Таблицы твердости по шкалам Бринелля, Виккерса, Роквелла

1.1. Определение твердости и ее значение

Твердость — это мера сопротивления материала локальной пластической деформации. Простыми словами, твердость характеризует способность материала противостоять вдавливанию в него другого, более твердого тела (индентора). Это одна из важнейших механических характеристик, которая широко используется при подборе материалов, контроле качества и оценке эксплуатационных свойств.

В инженерной практике твердость имеет важнейшее значение, поскольку она коррелирует с другими механическими свойствами материалов:

• Позволяет оценить предел прочности материала без разрушения образца
• Характеризует износостойкость и долговечность деталей
• Является индикатором качества термической обработки
• Помогает определить пригодность материала для конкретных условий эксплуатации

1.2. История развития методов измерения твердости

История стандартизированных методов измерения твердости насчитывает более века:

• 1900 год — шведский инженер Йохан Август Бринелль разработал метод определения твердости, основанный на вдавливании стального шарика в поверхность материала.
• 1919 год — Роберт Л. Роквелл предложил метод, основанный на измерении глубины проникновения индентора, что значительно ускорило процесс измерения твердости.
• 1921 год — Смит и Сандланд разработали метод Виккерса, использующий алмазную пирамиду в качестве индентора, что позволило тестировать более твердые материалы и получать более точные результаты.
• 1939 год — представлен метод Шора, основанный на измерении упругого отскока индентора от поверхности (динамический метод).
• 1950-е годы — развитие микротвердометрии для измерения твердости микроструктурных составляющих и тонких слоев.
• 1970-2000-е годы — автоматизация процессов измерения, разработка цифровых твердомеров и новых методик, таких как инструментальное индентирование.

В настоящее время наиболее распространенными методами измерения твердости являются методы Бринелля, Виккерса и Роквелла, которые стандартизированы международными организациями ISO и ASTM.

2.1. Принцип метода

Метод Бринелля основан на вдавливании в испытуемый материал твердосплавного шарика под действием определенной нагрузки и последующем измерении диаметра отпечатка, оставленного на поверхности материала после снятия нагрузки.

Сущность метода заключается в следующем:

1. Твердосплавный шарик определенного диаметра (обычно 10, 5, 2.5 или 1 мм) вдавливается в поверхность испытуемого образца.
2. Прикладывается стандартная нагрузка (от 1 до 3000 кгс) в течение определенного времени (10-15 секунд для черных металлов, 30 секунд для цветных).
3. После снятия нагрузки измеряется диаметр полученного отпечатка с помощью микроскопа или другого оптического устройства.
4. По полученному диаметру отпечатка и известным значениям нагрузки и диаметра шарика рассчитывается число твердости по Бринеллю (HB).

2.2. Оборудование и методика испытаний

Для проведения испытаний на твердость по Бринеллю используются специальные приборы — твердомеры Бринелля, которые состоят из следующих основных компонентов:

• Нагружающее устройство (гидравлическое, пневматическое или электромеханическое)
• Твердосплавный шарик-индентор
• Предметный столик для размещения образца
• Оптическое устройство для измерения диаметра отпечатка (в современных автоматических твердомерах)
• Система контроля времени выдержки под нагрузкой

Методика проведения испытаний регламентируется стандартами ISO 6506 и ASTM E10. Согласно им, необходимо выполнить следующие действия:

1. Подготовить поверхность образца (шлифовка, полировка).
2. Выбрать соответствующий диаметр шарика и нагрузку в зависимости от ожидаемой твердости материала.
3. Установить образец на предметный столик.
4. Приложить предварительную нагрузку для обеспечения контакта.
5. Приложить основную нагрузку на заданное время.
6. Снять нагрузку и измерить диаметр отпечатка в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
7. Рассчитать среднее значение диаметра и определить твердость по Бринеллю.

2.3. Формулы для расчета твердости по Бринеллю

Твердость по Бринеллю (HB) рассчитывается по формуле:

где:

• P — приложенная нагрузка в килограмм-силах (кгс) или ньютонах (Н)
• D — диаметр шарика-индентора в миллиметрах (мм)
• d — диаметр отпечатка в миллиметрах (мм)
• \(\pi\) — математическая константа, равная примерно 3.14159

Для удобства часто используются специальные таблицы, по которым определяют твердость по диаметру отпечатка.

