Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Твердомер — измерительный прибор для определения твёрдости материала, то есть его сопротивления локальной пластической деформации при контактном силовом воздействии. Принцип действия большинства твердомеров сводится к одному из двух подходов: вдавливание индентора заданной геометрии под нормированной нагрузкой и измерение размеров остаточного отпечатка либо глубины внедрения (статические методы Бринелля, Роквелла, Виккерса), или удар бойком о поверхность с регистрацией скорости отскока (динамический метод Либа). Отдельную группу образуют ультразвуковые портативные твердомеры, работающие на принципе контактного импеданса (UCI). В этой статье разобрано, как работает твердомер, чем отличаются его исполнения, как соотносятся методы и где они применимы.
Твёрдость — это сопротивление материала локальной пластической деформации, вызываемой контактным воздействием более твёрдого тела. Это не самостоятельная физическая величина с собственной размерностью, а условная характеристика, определяемая методом измерения: значения, полученные разными методами на одном образце, отличаются и связаны между собой лишь приближёнными переводными таблицами.
Число твёрдости — это результат конкретной процедуры, описанной стандартом, а не «истинная» физическая величина. Поэтому метод указывается вместе со значением, а перевод между шкалами всегда ориентировочный.
Твердомер реализует одну из стандартных процедур: задаёт нормированную нагрузку, обеспечивает точную геометрию индентора и фиксирует измеряемый параметр — диаметр отпечатка, его диагональ, глубину внедрения или скорость отскока. Конструктивно прибор всегда содержит силовую часть, индентор, систему позиционирования образца и измерительный узел для регистрации результирующего параметра.
Все методы измерения твёрдости, реализуемые твердомерами, разделяют на статические и динамические.
Индентор плавно вдавливается в поверхность образца с заданным нарастанием и выдержкой нагрузки. После снятия нагрузки измеряется размер остаточного отпечатка или текущая глубина внедрения. К этой группе относятся методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и инструментальное индентирование.
Боёк с индентором ударяется о поверхность с заданной начальной скоростью, и регистрируется скорость отскока. Чем твёрже материал, тем выше отношение скорости отскока к скорости падения. К этой группе относится метод Либа (Leeb).
Алмазный индентор стержня, колеблющегося на ультразвуковой частоте, прижимается к поверхности с фиксированной нагрузкой. По сдвигу частоты колебаний, который зависит от площади контакта, определяют твёрдость. Метод реализован в портативных приборах под названием UCI (ultrasonic contact impedance).
Метод заключается во вдавливании шарика (как правило, из карбида вольфрама) в поверхность образца под действием нормированной нагрузки, перпендикулярной поверхности, в течение заданной выдержки. После снятия нагрузки оптическим способом измеряют диаметр отпечатка. Действующий стандарт устанавливает метод для металлов с твёрдостью до 650 единиц.
Число твёрдости по Бринеллю — отношение приложенной нагрузки к площади сферического сегмента отпечатка:
HBW = 0,102 · 2F / [π·D·(D − √(D² − d²))]
где F — приложенное усилие, Н; D — диаметр шарика, мм; d — средний диаметр отпечатка, мм; коэффициент 0,102 переводит ньютоны в кгс/мм² (исторически принятая для шкалы единица).
F
D
d
Сильные стороны метода — невысокая требовательность к подготовке поверхности и устойчивые результаты на неоднородных литых и кованых материалах с крупнозернистой структурой.
В методе Роквелла измеряется не размер отпечатка, а разность глубин внедрения индентора под предварительной и основной нагрузкой. Это позволяет получать результат непосредственно по шкале прибора, без оптического измерения.
Принципиальная процедура измерения:
F0
F1
F = F0 + F1
h
HR = N − h/s
N
s
N = 100
N = 130
Действующий стандарт устанавливает шкалы Роквелла A, B, C, D, E, F, G, H, K. Они различаются типом индентора (алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной шарик диаметром 1,5875 мм) и значением общей нагрузки. На практике в металлургии и машиностроении наибольшее распространение получили шкалы HRC (закалённые и термообработанные стали), HRB (мягкие стали и цветные сплавы), HRA (твёрдые сплавы, тонкие слои).
