Твёрдость

Твердость – это способность материала сопротивляться внедрению более твердого тела (индентора). Является важной характеристикой для широкого спектра изделий, которые работают в парах трения, например прокатные валки, шестерни, крепежные изделия, инструмент, штамп, сельскохозяйственная и горнодобывающая техника. Так же величина твердости коррелирует с прочностью материала, что позволяет делать предварительную оценку свойств.
 

Твёрдые вещества имеют, в основном, кристаллическое строение, которое определяется правильным расположением частиц вещества – молекул, атомов, ионов – в определённых его точках. Такая структура расположения частиц в веществе называется кристаллической решёткой, а точки, в которых расположены эти частицы, называются её узлами.

В зависимости от того, какие частицы размещены в узлах решётки и какие связи между ними, кристаллические решётки делятся на четыре типа: 

  -  металлические;

  -  молекулярные;

  -  атомные;

  -  ионные.

От типа кристаллической решётки, а также характера и вида связей между частицами вещества зависят физические свойства твёрдого тела.

Металлические решётки – это решётки, в узлах которых находятся атомы и ионы, имеющие между собой металлическую связь разной прочности.

К таким веществам относятся металлы и сплавы, отличающиеся твёрдостью и тугоплавкостью в очень широких пределах. При этом, чем сильнее связь между частицами вещества, тем выше эти показатели. Электроны металла, движущиеся между узлами решётки, образуют «электронный газ», обеспечивающий устойчивость такой решётки.

Атомные решётки в своих узлах содержат атомы, связанные очень прочными ковалентными связями.

Такая решётка характерна для простых веществ: кремний (Si), графит (С), алмаз (С), бор (В), германий (Ge) – с неполярной ковалентной связью; также для сложных веществ: карбид кремния (SiC), оксид кремния (SiO2), оксид алюминия (Al2O3), нитрид бора (BN) – с полярной ковалентной связью. Эти вещества очень твёрдые и очень тугоплавкие.

Молекулярные решётки имеют в своих узлах молекулы веществ со слабыми межмолекулярными связями.

В обычных условиях это твёрдые органические (кроме солей) летучие вещества, имеющие небольшую твёрдость, жидкости или газы.

Ионные решётки образуются веществами с ионным видом связи (рис. 2), такими как гидроксиды и оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, галогениды (IA, IIA групп), соли (напр. КОН, СаСО3, NH4NO3, С2Н5ОК, СН3СООК, [CH3NH3]Cl).

Между ионами, которые расположены в узлах решётки, существует электростатическое притяжение - такая связь очень прочная. Ионные кристаллы твёрдые, тугоплавкие, но хрупкие.

Определение твёрдости объекта контроля производится по различным методам, разработанным многими учёными, именами которых эти методы названы. Все эти методы определения твёрдости подразделяются на две основные группы – статические и динамические, в зависимости от применения индентора.

Статические методы
 

Получили наибольшее распространение в практике. Они основаны на непрерывном и медленном вдавливании индентора в объект контроля с определённым постоянным усилием. Наиболее востребованными из них являются: метод Бринелля, определяемый стандартом ГОСТ 9012-59; метод Роквелла, регламентируемый ГОСТом 9013-59 (ИСО 6508-86); метод Виккерса в соответствии с ГОСТ 2999-75; метод Шора в соответствии с ГОСТ 24621-91.

Метод Бринелля
 

Метод основан на вдавливании шарика в поверхность образца, выдержке в течение определенного времени с последующим измерением диаметра отпечатка после снятия нагрузки. Обозначается «HB», если в качестве индентора используется закаленный стальной шарик или «HBW», если шарик из карбида вольфрама. 

Твердость определяют как отношение приложенной нагрузки к площади отпечатка по формуле:

где F – приложенная нагрузка, Н; D – диаметр шарика, мм; d – среднее арифметическое из диаметров отпечатка, мм.

Итоговая запись результата выглядит следующим образом: 
480 HBW 10/3000

480 – значение твердости;
HBW 10/3000 – использовался шарик из карбида вольфрама диаметром 10 мм, а испытательное усилие составило 3000 кгс.