В практике используют обозначение твердости по Бринеллю с указанием условий испытания:

где:

• D — диаметр шарика (мм)
• P — нагрузка (кгс)
• t — время выдержки под нагрузкой (с)

Например, 250 HB 10/3000/15 означает, что твердость по Бринеллю составляет 250 единиц при использовании шарика диаметром 10 мм, нагрузке 3000 кгс и времени выдержки 15 секунд.

2.4. Области применения

Метод Бринелля широко используется для определения твердости различных материалов, особенно:

• Металлы со средней твердостью — углеродистые и низколегированные стали, цветные металлы и сплавы
• Крупные заготовки и детали — где размер отпечатка не является критичным
• Неоднородные материалы — серые чугуны, композиты, так как большой отпечаток позволяет получить усредненное значение твердости
• Контроль качества в металлургии — для определения соответствия материала техническим требованиям
• Оценка прочностных характеристик — существует корреляция между твердостью по Бринеллю и пределом прочности: для сталей \(\sigma_в\) ≈ 3.5 × HB

3.1. Принцип метода

Метод Виккерса основан на вдавливании алмазной четырехгранной пирамиды с углом при вершине между противоположными гранями 136° в исследуемый материал под действием определенной нагрузки. После снятия нагрузки измеряются диагонали полученного отпечатка, и по их средней длине вычисляется твердость по Виккерсу (HV).

Основные этапы измерения:

1. Алмазная пирамида вдавливается в поверхность испытуемого образца.
2. Прикладывается стандартная нагрузка (от 1 до 100 кгс) на определенное время (10-15 секунд).
3. После снятия нагрузки измеряются две диагонали отпечатка с помощью микроскопа.
4. Рассчитывается среднее арифметическое значение диагоналей.
5. По полученному значению и известной нагрузке вычисляется число твердости по Виккерсу.

Угол 136° был выбран не случайно — он обеспечивает наиболее близкую связь с твердостью по Бринеллю для одинаковых нагрузок.

3.2. Оборудование и методика испытаний

Для измерения твердости по Виккерсу используются специальные твердомеры, которые включают:

• Нагружающее устройство с возможностью плавного приложения нагрузки
• Алмазный индентор в форме пирамиды
• Оптическую систему для точного позиционирования индентора
• Микроскоп с окулярным микрометром для измерения диагоналей отпечатка
• Предметный столик с возможностью точного позиционирования

Методика испытаний регламентируется стандартами ISO 6507 и ASTM E92 и включает следующие шаги:

1. Тщательная подготовка поверхности образца (шлифовка, полировка).
2. Установка образца на предметный столик.
3. Выбор места для индентирования и фокусировка оптической системы.
4. Выбор соответствующей нагрузки в зависимости от типа материала и требуемой точности.
5. Плавное приложение нагрузки и выдержка заданного времени.
6. Снятие нагрузки и измерение диагоналей отпечатка.
7. Расчет твердости по Виккерсу.

3.3. Формулы для расчета твердости по Виккерсу

Твердость по Виккерсу (HV) рассчитывается по формуле:

где:

• P — приложенная нагрузка в килограмм-силах (кгс)
• d — среднее арифметическое значение двух диагоналей отпечатка в миллиметрах (мм)
• 1.8544 — коэффициент, учитывающий геометрию индентора

Коэффициент 1.8544 получается из формулы:

где g — ускорение свободного падения, используемое для перевода килограмм-силы в ньютоны.

При обозначении твердости по Виккерсу указывают условия испытания:

где:

• P — нагрузка (кгс)
• t — время выдержки под нагрузкой (с)

Например, 450 HV 30/15 означает, что твердость по Виккерсу составляет 450 единиц при нагрузке 30 кгс и времени выдержки 15 секунд.

3.4. Области применения

Метод Виккерса имеет широкий спектр применения благодаря своей универсальности:

• Испытание материалов широкого диапазона твердости — от очень мягких (HV 5) до сверхтвердых (HV 1500)
• Измерение твердости тонких образцов и покрытий — благодаря возможности использования малых нагрузок
• Определение микротвердости — при использовании нагрузок до 2 Н (микротвердость по Виккерсу)
• Исследование градиента твердости — в поверхностно-упрочненных слоях, сварных швах
• Контроль качества термообработки — особенно для закаленных сталей и прецизионных деталей
• Лабораторные исследования и металлография — для оценки твердости отдельных структурных составляющих

4.1. Принцип метода

Метод Роквелла основан на измерении глубины проникновения индентора в испытуемый материал под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной и основной. В отличие от методов Бринелля и Виккерса, где измеряются размеры отпечатка, метод Роквелла определяет твердость непосредственно по глубине внедрения индентора.

