Измерение твёрдости материалов является одним из важнейших методов оценки их механических свойств и качества. Твёрдость характеризует способность материала сопротивляться внедрению в его поверхность другого более твёрдого тела. История развития методов измерения твёрдости насчитывает более трёх столетий и отражает эволюцию технологий обработки материалов и потребностей промышленности.
Значение твёрдости в материаловедении и промышленности
Твёрдость материала напрямую связана с его прочностью, износостойкостью и способностью сохранять форму под нагрузкой. Знание твёрдости позволяет предсказать поведение материала в эксплуатации, оценить качество термической обработки, выбрать оптимальные режимы механической обработки. Детали машин и механизмов работают в условиях трения, ударных нагрузок, абразивного износа, где твёрдость поверхностного слоя определяет долговечность изделия.
Измерение твёрдости стало массовым методом контроля качества в промышленности благодаря своей относительной простоте и быстроте выполнения. В отличие от испытаний на растяжение или изгиб, требующих изготовления специальных образцов и их разрушения, определение твёрдости может проводиться непосредственно на готовых деталях без существенного повреждения их поверхности. Стопроцентный контроль твёрдости ответственных деталей после термической обработки стал стандартной практикой на многих производствах.
Развитие различных отраслей промышленности требовало создания специализированных методов измерения твёрдости для конкретных групп материалов. Мягкие цветные металлы, закалённые стали, твёрдые сплавы, полимеры, керамика имеют настолько различные диапазоны твёрдости, что невозможно создать единый универсальный метод измерения для всех материалов. Это привело к появлению множества шкал и методов, каждый из которых оптимален для определённого класса материалов.
Ранние попытки оценки твёрдости материалов
Первые систематические испытания материалов на твёрдость провёл французский учёный Рене Антуан Реомюр в 1722 году. Реомюр предложил классифицировать материалы путём испытания их на твёрдость, хотя его методы носили скорее качественный характер. Основной идеей было сравнение способности одного материала оставлять царапины на поверхности другого, что позволяло выстроить относительную последовательность твёрдости различных веществ.
В последующие десятилетия исследователи предпринимали различные попытки количественной оценки твёрдости. Кельверт и Джонс в 1857 году предложили оценивать твёрдость по величине нагрузки на рычаг, необходимой для вдавливания усечённого конуса на глубину 3,5 мм после 30 секунд выдержки. Этот метод уже содержал элементы современных подходов с фиксированной глубиной вдавливания и стандартизованным временем приложения нагрузки.
Вейд в 1865 году применял для оценки твёрдости вдавливание острия пирамидальной формы из закалённой стали при нагрузке 5 тонн. Такой подход позволял проводить измерения на твёрдых материалах, но требовал мощного прессового оборудования. Все эти ранние методы не получили широкого распространения из-за отсутствия стандартизации процедур измерений и сложности воспроизведения результатов в различных лабораториях.
Шкала Мооса и минералогические методы
Немецкий минералог и геолог Фридрих Моос в 1822 году создал относительную шкалу твёрдости, основанную на способности более твёрдого минерала царапать менее твёрдый. Шкала Мооса состоит из десяти эталонных минералов, расположенных в порядке возрастания твёрдости. Самым мягким минералом в шкале является тальк с твёрдостью 1, а самым твёрдым — алмаз с твёрдостью 10.
Эталонные минералы шкалы Мооса включают тальк; гипс; кальцит; флюорит; апатит; ортоклаз; кварц; топаз; корунд; алмаз. Испытание заключается в попытке поцарапать исследуемый материал каждым из эталонных минералов последовательно, начиная с самого мягкого. Твёрдость материала определяется как промежуточное значение между минералом, который не оставляет царапины, и минералом, который царапает поверхность.
Шкала Мооса до сих пор используется в минералогии и геологии благодаря своей простоте и доступности эталонных образцов. Метод не требует специального оборудования и может применяться в полевых условиях для предварительной идентификации минералов. Однако для технических материалов и металлов шкала Мооса оказалась неприменимой из-за недостаточной точности и невозможности количественной оценки механических свойств.
