Твердомеры

Твердомер – портативный или стационарный измеритель твердости, проникающий в слой материалов, металла путем непосредственно контакта, вызывающего пластическую деформацию.
Приборы исследуют твердость металлов, используя индентор – объект с твердостью, превышающей аналогичную величину для анализируемого образца и не изменяющий физико-механические свойства после проведения тестов.
С помощью твердомеров (Роквелла, Бринелля, по Шору) на дисплее или стрелочном индикаторе оображается искомая твердость материалов, металла, без дополнительных переводов, используя выбранные единицы измерения и соответствующую шкалу.

Твердомеры – принцип действия и особенности

Измерение твердости по бринеллю, роквеллу, виккерсу

Твердость металла, материалов измеряется различными способами, в зависимости от вида индентора и формы впадины на исследуемой поверхности анализируемых образцов. Твердомеры, проводящие определение твердости металлов по роквеллу, бринеллю, виккерсу используют метод вдавливания. Перечисленные приборы сходны по способу воздействия и различаются формой, размером индентора и методикой измерения. Для каждого из них своя шкала или таблица твердости.

1. Измерение твердости по бринеллю базируется на основе вдавливания шарика с диаметром в мм, выбираемого из ряда: 1.0,2.0,2.5,5.0,10.0 (ГОСТ 9012). Определение требует выбора материала индентора в зависимости от диапазона. Если твердость материалов находится в диапазоне до 450 единиц, подходит индентор (шарик) из конструкционной стали с добавлением хрома или твердого сплава, при >450 единиц – полированные шарики из твердого сплава (ГОСТ 9012). Стандартом регламентируется: прилагаемое усилие и время, в течение которого определяется твердость стали, черных или цветных металлов по бринеллю.

   Единицы измерения – HB (по первой букве B твердомера Бринелля).

2. Тесты по виккерсу имеет сходные черты, но в качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида. Твердость металла определяется путем замера длин образовавшихся диагоналей и вычисления среднеарифметического значения. Прибор для замеров по виккерса обязан обеспечивать плавное нарастание приложенной нагрузки и постоянство прилагаемого усилия. Единицы измерения – HV.
3. Измеритель по роквеллу исследует твердость металлов в 2 этапа. Вначале прикладывается предварительная нагрузка небольшой величины ~ 10 кгс. Фактически индентор (стальной шарик или алмазный конус) вначале касается поверхности. Второй этап непосредственного измерения твердости производится путем приложения большего усилия, зависящего от вида индентора и типа металла. Шкала по роквеллу фактически состоит из трех (HRA, HRB, HRC). Стационарные твердомеры роквелла снабжается индикатором часового типа, преобразующего осевое перемещение (глубина вдавливания) в поворот стрелки.

Разновидности приборов

Приборы, определяющие твердость материалов по бринеллю, виккерсу, роквеллу) статическим методом прилагают нагрузку к образцу, а вот динамические модели твердомеров используют упругие свойства материала. Например это метод отскока, величина которого пропорциональна твердости.
По месту проведения анализа различают стационарные и портативные измерители твердости.
Причем первые, которые устанавливаются в металлографических лабораториях,  имеет ряд преимуществ, но и капитальных вложений в дополнительные приборы и оборудование.
Во-первых, наличие неисчерпаемого источника электрической энергии. Измерение твердости металла производится путем силового воздействие, что требует энергетических затрат на преодоления сопротивления поверхностного слоя при проникновения индентора.
А вот переносные разновидности твердомеров (по роквеллу, шору, бринеля) обладают весьма ограниченным ресурсом циклов проведения исследований из-за источника питания малой мощности.
Во-вторых, потребуется дополнительное оснащения лабораторий, включая металлографический микроскоп для исследования геометрических параметров образовавшейся впадины и специальных набор измерителей, включая микрометр.
Следует заметить, что при применении твердомеров, основанных на кинетическом методе, исследуется не только конечный результат, но и вся диаграмма процесса, начиная с момента вдавливания индентора и до его извлечения.

По шору

Для определения твердости пластмасс, резин, каучуков и полимеров предназначен специальный измеритель с несколькими шкалами - по шору, ведущий свою историю с 20-х годов XX века.
Здесь используется в качестве индентора алмазный наконечник, падающий с высоты на исследуемую плоскость, а также набор шкал: A, C, D в зависимости от значения твердости исследуемого материала. Чем она выше, тем больше буква алфавита. Информация приведена ниже в таблице.

Твердость материалов прямо пропорциональна величине отскока. Например мягкая резина или силикон поглощают значительную часть энергии, боек произведет не высокий отскок, а прибором зафиксируется незначительный результат твердости в HSD.

Что следует учесть при металлографическом анализе твердости

Показатель твердости металлов влияет на ряд физических и механических свойств заготовок, полуфабрикатов и произведенного товаров на протяжении всего срока службы, включая усталость, хрупкость, износостойкость, сопротивление ударным нагрузкам, излому, сжатию и растяжению.
Определение твердости металлов - по бринеллю, роквеллу должно производится с учетом рекомендаций:

• Анализ должен проводится в нескольких точках. Показания необходимо усреднить.
• Измерение твердости металла (по бринелю, виккерсу, роквеллу) проводится на образце с однородной зернистой структурой, отсутствием раковин, и с шероховатостью не более 2.5 мкм.
• Размер получившейся впадины, должен быть как минимум в 8 раз меньше толщины исследуемого объекта при проверке твердости по бринеллю) и в 1,2-1,5 раза по виккерсу.
• Не проводить тесты рядом с краем образца.
• Достоверный итог гарантируется при строго вертикальном перемещении индентора.
• Единицы измерения твердости не подлежат переводу из одной шкалы в другую – различная методика и применяемые модели твердомеров металла не позволяют обеспечить полное соответствие при переводе. Хотя подобная обобщенная шкала уже разработана, но пользоваться ей следует после тщательной проверки.
• Поверхность материалов должна быть плоской и гладкой.