Что такое твердость стали? (ч.2)

Востребованность указанных методов измерения твердости металла объясняется их следующими особенностями:

• все описанные методы позволяют производить измерения каждого готового образца в отдельности, что, несомненно, повышает качество серийной продукции;
• не происходит разрушения готового изделия (например, ножа) и в дальнейшем его можно использовать по назначению;
• высокая скорость измерений, а значит большая производительность метода.

Важно: Результаты испытаний с помощью различных методов несопоставимы между собой.

Рассмотрим каждый метод в отдельности, уделив особое внимание методу Роквелла.

Метод Бринелля

Этот метод был предложен шведом Юханом Августом Бринеллем начале 20-го века. На тот момент, это был самый точный способ определения твердости металлов. В качестве индентора используются стальные шарики различного диаметра (от 1,2 до 10 миллиметров). Диаметр шарика выбирается в зависимости от предполагаемой твердости металла.

Бринелль разделил металлы на несколько групп, объединив их по твердости. В группу с минимальной твердостью попали олова, свинец и их сплавы. В группу с самой высокой твердостью вошли титан, никель и стальные сплавы. Для металлов с минимальной твердостью используется шарик самого малого диаметра, для металлов высокой твердости используется шарик самого большого диаметра.

Измерения происходят по следующему алгоритму: проверяемый образец помещают на специальный стол, сверху в образец происходит вдавливание индентора с постепенно увеличивающейся нагрузкой. Это происходит в течение короткого промежутка времени от 2-х до 8-ми секунд. После достижения максимального уровня динамической нагрузки, нагрузка поддерживается в статическом состоянии, примерно в течение 10-ти секунд. После завершения процедуры, на проверяемом образце замеряют диаметр отпечатка.

Расчет твердости происходит по формуле, где учитываются приложенная нагрузка, диаметр индентора и диаметр отпечатка. Твердость указывается в формате кгс/мм2, формат отображения HBW.

Метод Виккерса

При измерении твердости по методу Виккерса в качестве индентора используется наконечник в форме пирамиды, грани которой сходятся между собой под углом в 136 градусов. Для обеспечения точности испытания важно соблюсти несколько моментов:

• нагрузка должна приходиться строго в центр алмазного наконечника;
• вектор приложения нагрузки должен быть строго перпендикулярен поверхности испытуемого образца.

Измерения происходят по следующему алгоритму: проверяемый образец помещают на специальный стол, сверху в образец происходит вдавливание индентора сразу с необходимым уровнем нагрузки (максимальное возможное значение до 100 кгс). Далее происходит удержание индентора под нагрузкой в течение 10-15 секунд. После снятия индентора происходит измерение глубины вдавливания и диагонали отпечатка.

Далее происходит расчет по форму, где учитывается соотношение приложенной нагрузки к диагонали отпечатка и времени в течение которого происходило испытание.

Твердость указывается в формате кгс/мм2, формат отображения HV. Метод Виккерса за счет использования алмазного наконечника позволяет делать более точные измерения, чем метод Бринелля.

Метод Шора

Этот метод является продолжением всем хорошо известного метода «постукивания», когда постукивая по детали или заготовке, мастер пытается определить ее твердость. Метод предложен американский инженером Альбертом Шором в начале XX века. Суть метода заключается в том, что твердость металла определяется по высоте отскока индентора.

Прибор для измерения твердости состоит из полой трубки, на которой по всей длине сделан пропил с нанесенными делениями. Трубка устанавливается на поверхность измеряемого образца и в нее сбрасывается боек с алмазным наконечником. Твердость металла определяется визуально по высоте отскока бойка. По сути, этот прибор является «склерометром».

Данный тип измерений не дает высокой точности, но отлично подходит для экспресс-оценки твердости сплавов на металлургических производствах, когда нужно оперативно определить твердость большой детали или детали, которая имеет сложную поверхность.

Формат отображения твердости по Шору HSD (или HSC, в зависимости от используемой шкалы).

Метод Роквелла

В последнее время этот метод получил большое распространение, благодаря своей простоте и универсальности. Метод Роквелла не требует проведения дополнительных вычислений и значение измерения сразу выводится на шкалу прибора.

Этот метод придумали два однофамильца, которые носили одну фамилию Роквелл. Звали их Хью и Стенли. Оба они работали в металлургическом холдинге в штате Коннектикут, где в то время остро встал вопрос оперативного измерения твердости элементов подшипников. Существующий метод Бринелля не позволял производить измерения с высокой точностью, а также не позволял производить испытание на каждом готовом экземпляре.

Роквелы придумали способ измерения твердости, основанный на измерении разности глубины проникновения индентора в образец под разной нагрузкой.

Измерение твердости по методу Роквелла происходит по следующему алгоритму: выбирается соответствующая шкала и индентор, образец помещается на специально подготовленный стол, к нему прилагается предварительная нагрузка в 10 кгс, нагрузка снимается. Далее прилагается основная максимальная нагрузка, нагрузка снимается. Результат последнего измерения является величиной твердости металла по Роквеллу.

Для измерений по методу Роквелла используется 11 шкал, которые отличаются друг от друга типом (и формой) индентора и нагрузкой. Все шкалы имеют буквенное обозначение: A; B; C; D; E; F; G; H; K; N; T.

Чащ всего используются шкалы:

А (нагрузка 60 кгс, в качестве индентора используется алмазный наконечник с углом в 120 градусов);

В (нагрузка 100 кгс, стальной закаленный шарик с диаметром 1/16 дюйма);

С (нагрузка 150 кгс, в качестве индентора используется алмазный наконечник с углом в 120 градусов).

В качестве единицы измерения берется условная глубина, на которую индентор погружается в образец. Одно деление считается равным 0,002 миллиметра. При использовании в качестве индентора алмазного конуса, максимально возможным считается погружении на 100 делений, а при использовании шарика на 130 делений. 

Важные моменты, которые нужно учитывать при проведении измерений:

• толщина образца (ширина образца должна быть в 10 больше глубины проникновения);
• размер расстояния между оттисками (минимально допустимое расстояние - 3 миллиметра);
• нагрузка должна прикладывать строго перпендикулярно к поверхности образца;
• образец должен быть максимально прочно зафиксирован на испытательном стенде;
• для получения максимально точного результата требуется проведение 3-х кратного измерения.

Преимущества проведения измерений по методу Роквелла:

• измерять можно любое металлическое изделие, даже если не известен его состав;
• не требуется чистка и полировка поверхности;
• минимальное повреждение поверхности проверяемого образца;
• нет необходимости производить дополнительные измерения и расчеты, прибор сразу показывает твердость изделия на специальной шкале;
• удобство проведения измерений, их скорость;
• возможность автоматизации процесса, можно производить измерения на конвейере;
• возможность оперативно проводить испытания с опытными и экспериментальными образцами.

Рассмотрев основные варианты измерения твердости металлов, можно сказать, что на сегодняшний день, одним из самых удобных методов, который получил распространение в ножевой промышленности, является метод Роквелла, благодаря своему удобству, точности и высокой производительности.