Важным ограничением шкалы Мооса является неравномерность интервалов между соседними значениями. Разница в абсолютной твёрдости между алмазом (10) и корундом (9) во много раз больше, чем между тальком (1) и гипсом (2). Это делает шкалу Мооса неподходящей для прецизионных измерений и сравнения материалов со близкими значениями твёрдости. Потребности развивающейся металлургии и машиностроения требовали создания количественных методов измерения твёрдости металлов.
Революция Бринелля в измерении твёрдости
Шведский инженер Юхан Август Бринелль в 1900 году разработал первый практический метод количественного измерения твёрдости металлов, который получил широкое промышленное применение. Метод Бринелля основан на вдавливании стального закалённого шарика диаметром 10 мм в поверхность испытуемого материала под действием определённой нагрузки. После снятия нагрузки на поверхности остаётся отпечаток, диаметр которого измеряется с помощью микроскопа или лупы с измерительной шкалой.
Число твёрдости по Бринеллю вычисляется как отношение приложенной нагрузки к площади сферической поверхности отпечатка. Формула учитывает диаметр шарика, диаметр отпечатка и величину нагрузки, что позволяет получить числовое значение, характеризующее сопротивление материала внедрению индентора. Единицами измерения являются кгс/мм², а твёрдость обозначается символом HB, где H означает hardness (твёрдость), а B — фамилию Бринелля.
Бринелль предложил использовать нагрузку 500 кгс для цветных металлов и 3000 кгс для стали. Такой подход обеспечивал получение отпечатков оптимального размера, которые легко измерялись и давали воспроизводимые результаты. Время выдержки под нагрузкой было стандартизировано и составляло от 10 до 30 секунд в зависимости от типа материала. Для практического удобства были составлены таблицы, позволяющие определять число твёрдости непосредственно по измеренному диаметру отпечатка без вычислений по формуле.
Метод Бринелля быстро получил признание и был стандартизован в большинстве промышленно развитых стран. В дальнейшем вместо стальных шариков стали применять шарики из твёрдого сплава диаметрами 1, 2, 2,5, 5 и 10 мм с соответствующим изменением величины нагрузки. Твёрдость, измеренная твердосплавным шариком, обозначается HBW для отличия от измерений стальным шариком. Использование твердосплавных шариков позволило расширить диапазон измеряемых твёрдостей на более твёрдые материалы.
Ограничения метода Бринелля связаны с размером отпечатка и невозможностью испытания очень твёрдых материалов. Стальной шарик деформируется при испытании закалённых сталей с твёрдостью выше 450 HB, что искажает результаты измерений. Размер отпечатка при испытании по Бринеллю составляет несколько миллиметров, что делает метод разрушающим для небольших деталей и тонкостенных изделий. Необходимость измерения диаметра отпечатка с помощью микроскопа замедляет процесс испытаний и требует квалификации оператора.
Создание метода Роквелла
Американские изобретатели Хью и Стэнли Роквелл в 1914 году разработали принципиально новый метод измерения твёрдости, основанный на измерении глубины проникновения индентора в материал. Потребность в создании этого устройства была вызвана необходимостью оперативного определения результатов термообработки обойм стальных шарикоподшипников на производстве. Метод Бринелля оказался слишком медленным, неприменимым для закалённых сталей и оставлял слишком большой отпечаток для использования на готовых изделиях.
Патентную заявку на новое устройство Роквеллы подали 15 июля 1914 года, а патент под номером 1294171 был выдан 11 февраля 1919 года. Во время изобретения Хью и Стэнли Роквелл (не являвшиеся прямыми родственниками) работали в компании New Departure Manufacturing в Бристоле, штат Коннектикут, которая была крупным производителем шарикоподшипников. В 1916 году эта компания стала частью United Motors, а затем вошла в состав корпорации General Motors.
Принцип метода Роквелла заключается в последовательном приложении двух нагрузок предварительной и основной. Сначала индентор прижимается к поверхности образца с предварительной нагрузкой 10 кгс, что позволяет преодолеть неровности поверхности и обеспечить надёжный контакт. После этого прикладывается основная нагрузка, под действием которой индентор проникает в материал на определённую глубину. Твёрдость определяется по разности глубин проникновения индентора при основной и предварительной нагрузках.