Последовательность испытания:

1. Индентор приводят в контакт с поверхностью образца и прикладывают предварительную нагрузку (10 кгс), которая обеспечивает начальное положение индентора.
2. Прикладывают основную нагрузку (в зависимости от шкалы твердости).
3. Выдерживают определенное время.
4. Снимают основную нагрузку, оставляя предварительную.
5. Измеряют разницу в глубине проникновения индентора после снятия основной нагрузки по сравнению с положением при предварительной нагрузке.
6. По полученному значению определяют твердость по соответствующей шкале Роквелла.

Ключевое преимущество метода — результат испытания считывается непосредственно со шкалы прибора без необходимости дополнительных расчетов или измерений под микроскопом.

4.2. Шкалы Роквелла и их назначение

Метод Роквелла включает несколько шкал твердости, каждая из которых предназначена для определенного диапазона твердости материалов. Основные шкалы:

Наиболее часто используемые шкалы — B и C:

• Шкала B (HRB) — для мягких материалов с твердостью до 100 HRB
• Шкала C (HRC) — для твердых материалов в диапазоне 20-70 HRC

4.3. Оборудование и методика испытаний

Твердомеры Роквелла состоят из следующих основных компонентов:

• Система приложения нагрузок (предварительной и основной)
• Сменные инденторы (алмазный конус и стальные шарики разных диаметров)
• Предметный столик для размещения образцов
• Индикатор глубины проникновения (стрелочный или цифровой)
• Система смены нагрузок и инденторов

Методика испытаний по Роквеллу стандартизирована в ISO 6508 и ASTM E18:

1. Подготовка испытуемой поверхности (механическая обработка, очистка).
2. Выбор соответствующей шкалы Роквелла в зависимости от ожидаемой твердости материала.
3. Установка соответствующего индентора.
4. Размещение образца на предметном столике.
5. Приложение предварительной нагрузки (10 кгс) и установка индикатора на нулевую отметку.
6. Приложение основной нагрузки на определенное время (обычно 5-10 секунд).
7. Снятие основной нагрузки (оставляя предварительную) и считывание показаний твердости со шкалы прибора.

4.4. Области применения

Благодаря своей простоте, быстроте и высокой воспроизводимости, метод Роквелла имеет широкое применение:

• Массовое производство — оперативный контроль твердости в условиях производства
• Контроль качества термообработки — особенно для закалки и отпуска сталей
• Сортировка материалов — быстрое определение соответствия материала заданным требованиям
• Контроль поверхностного упрочнения — оценка качества цементации, азотирования и других видов поверхностной обработки
• Металлургия и машиностроение — контроль промежуточных и готовых изделий

5.1. Преимущества и недостатки

Каждый из трех основных методов измерения твердости имеет свои сильные и слабые стороны, которые определяют их применимость в различных ситуациях.

Метод Бринелля:

Преимущества:

• Дает усредненное значение твердости для неоднородных материалов
• Хорошо подходит для крупнозернистых материалов (чугуны, бронзы)
• Имеет высокую воспроизводимость результатов
• Позволяет оценить предел прочности с высокой точностью

Недостатки:

• Не применим для очень твердых материалов (HB > 650)
• Оставляет крупный отпечаток, что может быть неприемлемо для готовых изделий
• Требует оптического измерения отпечатка, что увеличивает время испытания
• Ограниченное применение для тонких образцов

Метод Виккерса:

Преимущества:

• Универсальность — применим для материалов любой твердости
• Высокая точность измерений
• Возможность измерения микротвердости
• Подходит для тонких образцов и покрытий
• Один тип индентора для всех материалов

Недостатки:

• Требует тщательной подготовки поверхности
• Необходимость в оптическом измерении диагоналей отпечатка
• Более длительный процесс измерения по сравнению с методом Роквелла
• Более высокие требования к квалификации оператора

Метод Роквелла:

Преимущества:

• Быстрота и простота измерений
• Прямое считывание результата без дополнительных вычислений
• Минимальный размер отпечатка
• Возможность проведения массовых испытаний

Недостатки:

• Разные шкалы для разных диапазонов твердости
• Меньшая точность по сравнению с методами Бринелля и Виккерса
• Ограниченное применение для тонких образцов и покрытий
• Менее подходит для неоднородных материалов из-за малого размера отпечатка

5.2. Критерии выбора метода

При выборе метода измерения твердости следует учитывать несколько ключевых факторов:

1. Тип материала и ожидаемый диапазон твердости:

