Твердость материалов по Виккерсу

Таблица поправочных коэффициентов для измерения на криволинейных поверхностях

В.1 Сферические поверхности

В таблицах В.1 и В.2 даны поправочные коэффициенты, когда измерения твердости выполняют на сферических поверхностях.

Поправочные коэффициенты приводят для отношения средней длины диагоналей отпечатка к диаметру D сферического образца, на котором выполняют измерения.

Пример:

Диаметр сферического образца D = 10 мм.

Нагрузка F = 98,07 Н.

Средняя длина диагоналей отпечатка d = ,150 мм.

Твердость по Виккерсу =

Поправочный коэффициент получаем из таблицы В.1 интерполяцией = ,983.

Твердость сферического образца – 824×0,983 = 810 HV 10.

Таблица В.1 – Выпуклые сферические поверхности

Таблица В.2 – Вогнутые сферические поверхности

В.2 Цилиндрические поверхности

В таблицах В.3 – В.6 даны поправочные коэффициенты, когда измерения твердости выполняют на цилиндрических поверхностях.

Поправочные коэффициенты приводят для отношения средней длины диагоналей отпечатка к диаметру D цилиндрического образца, на котором выполняют измерения.

Пример:

Цилиндрический образец, одна из диагоналей отпечатка параллельна оси цилиндра D = 5 мм.

Средняя длина диагоналей отпечатка d = ,415 мм.

Нагрузка F = 294,2 Н.

Твердость по Виккерсу =

Поправочный коэффициент получаем из таблицы В.6 = 1,075.

Твердость цилиндрического образца = 323×1,075 = 347 HV 30.

Таблица В.3 – Выпуклые цилиндрические поверхности. Диагонали развернуты на 45° относительно оси цилиндра

Таблица В.4 – Вогнутые цилиндрические поверхности. Диагонали развернуты на 45° относительно оси цилиндра

Таблица В.5 – Выпуклые цилиндрические поверхности. Одна из диагоналей параллельна оси цилиндра

Таблица В.6 – Вогнутые цилиндрические поверхности. Одна из диагоналей параллельна оси цилиндра

Понятие твердости

Твердость – свойство материалов, характеризующее способность проникновения одного, более твердого, тела в другое. Также эта характеристика определяет устойчивость к пластической деформации или разрушению поверхностных слоев при оказании сильного давления.

Все методы определения твердости материалов можно разделить на несколько основных групп:

1. Статические. Подобные методы характеризуются тем, что нагрузка постепенно возрастает. Время выдержки может быть разным — все зависит от особенностей применяемого метода.
2. Динамические характеризуются тем, что нагрузка на образец подается с определенной кинетической энергией. При этом показатель твердости является менее точным, так как при динамической нагрузке возникает определенная отдача из-за упругости материала. Результаты подобных испытаний зачастую называют твердостью материалов при ударе.
3. Кинетические основаны на непрерывной регистрации показателей во время проведения испытаний, что позволяет получить не только конечный, но и промежуточный результат. Для этого применяется специальное оборудование.

Измерение твердости инструмента

Кроме этого, классификация методов определения твердости проводится по принципу приложенной нагрузки. Выделяют следующие способы испытания образца:

1. Вдавливание является на сегодняшний день наиболее распространенным способом определения рассматриваемого показателя.
2. При отскоке проводится замер того, как высоко боек отлетит от поверхности испытуемого образца. В данном случае просчет твердости проводится по показателю сопротивления упругой деформации. Методы подобного типа довольно часто применяются для контроля качества прокатных валиков и изделий с большими размерами.
3. Методы, основанные на царапании и резании, сегодня применяются крайне редко. Были они разработаны два столетия назад.

Как правило, в твердомерах есть деталь, которая оказывает воздействие на испытываемую заготовку. Примером можно назвать стальные шарики различного диаметра и алмазные наконечники с формой пирамиды. Некоторые из применяемых на сегодняшний день методов рассмотрим подробнее.