Рисунок 1
Схема измерения твердости методом Бринелля 

Требования к образцу и измерению твердости

Образец должен быть плоскопараллельным, то есть поверхность, которой образец устанавливается на рабочий столик и, поверхность, на которой производится измерение твердости должны быть параллельными друг другу. 
Шероховатость поверхности образца не должна превышать Ra 2,5 мкм. 
Так же есть требования к толщине образца, она зависит от диаметра шарика и отпечатка, но можно регулироваться правилом: чем больше, тем лучше. 
Измерение твердости следует проводить на расстоянии не менее 2,5 диаметров отпечатка от края образца, а расстояние между двумя отпечатками должно составлять не менее 3 отпечатков. Размер отпечатка можно оценить по ожидаемой твердости (ГОСТ 9012, приложение 3). 
 

Основные преимущества метода:

  •  Высокая производительность, т.к. не нужно тратить много времени на подготовку поверхности; 
  •  Позволяет измерять твердость как мягких, так и среднетвердых материалов.

Основные недостатки:

  •  Ограниченное применение для материалов с высокой твердостью.

Метод Роквелла
 

Сущность метода заключается во внедрении в поверхность образца алмазного конусного (шкалы А. С, D) или стального шарика (шкалы В, Е, F, G, Н, К) под действием последовательно прилагаемых усилий предварительного и основного усилий и в определении глубины внедрения наконечника после снятия основного усилия. Обозначается сокращением «HRх», где х – шкала измерения. Шкалы HRA, HRB, HRC являются наиболее широко распространенными.

а

б

Рисунок 2 
Процесс измерения твердости методом Роквелла по шкале B (а) и по шкалам A и C (б)
 

Твердость определяют как отношение приложенной нагрузки к глубине вдавливания индентора по формуле:

где N – константа, зависящая от шкалы измерения; H – глубина вдавливания индентора при основной нагрузке, мм; h – глубина вдавливания индентора до приложения основной нагрузки, мм.

Итоговая запись результата выглядит следующим образом: 
40 HRC

40 – значение твердости;
HRC –использованная шкала.

Так же есть шкала Супер-Роквелла. В ней используются меньшие нагрузки, и она применяется для тонких образцов, обозначается HRN или HRT.

Требования к образцу и измерению твердости

Образец должен быть плоскопараллельным, то есть поверхность, которой образец устанавливается на рабочий столик и, поверхность, на которой производится измерение твердости должны быть параллельными друг другу. 
Шероховатость поверхности образца не должна превышать Ra 2,5 мкм. 
Толщина образца должна превышать не менее чем в 10 раз глубину вдавливания индентора. Глубину вдавливания можно оценить по ожидаемой твердости (ГОСТ 9013, приложение 2).
Измерение твердости следует проводить на расстоянии не менее 2,5 диаметров отпечатка от края образца, а расстояние между центрами двух отпечатков должно составлять не менее 4 отпечатков. 
 

Основные преимущества метода:

  •  Самая высокая скорость измерения твердости;
  •  Благодаря трем шкалам позволяет измерять твердость как мягких, так и твердых образцов;

Основные недостатки метода:

  •  Самый трудо- и времязатратный метод, т.к. высокие требования к подготовке поверхности образца.

Метод Виккерса
 

Метод основан на вдавливании алмазной пирамидке в поверхность образца, выдержке в течение определенного времени с последующим измерением диагоналей отпечатка после снятия нагрузки. Обозначается «HV».

Твердость определяют как отношение приложенной нагрузки к площади отпечатка по формуле:

где F – приложенная нагрузка, Н; d – среднее арифметическое из диагоналей отпечатка, мм.

Итоговая запись результата выглядит следующим образом: 
780 HV 100/10

780 – значение твердости;
HV 100/10 – нагрузка 100 кгс, выдержка в течение 10 секунд.

Так же есть метод микротвердости, который отличается от метода Виккерса нагрузками. Метод микротвердости применяют для точечного измерения твердости, а возможно это становится благодаря нагрузкам от 10 граммов до 5 кг.

Рисунок 3 
Схема измерения твердости по методу Виккерса

Требования к образцу и измерению твердости

Образец должен быть плоскопараллельным, то есть поверхность, которой образец устанавливается на рабочий столик и, поверхность, на которой производится измерение твердости должны быть параллельными друг другу. 
Шероховатость поверхности образца не должна превышать 0,16 мкм. 
Минимальная толщина образца должна быть в 1,2 раза больше диагонали отпечатка для стальных изделий и в 1,5 раза больше для изделий из цветных металлов.
Измерение твердости следует проводить на расстоянии не менее 2,5 диагоналей отпечатка от края образца и края соседних отпечатков. Размер отпечатка можно оценить по ожидаемой твердости (ГОСТ 2999-75, приложение 3). 
 

