Содержание статьи
Введение в твердость материалов
Твердость является одним из важнейших механических свойств материалов, определяющих их способность сопротивляться деформации под воздействием более твердого тела. В металлургии и машиностроении измерение твердости играет критическую роль при контроле качества продукции, выборе материалов для конкретных применений и оценке эффективности термической обработки.
Важно понимать: Твердость не является фундаментальным физическим свойством материала, а представляет собой совокупную характеристику, зависящую от упругих и пластических свойств, а также от метода измерения.
Существует несколько основных методов измерения твердости, каждый из которых имеет свои особенности, область применения и шкалу измерений. Наиболее распространенными в промышленности являются методы Бринелля (HB), Роквелла (HRC, HRA, HRB) и Виккерса (HV).
Метод Бринелля (HB)
Метод измерения твердости по Бринеллю, разработанный шведским инженером Йоханом Августом Бринеллем в 1900 году, основан на вдавливании стального или твердосплавного шарика в поверхность испытуемого материала под определенной нагрузкой.
Принцип измерения
Твердость по Бринеллю определяется по формуле:
HB = 2P / (πD(D - √(D² - d²)))
где:
P - приложенная нагрузка (кгс)
D - диаметр шарика (мм)
d - диаметр отпечатка (мм)
где:
P - приложенная нагрузка (кгс)
D - диаметр шарика (мм)
d - диаметр отпечатка (мм)
Условия испытания по ГОСТ 9012-59
| Диаметр шарика (мм) | Нагрузка P (кгс) | Применение | Время выдержки (с) |
|---|---|---|---|
| 10 | 3000 | Стали, чугуны (HB > 130) | 10-15 |
| 10 | 1000 | Материалы средней твердости (HB 30-130) | 10-15 |
| 5 | 750 | Цветные металлы и сплавы | 30 |
| 2.5 | 187.5 | Мягкие материалы (HB < 30) | 30 |
Пример расчета:
При испытании стального образца шариком диаметром 10 мм под нагрузкой 3000 кгс получен отпечаток диаметром 4.2 мм.
HB = 2 × 3000 / (π × 10 × (10 - √(100 - 17.64))) = 6000 / (31.416 × 1.65) ≈ 116 HB
При испытании стального образца шариком диаметром 10 мм под нагрузкой 3000 кгс получен отпечаток диаметром 4.2 мм.
HB = 2 × 3000 / (π × 10 × (10 - √(100 - 17.64))) = 6000 / (31.416 × 1.65) ≈ 116 HB
Метод Роквелла (HRC, HRA, HRB)
Метод Роквелла, разработанный американским металлургом Стэнли Роквеллом, основан на измерении глубины проникновения индентора в материал под воздействием последовательно прилагаемых предварительной и основной нагрузок.
Шкалы измерения по Роквеллу
| Шкала | Индентор | Общая нагрузка (кгс) | Область применения | Диапазон измерений |
|---|---|---|---|---|
| HRA | Алмазный конус 120° | 60 | Твердые сплавы, тонкие изделия | 70-85 |
| HRB | Стальной шарик Ø1.588 мм | 100 | Мягкие стали, цветные металлы | 20-100 |
| HRC | Алмазный конус 120° | 150 | Закаленные стали, твердые сплавы | 20-67 |
Формула расчета твердости по Роквеллу
Для шкал A и C: HR = 100 - h/0.002
Для шкалы B: HR = 130 - h/0.002
где h - глубина остаточного проникновения в мм
Для шкалы B: HR = 130 - h/0.002
где h - глубина остаточного проникновения в мм
Преимущества метода Роквелла: Быстрота измерения, возможность испытания закаленных сталей, малый размер отпечатка, прямое считывание результата.
Метод Виккерса (HV)
Метод Виккерса основан на вдавливании в испытуемую поверхность алмазной четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136° между противоположными гранями. Твердость определяется отношением приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка.
Формула расчета твердости по Виккерсу
HV = 1.854 × P / d²
где:
P - нагрузка (кгс)
d - среднее арифметическое длин диагоналей отпечатка (мм)
где:
P - нагрузка (кгс)
d - среднее арифметическое длин диагоналей отпечатка (мм)
Условия испытания по ГОСТ 2999-75
| Нагрузка P (кгс) | Обозначение | Время выдержки | Область применения |
|---|---|---|---|
| 5, 10, 20, 30, 50, 100 | HV5, HV10, HV20, HV30, HV50, HV100 | 10-15 с (сталь) 30 с (цветные металлы) |
Универсальное применение |
Пример расчета HV:
При нагрузке 30 кгс получены диагонали отпечатка d₁ = 0.32 мм и d₂ = 0.31 мм.
d = (0.32 + 0.31) / 2 = 0.315 мм
HV30 = 1.854 × 30 / (0.315)² = 55.62 / 0.099 ≈ 562 HV30
При нагрузке 30 кгс получены диагонали отпечатка d₁ = 0.32 мм и d₂ = 0.31 мм.
d = (0.32 + 0.31) / 2 = 0.315 мм
HV30 = 1.854 × 30 / (0.315)² = 55.62 / 0.099 ≈ 562 HV30
Таблицы перевода между шкалами
Перевод значений твердости между различными шкалами является приближенным и основан на эмпирических зависимостях. Точность перевода зависит от типа материала и диапазона твердости.