Обозначение твёрдости содержит число и индекс шкалы — например, 45 HRC. Метод даёт быстрое прямое считывание и не требует оптического измерения отпечатка; он чувствителен к чистоте и плоскости поверхности и хуже подходит для очень тонких и сильно выпуклых деталей (для таких случаев стандарт нормирует поправки).
В методе Виккерса индентор — алмазная четырёхгранная пирамида с углом между противоположными гранями 136°. Пирамида плавно вдавливается в поверхность с нормированной нагрузкой; после снятия нагрузки оптически измеряются длины обеих диагоналей отпечатка, и по их среднему значению рассчитывается число твёрдости.
Число твёрдости по Виккерсу:
HV = 0,1891 · F / d²
где F — приложенное усилие, Н; d — среднее значение длин двух диагоналей отпечатка, мм; коэффициент 0,1891 включает геометрический фактор пирамиды с углом 136° и пересчёт из ньютонов.
Геометрическое подобие отпечатков — ключевое свойство пирамидального индентора: число твёрдости HV не зависит от нагрузки в широком её диапазоне (за исключением очень малых нагрузок, где проявляется размерный эффект). Поэтому метод Виккерса применим в широком диапазоне — от мягких цветных сплавов до сверхтвёрдых материалов, причём шкала единая.
Малые нагрузки (микротвёрдость) используются для измерения тонких поверхностных слоёв (азотирование, цементация, лазерная закалка, гальванические покрытия), для отдельных фаз микроструктуры и для тонколистового проката. Микротвёрдомеры по Виккерсу обязательно оснащаются микроскопом с подходящим увеличением для точного измерения коротких диагоналей.
Динамический метод Либа использует подпружиненный боёк с индентором, который ударяется о поверхность с известной начальной скоростью. После удара боёк отскакивает; индукционная катушка регистрирует скорости падения и отскока. Чем твёрже материал, тем больше доля упругой реакции и тем выше отношение скорости отскока к скорости удара.
Число твёрдости по Либу:
HL = 1000 · vотск / vуд
где vуд — скорость бойка в момент удара о поверхность, м/с; vотск — скорость бойка непосредственно после отскока, м/с.
vуд
vотск
Действующий стандарт классифицирует датчики по конструкции бойка и энергии удара: типы D, S, E, DL, D+15, C, G. Соответственно результаты измерений выражаются в единицах HLD, HLS, HLE, HLDL, HLD+15, HLC, HLG. Тип датчика обязательно указывается в обозначении; пересчёт между типами не выполняется напрямую — нужна привязка к стандартным шкалам или к мерам твёрдости.
Метод ультразвукового контактного импеданса (UCI — ultrasonic contact impedance) реализуется в портативных приборах с осциллирующим стержнем, на конце которого закреплён индентор — алмазная пирамида Виккерса. Стержень возбуждается на резонансной частоте в продольных колебаниях. При прижатии индентора к поверхности с фиксированной статической нагрузкой между ним и материалом устанавливается контакт; жёсткость контакта зависит от площади отпечатка пирамиды, а та — от твёрдости. Жёсткость контакта изменяет резонансную частоту стержня, и по сдвигу частоты прибор рассчитывает значение, которое затем пересчитывается в шкалы HV, HB или HR.
Метод сохраняет геометрию индентора Виккерса, но не использует оптическое измерение диагонали — это даёт быструю автоматическую регистрацию. Отпечаток, оставляемый ультразвуковым датчиком, существенно меньше, чем у динамического (Либа), что важно для тонкостенных и небольших изделий.
Метод UCI даёт твёрдость в шкалах, в которые он пересчитан (HV, HB, HRC), но эти значения не являются прямо измеренными по соответствующим методам. При сравнении или подтверждении ответственных результатов проводят сличение с лабораторным методом (Виккерс, Бринелль, Роквелл) на эталонных мерах твёрдости.
Лабораторные приборы, реализующие методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвёрдости. Включают силовой узел (грузовой или электромеханический привод), индентор, столик с микрометрической подачей, оптический микроскоп (для Бринелля и Виккерса) или индикатор глубины (для Роквелла). Обеспечивают наивысшую точность и повторяемость измерений; используются в металлографических лабораториях, ОТК предприятий, метрологических центрах.