Замеры твердости

Замер твердости металла трубопровода и сварных соединений должен производиться в доступных местах для элементов трубопровода (труба, отвод (колено, гиб), переход, кованый (литой) тройник и др.), как правило, в местах выполнения толщинометрии. Допускается замер твердости элементов трубопровода и сварных соединении производить выборочно по одному представителю каждого, при этом выбор представителей должен осуществляться для группы однотипных элементов с одинаковым материальным исполнением, которые находятся в зоне максимальных силовых и тепловых нагрузок. В каждом месте, установленном специалистами, проводящими обследование, должно быть сделано не менее трех замеров. В районе сварных швов твердость определяется с двух сторон от линии шва в каждой из трех зон: основной металл, зона термического влияния (ЗТВ), сварной шов. В каждой зоне делается не менее 3-х замеров, а за результат принимается их среднее арифметическое значение или интервал значений.

Замер твердости выполняется во всех случаях, когда возникает сомнение в качестве металла или сварного шва.

Замер твердости шпилек и гаек производится выборочно (одного-трех изделий) не менее, чем на двух-трех трубопроводах технологической установки, работающих при температуре выше 450 0 С для углеродистых и выше 500 0 С для легированных сталей.

В случае, если полученный результат показывает, что твердость металла на участке трубопровода (или сварного соединения, наплавленного металла) не соответствует нормативно-технической документации, то металл такого участка трубопровода подлежит исследованию с вырезкой образца или отбраковывается.

Если твердость крепежных деталей (шпилек, болтов, гаек) имеет отклонения от нормативных значений, указанных в таблице 18, то они бракуются.

Таблица 18 — Механические свойства сталей для крепежных деталей

4 Определения и обозначения

4.1 На рисунке 1 и в таблице 2 приводятся основные определения и обозначения, используемые при измерении твердости по шкалам Виккерса.

Таблица 2

Число твердости по Виккерсу HV определяют по формуле

(1)

где k = 0,1891 – постоянная;

F – нагрузка, используемая при измерении, Н;

d – среднеарифметическое значение длин диагоналей d₁ и d₂, мм.

4.2 Обозначения чисел твердости Виккерса – HV.

Пример

Примечание – Первоначально нагрузка выражалась в килограммах силы (кгс). В настоящее время испытательную нагрузку принято выражать в ньютонах, однако принятые ранее обозначения шкал твердости Виккерса не меняются. Например, в документах вместо 30 кгс надо использовать 294,2 Н.

Твердомер по Роквеллу

Твердомером называется устройство для определения твердости металлов и сплавов методом Роквелла. Он представляет собой прибор с алмазным конусом (или шариком) и материалом, в который конус должен войти. Также приклепляется груз для регулировки силы воздействия.

Время отображает индикатор. Процесс происходит в два этапа: сначала делается нажатие с силой 10 кгс, потом – сильнее. Для большего нажатия применяется конус, для меньшего – шарик.

Исследуемый материал располагается горизонтально. Алмаз опускают на него с помощью рычага. Для плавного спуска в устройстве применена рукоять с масляным амортизатором.

Время основной нагрузки обычно составляет от 3 до 6 секунд, в зависимости от материала. Предварительную нагрузку необходимо сохранять до получения результатов испытания.

Большая стрелка индикатора движется по часовой и отражает результат опыта.

Наиболее популярны в практике такие модели твердомера по методу Роквелла:

• Стационарные приборы «Метротест» модели «ИТР», например, «ИТР-60/150-М».
• Твердомеры Qness GmbH модели Q150R.
• Стационарное автоматизированное устройство TIME Group Inc модель TH300.

Ссылки

Эта страница в последний раз была отредактирована 27 августа 2019 в 00:15.

Преимущество метода Виккерса

Преимущество метода Виккерса является возможности измерять твердость образцов и небольших изделий 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 с различной толщиной. Измерение твердости не занимает много времени (требует тщательной подготовки исследуемой поверхности).

Как рассчитывают твердость исследуемых образцов по Виккерсу?

После окончания испытания измеряют длины диагоналей отпечатка и рассчитывают, по среднему значению длины, твердость образца по таблицам (подробнее в ГОСТ 2999-75).

В каких единицах измеряется твердость металла

Особенность данной характеристики в том, что в зависимости от метода, которым проводили замер, меняется и классическое обозначение. Так как параметр нельзя причислить к основным физическим шкалам, таким как расстояние, скорость, масса, сила, то и единого стандарта нет в так называемой системе СИ.