Стэнли Роквелл после ухода из компании в Коннектикуте переехал в Сиракьюс и 11 сентября 1919 года подал заявку на усовершенствование первоначального изобретения, которая была утверждена 18 ноября 1924 года под патентом номер 1516207. В 1920 году Роквелл начал сотрудничество с производителем инструментов Чарльзом Вильсоном из компании Wilson-Mauelen с целью коммерциализации изобретения и разработки стандартизированных испытательных машин.
Около 1923 года Стэнли Роквелл основал фирму по термообработке Stanley P. Rockwell company, которая существует до настоящего времени в Хартфорде, штат Коннектикут. Через несколько лет компания была переименована в Wilson Mechanical Instrument Company и сменила владельца. В 1993 году компанию приобрела корпорация Instron, которая продолжает производство твердомеров по методу Роквелла.
Метод Роквелла предусматривает применение различных типов инденторов и нагрузок для испытания материалов с разной твёрдостью. Для твёрдых материалов используется алмазный конус с углом при вершине 120 градусов, для мягких — твердосплавный шарик диаметром 1/16 дюйма (1,588 мм). Основная нагрузка может составлять 60, 100 или 150 кгс в зависимости от выбранной шкалы измерения. Всего существует 54 шкалы измерения твёрдости по Роквеллу для различных материалов и условий испытания.
Наиболее распространёнными являются три шкалы Роквелла. Шкала HRA с алмазным конусом и нагрузкой 60 кгс применяется для коррозионностойких и жаропрочных сталей, тонких поверхностных слоёв толщиной 0,3-0,5 мм и тонколистового материала. Шкала HRB с твердосплавным шариком и нагрузкой 100 кгс используется для сплавов меди, алюминиевых сплавов, бронзы, ковкого чугуна и низкоуглеродистых сталей. Шкала HRC с алмазным конусом и нагрузкой 150 кгс предназначена для высокоуглеродистых сталей после термической или химико-термической обработки.
Преимущества метода Роквелла заключаются в быстроте и простоте измерений, прямом считывании результата без дополнительных вычислений, минимальном размере отпечатка и возможности проведения массовых испытаний. Значение твёрдости считывается непосредственно со шкалы прибора, что исключает субъективные ошибки оператора при измерении размера отпечатка. Небольшой размер отпечатка позволяет использовать метод для контроля готовых изделий без существенного повреждения поверхности.
Недостатки метода Роквелла связаны с необходимостью использования разных шкал для разных диапазонов твёрдости, меньшей точностью по сравнению с методами Бринелля и Виккерса, ограниченным применением для тонких образцов и покрытий. Метод менее подходит для неоднородных материалов из-за малого размера отпечатка, который может попасть на отдельную структурную составляющую, не характеризующую средние свойства материала. Жёсткость образцов и их устойчивость на базе является необходимым условием объективности измерений, так как даже микроскопический прогиб образцов под давлением индентора приводит к искажениям результатов.
Появление метода Виккерса
Британские учёные Роберт Смит и Джордж Сандленд в 1921 году в исследовательской лаборатории компании Vickers разработали новый метод измерения твёрдости с использованием алмазной пирамиды. Официально метод был представлен в 1925 году и получил название метода Виккерса по имени компании-разработчика. Немецкий инженер Фридрих Виккерс усовершенствовал метод Бринелля, предложив использовать вместо стального шарика алмазный наконечник.
Индентор Виккерса представляет собой правильную четырёхгранную алмазную пирамиду с углом 136 градусов между противоположными гранями. Выбор угла при вершине пирамиды не случаен геометрически он соответствует углу, под которым сферическая поверхность отпечатка шарика Бринелля встречается с плоской поверхностью образца при оптимальном соотношении диаметра отпечатка к диаметру шарика. Это обеспечивает сопоставимость результатов измерений по методам Бринелля и Виккерса в среднем диапазоне твёрдостей.
Твёрдость по Виккерсу определяется делением приложенной нагрузки на площадь боковой поверхности полученного отпечатка. После снятия нагрузки измеряются диагонали квадратного отпечатка с помощью измерительного микроскопа, встроенного в конструкцию твердомера. Число твёрдости вычисляется по специальным таблицам или автоматически микропроцессорным блоком современных приборов. Обозначение твёрдости по Виккерсу включает число твёрдости, символ HV, величину нагрузки и время выдержки под нагрузкой.