Полевые приборы для контроля в цеху, на монтаже, на эксплуатируемом оборудовании. Реализуют динамический метод Либа и/или ультразвуковой метод UCI. Состоят из электронного блока с дисплеем и сменных датчиков. Часто комбинируются — один блок поддерживает оба типа датчиков, и оператор подключает датчик под конкретную задачу (массивная отливка → Либа; тонкая стенка или мелкая деталь → UCI).
Любой твердомер — средство измерений, для которого нормированы метрологические характеристики, методики поверки и калибровки. Поверка проводится в аккредитованных лабораториях с применением эталонных мер твёрдости — стандартизованных плиток, аттестованных по соответствующей шкале (HBW, HRC, HV, HLD и т.д.).
Для портативных приборов с пересчётом в стандартные шкалы (UCI, Либа) поверка выполняется по эталонным мерам соответствующей собственной шкалы (HV, HLD), а корректность пересчёта проверяется по совпадению результатов с лабораторными методами на образцах конкретного материала.
В стационарных приборах твёрдый индентор — шарик, конус или пирамида — вдавливается в материал с известной силой, и затем измеряется размер или глубина оставшегося отпечатка. В портативных динамических — боёк ударяется о поверхность, и измеряется скорость его отскока. В ультразвуковых — индентор вибрирует на ультразвуковой частоте, и по сдвигу частоты при контакте с материалом определяется твёрдость. Чем твёрже материал, тем меньше отпечаток и тем больше упругая реакция.
Бринелль — шарик и измерение диаметра отпечатка; крупный отпечаток, метод применяется для металлов с твёрдостью не выше предела по стандарту. Роквелл — алмазный конус или стальной шарик, измеряется глубина внедрения после двух ступеней нагрузки; быстрый прямой отсчёт по шкале. Виккерс — алмазная пирамида с углом 136°, измеряются диагонали отпечатка; единая шкала во всём диапазоне твёрдостей, метод применим к покрытиям, тонким слоям и микроструктуре.
Метод Либа — динамический метод отскока. Боёк с твёрдым наконечником ударяется о поверхность, и регистрируются скорости удара и отскока. Применяется в портативных твердомерах для контроля крупногабаритных и тяжёлых изделий (поковки, валы, корпуса) и измерений на смонтированном оборудовании.
В UCI индентор не ударяет о поверхность, а статически прижимается к ней с малой нагрузкой, и измеряется сдвиг резонансной частоты вибрирующего стержня. Отпечаток существенно меньше, чем у Либа, и метод применим для тонкостенных и небольших деталей. Метод Либа, наоборот, лучше работает на массивных изделиях с крупнозернистой структурой, где UCI может давать рассеяние.
Исходя из объекта контроля и условий. Для лаборатории и приёмочного контроля термообработки — стационарные приборы по Бринеллю, Роквеллу или Виккерсу (выбор по диапазону твёрдости и типу деталей). Для контроля по месту — портативные: на массивных изделиях — Либа, на тонких/мелких — UCI; универсальное решение — комбинированный портативный твердомер с двумя типами датчиков.
Пересчёт возможен только по таблицам, привязанным к конкретному материалу (например, для углеродистых сталей), и носит ориентировочный характер. Для ответственного контроля результат должен быть получен непосредственно тем методом, на который выполнено требование в нормативно-технической документации.
Микротвёрдость — твёрдость, измеренная по Виккерсу с малыми нагрузками. Применяется для определения твёрдости тонких поверхностных слоёв (азотированных, цементированных, гальванических покрытий, лазерных дорожек), для отдельных фаз микроструктуры и тонкого металлопроката. Микротвёрдомер обязательно оснащён микроскопом с подходящим увеличением.
Поверка — с установленной для прибора периодичностью в аккредитованной лаборатории. Калибровка по эталонной мере твёрдости — перед каждой серией измерений (для портативных приборов — перед каждым применением), а также при смене датчика, материала, диапазона измерений.
Шероховатость, окалина, краска, масло искажают площадь контакта индентора с материалом, а на лёгких и тонких деталях — и динамику взаимодействия. У микротвёрдомеров с очень малой нагрузкой ошибки от загрязнения становятся определяющими. Поэтому стандарты нормируют требования к подготовке поверхности для каждого метода.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.