Методы измерения твердости

, (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 измерения твёрдости приводит к порче изделия. Во-вторых – когда требуется достаточно высокая производительность контроля. 

Чтобы избежать тех недостатков, которые присущи  классическим методам твердометрии, были разработаны твердомеры, использующие акустический и динамический методы.

Акустический  метод основан на измерении относительных  изменений механического импеданса  колебательной системы преобразователя  в зависимости от механических свойств поверхности образца. Акустический преобразователь представляет собой стержень из магнитострикционного материала (например, никеля), на конце которого укреплён индентор в виде алмазной призмы. К стержню прикреплён пьезоэлемент, возбуждающий в преобразователе продольные упругие колебания частотой 30-40 кГц. Стержень с индентором прижимают к контролируемому объекту с постоянной силой. При этом индентор внедряется в поверхность изделия тем глубже, чем меньше твёрдость его материала. Площадь зоны соприкосновения индентора с изделием с уменьшением твёрдости растёт, а модуль упругого сопротивления увеличивается.

Изменение импеданса  определяют по изменению собственной  частоты нагруженного преобразователя, которую измеряют частотомером . Шкалу  индикатора градуируют в единицах твёрдости по Роквеллу. 
 

Принцип работы динамических твердомеров основан  на измерении отношения скоростей  индентора при падении и отскоке  его от поверхности контролируемого  изделия. Отношение скоростей перемещения  индентора при отскоке и падении характеризуют твёрдость контролируемого изделия.

Преобразователь включает в себя механическую систему, обеспечивающую перемещение индентора  относительно поверхности контролируемого  материала, и электрическую катушку. Во взведенном положении преобразователя цанга спускового механизма удерживает индентор. При нажатии спусковой кнопки цанга разжимается и индентор под действием предварительно сжатой пружины сбрасывается на контролируемую поверхность. На конце индентора расположен твердосплавный шарик, непосредственно контактирующий с испытуемым материалом. Внутри индентора находится постоянный магнит. При пересечении магнитным полем витков катушки в последней наводится э.д.с., пропорциональная скорости движения индентора.

Измеряемая твердость  является функцией отношения сигналов U1 и U2:

, (9)

где U1- скорость сброса; U2- скорость отскока.