Основная таблица соответствия HB-HRC-HV
| HB | HRC | HV | HRA | Примечание |
|---|---|---|---|---|
| 780 | 67 | 840 | 84 | Максимальная твердость закаленных сталей |
| 745 | 65 | 800 | 83.5 | Инструментальные стали |
| 712 | 63 | 775 | 83 | Режущий инструмент |
| 601 | 58 | 650 | 81 | Штампы, матрицы |
| 534 | 53 | 575 | 79 | Рессорные стали |
| 429 | 45 | 460 | 75 | Конструкционные стали |
| 331 | 35 | 350 | 70 | Среднеуглеродистые стали |
| 241 | 22 | 255 | - | Низкоуглеродистые стали |
| 187 | - | 200 | - | Отожженные стали |
| 143 | - | 152 | - | Мягкие стали |
Приближенные формулы перевода
Для сталей при HB > 175:
HRC ≈ (HB - 80) / 10
Связь HV и HB при HB < 400:
HV ≈ HB × 1.05
Оценка предела прочности:
σв ≈ 0.345 × HB (МПа) для HB ≥ 150
σв ≈ 0.35 × HB (МПа) для HB < 150
HRC ≈ (HB - 80) / 10
Связь HV и HB при HB < 400:
HV ≈ HB × 1.05
Оценка предела прочности:
σв ≈ 0.345 × HB (МПа) для HB ≥ 150
σв ≈ 0.35 × HB (МПа) для HB < 150
Погрешности перевода: HV в HB ± 20 единиц, HV в HRC ± 3 единицы. Перевод действителен только для однородных сталей и не применим для цветных металлов.
Практическое применение
Выбор метода измерения твердости зависит от типа материала, его структуры, размеров изделия и требуемой точности измерений. Каждый метод имеет свои преимущества и ограничения.
Области применения различных методов
| Метод | Преимущества | Недостатки | Рекомендуемое применение |
|---|---|---|---|
| Бринелль (HB) | Большая площадь отпечатка, усреднение неоднородностей | Ограничение по твердости (650 HB), крупный отпечаток | Чугуны, отливки, поковки, прокат |
| Роквелл (HRC) | Быстрота, прямое считывание, малый отпечаток | Чувствительность к подготовке поверхности | Закаленные стали, готовые изделия |
| Виккерс (HV) | Универсальность, точность, широкий диапазон | Требует качественной подготовки поверхности | Тонкие покрытия, микроструктуры, исследования |
Современное оборудование для измерения твердости
Современные твердомеры оснащаются цифровыми системами измерения, автоматической подачей нагрузки и компьютерной обработкой результатов. Переносные твердомеры позволяют проводить измерения непосредственно на месте эксплуатации изделий.
Стандарты и контроль качества
Измерение твердости регламентируется национальными и международными стандартами, которые определяют методики испытаний, требования к оборудованию и точность измерений.
Действующие стандарты в России
| ГОСТ | Наименование | Область применения | Соответствие ISO |
|---|---|---|---|
| ГОСТ 9012-59 | Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю | HB до 650 единиц | ISO 6506-1:2014 |
| ГОСТ 9013-59 | Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу | Шкалы A, B, C, D, E, F, G, H, K | ISO 6508-1:2023 |
| ГОСТ 2999-75 | Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу | Нагрузки от 1 до 1000 кгс | ISO 6507-1:2023 |
| ГОСТ 23677-79 | Твердомеры для металлов. Общие технические условия | Требования к приборам | - |
Метрологическое обеспечение
Твердомеры подлежат обязательной поверке с использованием эталонных мер твердости. Периодичность поверки составляет 1 год для рабочих приборов и 2 года для эталонных твердомеров.
Требования к условиям измерения: температура 20±5°C, отсутствие вибраций, защита от магнитных полей, стабильное освещение для оптических измерений.
Актуальность на июнь 2025 года: Все российские ГОСТы (9012-59, 9013-59, 2999-75) остаются действующими с внесенными изменениями и поправками. Международные стандарты ISO были обновлены в 2023 году: ISO 6508-1:2023 (Роквелл) и ISO 6507-1:2023 (Виккерс) заменили предыдущие версии.
Распространенные ошибки при измерении твердости
Точность измерения твердости зависит от множества факторов, включая состояние оборудования, подготовку образцов и соблюдение методики испытаний.
Основные источники погрешностей
| Источник ошибки | Влияние на результат | Способы устранения |
|---|---|---|
| Неправильная подготовка поверхности | Завышение или занижение показаний до 10% | Шлифование, полирование, обезжиривание |
| Недостаточная толщина образца | Занижение показаний | Контроль минимальной толщины по стандарту |
| Близкое расположение отпечатков | Искажение формы отпечатка | Соблюдение минимальных расстояний |
| Вибрации при измерении | Увеличение размера отпечатка | Виброизоляция оборудования |
| Износ индентора | Систематическая погрешность | Регулярная поверка и замена |
Пример влияния подготовки поверхности:
На образце стали 45 после термообработки:
- На необработанной поверхности: 28 HRC
- После шлифования: 32 HRC
- После полирования: 33 HRC
Разница составляет до 18% от истинного значения.
