виде портативных, электронных приборов. Измерение твердости переносным твердомером основано на правильном выборе метода контроля (ультразвук или динамика) и использовании корректной калибровки прибора. Обычно портативные твердомеры изначально откалиброваны по стали на стальных мерах твердости и имеют возможность пользовательской калибровки на других металлах и сплавах при наличии образцов с известной твердостью.

Преимущества переносных твердомеров NOVOTEST очевидны: мобильность, портативность, автономность, высокая скорость проведения измерений. Также стоит отметить наличие в электронных приборах возможности измерения твердости по нескольким шкалам, архивации и статистической обработки данных, связи с компьютером.

3. Меры твердости

Используются для настройки и проверки как портативных, так и стационарных твердомеров. Выпускаются по каждой шкале твердости отдельно и имеют уникальные размеры и номиналы в единицах твердости в соответствии с нормативно-технической документацией. При работе с динамическими твердомерами следует учитывать тот факт, что масса любой меры твердости меньше 5 кг. В этом случае меры притираются на массивную плиту через слой смазки.

Автор: Сергей Погорелов

novotest.ua

Методы измерения твердости материалов по Виккерсу, Бринеллю, Роквеллу

Министерство образования Российской Федерации

Таганрогский Государственный Радиотехнический Университет

Кафедра Механики

Реферат

Выполнил:

Студент гр. Р-99

Андриевский В. А.

Проверил:

доцент кафедры механики

Шаповалов Р. Г.

Таганрог 2001

Методы определения твердости металлов

Одной из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность их применения в различных конструкциях и при различных условиях работы, является твердость. Испытания на твердость производятся чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.

Твёрдостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твёрдого тела. Для определения твёрдости в поверхность материала с определённой силой вдавливается тело (индентор), выполненное в виде стального шарика, алмазного конуса, пирамиды или иглы. По размерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твёрдости материала. В зависимости от способа измерения твёрдости материала, количественно её характеризуют числом твёрдости по Бринелю (НВ), Роквеллу (HRC) или Виккерсу (HV) . Указанные механические характеристики связаны между собой, поэтому их конкретные значения могут быть найдены расчётным путём на основе данных о твёрдости с помощью формул, полученных для конкретного материала с определённой термообработкой. Так, например, предел выносливости на изгиб сталей с твёрдостью 180-350 НВ равен примерно 1,8 НВ, с твёрдостью 45-55 HRC – 18 HRC+150, связь предела выносливости с пределом прочности стали описывается соотношениями: Конкретным образцам конструкционных материалов, а также выполненным из них изделиям, присуща индивидуальность прочностных и упругих характеристик. Разброс их значений для различных образцов, выполненных из одного и того же материала, обусловлен статистической природой прочности твёрдых тел, различием структур внешне одинаковых образцов. Из-за неопределённости реальных механических характеристик материала, неопределённости некоторых внешних нагрузок, действующих на технический объект, погрешности расчётов для обеспечения безопасной работы проектируемых конструкций должны быть приняты соответствующие проектному этапу обеспечения надёжности меры предосторожности. В качестве такой меры используется понижение в n раз относительно опасного напряжения материала (предела прочности, предела текучести, предела выносливости или предела пропорциональности) величины максимально допускаемых напряжений, используемых в условии прочности. Величина n получила название нормативного коэффициента запаса прочности , который выбирается по таблице или рассчитывается как произведениеn = n₁ * n₂ * n₃ , где n₁ -учитывает среднюю точность определения напряжений, n₂ -учитывает неопределённость механических характеристик материала, n₃ -учитывает среднююстепень ответственности проектируемой детали.

Существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерять вдавливанием индентора (способ вдавливания), ударом или же по отскоку наконечника – шарика. Твердость, определенная царапаньем, характеризует сопротивление разрушению, по отскоку – упругие свойства, вдавливанием сопротивление пластической деформации. В зависимости от скорости приложения нагрузки на индентор твердость различают статическую (нагрузка прикладывается плавно) и динамическую (нагрузка прикладывается ударом).