Основные преимущества метода:

  •  Самая высокая точность измерения твердости;
  •  Охватывает все группы материалов, от самых мягких до самых твердых;
  •  Благодаря широкому спектру выбора испытательных нагрузок можно измерять твердость даже маленьких и тонких образцов.

Основные недостатки метода:

  •  Самый трудо и времязатратный метод, т.к. высокие требования к качеству поверхности образца;
  •  Для измерения твердости может понадобиться отдельный микроскоп, если твердомер не имеет достаточного увеличения оптической системы.

Перечисленные выше три метода применяются для измерения твердости металлов. Так же отдельно можно выделить метод Шора.

Метод своим принципом схож с измерением твердости по Роквеллу, однако применяется не для металлов, а для резин, пластмасс и т.п.  Для определения уровня твердости фиксируется глубина вдавливания образца. 
 

Динамические методы
 

Наиболее распространенными являются метод Шора, определяемый стандартом ГОСТ 23273-78; метод Либа, определяемый стандартом ГОСТ Р 8.969–2019. Они значительно отличаются от рассмотренных выше методов.

Предыдущие методы предполагали статичное вдавливание индентора в образец с последующим измерением отпечатка, но эти метод отскока основан на ударном воздействии на образец. Выглядит это следующим образом:

  1.  Индентор взводится в специальном устройстве в верхнее положение;
  2.  Спусковой механизм при помощи пружины толкает индентор в сторону образца;
  3.  Индентор отскакивает обратно и фиксируется высота отскока в случае метода Шора, либо фиксируется скорость в случае метода Либа.

Рисунок 4
Схема измерения твердости методами Шора и Либа 
1 – боёк; 2 – образец; 3 – трубка с бойком; 4 – наконечник.

Метод Шора обозначается как «HSx», где вместо x записывается используемая шкала. 
Для металлов применяется шкала D, а итоговая запись выглядит:
65 HSD 
то есть 65 единиц твердости по методу Шора, шкала D. 

Метод Либа обозначается как «HL», итоговая запись выглядит:
481 HL 
то есть 481 единица твердости по методу Либа.
 

Из-за того, что измерение твердости происходит за счет удара маленьким индентором, а не статичного вдавливания, отпечаток на образце малозаметен или не остается вовсе, поэтому одним из главных его применений является измерение твердости уже готовых изделий, поверхность которых нельзя повреждать, например прокатные валки.
При измерении методом отскока предъявляются серьезные требования к габаритам и массе образца. Так часто образец должен весить не менее 2 кг для возможности точного измерения, но такие требования прописываются индивидуально к каждой модели твердомера из-за их особенностей.
Шероховатость поверхности образца не должна превышать 2,5 мкм. 

Главные преимущества метода:

  •   Самый быстрый из представленных методов;
  •   Твердомеры выполняются в портативном варианте, что повышает мобильность;
  •   На поверхности остаются малозаметные отпечатки.

Главные недостатки метода:

  •   Наименее точный, поэтому не подходит для контрольных измерений, и необходимо комбинировать вместе с методами Бринелля, Роквелла или Виккерса; 
  •   Ограниченное применение из-за требований к массе и размерам образцов;
  •   Более высокая вероятность человеческой ошибки по сравнению со стационарными приборами.

Метод Польди состоит в том, что одновременно в образец и эталон с известной твёрдостью посредством ударной нагрузки вдавливается стальной закалённый шарик. Твёрдость объекта контроля определяется путём сопоставления диаметров отпечатков в эталоне и образце. Существенным недостатком метода Польди является его большая погрешность, составляющая 7-15%, иногда до 30%, что значительно ограничивает область его применения.

Средства измерений
 

Для определения твердости используются твердомеры. Они могут быть стационарными и портативными, различаться по степени автоматизации рабочего цикла испытания, виду индикации результатов и другим параметрам. 
Принцип работы твердомеров основан на вдавливании специального индентора в поверхность образца под определённой нагрузкой с последующим измерением полученного отпечатка. 
Твердомеры используются в различных отраслях промышленности и научных исследованиях для контроля качества продукции и изучения свойств материалов.

Динамический твердомер ТКМ-359С