На образце стали 45 после термообработки:
- На необработанной поверхности: 28 HRC
- После шлифования: 32 HRC
- После полирования: 33 HRC
Разница составляет до 18% от истинного значения.
Часто задаваемые вопросы
Какой метод измерения твердости выбрать для закаленной стали?
Для закаленных сталей рекомендуется использовать метод Роквелла по шкале C (HRC). Этот метод обеспечивает достаточную точность в диапазоне 20-67 HRC, не требует сложной подготовки поверхности и дает быстрый результат. Для особо твердых сталей (более 65 HRC) можно использовать шкалу A или метод Виккерса.
Можно ли точно перевести HB в HRC и наоборот?
Точный перевод между шкалами твердости невозможен, так как они основаны на разных принципах измерения. Существующие таблицы и формулы дают лишь приближенные значения с погрешностью ±3-5 единиц. Для точных измерений необходимо использовать непосредственно тот метод, который требуется в технической документации.
Почему результаты измерения твердости могут отличаться?
Различия в результатах могут быть вызваны: качеством подготовки поверхности, неоднородностью материала, состоянием оборудования, соблюдением методики измерения, температурными условиями. Для получения достоверных результатов необходимо строго соблюдать требования соответствующих стандартов и проводить несколько измерений в разных точках.
Какая минимальная толщина образца требуется для измерения твердости?
Минимальная толщина зависит от метода измерения: для Бринелля - не менее 8-кратной глубины отпечатка, для Роквелла - не менее 10-кратной глубины проникновения индентора, для Виккерса - не менее 1.5-кратной диагонали отпечатка. Как правило, это составляет от 0.5 до 3 мм в зависимости от твердости материала и применяемой нагрузки.
Можно ли измерять твердость на криволинейных поверхностях?
Измерение твердости на криволинейных поверхностях возможно с определенными ограничениями. Радиус кривизны должен быть не менее 5 мм для метода Виккерса и не менее 25 мм для метода Бринелля. Для цилиндрических поверхностей применяются поправочные коэффициенты. Наиболее подходящим является метод Роквелла с малыми нагрузками.
Как влияет температура на результаты измерения твердости?
Температура существенно влияет на твердость материалов. При повышении температуры твердость большинства металлов снижается. Стандартная температура измерения составляет 20±5°C. При других температурах необходимо применять температурные поправки или указывать условия испытания в протоколе измерений.
Какова связь между твердостью и прочностью материала?
Для сталей существует приближенная линейная зависимость между твердостью по Бринеллю и пределом прочности: σв ≈ 0.345×HB (МПа) при HB ≥ 150. Для других материалов эта зависимость может отличаться. Твердость является лишь одной из характеристик прочности и не может полностью заменить испытания на растяжение.
Как часто нужно поверять твердомеры?
Согласно российским стандартам, рабочие твердомеры подлежат поверке не реже одного раза в год, эталонные приборы - раз в два года. Между поверками рекомендуется проводить промежуточные проверки с использованием образцов-свидетелей. При интенсивном использовании или получении сомнительных результатов внеочередная поверка может потребоваться чаще.
Можно ли использовать портативные твердомеры для точных измерений?
Портативные твердомеры удобны для экспресс-контроля и измерений в полевых условиях, но имеют более низкую точность по сравнению с стационарными приборами. Погрешность может составлять ±5-10% в зависимости от модели и условий применения. Для точных измерений и сертификационных испытаний рекомендуется использовать стационарные твердомеры.
Какие требования к образцам для измерения твердости?
Образцы должны иметь плоскую, чистую поверхность без окалины, ржавчины и загрязнений. Шероховатость поверхности не должна превышать Ra 2.5 мкм для Роквелла и Ra 0.16 мкм для Виккерса. Образец должен быть устойчиво закреплен без возможности смещения. Толщина должна соответствовать требованиям стандарта для выбранного метода измерения.
Отказ от ответственности: Данная статья носит исключительно ознакомительный характер и не может служить основанием для принятия технических решений без дополнительного изучения нормативной документации и консультации со специалистами.
Источники информации
Основные источники (актуальные на июнь 2025 года):
- ГОСТ 9012-59 "Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю" (действующий с изменениями №1-5)
- ГОСТ 9013-59 "Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу" (действующий с изменениями №1-3)
- ГОСТ 2999-75 "Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу" (действующий с изменениями №1-2)
- ISO 6506-1:2014 "Metallic materials - Brinell hardness test - Part 1: Test method"
- ISO 6508-1:2023 "Metallic materials - Rockwell hardness test - Part 1: Test method"
- ISO 6508-2:2023 "Metallic materials - Rockwell hardness test - Part 2: Verification and calibration"
- ISO 6507-1:2023 "Metallic materials - Vickers hardness test - Part 1: Test method"
- Справочные материалы ведущих производителей измерительного оборудования
- Научные публикации по материаловедению и метрологии (2024-2025 гг.)