Метод Виккерса позволяет испытывать материалы в широком диапазоне твёрдостей от очень мягких до сверхтвёрдых. Алмазная пирамида не деформируется при испытании самых твёрдых материалов, включая закалённые стали, твёрдые сплавы, керамику. Применяемые нагрузки варьируются от 1 до 100 кгс в зависимости от типа материала и толщины образца. В зависимости от величины нагрузки различают макротвёрдость (нагрузка более 5 кгс), твёрдость (1-5 кгс) и микротвёрдость (менее 1 кгс) по Виккерсу.
Метод микротвёрдости по Виккерсу получил особое распространение в металлографии для исследования свойств отдельных фаз и структурных составляющих сплавов. Малая нагрузка в диапазоне 0,01-5 кгс создаёт микроскопический отпечаток, который может быть размещён на отдельном зерне металла или включении. Это позволяет изучать распределение твёрдости по глубине цементированных, азотированных и других поверхностно-упрочнённых слоёв. Измерение микротвёрдости производят на приборах типа ПМТ-3 на специально приготовленных металлографических шлифах.
Стандарт ГОСТ 9450-76, введённый в 1976 году, описывает метод измерения твёрдости по Виккерсу при помощи четырёхгранной пирамиды с углом между противоположными гранями 136 градусов. Документ регламентирует процедуру испытаний, требования к образцам, методику измерения диагоналей отпечатка и расчёт числа твёрдости. Метод Виккерса наиболее предпочтителен для измерения высоких значений твёрдости, например карбида вольфрама в твёрдых сплавах, твёрдых минералов и минеральной керамики.
Преимущества метода Виккерса включают возможность испытания материалов любой твёрдости на одной шкале, высокую точность измерений, применимость для тонких образцов и покрытий, возможность исследования микроструктуры. Недостатки связаны с необходимостью тщательной подготовки поверхности образца, относительно медленным процессом измерения диагоналей отпечатка, высокой стоимостью алмазных инденторов и оборудования. Требования к шероховатости поверхности образца для метода Виккерса составляют Ra 0,02-0,04 мкм, что требует тщательной полировки.
Метод Шора для полимеров и эластомеров
Альберт Шор в конце XIX века разработал метод измерения твёрдости, основанный на принципе упругого отскока бойка от поверхности испытуемого материала. Первоначально метод предназначался для испытания металлов, но наибольшее распространение получил для определения твёрдости резин, пластмасс и других полимерных материалов. Прибор для измерения твёрдости по Шору получил название дюрометр.
Принцип метода Шора заключается в измерении глубины проникновения индентора определённой формы в испытуемый материал под действием калиброванной пружины. Индентор вдавливается в поверхность образца до упора, а величина проникновения преобразуется в показания по шкале от 0 до 100 условных единиц. Метод Шора предусматривает 12 различных шкал измерения в зависимости от типа и жёсткости испытуемого материала.
Наиболее часто используются две шкалы Шора. Шкала A (Shore A) применяется для мягких материалов, таких как резины, мягкие пластики, силиконы. Шкала D (Shore D) используется для более твёрдых материалов, включая жёсткие пластмассы, эбонит, композиты. Каждая шкала имеет свою конструкцию индентора и величину прилагаемого усилия, оптимизированную для конкретного диапазона жёсткости материалов.
Твёрдость по Шору обозначается буквой используемой шкалы, записываемой после числового значения с указанием метода. Например, обозначение 60 Shore A означает твёрдость 60 единиц по шкале A. Более высокое значение твёрдости по Шору указывает на более твёрдый материал. Метод прост в применении, не требует разрушения образца и может использоваться для контроля изделий непосредственно в процессе производства.
Склероскоп Шора для металлов работает по принципу измерения высоты отскока бойка, сбрасываемого с определённой высоты на поверхность образца. Высота отскока зависит от упругих свойств материала и косвенно характеризует его твёрдость. Этот динамический метод измерения твёрдости нашёл применение для контроля крупногабаритных изделий, валков прокатных станов, поковок большой массы, где невозможно использовать стационарные твердомеры.
Развитие динамических методов измерения
Динамические методы измерения твёрдости основаны на приложении нагрузки к индентору ударом, а не плавным вдавливанием. Эти методы получили развитие для решения задач контроля крупногабаритных изделий, деталей сложной формы и измерений в труднодоступных местах. К динамическим методам относятся метод Мартеля, метод Польди, вертикальный копёр Николаева, пружинный прибор Шоппера и Баумана, маятниковый копёр Вальцеля, маятник Герберта, маятниковый склерометр Кузнецова.