• Для мягких материалов (алюминий, медь, мягкие стали) — подходят все три метода
• Для материалов средней твердости — Бринелль и Роквелл (шкала B, C)
• Для высокотвердых материалов — Виккерс и Роквелл (шкала C)
• Для сверхтвердых материалов — только Виккерс

2. Размер и форма образца:

• Для крупных заготовок — любой метод
• Для тонких образцов и покрытий — Виккерс (особенно микротвердость)
• Для готовых изделий, где важно минимизировать повреждения — Роквелл

3. Однородность материала:

• Для неоднородных материалов (чугуны, композиты) — Бринелль
• Для однородных материалов — любой метод
• Для изучения локальных свойств — Виккерс (микротвердость)

4. Требуемая точность и воспроизводимость:

• Для высокоточных измерений — Виккерс
• Для рутинных проверок в производстве — Роквелл
• Для сравнительных испытаний материалов — Бринелль

5. Условия проведения испытаний:

• Для лабораторных исследований — Виккерс, Бринелль
• Для цехового контроля — Роквелл
• Для полевых условий — портативные твердомеры (чаще всего Роквелл или динамические методы)

6.1. Факторы, влияющие на точность преобразования

Преобразование значений твердости между различными шкалами является приближенным и зависит от ряда факторов:

1. Тип материала — корреляция между шкалами твердости варьируется для разных материалов (стали, чугуны, цветные металлы и т.д.)
2. Состояние материала — термическая обработка, наклеп, структурные особенности могут влиять на соотношение между шкалами
3. Диапазон твердости — точность преобразования различается в разных диапазонах
4. Неоднородность материала — для неоднородных материалов преобразование может быть менее точным
5. Различия в физических принципах методов — Бринелль и Виккерс основаны на измерении размеров отпечатка, а Роквелл — на глубине проникновения индентора

6.2. Формулы и методики преобразования

Для преобразования значений твердости между различными шкалами используются эмпирические формулы и таблицы соответствия. В инженерной практике чаще используются таблицы, представленные в стандартах (ISO 18265, ASTM E140).

Некоторые приближенные формулы для пересчета твердости для углеродистых и низколегированных сталей:

1. Связь между твердостью по Виккерсу (HV) и Бринеллю (HB):

2. Связь между твердостью по Роквеллу (HRC) и Виккерсу (HV):

3. Связь между твердостью по Роквеллу (HRB) и Бринеллю (HB):

4. Связь между твердостью по Роквеллу (HRC) и Бринеллю (HB):

Более точное преобразование выполняется с использованием специальных таблиц, представленных в международных стандартах или с помощью программного обеспечения, которое учитывает нелинейность соотношений между различными шкалами твердости.

6.3. Практические примеры преобразования

Рассмотрим несколько практических примеров преобразования значений твердости между различными шкалами для углеродистых сталей:

Пример 1: Преобразование HB в HV

Измеренная твердость по Бринеллю составляет 250 HB. Определить приблизительное значение твердости по Виккерсу.

Проверка по таблице 3: 250 HB соответствует примерно 260 HV, что близко к расчетному значению.

Пример 2: Преобразование HRC в HB

Измеренная твердость по Роквеллу составляет 45 HRC. Определить приблизительное значение твердости по Бринеллю.

Проверка по таблице 2: 45 HRC соответствует примерно 450 HB, что довольно близко к расчетному значению.

Пример 3: Преобразование HV в HRC

Измеренная твердость по Виккерсу составляет 530 HV. Определить приблизительное значение твердости по Роквеллу (шкала C).

Проверка по таблице 4: 530 HV соответствует примерно 50 HRC, что указывает на приблизительный характер формулы.

7.1. Типичные значения твердости для различных материалов

Знание типичных значений твердости различных материалов помогает инженерам в подборе материалов для конкретных применений, оценке качества термообработки и прогнозировании свойств изделий.

Типичные значения твердости для распространенных материалов:

• Сталь конструкционная углеродистая (в состоянии поставки): 120-180 HB (64-90 HRB)
• Сталь конструкционная углеродистая (после нормализации): 140-220 HB (75-98 HRB)
• Сталь инструментальная (закаленная): 50-65 HRC (480-740 HV)
• Сталь нержавеющая аустенитная: 160-220 HB (83-96 HRB)
• Сталь нержавеющая мартенситная (закаленная): 35-55 HRC (350-600 HV)
• Чугун серый: 160-250 HB
• Чугун ковкий: 110-170 HB
• Алюминиевые сплавы (без термообработки): 30-90 HB
• Алюминиевые сплавы (термообработанные): 80-150 HB
• Медь (отожженная): 40-50 HB
• Бронза оловянная: 70-100 HB
• Латунь: 60-120 HB
• Титановые сплавы: 250-400 HB (25-41 HRC)
• Твердые сплавы: 1300-1800 HV

Более подробная информация о твердости различных материалов представлена в таблице 5.

