Методы измерения твердости

Измерение твёрдости является самым массовым, высокопроизводительным наиболее простым и легко осуществимым на практике методом определения механических свойств материалов. В большинстве случаев величина, называемая “твёрдостью”, не является характеристикой определённых свойств материалов, а представляет собой результат некоторых операций с материалом, произведённых с определёнными приборами. Существуют сотни приборов и разработаны десятки методов измерения твёрдости, что свидетельствует об отсутствии единого взгляда на твёрдость и лишь затрудняет работу исследователя и производственника. Словом “твёрдость” обозначают разные физические свойства, а твёрдость, определённая разными методами, имеет различную размерность. По этой причине термин “твёрдость” без указания метода и условий измерений почти не имеет смысла.  

Методы измерения твёрдости имеют весьма важную и общую для всех особенность: с их помощью всегда получается величина, характеризующая свойства слоя, близкого к поверхности изучаемого тела. Многообразие методов и приборов для измерения твёрдости наглядно демонстрирует невозможность выбора ОСНОВНОГО, который можно было бы принять в качестве единого и универсального. Наиболее удобными с практической точки зрения оказались способы Бринелля, Роквелла, Виккерса, Либа и Ультразвук (UCI-метод). Эти способы утверждены в качестве стандартных в большинстве стран мира. Между тем, ни один из них не имеет, строго говоря, достаточно надёжного теоретического обоснования и не может считаться ОСНОВНЫМ способом измерения твёрдости.  

• Метод Бринелля (HB), предложен в 1900г шведским инженером Юханом Августом Бринеллем и стал первым, широко используемым и стандартизированным методом определения твёрдости в материаловедении.  Для измерения твёрдости используется метод вдавливания индентора в форме шарика. Для обозначения твёрдости по Бринеллю используется символ HB (англ. Hardness Brinell – Твёрдость по Бринеллю).

• Метод Роквелла (HR), предложен в 1908г венским профессором Паулом Людвигом, однако машину для определения твёрдости создали в США Хью М. Роквелл и Стэнли П. Роквелл, подавшие патентную заявку в 1914г. Для измерения твёрдости используется метод вдавливания индентора в форме конуса. Существует 11 шкал определения твёрдости по методу Роквелла (A; B; C; D; E; F; G; H; K; N; T), основанных на комбинации «индентор (наконечник) — нагрузка». Для обозначения твёрдости, определённой по методу Роквелла, используется символ HR (англ. Hardness Rockwell – Твёрдость по Роквеллу), к которому добавляется буква, указывающая на шкалу по которой проводились испытания: HRA, HRB, HRC и т.д.

• Метод Виккерса (HV), предложен в 1921г британскими инженерами Робертом Л. Смитом и Георгом Е. Сандландом, работавшими в компании Vickers Ltd.  Для измерения твёрдости используется метод вдавливания индентора в форме пирамиды. Для обозначения твёрдости, определённой по методу Виккерса, используется символ HV (англ. Hardness Vickers – Твёрдость по Виккерсу).

• Метод Шора (HS), предложен в 1906г в США промышленником Альбертом Ф. Шором. Для обозначения твёрдости, определённой по методу Шора, используется символ HS (англ. Hardness Shore – Твёрдость по Шору). Для измерения твёрдости используется метод отскока бойка (измеряется высота отскока), основные шкалы C и D, которые добавляются к методу измерения, напр. HSD (англ. Hardness Shore D – Твёрдость по Шору тип D). Фактически не имеет практического применения и встречается только в научной литературе.

• Метод Либа (HL), предложен в 1975г швейцарским инженером Дитмаром Либом(Mr. Dietmar Leeb), работавшим в компании Proceq SA.  Для измерения твёрдости используется метод отскока бойка (измеряется соотношение скоростей бойка до и после удара). Для обозначения твёрдости, определённой по методу Либа, используется символ HL (англ. Hardness Leeb – Твёрдость по Либу). Существуют ударные датчики различных типов (напр. C, D, DC, DL, E, G, S), поэтому всегда необходимо указывать тип использованного при измерении ударного датчика, напр. HLD или HLG.
• Метод Ультразвукового Контактного Импеданса (UCI - Ultrasonic Contact Impedance), предложен в 1961г Клаусом Клесател (Claus Kleesattel).
  

Стационарные твердомеры - выбор метода определения твёрдости, минимальная толщина образца - для детального просмотра изображения удобнее сохранить и после открыть на компьютере.

Динамические твердомеры.

При наличии международной стандартизации метода Либа (ASTM A956, DIN 50156 и др.) в РФ отсутсвуют ГОСТ по этому методу и по этому используются расплывчатые названия такие как динамический метод / метод отскока / электронные твердомеры и др. При этом Росстандарт  десятилетиями утверждает динамические типы твердомеров (при отсутствии ГОСТ на метод) и вносит их в госреестр Средств Измерений  Суть метода:

Ударный боёк (внутри которого размещён магнит, а на конце расположен твёрдосплавный шарик) ударяется о контролируемую поверхность и отскакивает. Перемещаясь внутри катушки индуктивности боёк своим магнитным полем наводит в ней ЭДС индукции, величина которой пропорциональна скорости бойка. Изобретатель этого метода Дитмар Либ определил свою собственную величину твёрдости (HL). В отличие от статических методов измерения твёрдости, в результатах динамического содержится дополнительная информация об ответном поведении материалов, например, об эластичных свойствах материала.  

Твердомер ЛЮБОГО производителя, который использует испытания по указанному методу отскока, измеряет величину твёрдости в числах Либа. Однако отечественные производители практически никогда не указывают это в технических характеристиках твердомеров. Тем более забавна ситуация, когда РОССТАНДАРТ осуществляет утверждение типа Средства Измерений (твердомеров) с внесением их Госреестр СИ в то время, когда сам метод Либа в стране не стандартизирован и ГОСТы отсутствуют! Как следствие – при проведении сравнительных испытаний отечественных твердомеров выявляется факт абсолютной несопоставимости результатов измерений одного и того же изделия твердомерами разных производителей (УДК620.178 “Сравнение характеристик малогабаритных твердомеров”, Струтынский А.В., Худяков С.А., 2011г.). Твердомеры производителей, в т.ч. Восток-7, изготовляемые в соответствии с международными стандартами метода Либа (ASTM A956), лишены подобных казусов и результаты измерений твердомеров различных производителей сопоставимы. Для перевода единиц твёрдости Либа к другим шкалам твёрдости (HB, HR, HV и HSD) используют таблицы перевода, сохранённые в твердомерах. 

Ультразвуковые твердомеры.

Как и с нестандартизированным в РФ методом Либа с ультразвуковым методом сложилась та же анекдотичная ситуация: существуют международные стандарты (ASTM A1038 и др.), но отсутсвуют российские ГОСТ, при этом Росстандарт десятилетиями утверждает ультразвуковые типы твердомеров (при отсутсвии ГОСТ на метод) и вносит их в госреестр Средств Измерений.   

Метод Ультразвукового Контактного Импеданса (UCI - Ultrasonic Contact Impedance): алмазная пирамидка для измерений по Виккерсу (угол между гранями 136º) закреплена на конце металлического стержня, который под действием пьезоэлектрического устройства колеблется на определенной частоте. Когда под действием фиксированной нагрузки алмазная пирамидка внедряется в материал, то металлический стержень меняет резонансную частоту. Глубина внедрения зависит от твёрдости материала, при этом изменение резонансной частоты возрастает с увеличением площади контакта. Так как эта площадь контакта является мерой для оценки твердости, то существует прямая связь между изменением частоты и твердостью материала.