Метод Польди заключается в одновременном нанесении отпечатков на испытуемый образец и на эталонный образец известной твёрдости при ударе бойка по стальному шарику. Сравнение размеров отпечатков на испытуемом и эталонном образцах позволяет определить твёрдость исследуемого материала. Метод Польди удобен для контроля крупных деталей и конструкций непосредственно на месте их эксплуатации без демонтажа и транспортировки в лабораторию.
Маятниковые твердомеры используют кинетическую энергию качающегося маятника для вдавливания индентора в поверхность материала. По амплитуде колебаний маятника после удара судят о поглощённой материалом энергии, которая связана с его твёрдостью. Маятник Герберта и маятниковый склерометр Кузнецова применялись в советской промышленности для экспресс-контроля твёрдости деталей машин в условиях производства и эксплуатации.
Динамические методы измерения твёрдости имеют ряд особенностей и ограничений. Результаты испытаний зависят не только от твёрдости, но и от упругих свойств материала, массы образца, жёсткости крепления. Воспроизводимость результатов динамических методов обычно ниже, чем статических методов вдавливания. Однако преимущества мобильности и возможности контроля крупногабаритных изделий делают динамические методы незаменимыми в определённых областях применения.
Современные цифровые твердомеры
Развитие электроники и микропроцессорной техники в конце XX века привело к созданию цифровых твердомеров с автоматизированным процессом измерения. Современные приборы оснащаются электродвигателями для плавного приложения нагрузки, цифровыми датчиками для точного измерения глубины вдавливания или размеров отпечатка, микропроцессорами для обработки данных и расчёта твёрдости по заложенным в память алгоритмам.
Универсальные твердомеры позволяют проводить испытания по нескольким методам на одном приборе без смены грузовой подвески. Например, твердомеры типа ИТБРВ обеспечивают измерения твёрдости по методам Бринелля, Роквелла и Виккерса с автоматическим переключением между режимами. Оператор выбирает требуемый метод и параметры испытания на панели управления, а прибор автоматически выполняет последовательность операций и выводит результат на дисплей.
Портативные твердомеры представляют собой компактные приборы для измерения твёрдости непосредственно на объекте без демонтажа деталей. Принцип работы большинства портативных твердомеров основан на методе динамического вдавливания или ультразвуковом контактном импедансном методе. Прибор прикладывается к поверхности детали, нажимается кнопка запуска измерения, и через несколько секунд результат отображается на экране с автоматическим пересчётом в выбранную шкалу твёрдости.
Автоматические системы измерения твёрдости с компьютерным управлением применяются в исследовательских лабораториях и на производствах с большим объёмом контроля. Образец устанавливается на моторизованный столик с программируемым перемещением по координатам X-Y. Компьютер управляет процессом испытания, автоматически фокусирует измерительный микроскоп на отпечатке, распознаёт контуры отпечатка с помощью системы технического зрения, рассчитывает твёрдость и сохраняет результаты в базе данных.
Современные твердомеры оснащаются функциями автоматического определения шкалы измерения в зависимости от типа материала и ожидаемого диапазона твёрдости. Встроенная память сохраняет результаты серии измерений с автоматическим расчётом статистических параметров среднего значения, стандартного отклонения, минимума и максимума. Интерфейсы USB, Bluetooth или Wi-Fi обеспечивают передачу данных на компьютер для формирования протоколов испытаний и интеграции в систему управления качеством предприятия.
Развитие методов неразрушающего контроля привело к созданию специализированных твердомеров для специфических применений. Твердомеры для контроля сварных швов с узким измерительным наконечником позволяют проводить измерения непосредственно в зоне термического влияния. Твердомеры для тонких покрытий с малой нагрузкой вдавливания обеспечивают контроль гальванических, плазменных и других поверхностных слоёв толщиной от нескольких микрометров без влияния подложки на результат измерения.
