Во-первых, необходимо понимать, что измерение твердости предотвращает разрушение материала. Лучше выбрать неправильный метод измерения, чем тратить деньги впустую или пропустить даже самые элементарные дефекты. Для разных металлов потребуются разные подходы.
Что такое твердость?
Твердость измеряет сопротивление необратимой деформации. Нужно вдавить что-либо в материал и посмотреть, насколько глубоко оно проникнет. Более твердые материалы сопротивляются более глубокому проникновению. Простые законы физики имеют сложные последствия.
Для этого существуют разные шкалы, потому что разные материалы ведут себя по-разному. Для стали нужен один подход, для алюминия — другой, для керамики — совершенно иной. Одна универсальная шкала означала бы компромиссы повсюду. А инженеры ненавидят компромиссы.
Самое распространенное заблуждение заключается в том, что твердость равна прочности. Это неверно. Твердость измеряет локальное сопротивление проникновению. Прочность измеряет несущую способность. Стекло твердое, однако его легко повредить.
6 наиболее распространенных методов измерения твердости металлов
Освойте эти шесть методов. Все остальное — это специализированные вариации. Каждый метод имеет свои специфические области применения, где он наиболее эффективен.
Тест на твердость по Роквеллу
Во-первых, нужно знать, что метод Роквелла измеряет глубину вдавливания под нагрузкой. Сначала приложите небольшую нагрузку, затем большую, а затем измерьте разницу в глубине. Тест быстрый, дает прямые показания, и никаких вычислений не требуется. Это надежный промышленный прибор, и это неспроста.
В металлообработке преобладают три типа окалины. Окалина HRC использует нагрузку 150 кгс с алмазным конусным индентором для закаленной стали и твердых сплавов. Окалина HRB использует нагрузку 100 кгс со стальным шариком для более мягких металлов, таких как алюминий и отожженная сталь. Окалина HRA использует нагрузку 60 кгс с алмазным конусом для тонкой стали и карбидов.
Тест на твердость по Бринеллю
Итак, следует знать, что метод Бринелля использует большой шариковый индентор под большой нагрузкой. Он измеряет диаметр отпечатка оптическим методом. Большой размер отпечатка усредняет вариации материала. Он идеально подходит для крупнозернистых материалов, таких как отливки и поковки.
Почему используется метод Бринелля? Отливки имеют неоднородную структуру. Методы с малым вдавливанием попадают в твердые участки, пропускают мягкие и дают бессмысленные значения. Метод Бринелля с большим вдавливанием усредняет все значения. Вы получаете репрезентативные значения твердости.
Испытание на твердость по Виккерсу
После этого следует знать, что в методе Виккерса используется алмазный пирамидальный индентор. Он измеряет длину диагонали квадратного отпечатка. Для всех уровней твердости используется один и тот же индентор. Диапазон нагрузок составляет от 1 гс до 100 кгс.
Универсальность диапазона нагрузок делает шкалу Виккерса универсальной. Микротвердость измеряется в диапазоне от 1 до 1000 гс. Макротвердость измеряется в диапазоне от 1 до 100 кгс. Принцип измерения один и тот же, но шкалы разные. Один метод подходит для всего: от мягких покрытий до закаленных карбидов.
Испытание на твердость по Кнупу
Между тем, Кнуп использует удлиненный алмазный индентор. Он создает асимметричное вдавливание, измеряя только длинную диагональ. Диапазон нагрузок составляет от 10 до 1000 гс.
Прибор Кнупа следует использовать, если тест Виккерса может привести к растрескиванию образца. Хрупкие материалы, такие как керамика и стекло. Очень тонкие покрытия, где важна глубина. Испытания вблизи краев, где пространство ограничено. Анизотропные материалы, где важна направленность.
Тест на твердость по методу Либа
Кроме того, Либ измеряет скорость отскока. Метод заключается в том, что ударное тело с шариком из карбида вольфрама падает на поверхность. Затем следует измерить высоту отскока. Более высокий отскок означает более твердый материал.
Переносные методы тестирования изменили все. Теперь можно поднести тестер к детали, вместо того чтобы вырезать образцы. Можно тестировать крупные отливки на месте. Можно проверять крюки крана, не снимая их. Полевые испытания возможны без доступа к лаборатории.
Испытание на твердость по Шору
Кроме того, по шкале Шора измеряют эластомеры и мягкие пластмассы. Глубину проникновения измеряет подпружиненный индентор. Для разных диапазонов материалов необходимы разные шкалы: Шор А для мягкой резины, Шор D для твердых пластмасс.
К распространенным шкалам относятся шкалы Шора А, Шора D и Шора 00 для чрезвычайно мягких материалов. Каждая шкала охватывает определенный диапазон твердости.
Сравнение и пересчет шкал твердости
Перевод между шкалами становится необходимым, когда поставщики указывают разные шкалы. Технические характеристики заказчика — HRC; сертификат материала — HB. Вам необходим перевод.
Существуют стандартные таблицы пересчета единиц измерения стали, такие как ASTM E140, пересчет Роквелла в Бринелль, пересчет Бринелля в Виккерс. Эти таблицы следует использовать для черных металлов.
Важное предупреждение: приведенные значения являются приблизительными. Различные материалы преобразуются по-разному.