Широкое распространение испытаний на твердость объ

mirznanii.com

Измерение твердости металлов

Твердость стали является одним из важнейших механических свойств стали. Вообще говоря, твердость материала не является его внутренним свойством. Поэтому ей нельзя дать точного и однозначного определения на основании фундаментальных единиц измерения – массы, длины и времени. Поэтому измерение твердости является результатом определенной процедуры измерения – метода измерения твердости. Сколько методов измерения твердости – столько и определений понятия «твердость».

Самый старый метод измерения твердости

Твердость материалов с давних пор оценивали по сопротивлению царапанию или резанию. Например, материал В царапает материал С, но не царапает материал А. И, наоборот, материал А царапает материал В только слегка, а материал В – очень сильно. Таким образом до сих пор оценивают относительную твердость минералов по минералогической шкале Мо́оса, которая была введена, немцем Моосом еще в 1811 году. По шкале Мооса максимальную твердость, 10 имеет алмаз, а минимальную твердость, 1 – тальк.

Практичный метод измерения твердости

На практике часто применяют аналогичный метод измерения твердости с помощью специального набора напильников, каждый из которых термически упрочнен на определенную твердость – от малой до большой. Такой набор из шести напильников показан на рисунке ниже.

Рисунок — Набор напильников для измерения твердости металлов

Если напильник скользит по материалу без образования какого-либо следа, то этот материал считается более твердым, чем напильник, если след остается – менее твердым. Такой относительный метод измерения твердости ограничен практическим применением и не дает точных численных данных или шкал, особенно для современных металлов и материалов.

Что такое твердость?

Измерение твердости применяют к большинству материалов, особенно к металлам. Само понятие «твердость» имеет много определений – от физиков, металлургов и инженеров-механиков. В минералогии твердость — это сопротивление царапанию другим веществом, а у металлургов – способность материала сопротивляться пластической деформации.

Наиболее частое применяемое определение твердости металлов такое: «Сопротивление металла местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела, например, наконечника (индентора) испытательного прибора». Однако, твердость может иметь и другие проявления такие как, например, жесткость, сопротивление царапанию, истиранию или резанию. Твердость металла дает ему способность сопротивляться необратимому деформированию — гибке, излому или изменению формы. Чем больше твердость металла, тем больше его сопротивление он оказывает необратимой, например, пластической деформации. Это разнообразие проявлений твердости дает и разнообразие методов ее измерения.

Измерение твердости методами статического вдавливания

Для измерения твердости наиболее часто применяют методы статического вдавливания в материал шарика, алмазного конуса или алмазной пирамидки. К этим методам относятся:

метод Бринелля по ГОСТ 9012-59) – стальной шарик;
метод Роквелла по ГОСТ 9013-59) – алмазный конус;
метод Супер-Роквелла по ГОСТ 22975-78 – стальной шарик или алмазный конус;
метод Виккерса по ГОСТ 2999-75 – алмазная пирамида;
метод испытания микротвердости по ГОСТ 9450-75 – алмазная пирамидка.

Измерение твердости царапаньем

Это самый старый метод измерения твердости. На этом принципе основано испытание материалов царапаньем по методу Мооса, которое применяются для минералов. Кроме этого, ГОСТ 21318-75 определяет метод измерения микротвердости материала путем его царапания – нанесения канавки — специальными алмазными пирамидками.

Динамические методы измерения твердости

Метод ударного отпечатка по ГОСТ 18661-73

Применяется для массивных деталей и конструкций, когда другие способы нельзя применить. Измерение твердости производится с помощью специального прибора. В прибор закладывают эталонный брусок с известной твердостью. Прибор устанавливают на поверхности исследуемой детали. При ударе молотком по верхней части бойка шарик диаметром 10 мм вдавливается одновременно в деталь и в эталон. Путем сравнивания лунок на детали и образце судят о твердости материала детали.

Метод упругого отскока бойка (метод Шора) по ГОСТ 23273-78

Применяют специальный прибор — склероскоп, внутри которого свободно падает боек с алмазным наконечником. Измерение твердости проводят по высоте отскока бойка.