Сравнительная таблица основных методов измерения твёрдости
| Метод | Год создания | Автор/страна | Индентор | Принцип измерения | Основная область применения |
|---|---|---|---|---|---|
| Моос | 1822 | Ф. Моос, Германия | Эталонные минералы | Царапание | Минералогия, геология |
| Бринелль | 1900 | Ю. Бринелль, Швеция | Стальной/твердосплавный шарик | Диаметр отпечатка | Мягкие и средние металлы |
| Роквелл | 1914-1919 | Х. и С. Роквелл, США | Алмазный конус/шарик | Глубина вдавливания | Закалённые стали, массовый контроль |
| Виккерс | 1921-1925 | Р. Смит, Дж. Сандленд, Великобритания | Алмазная пирамида | Диагонали отпечатка | Все материалы, микротвёрдость |
| Шор | Конец XIX века | А. Шор, США | Конусный боёк | Высота отскока/глубина вдавливания | Полимеры, резины, металлы |
Развенчивание мифа о единой универсальной шкале твёрдости
Распространённое заблуждение среди неспециалистов заключается в представлении о существовании единой универсальной шкалы твёрдости, применимой ко всем материалам. Это представление основано на том, что твёрдость является физическим свойством материала, которое должно иметь однозначное численное выражение независимо от метода измерения. Однако история развития методов измерения твёрдости показывает, что это не так.
Твёрдость не является фундаментальным физическим свойством материала в отличие от плотности, температуры плавления или электропроводности. Твёрдость представляет собой комплексную характеристику, зависящую от множества факторов упругих и пластических свойств материала, способности к деформационному упрочнению, структуры и фазового состава. Различные методы измерения твёрдости оценивают различные аспекты сопротивления материала деформации, поэтому результаты измерений по разным методам не всегда коррелируют между собой.
Попытки создания универсальных переводных таблиц для пересчёта твёрдости из одной шкалы в другую имеют ограниченную применимость. Существующие таблицы составлены эмпирически для конкретных групп материалов и справедливы только в определённых диапазонах твёрдости. Для сталей углеродистых и легированных в отожжённом и нормализованном состоянии переводные таблицы дают приемлемую точность. Для цветных металлов, чугунов, твёрдых сплавов, материалов после поверхностного упрочнения пересчёт твёрдости между шкалами может давать значительные погрешности.
Физическая природа процессов, происходящих при измерении твёрдости различными методами, существенно различается. Метод Бринелля с крупным шариком даёт интегральную оценку свойств материала в относительно большом объёме, усредняя влияние микроструктурных неоднородностей. Метод Роквелла с малым алмазным конусом чувствителен к локальным неоднородностям структуры. Метод Шора оценивает преимущественно упругие свойства материала. Эти методы измеряют различные аспекты механического поведения материала, которые не могут быть выражены одним универсальным числом.
Стандарты различных стран и международные стандарты ISO предостерегают от необоснованного пересчёта результатов измерений из одной шкалы твёрдости в другую. Рекомендуется проводить измерения тем методом, который указан в технической документации на изделие или материал. Если требуется сравнение материалов, все измерения должны выполняться одним методом на одном типе оборудования для обеспечения воспроизводимости результатов.
Выбор метода измерения твёрдости должен основываться на типе материала, ожидаемом диапазоне твёрдости, размерах и форме изделия, требованиях к размеру отпечатка. Для каждого класса материалов и каждой производственной задачи существует оптимальный метод измерения твёрдости, обеспечивающий наилучшую точность, воспроизводимость и практическую применимость результатов. Универсальный метод, одинаково подходящий для всех ситуаций, не существует и не может существовать в принципе.
Стандартизация методов измерения твёрдости
Широкое промышленное применение методов измерения твёрдости потребовало их стандартизации на национальном и международном уровнях. Стандарты устанавливают единые требования к конструкции приборов, методике проведения испытаний, подготовке образцов, условиям измерений, оформлению результатов. Это обеспечивает сопоставимость результатов, полученных в различных лабораториях и на разных предприятиях.
В Советском Союзе были разработаны государственные стандарты на методы измерения твёрдости. ГОСТ 9012-59 регламентировал измерение твёрдости по методу Бринелля с последующими пересмотрами и актуализациями. ГОСТ 9013-59 описывал метод Роквелла для испытания металлов. ГОСТ 2999-75 устанавливал методику измерения твёрдости по Виккерсу. Эти стандарты определяли геометрию инденторов, величины нагрузок, время выдержки, формулы расчёта и обозначения результатов.