Неэффективное преобразование происходит при использовании разнородных материалов. Преобразование HRC в HRB успешно в случае стали, но приводит к разрушению в случае алюминия. Перекрестный контроль классов материалов приводит к получению некорректных значений. Для цветных металлов необходимы данные о преобразовании, специфичные для каждого материала.
Как выбрать подходящий метод измерения твердости для вашего применения
В первую очередь определяется тип материала. Во вторую очередь – возможности оборудования. И, наконец, необходимо учитывать требования к точности.
При выборе типа материала следует учитывать различные факторы.
Для черных металлов предпочтительнее использовать шкалу Роквелла для получения металла и шкалу Бринелля для литья. Для цветных металлов используются шкалы Роквелла B или Бринелля в зависимости от уровня твердости. Для очень мягких материалов требуются небольшие нагрузки по шкале Бринелля.
В случае закаленной и отожженной стали все по-разному. Для отожженной стали используется шкала HRB. Если выбрать неподходящую шкалу, оценки либо останутся на крайних значениях, либо будут бессмысленными.
Однородные структуры могут подвергаться любым процессам обработки. Крупнозернистые структуры требуют огромного вдавливания по Бринеллю. Литье: чугун, бронза, порошковые металлы.
Особое внимание следует уделить обработке поверхности и покрытию. Детали с цементированной поверхностью должны быть подвергнуты неглубокой вдавливанию. Глубину цементации проверяют с помощью приборов Виккерса или Кнупа. Либ же проводит быструю проверку и хорошо разбирается в точности.
Размер выборки и геометрия
Ограничения по толщине применяются ко всем методам вдавливания. Минимальная толщина равна 10-кратному значению глубины вдавливания. Нарушение этого правила делает результаты бессмысленными. Подложка влияет на показания.
Требования к площади поверхности различаются в зависимости от метода. Для метода Бринелля требуется большая плоская поверхность. Для метода Роквелла — меньшая. Метод Виккерса подходит для мелких деталей. Подберите метод в соответствии с доступной площадью для тестирования.
Изогнутые поверхности и неправильные формы усложняют тестирование. Метод Либа лучше всего справляется с такими задачами. Метод Роквелла требует плоской поверхности. Метод Бринелля требует еще большей плоской поверхности. Метод Виккерса допускает небольшие плоские участки, но требует оптического доступа.
Когда единственным вариантом является портативное тестирование, Leeb выигрывает, несмотря на ограничения в точности. Вы не можете перенести отливку весом в 1000 фунтов в лабораторию. Вместо этого отнесите тестер к отливке.
Требования к точности и разрешению
Для контроля качества продукции используются методы Роквелла или Бринелля. Быстрое тестирование обеспечивает достаточную точность. Оно помогает выявлять перепутанные материалы и проверять термообработку. Скорость важнее точности.
Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы требуют использования измерительного прибора Vickers. Микроструктурный анализ, оптимизация покрытий, разработка материалов. Точность важнее скорости. Все должно быть задокументировано с точностью до микрона.
Проверка на месте эксплуатации опирается на систему Leeb, несмотря на ее ограничения. Проверяйте установленное оборудование, проверяйте подозрительные детали, проверяйте материалы. Приблизительная точность лучше, чем отсутствие данных. Для подтверждения критически важных результатов проводите лабораторные исследования.
Оборудование стоит денег. Обучение стоит денег. Калибровка стоит денег. Прежде всего, перед покупкой оборудования необходимо рассчитать общую стоимость.
Распространенные ошибки при измерении твердости и как их избежать
Ошибки в подготовке поверхности снижают точность. Окалина, ржавчина, покрытия, шероховатые поверхности. Очистите зону тестирования напильником или шлифовальной машиной. Качество обработки поверхности влияет на оптические методы сильнее, чем твердость по Роквеллу.
Неправильное расстояние между отпечатками — это ошибка. Минимальное расстояние равно утроенному диаметру отпечатка. Более близкое расстояние позволяет полям напряжений взаимодействовать, и результаты становятся бессмысленными. Строго соблюдайте требования к расстоянию между отпечатками.
Неправильный выбор шкалы приводит к потере времени. Испытываете закаленную сталь методом HRB? Показания достигают максимума. Испытываете алюминий методом HRC? Показания достигают минимума. Подберите шкалу в соответствии с ожидаемым диапазоном твердости.
Пренебрежение калибровкой постепенно увеличивает погрешность. Ежегодная калибровка позволяет выявить дрейф оборудования. Используйте сертифицированные тестовые блоки перед проведением критически важных измерений. Документируйте историю калибровки.
При многократном преобразовании ошибки преобразования накапливаются. Преобразование HRC в HB, а затем в HV увеличивает ошибки аппроксимации. При необходимости выполняйте преобразование один раз. Никогда не выполняйте последовательные преобразования.
Нарушения толщины образца приводят к получению некорректных данных. Глубина вдавливания превышает допустимую толщину. Подложка влияет на показания. Результаты бессмысленны. Перед тестированием проверьте толщину.
Заключение
Почему метод Бринелля является предпочтительным методом измерения твердости в тяжелом оборудовании: крупные компоненты, грубая микроструктура и ударные нагрузки. Метод Бринелля позволяет усреднить свойства материала лучше, чем методы малого вдавливания. Доказанная в полевых условиях надежность имеет важное значение в сложных условиях эксплуатации.