Электромагнитный метод измерения твердости стали

Этот метод основан на зависимости магнитных характеристик стали от ее структуры. Так как каждой структуре стали соответствует определенная твердость, то между магнитными характеристиками и твердостью можно установить некоторую зависимость. Эти менее точны, чем механические методы и требуют большого опыта для их применения. Их применяют при массовом контроле твердости однотипных деталей.

Ультразвуковой метод измерения твердости стали

Этот метод измерения твердости называют методом ультразвукового контактного импеданса. Алмазную пирамидку прижимают к исследуемому образцу при постоянном усилии и возбуждают упругие колебания. Чем меньше твердость образца, тем больше индентор продавливает его поверхность. Применяется для измерения твердости в труднодоступных местах.

steel-guide.ru

МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ МАТЕРИАЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕРЕНОСНЫХ ТВЕРДОМЕРОВ

Применение метода, изучаемого в данной работе, основано на известной зависимости параметров прочности стали (временное сопротивление) с твердостью материала.

Твердость материала можно определить, как испытанием на прессе Бринелля, так и измерением твердости по другим шкалам (Роквелла, Виккерса, Шора) и пересчетом в твердость по Бринеллю. Имеется большой выбор портативных приборов, позволяющих определять твердость стали в полевых условиях. Приборы реализуют различные методы, например: динамический — серия приборов ТЭМП (аналог измерений по Шору), ультразвуковой — приборы серии МЕТ-У (по Виккерсу), статический — Equostat (по Роквеллу) и др.

Основные методы, применяемые в полевых условиях – динамический, ультразвуковой и статический. При динамическом методе определяется косвенная характеристика – отношение скорости при ударе и отскоке индентора от поверхности образца.

В ультразвуковом методе измеряемым параметром является частота колебаний индентора при его внедрении в образец на определенную глубину под действием постоянного усилия. Значения косвенных характеристик в дальнейшем переводятся в число твердости по градуировочной зависимости, заложенной в приборе.

Статическим методом измерения твердости называется такой, при котором индентор медленно и непрерывно вдавливается в испытуемый металл с определенным усилием. К статическим методам относят следующие: измерение твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу.

При использовании стационарных твердомеров обеспечение точности измерений не составляет труда. Измерения с помощью стационарных приборов дают меньшую погрешность по сравнению с портативными, а так же возможна более качественная подготовка поверхности отобранных образцов. Однако последний плюс заключает в себе и основной недостаток данного метода – возникает необходимость отбора образцов, что является трудоемким мероприятием и не всегда возможно. Поэтому, несмотря на наличие погрешностей, предпочтение в большинстве случаев отдают использованию портативных приборов, позволяющих избежать отбора образцов. И, хотя уже существует теоретическая и приборная база[U8] , правильно выполнить измерения твердости на арматуре, входящей в составе железобетонной конструкций, а также произвести однозначный пересчет в прочность стали не просто.

Между тем применение любого из методов неразрушающего контроля твердости требует соблюдения определенных требований к участку измерения и его поверхности. К этим требованиям относятся:

— минимальная площадка измерения для применения динамического метода должна быть не менее 10 мм, а для ультразвукового — не менее 5 мм;

— шероховатость измеряемой поверхности при использовании большинства методов измерения твердости (как портативными, так и стационарными приборами) должна быть не более 0.32 мкм (Ra).

Обеспечить выполнение описанных условий можно с помощью обработки абразивными дисками, установленными на угловую шлифовальную машинку (УШМ). После среза части сечения арматуры и создания площадки необходимых размеров и шероховатости, производится дообработка поверхности с помощью соответствующих насадок на УШМ.

При выполнении обработки шлифовкой механические свойства и структура поверхностного слоя стали изменяются. В основном это происходит за счет влияния двух факторов: высокой температуры и наклепа вследствие пластических деформаций металла поверхностного слоя.

При шлифовке малогабаритными устройствами типа УШМ в режиме работы с перерывами температура нагрева стали достигает , что подтверждается тепловизионными измерениями. При работе без перерывов и периодического охлаждения поверхности температура может достигать и более, о чем свидетельствует появление оксидной пленки с цветами побежалости. При достижении указанных температур сталь может подвергаться низкотемпературному и среднетемпературному отпуску. При этом прочность, пластичность и твердость поверхностного слоя могут изменяться.