7.2. Контроль качества и оценка свойств материалов

Измерение твердости является одним из ключевых методов контроля качества материалов и изделий в промышленности. Это обусловлено следующими факторами:

1. Неразрушающий контроль — измерение твердости, особенно методом Роквелла, оставляет минимальные следы на изделии
2. Корреляция с другими свойствами — твердость коррелирует с пределом прочности, износостойкостью и другими механическими характеристиками
3. Простота и скорость — особенно для метода Роквелла, что позволяет проводить массовый контроль
4. Возможность контроля термообработки — твердость является прямым индикатором качества закалки, отпуска и других видов термической обработки

Примеры использования измерений твердости в контроле качества:

• Контроль поставляемого материала — проверка соответствия заявленным характеристикам
• Контроль термообработки — определение достигнутого уровня закалки, правильности отпуска
• Оценка глубины упрочненного слоя — при поверхностной закалке, цементации, азотировании
• Выявление дефектов термообработки — обезуглероживание, перегрев, неполная закалка
• Контроль сварных соединений — оценка твердости в зоне термического влияния
• Мониторинг износа и усталости — изменение твердости может указывать на деградацию материала

7.3. Выбор материалов на основе показателей твердости

Твердость является одним из важных критериев при выборе материалов для различных инженерных применений. Правильный выбор материала с учетом требуемой твердости обеспечивает оптимальную комбинацию эксплуатационных свойств, технологичности и экономической эффективности.

Рекомендации по выбору материалов в зависимости от требуемой твердости:

• Высокотвердые материалы (> 50 HRC, > 500 HV):
  • Инструментальные стали (У8А, У10А, Х12М)
  • Высоколегированные штамповые стали (Х12МФ, 5ХНМ)
  • Быстрорежущие стали (Р6М5, Р18)
  • Твердые сплавы (ВК8, Т15К6)
  • Применение: режущий инструмент, штампы, пресс-формы, детали с высокой износостойкостью
• Материалы средней твердости (30-50 HRC, 300-500 HV):
  • Конструкционные легированные стали после закалки и отпуска (40Х, 30ХГСА)
  • Подшипниковые стали (ШХ15)
  • Пружинные стали (65Г, 60С2А)
  • Применение: валы, шестерни, подшипники, пружины, высоконагруженные детали машин
• Материалы низкой и средней твердости (< 30 HRC, < 300 HV):
  • Конструкционные углеродистые стали (Сталь 20, Сталь 45)
  • Низколегированные стали (09Г2С)
  • Нержавеющие аустенитные стали (12Х18Н10Т)
  • Алюминиевые сплавы (Д16Т, АМг6)
  • Медные сплавы (латуни, бронзы)
  • Применение: корпусные детали, кронштейны, крепежные элементы, детали общего назначения

Практические примеры выбора материалов на основе твердости:

1. Зубчатые колеса: Для обеспечения износостойкости зубьев требуется твердость 45-55 HRC. Рекомендуемые материалы: стали 40Х, 40ХН с последующей закалкой и отпуском.
2. Валы: Для валов, работающих при высоких нагрузках, рекомендуется твердость 28-35 HRC. Подходящие материалы: стали 40Х, 40ХН, 38ХН3МА после улучшения.
3. Режущий инструмент: Для обеспечения режущих свойств необходима твердость 60-65 HRC. Рекомендуемые материалы: быстрорежущие стали Р6М5, Р18 или твердые сплавы ВК8, Т15К6.
4. Пружины: Для обеспечения упругих свойств требуется твердость 42-50 HRC. Рекомендуемые материалы: стали 65, 65Г, 60С2А после закалки и среднего отпуска.
5. Подшипники качения: Для обеспечения высокой контактной выносливости необходима твердость 60-65 HRC. Рекомендуемый материал: сталь ШХ15 после закалки и низкого отпуска.
6. Корпусные детали: Для обеспечения технологичности и достаточной прочности твердость обычно составляет 150-220 HB. Рекомендуемые материалы: стали Ст3, 20, чугуны СЧ20, СЧ25.