Международная организация по стандартизации ISO разработала серию стандартов на методы измерения твёрдости металлических материалов. ISO 6506 описывает метод Бринелля, ISO 6507 — метод Виккерса, ISO 6508 — метод Роквелла. Стандарты ISO постоянно актуализируются с учётом развития измерительных технологий и накопления опыта практического применения. Гармонизация национальных стандартов со стандартами ISO обеспечивает единство измерений в международном масштабе.
Метрологическое обеспечение измерений твёрдости включает систему образцовых мер твёрдости и периодическую поверку рабочих твердомеров. Меры твёрдости представляют собой стандартные образцы из аттестованных материалов с установленными значениями твёрдости. Изготовление мер твёрдости проводится на специализированных метрологических предприятиях с использованием эталонных твердомеров высшей точности. Рабочие твердомеры проверяются по мерам твёрдости с установленной периодичностью для подтверждения соответствия их характеристик требованиям стандартов.
Система единства измерений твёрдости строится иерархически. На вершине иерархии находятся государственные первичные эталоны, хранящиеся в национальных метрологических институтах. От первичных эталонов передаются размеры единиц вторичным эталонам и образцовым мерам различных разрядов. Рабочие средства измерений поверяются по образцовым мерам соответствующего разряда. Такая система обеспечивает прослеживаемость результатов измерений к первичным эталонам и достоверность контроля качества продукции.
Применение различных методов в современной промышленности
Современная промышленность использует весь спектр методов измерения твёрдости в зависимости от конкретных задач и типов контролируемых материалов. Каждый метод занимает свою нишу применения, где он обеспечивает оптимальное сочетание точности, производительности и удобства использования.
Метод Бринелля остаётся основным для контроля твёрдости отливок, поковок, проката из конструкционных сталей, цветных металлов и сплавов. Крупный отпечаток усредняет влияние структурных неоднородностей, характерных для литых и деформированных материалов. Автомобилестроение, судостроение, производство металлургического оборудования широко используют твердомеры Бринелля для входного контроля материалов и контроля полуфабрикатов после термической обработки.
Метод Роквелла доминирует в массовом производстве деталей машин с термической обработкой. Быстрота измерения и возможность стопроцентного контроля без разрушения изделий делают метод Роквелла незаменимым на автоматических линиях производства подшипников, крепежа, деталей двигателей. Шкала HRC стала фактическим стандартом для оценки твёрдости закалённых сталей в диапазоне от 20 до 67 единиц.
Метод Виккерса применяется в исследовательских лабораториях, при разработке новых материалов, для контроля поверхностно-упрочнённых слоёв. Авиационная и космическая промышленность использует метод Виккерса для контроля ответственных деталей из высокопрочных материалов. Измерение микротвёрдости по Виккерсу является стандартной процедурой металлографических исследований для оценки свойств отдельных фаз в многофазных сплавах.
Метод Шора сохраняет позиции в производстве резинотехнических изделий, пластмассовых деталей, эластомеров. Автомобильная промышленность контролирует твёрдость уплотнителей, шлангов, амортизирующих элементов дюрометрами Шора. Обувная промышленность использует метод для контроля твёрдости подошв и каблуков. Простота и доступность метода Шора делают его популярным для оперативного контроля качества полимерных материалов.
Портативные твердомеры находят применение в строительстве, энергетике, на транспорте для контроля состояния металлоконструкций и оборудования в процессе эксплуатации. Мостовые конструкции, корпуса судов, железнодорожные рельсы, трубопроводы проверяются портативными приборами без демонтажа. Обнаружение зон с аномальной твёрдостью позволяет выявить дефекты термообработки, усталостные повреждения, начальные стадии разрушения на ранних этапах развития.