Если исследователь применяет один из наиболее стандартных способов, предложенный Бриннелем, о котором мы подробнее расскажем ниже, то результат будет записан в кгс/мм2, то есть в килограмм-силах, деленных на квадратный миллиметр. По шкале измерения твердости металлов можно сказать о классических примерах и их показателях в соотношении друг с другом:

• железные сплавы – в среднем 30 кгс/мм2;
• медные и никелевые составы – 10 кгс/мм2;
• алюминий, магний и их производные – 5 кгс/мм2.

Так делаем вывод, что железо в 6 раз тверже, чем мягкое алюминиевое соединение.

Второй популярный метод изобрел Роквелл. Согласно ему, одно условное значение (у.е.) равно перемещению конуса на 2 мкм. Если маркируется по данному варианту, то сперва проставляется индексация, затем одна из трех букв – А, В, С и цифровое значение. Если вы видите на заготовке твердость материала НВ, то это единицы измерения по Роквеллу. Также индексом могут быть отмечены детали под маркировкой HR, а после 1 из трех букв:

• A – свидетельствует о том, что испытания проводились с помощью конуса из алмаза с углом вершины в 120 градусов под прилагаемой нагрузкой в 50 – 60 кг.
• В – говорит о шарике в одну шестнадцатую дюйма, который направляют к поверхности под весом в 90 – 100 кг.
• С – используется аналогичный конус, как при маркировке А, но увеличенное воздействие в 140 – 150 кг.

Дальше идет цифра, которая уже указывает на то, какая вмятина образовалась.

И еще один вариант того, в чем измеряется твердость стали, – цифры плюс буквы HV. Такое измерение предлагает Виккерс. В то время как по методике Шора можно увидеть такие записи – 90 HSD.

Соотношения между числами твердости

Твердостью металла называют его свойство оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии стандартного тела-наконечника на поверхностные слои материала.

Испытание на твердость — основной метод оценки качества термообработки изделия.

Определение твердости по методу Бринелля. Метод основан на том, что в плоскую поверхность под нагрузкой внедряют стальной шарик. Число твердости НВ определяется отношением нагрузки к сферической поверхности отпечатка.

Метод Роквелла (HR) основан на статическом вдавливании в испытываемую поверхность наконечника под определенной нагрузкой. В качестве наконечников для материалов с твердостью до 450 HR используют стальной шарик. В этом случае твердость обозначают как HRB. При использовании алмазного конуса твердость обозначают как HRA или HRC (в зависимости от нагрузки).

Твердость по методу Виккерса (HV) определяют путем статического вдавливания в испытуемую поверхность алмазной четырехгранной пирамиды. При испытании измеряют отпечаток с точностью до 0,001 мм при помощи микроскопа, который является составной частью прибора Виккерса.

Метод Шора. Сущность данного метода состоит в определении твердости материала образца по высоте отскакивания бойка, падающего на поверхность испытуемого тела с определенной высоты. Твердость оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка.

Числа твердости HRC для некоторых деталей и инструментов

Таблица соотношений между числами твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, Шору

Как определить твердость металла по методике Бринелля: особенности

В качестве индентора, то есть самого элемента, который вдавливается в заготовку, используется идеальный шарик диаметром от 1 до 10 миллиметров. Он изготавливается из легированных соединений или из сплава карбида и вольфрама. Регламентируется производство таких шаров ГОСТом 3722 81.

Время, в которое происходит статическое, то есть неподвижное вдавливание, – от 10 до 180 секунд. Этот параметр зависит от материала. Самые минимальные временные промежутки – для чугуна и стали, а более продолжительные – для цветных металлов.

Максимальная нагрузка, которая может быть измерена таким способом, – 450 или 650 НВ, в зависимости от того, из чего сделан шарик.

На образец для правильной деформации подбирается воздействие, посмотрим по формулам в таблице, как можно их вычислить, учитывая, что D – это диаметр шара:

Алгоритм применения метода Бринелля

• Проверяется сам аппарат и тело для внедрения – шар.
• Определяется максимальное усилие.
• Твердомер запускается.
• Измеряется глубина вдавливания.
• Производятся математические вычисления.