Помимо высоких температур, в зоне реза (шлифования) металл поверхностного слоя претерпевает существенные пластические деформации, которые после обработки являются остаточными. Подобные деформации могут приводить как к образованию остаточных напряжений в поверхностном слое элемента, так и к изменению параметров прочности и твердости за счет наклепа. Глубина измененного слоя зависит от скорости реза, силы подачи инструмента, направления шлифовки, зернистости абразива и других факторов. Известно, что толщина слоя с этими изменениями может колебаться от десятков до сотен микрон.

Таким образом, применяя портативные приборы с малой глубиной проникновения индентора (статический, ультразвуковой), результат измерения можно получить с существенным отличием от истины. С другой стороны, указанные методы (например, ультразвуковой) характеризуются большей универсальностью для применения в полевых условиях, так как измерения можно производить на элементах меньших размеров по площади и толщине, меньшей массы и большей кривизны. Следовательно, для расширения области применения портативных твердомеров на боковой поверхности арматурных стержней необходимо исследовать влияние видов обработки на арматурную сталь и подобрать оптимальный вид и режим. [U9]

После решения проблем с подготовкой поверхности измерения и выбора метода неразрушающего контроля, возникает немаловажный вопрос: какую зависимость применять для определения прочности стали по твердости?

В большинстве изданий указаны зависимости «твердость-прочность стали», полученные при исследовании прокатных профилей (швеллер, двутавр и др.), применяемых для элементов строительных конструкций. Эти стали характеризуются относительно узким диапазоном прочности, небольшим разнообразием марок и простыми способами термического улучшения. Всего этого нельзя сказать об арматурной стали различных классов.[U10]

Пока нет однозначных результатов о влиянии различных видов стали, из которых изготавливаются арматурные стержни, а также видов термомеханического упрочнения арматуры, напряженного состояния и других факторов на существуемую зависимость. В данной работе предпринята попытка нахождения связи между твердостью арматурной стали и ее классом. В качестве опытных образцов рассматривались преднапряженные конструкции, армированные стержнями классов AIIIB, AIV, AV.

Так же влияние на показания твердомера оказывает глубина срезаемой поверхности, т.к. по сечению арматурного стержня твердость распределяются не равномерно, ближе к поверхности образца значения выше, по сравнению с остальными показаниями.[U11]

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Как уже было отмечено выше, несмотря на наличие большого спектра приборов для измерения твердости и предварительной обработки поверхности арматуры в полевых условиях, выбор конкретного вида оборудования и определение условий его применения требуют детального изучения.

Для решения поставленной задачи требуется выполнить всестороннее исследование, в ходе которого необходимо рассмотреть факторы, влияющие на результат измерений, и их значимость, а также определить мероприятия для устранения (при возможности) или снижения их влияния, либо учета в аналитических выражениях. А так же провести анализ проведенных испытаний с целью выявления зависимости между твердостью и прочностью арматурных стержней и переход от нее к ласу арматуры.[U12]

Целью данной работы является разработка метода определения класса арматурной стали в преднапряженных конструкциях с помощью портативных твердомеров. В ходе работы изучались факторы, влияющие на результаты измерения, такие как величина среза наружного слоя боковой поверхности стержней, подготовка поверхности арматурного стержня для измерений статическим твердомером, величина площадки измерений, изменения показаний твердомера в зависимости от глубины спила.

megaobuchalka.ru

Измерение твердости | Статьи

Твёрдость – свойство материала сопротивляться проникновению в него другого тела, не получающего остаточной деформации.

Исходные данные для выбора средств и условий измерений твёрдости, а именно, метод измерений, число твёрдости и толщина испытуемого образца, должны быть указаны в технической документации.

В «СИ» за единицу измерений твёрдости принят Н/м2. Единица имеет наименование Паскаль (Па).

Измерение твёрдости металлов осуществляется методом Бринелля, Роквелла, Супер-Роквелла и Виккерса.

Применение различных методов измерений твёрдости металлов обусловлено механическими свойствами металлов и конструктивно-технологическими особенностями изделий.