Таблица сравнения характеристик методов измерения твёрдости
| Характеристика | Бринелль | Роквелл | Виккерс | Шор |
|---|---|---|---|---|
| Размер отпечатка | 2-6 мм | 0,2 мм | 0,05-0,5 мм | Не измеряется |
| Время измерения | 30-60 сек | 5-10 сек | 30-90 сек | 1-2 сек |
| Диапазон твёрдости | 8-650 HB | 20-70 HRC | 5-3000 HV | 0-100 ед. |
| Подготовка поверхности | Средняя | Средняя | Тщательная | Минимальная |
| Толщина образца, мин | 8 мм | 1 мм | 0,1 мм | 5 мм |
| Портативность | Низкая | Низкая | Низкая | Высокая |
| Стоимость оборудования | Средняя | Средняя | Высокая | Низкая |
Перспективы развития методов измерения твёрдости
Современные тенденции развития методов измерения твёрдости связаны с автоматизацией процесса испытаний, миниатюризацией оборудования, повышением точности и воспроизводимости результатов. Искусственный интеллект и машинное обучение внедряются для автоматического распознавания границ отпечатков на изображениях с учётом особенностей микроструктуры материала. Это снижает субъективность результатов и повышает производительность измерений.
Наноиндентирование представляет собой новое направление измерения механических свойств материалов на наноуровне. Специализированные нано-твердомеры позволяют измерять твёрдость тонких плёнок толщиной десятки нанометров, исследовать свойства нанокомпозитов, изучать механические характеристики биологических тканей. Глубина вдавливания индентора составляет единицы нанометров, а нагрузка измеряется в микроньютонах с использованием высокоточных датчиков и пьезоэлектрических приводов.
Оптические и лазерные методы оценки твёрдости разрабатываются для бесконтактного контроля материалов. Лазерно-ультразвуковые системы генерируют ударные волны на поверхности материала и анализируют их распространение для определения упругих модулей и оценки твёрдости. Спектроскопические методы анализируют изменение оптических свойств материала под нагрузкой для косвенной оценки его механических характеристик.
Интеграция твердомеров в производственные линии с обратной связью позволяет реализовать адаптивное управление процессами термообработки. Результаты измерений твёрдости в режиме реального времени передаются в систему управления печью для корректировки температурных режимов. Это обеспечивает стабильность свойств обрабатываемых изделий и снижает долю брака.
Развитие материаловедения создаёт потребность в новых методах оценки твёрдости специфических материалов. Композиты, наноструктурированные материалы, градиентные покрытия, метаматериалы требуют специализированных подходов к измерению механических свойств. Гибридные методы, сочетающие вдавливание с другими физическими воздействиями, позволяют получать более полную информацию о поведении материала при различных условиях нагружения.
Историческая хронология развития методов измерения твёрдости
| Год | Событие | Значение |
|---|---|---|
| 1722 | Реомюр провёл первые систематические испытания материалов | Начало научного подхода к оценке твёрдости |
| 1822 | Моос создал минералогическую шкалу твёрдости | Первая стандартизированная шкала для сравнения материалов |
| 1857 | Кельверт и Джонс предложили метод с усечённым конусом | Переход к количественным измерениям твёрдости |
| 1900 | Бринелль разработал метод с вдавливанием шарика | Первый практический метод для металлов, получивший массовое применение |
| 1914-1919 | Роквеллы запатентовали метод измерения глубины вдавливания | Революция в производительности контроля твёрдости |
| 1921-1925 | Разработка метода Виккерса в компании Vickers | Универсальный метод для широкого диапазона материалов |
| Конец XIX в. | Шор создал дюрометр для полимеров | Расширение методов на неметаллические материалы |
| 1976 | Принятие ГОСТ 9450-76 на метод Виккерса | Стандартизация методов в СССР |
| 1980-е | Появление цифровых твердомеров | Автоматизация процесса измерения |
| 2000-е | Развитие наноиндентирования | Измерение твёрдости на наноуровне |
Источники
- Марковец М.П. «Определение механических свойств металлов по твердости». 1979.
- «Техника определения механических свойств материалов».
- «Технический контроль деталей в приборостроении».
- Твёрдость — Википедия
- Метод Бринелля — Википедия
- Метод Роквелла — Википедия
- Метод Виккерса — Википедия
- Шкала Мооса — Википедия
- ГОСТ 9012-59 «Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю»
- ГОСТ 9013-59 «Метод Роквелла для испытания металлов»
- ГОСТ 2999-75 «Метод измерения твёрдости по Виккерсу»
- ГОСТ 9450-76 «Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников»
- Обзор методов измерения твердости металлов и сплавов
- Анализ методов измерения твердости и перспективы их развития
- История развития методов измерения твёрдости
Добавить комментарий
Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.