Применяемая формула НВ=P/F, где:

• P – нагрузка;
• F – площадь отпечатка.

Следует отметить, что это самый распространенный способ.

Преимущества твердомера МЕТОЛАБ 202

• Полностью автоматизированный процесс измерений.
• Возможность задания нижней/верхней границ измерений, звуковая сигнализация при выходе значений за установленные границы.
• Статистическая обработка результатов – вывод минимального/среднего/максимального значений.
• Перевод результатов измерений по шкалам Виккерса, Бринелля.
• Поправка на кривизну цилиндрических и шарообразных деталей.
• Интуитивное управление, русскоязычное меню.
• Большие удобные кнопки для ввода параметров измерения; яркий ЖК экран для считывания показаний
• Широкий диапазон измеряемых значений.
• Передача данных на ПК в виде электронных таблиц формата Excel для удобства обработки результатов.
• Встроенный мини-принтер для распечатки результатов измерений.

Неопределенность измерения твердости по Виккерсу

D.1 Общие требования

Косвенный метод вычисления неопределенности, о котором идет речь в настоящем приложении, касается неопределенности результата измерений твердости, связанной с измерительными возможностями твердомеров при калибровке эталонных мер твердости (CRM). Вычисленная по этому методу неопределенность отражает совокупный эффект от всех источников неопределенности.

Косвенный метод не заменяет прямого метода оценки вклада отдельных источников неопределенности в суммарную неопределенность измерения твердости для твердомера. Косвенный метод рекомендуется для контроля твердомеров в период между поверками.

D.2 Алгоритм вычисления неопределенности

Алгоритм, предназначенный для вычисления неопределенности u_l косвенным методом, приводится в таблице D.1. Расширенную неопределенность U получают умножением u_l на коэффициент расширения k = 2. Таблица D.1 содержит всю необходимую для расчета информацию.

D.3 Отклонение твердомера на основе измерений по эталонной мере твердости

Отклонение b твердомера (которое часто именуют ошибкой) получают путем вычитания:

– среднего значения результатов измерений пяти отпечатков в процессе испытания твердомера по эталонной мере твердости;

– значения, присвоенного эталонной мере твердости при калибровке.

На основе отклонения определяют поправку, которую вносят в результат измерения и которую учитывают при вычислении неопределенности.

D.4 Алгоритмы вычисления неопределенности

D.4.1 Процедура без использования статистики измерений по эталонной мере твердости (метод 1)

Метод 1 (М1) – это упрощенный метод, который не используют при расчете неопределенности.

В М1 ошибку определяют на основе допустимой погрешности твердомера относительно теоретической шкалы, которую используют для определения источника неопределенности u_E. При этом не предусматривается определение поправки, которую следует вносить при измерениях.

Алгоритм вычисления U подробно представлен в таблице D.1, а также в , .

(D.1)

При этом результат измерений следующий

(D.2)

D.4.2 Алгоритм, базирующийся на статистике измерений по эталонной мере твердости (метод 2)

В отличие от метода 1 (М1) использование метода 2 (М2) приводит к меньшим значениям неопределенности. Ошибка (отклонение) b (таблица D.1, этап 10) предположительно носит систематический характер. В рекомендовано вносить поправки в результат измерений для коррекции систематической ошибки. В М2 предполагается, что поправки определены, и тогда при вычислении неопределенности, если поправки включены в результат измерений, систематическую ошибку считают равной 0 либо U_corrувеличивают на b. Алгоритм вычисления U_corr объясняется в таблице D.1, а также см. , .

(D.3)

При этом результат измерения определяют в следующем виде

(D.4)

или

(D.5)

В зависимости от того, включают ли отклонение (ошибку) в качестве поправки шкалы твердомера, используют одно или другое выражение для представления результата измерения.

D.5 Представление результата измерения

При выражении результата измерения неопределенности указывают метод. Если метод не определен, считается что использован метод 1, формула (D.2) (таблица D.1, этап 12).