Измерение твёрдости по методу Бринелля основано на вдавливании в испытуемое изделие стального закаленного шарика определенного диаметра, под действием заданной нагрузки в течение определенного времени. При определении твёрдости по методу Бринелля, расстояние от центра отпечатка до края испытуемого изделия должно быть не менее 2,5 диаметров отпечатка, расстояние между центрами двух соседних отпечатков – не менее 4 диаметров; для металлов с твёрдостью до 35НВ эти расстояния должны быть соответственно равны 3 диаметрам отпечатка и 6 диаметрам отпечатка.

Проведение испытаний, методику измерений диаметра отпечатка, а также погрешность измерений диаметра отпечатка регламентирует ГОСТ 9012 п.4.

Измерение твёрдости по методу Роквелла основано на вдавливании алмазного конуса с углом при вершине 120° или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок. Расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее четырех диаметров отпечатка (но не менее 2 мм), расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2,5 диаметра отпечатка (но не менее 1 мм).

При измерении твёрдости на выпуклых цилиндрических и сферических поверхностях по шкалам А, В, С, D, F, G в результаты измерений твёрдости должны быть введены поправки, величины которых приведены в приложении 3 ГОСТ 9013. Поправки прибавляются к полученным значениям твёрдости.

Поправки при измерении твёрдости на вогнутых поверхностях устанавливаются в нормативной документации на металлопродукцию.

Проведение измерений и определение числа твёрдости по методу Роквелла регламентирует ГОСТ 9013 п.4.

Для измерений твёрдости по шкале «С» Роквелла применяют шкалу, воспроизводимую государственным специальным эталоном и обозначаемую HRCэ.

Все образцовые и рабочие средства измерений следует настраивать и калибровать по образцовым мерам твёрдости, имеющим обозначение HRCэ.

Для расширения области применения метода Роквелла при малых нагрузках следует применять метод Супер-Роквелла.

Измерение твёрдости по методу Супер-Роквелла основано на вдавливании наконечника стандартного типа с алмазным конусом (шкалы М) или со стальным шариком (шкалы Т) в поверхность образца в два последовательных приёма и в измерении остаточного увеличения глубины внедрения этого наконечника. Наименьшее расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно составлять не менее трёх диаметров отпечатка. Расстояние от центра отпечатка до края образца должно составлять не менее 2,5 диаметров отпечатка.

При определении твёрдости на цилиндрических выпуклых поверхностях диаметром, равным или меньшим 25 мм, к значению твёрдости прибавляют поправки, указанные в таблицах 3 и 4 обязательного приложения 1 ГОСТ 22975.

Поправки к значениям твёрдости для образцов с криволинейными поверхностями, отличными от выпуклых цилиндрических, приведены в рекомендуемом приложении 2 ГОСТ 22975.

Проведение измерений и определение числа твёрдости по методу Супер-Роквелла регламентирует ГОСТ 22975.

Измерение твёрдости по методу Виккерса основано на вдавливании четырехгранной алмазной пирамиды с углом между гранями 136° под действием определенной нагрузки, поддержании постоянства приложенной нагрузки в течение установленного времени и измерении диагоналей отпечатка, оставшихся на поверхности образца после снятия нагрузки. Расстояние между центрами отпечатка и краем образца или краем соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длины диагонали отпечатка.

Проведение испытаний, обработку результатов измерений, а также погрешность измерений диагоналей отпечатка регламентирует ГОСТ 2999 п.5.

Основные требования, предъявляемые к измерению твёрдости по методу Бринелля, Роквелла и Супер-Роквелла:
– температура измеряемого металла (20 ±10) °С;
– при измерении твёрдости должна быть обеспечена перпендикулярность приложения действующего усилия к поверхности образца или детали;
– поверхность испытуемого образца должна быть свободна от окалины, масла, краски, окисных пленок и других посторонних веществ;
– поверхность испытуемого образца обрабатывается в виде плоскости так, чтобы края отпечатка были достаточно отчётливы для измерения его размера с требуемой точностью;
– при подготовке поверхности испытуемого образца необходимо принять меры предосторожности против возможного изменения твёрдости испытываемого образца вследствие нагрева или наклепа поверхности в результате механической обработки;
Шероховатость поверхности испытуемого образца должна быть не ниже:
– 2,5 v – при контроле по методу Бринелля,
– 2,5 v – при контроле по методу Роквелла,
– 1,25 v – при контроле по методу Супер-Роквелла,
– 0,16 v – при контроле по методу Виккерса;

При применении специальных подставок необходимо принять меры предотвращения прогиба образца во время измерений твёрдости.
Испытуемый образец должен лежать на подставке устойчиво, чтобы не могло произойти его смещение во время измерений твёрдости.
Минимальная толщина испытуемого образца должна выбираться в зависимости от его минимальной твёрдости.
На обратной или боковой стороне образца не должно быть следов деформации.
Если шарик после измерений твёрдости имеет остаточную деформацию или какой-либо поверхностный дефект, то он должен быть заменён другим, а соответствующее измерение должно считаться не действительным.
Место установки прибора для измерений твёрдости должно быть выбрано так, чтобы приборам не передавались колебания и вибрации от работающих вблизи станков и машин и должно соответствовать требованиям технических описаний на приборы.
Величина твёрдости и способ замера на детали указывается в конструкторской и технологической документации.
Точностные характеристики приборов для измерений твёрдости по методу Бринелля, Роквелла, Супер-Роквелла и Виккерса, применяемые для контроля технологического процесса, приведены в таблице 1.

Измерение твёрдости резины и резиновых изделий осуществляется методом определения твёрдости по Шору А.

Измерение твёрдости по Шору А основано на измерении сопротивления резины погружению в неё индентора из закалённой стали.

Прибор для определения твёрдости, место его установки, условия и порядок измерений твёрдости, а также обработку результатов измерений устанавливает ГОСТ 263.

Способ установки изделий и образцов из них, место измерений твёрдости и другие необходимые сведения должны быть приведены в нормативной документации на резиновые изделия и методы их испытаний.

Таблица 1 – Основные параметры твердомеров стационарных

Обозначение типа твердомера	Диапазон измерений твёрдости	Вид индектора	Нагрузка, Н (кгс)	Пределы допускаемой погрешности нагрузок
1	2	3	4	5
ТБ	0… 450НВ 95 … 650НВW	Шарики диаметрами(мм): (2,5+0,0025) (5+0.004) (10+0,005) по ГОСТ 3722	153,2 (15,6) 245,2* (25) 612,9 (62,5) 1225* (125) 1839 (187,5) 2452 (250) 4903* (500) 7355 (750) 9807 (1000) 14710* (1500) 29420 (3000)	±1,0
ТР	–	–	98,07** (10)	±2,0
	70 … 93HRA	Наконечник НК по ГОСТ 9377	588,4 (60)	±0,5
	25…100 HRA	Шарик диаметром (мм): (1,588+0,0025) по ГОСТ 3722	980,7 (100)
	20 … 70НRСэ	Наконечник НК по ГОСТ 9377	1471 (150)
ТРС	–	–	29,42 (3)	±2,0
ТРС	70 … 94HRN15 40 … 66 HRNЗО 20 … 78 HRN45	Наконечник НК по ГОСТ 9377	147,1 (15) 294,2 (30) 441,3 (45)	±0,66
ТРС	62 …9ЗHRN15 15 … 82HRN30 10…72 HRN45	Шарик диаметром (мм): (1,588+0,0025) по ГОСТ 3722	147,1 (15) 294,2 (30) 441,3 (45)	±0,66
ТВ	8…2000НV	Наконечник НП по ГОСТ 9377	9,807 (1) 19,61 (2) 24,52 (2,5) 29,4 (3) 49,03 (5) 98,07 (10) 196,1 (20) 294,2 (30) 490,3 (50) 980,7 (100)	±1,0***

Примечание:

1 ^* По согласованию с потребителем допускаются нагрузки 14710 , 4903, 1226, 2452 Н.

2 ^** Предварительные нагрузки.

3 ^*** В твердомерах с нагрузками от 9,807 до 98,070 Н, если приложение нагрузки осуществляют методом непосредственного нагружения (грузами), предел допускаемой погрешности нагрузок должен быть не более ±0,5 %.

techdiagnostica.ru