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.

nabor-nahilnikov-dlya-opredeleniya-tverdostiРисунок — 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.