Шкалы твёрдости по Роквеллу

Циферблат прибора для проверки твёрдости по Роквеллу

Стандартами нормировано 11 шкал определения твердости по методу Роквелла (A; B; C; D; E; F; G; H; K; N; T), эти шкалы различаются типом индентора, испытательной нагрузкой и константами в формуле для вычисления твёрдости по результатам измерения.

Наиболее широко используются два три инденторов: сферический в виде шарика из карбида вольфрама или инструментальной закалённой стали диаметром 1/16 дюйма (1,5875 мм) или шарик диаметром 1/8 дюйма и конический алмазный наконечник с углом при скруглённой вершине 120°. Стандарты предусматривает в зависимости от шкалы 3 фиксированные нагрузки при вдавливании индентора — 60, 100 и 150 кгс.

Численная величина твёрдости определяется по формуле, коэффициенты в которой зависят от шкалы. Для снижения ошибки измерения от состояния испытуемой поверхности принимается относительная разница в глубине проникновения индентора при приложении основной и предварительной (10 кгс) нагрузки (см. рисунок).

Для обозначения твёрдости, определённой по методу Роквелла, используется сокращение HR, с 3-й буквой, указывающая на шкалу, по которой проводились испытания (HRA, HRB, HRC и т. д. до HRT). Например, HRC 64.

Формулы для определения твёрдости

Чем твёрже материал, тем меньше будет глубина проникновения наконечника в него. Чтобы при большей твёрдости материала не получалось меньшее число твёрдости по Роквеллу, твёрдость определяют по формуле:

HR=N−H−hs{\displaystyle HR=N-{\frac {H-h}{s}}}

где разность H−h{\displaystyle H-h} — относительная глубина проникновения индентора под предварительной и основной нагрузками в мм,

N,{\displaystyle N,} s{\displaystyle s} — константы, зависящие от конкретной шкалы Роквелла (см. таблицу).

Таким образом, твердость по Роквеллу является безразмерной величиной.

Особенности определения твёрдости металлических труб

В зависимости от назначения и сферы применения металлические трубы могут быть изготовлены из разных металлов и сплавов, что непосредственно влияет на их свойства и особенности. Промышленные трубы чаще всего изготовлены из стали, а также из сплавов с добавлением марганца, алюминия, углерода, титана и других элементов. Трубопроводы служат для транспортирования газов, нефтепродуктов, гранулированных материалов, воды и других жидкостей.

Чтобы обеспечить безопасность эксплуатации и избежать серьёзных проблем, вызванных износом или дефектом трубопровода, необходимо его регулярное обследование, которое включает обязательные испытания. Одним из основных этапов проверки труб является измерение твёрдости материала.

Данный вид неразрушающего контроля может быть проведен с разными целями:

• Начальное определение твёрдости стенки трубы — выполняется непосредственно после её изготовления на предприятии. Без данных, полученных при первичном контроле, невозможна паспортизация технического изделия.
• Диагностика трубопровода с целью определения влияния условий эксплуатации на состояние металла (состав грунта или воды, скачки давления, перепады температуры, агрессивные среды и т.д.)

В зависимости от того, в каких условиях применяется труба, её физико-механическое состояние может изменяться. Цель контроля – обеспечение безопасной эксплуатации и недопущение аварийных ситуаций.

• Замеры твердости после ремонта участка трубопровода для выявления возможных изменений в материале.
• Периодическое диагностирование объекта для определения продолжительности дальнейшей эксплуатации.

Способы перехода между шкалами

Тот факт, что в лабораториях используются разные методы, а также то, что нет одного стандарта, то приходится конвертировать один показатель в другую систему счисления. Следует отметить, что во всех странах преимущественно выбирают одну технологию. Но из-за активного товарооборота изготовители встречаются с непривычными маркировками. Итак, дадим таблицу с аналогичными результатами по отличающимся данным:

Можно отметить, что списки не обладают особо высокой точностью, поскольку в зависимости от измерений могли быть использованы разнообразные сплавы. Сводки будут верны только в том случае, если при всех пяти способах был апробирован одинаковый материал.

Характеристики методики Виккерса

Еще один очень простой способ, который отличается скоростью и точностью, но дороговизной оборудования. Перечислим особенности:

• Используется алмазная пирамидка с более тупым углом – 136 градусов в вершине.
• Не допускается деформация более 100 кгс.
• Выдерживают время очень короткое – от 10 до 15 секунд.
• Измерять можно параметры любого материала, в том числе особенно прочного, а также сталей, которые прошли термическую обработку.

Последовательность исследования

Упрощенный алгоритм:

• Проверьте поверхностный слой детали, а также все оборудование.
• Рассчитайте допустимое усилие.
• Установите образец, закрепите его.
• Запустите аппарат и спустя 10-15 секунд проанализируйте итог.

Методы измерения твердости

Все методы определения твердости металлов используют механическое воздействие на испытуемый образец – вдавливание индентора. Но при этом не происходит разрушение образца.

Метод определения твердости по Бринеллю был первым, стандартизованным в материаловедении. Принцип испытания образцов описан выше. На него действует ГОСТ 9012. Но можно вычислить значение по формуле, если точно измерить отпечаток на образце:

HB=2P/(πD*√(D 2 -d 2 ),

• гдеР – прикладываемая нагрузка, кгс;
• D – окружность шарика, мм;
• d – окружность отпечатка, мм.Шарик подбирается относительно толщины образца. Нагрузку высчитывают предварительно из принятых норм для соответствующих материалов:сплавы из железа — 30D 2 ;медь и ее сплавы — 10D 2 ;баббиты, свинцовые бронзы — 2,5D 2 .

Условное изображение принципа испытания

Схематически метод исследования по Роквеллу изображается следующим образом согласно ГОСТ 9013.

Метод измерения твердости по Роквеллу

Итоговая приложенная нагрузка равна сумме первоначальной и необходимой для испытания. Индикатор прибора показывает разницу глубины проникновения между первоначальной нагрузкой и испытуемой h –h

Метод Виккерса регламентирован ГОСТом 2999. Схематически он изображается следующим образом.

Математическая формула для расчета:HV=0.189*P/d 2 МПаHV=1,854*P/d 2 кгс/мм 2 Прикладываемая нагрузка варьируется от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Значения определяются по таблицам относительно измеренного отпечатка d.

Метод считается эмпирическим и имеет большой разброс показаний. Но прибор имеет простую конструкцию и его можно использовать при измерении крупногабаритных и криволинейных деталей.

Измерить твердость по Моосу металлов и сплавов можно царапанием. Моос в свое время предложил делать царапины более твердым минералом по поверхности предмета. Он разложил известные минералы по твердости на 10 позиций. Первую занимает тальк, а последнюю алмаз.

После измерения по одной методике перевод в другую систему весьма условен. Четкие значения существуют только в соотношении твердости по Бринеллю и Роквеллу, так как машиностроительные предприятия их широко применяют. Зависимость можно проследить при изменении диаметра шарика.

Как видно из таблицы, увеличение диаметра шарика значительно снижает показания прибора. Поэтому на машиностроительных предприятиях предпочитают пользоваться измерительными приборами с однотипным размером индентора.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Твердостью металла называют его свойство оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии стандартного тела-наконечника на поверхностные слои материала.

Испытание на твердость – основной метод оценки качества термообработки изделия.

Определение твердости по методу Бринелля. Метод основан на том, что в плоскую поверхность под нагрузкой внедряют стальной шарик. Число твердости НВ определяется отношением нагрузки к сферической поверхности отпечатка.

Метод Роквелла (HR) основан на статическом вдавливании в испытываемую поверхность наконечника под определенной нагрузкой. В качестве наконечников для материалов с твердостью до 450 HR используют стальной шарик. В этом случае твердость обозначают как HRB. При использовании алмазного конуса твердость обозначают как HRA или HRC (в зависимости от нагрузки).

Твердость по методу Виккерса (HV) определяют путем статического вдавливания в испытуемую поверхность алмазной четырехгранной пирамиды. При испытании измеряют отпечаток с точностью до 0,001 мм при помощи микроскопа, который является составной частью прибора Виккерса.

Метод Шора. Сущность данного метода состоит в определении твердости материала образца по высоте отскакивания бойка, падающего на поверхность испытуемого тела с определенной высоты. Твердость оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка.