Измерване на твърдост на метали и сплави

Твърдостта е една от най-разпространените характеристики, определящи качеството на металите и сплавите и възможностите за тяхното използване в различни конструкции и при различни условия на работа. Определя се като свойството на материала да се съпротивлява на приложен към него товар с определена големина, предизвикващ върху повърхността му напрежение на натиск.

Критерий за твърдостта на едно тяло е степента на деформирането му под действие на приложена върху изследваната повърхност сила. Числената стойност на твърдостта се установява опитно на базата на различни методи. Сред най-широко разпространените в практиката са класическите методи – на Рокуел (Rockwell), Викерс (Vickers) и Бринел (Brinell).

При всички тях измерването на твърдостта се основава на подлагането на изследвания образец на действието на равномерен и плавно нарастващ като големина товар. Приложената сила достига максималната си стойност след определен период от време, зависещ от спецификите на конкретното измерване. Съответно, в зависимост от използвания метод, твърдостта се означава с HB (Бринел), HRC (Рокуел) или HV (Викерс).

Статични и динамични
Принципно, методите за измерване на твърдост на металите се разделят на статични и динамични. При статичните методи, към които спадат и методите на Рокуел, Викерс и Бринел, се оценява степента на проникване на външно по-твърдо тяло в материала, и в зависимост от приложената сила се определя твърдостта. При динамичните се оценява “загубата на енергия” при външно въздействие върху повърхността на изследвания метал.

Основно предимство на статичното измерване на твърдост е възможността за много прецизно определяне големината на действащата сила и дълбочината на проникване в материала във всеки момент от изследването. Това е предпоставка за висока точност и повторяемост на получените резултати.

С навлизането на преносимите уреди за измерване на твърдост в практиката все по-популярни стават динамичните изпитания, при които приложената върху образеца сила достига максималната си стойност моментално. Точността на резултата в случаите на динамично измерване зависи от съотношението между големината на приложения върху изследваната повърхност товар и теглото на образеца.

Методите на Рокуел, Викерс и Бринел се определят като класически. При измерването на твърдостта по метода на Рокуел за твърдостта на метала се съди по дълбочината на проникване на диамантен конус в образеца. Изпитването се провежда на три етапа – първоначално към повърхността на детайла се прилага предварителен товар, вследствие на което накрайникът на твърдомера прониква на определена дълбочина.

Това положение на накрайника се приема за нулево и се използва като база, спрямо която се отчита твърдостта на детайла. При следващия етап към него се добавя основният товар. Сумата от двата формира общия товар на изпитване. Периодът, за който системата се уравновесява, зависи от твърдостта на материала.

При третия етап въздействието на основния товар върху детайла се преустановява. Това създава условия за елиминиране на еластичната деформация, причинена от собственото тегло на товара. Индикаторът отчита разликата между проникването на накрайника на твърдомера в материала, причинено от предварителната и основната сила.

Особености при измерването по метода на Рокуел
Единицата за твърдост при измерването по Рокуел съответства на дълбочината на проникване в материала, равна на 0,002 mm. Колкото по-голяма е твърдостта на един материал, толкова по-малка ще бъде дълбочината на проникване. Основните скали, по които се отчита твърдостта по Рокуел, са HRC, HRB, HRA.

При измерването на материали, отличаващи се висока твърдост, се използват накрайници с диамантен конус. Когато методът се използва за изследване на по-меки материали, проникващият в образеца накрайник представлява стоманена сфера. Отчитането на измерената твърдост е по т. нар. скала HRB (ball).

Измерването по скалата HRA се осъществява чрез определяне дълбочината на проникване на диамантен конус в материала. Разликата между HRA и HRC е в размера на усилието, което се прилага върху повърхността на материала. Тази разновидност на метода на Рокуел намира приложение за изследване на много твърди материали, подложени на циментация, при които вследствие съществуващата висока повърхностна концентрация на карбиди, диамантеният конус би могъл да се разруши.

При измерване на твърдостта по метода на Рокуел е необходимо повърхността на образеца да бъде гладка, без пукнатини, замърсявания и други. Необходимо е да се контролира перпендикулярното прилагане на товара и повърхността на образеца, както и образецът да бъде добре закрепен. Необходимо е дебелината на пробата да е най-малко 10 пъти дълбочината на проникване на върха след премахване на основния товар. Също така е добре твърдостта да се измери поне три пъти върху една и съща проба, а получените резултати да се усреднят.

При измерването на твърдост по метода на Бринел сферичка от закалена стомана се притиска към повърхността на изпитвания образец. Критерий за твърдостта на материала е размерът на отпечатъка върху изследваната повърхност. Необходимо условие за коректност на резултатите от измерването е изследваната повърхност да бъде гладка и равна.

Диаметърът на сферата, големината на товара и периодът на провеждане на изпитването се избират в зависимост от избраното съотношение между диаметъра на сферата, големината на товара и периода на провеждане.
В процеса на измерване прилагането на силата върху пробата трябва да се извършва постепенно и безударно.

Условия за точност при метода на Бринел и Викерс
Направените изследвания показват, че за постигането на висока точност при метода на Бринел, съотношението между диаметъра на отпечатъка и диаметъра на сферата трябва да бъде в интервала от 0,2 до 0,5 (в други източници се посочва интервал от 0,25 до 0,6). Това е така, защото от определящо значение за коректност на получените резултати е яснотата на отпечатъка.

Предимство на метода на Бринел, в сравнение с методите на Рокуел и Викерс, е, че той се влияе в много по-малка степен от повърхностни драскотини и грапавостта на изследваната повърхност.

Измерването на твърдост по метода на Викерс като методика не се различава от това на Бринел. Разликата се състои в използването на диамантен накрайник с формата на правилна четириъгълна пирамида и за твърдостта се съди по дълбочината на проникване на пирамидата в изследвана повърхност. Вследствие безударното и постепенно прилагане на товара, върху пробата се получава отпечатък с формата на правоъгълник. В много редки случаи отпечатъкът е с форма на квадрат.

Необходимо условие за коректно изпълнение на метода е дебелината на пробата да е по-голяма от дълбочината на проникване най-малко 10 пъти (в някои източници стойността на Викерс нормата се посочва като по-голяма или равна на седем).

При измерването на твърдостта по Викерс е добре да се спазват някои условия като плавно нарастване на товара до необходимата стойност, да се осигури перпендикулярност между действащата сила и изпитваната повърхност, поддържане на приложения товар, постоянен за определения период от време и други.

Преносими уреди за измерване на твърдост
При разработката на мобилни тестови уреди се използват основно три технологии UCI, Rebound и TIV.
При използването на технологията UCI (Ultrasonic Contact Impedance) измерването е статично и дава възможност за бърза оценка на твърдостта чрез използване на диамантена пирамида на Викерс.

Твърдостта на материала се определя въз основа на размера на отпечатъка, оставен от диамантения накрайник с формата на правилна четириъгълна пирамида. Тук диамантеният връх е закрепен към цилиндричен ултразвуков вибратор, който се разколебава надлъжно от пиезоизлъчвател. В процеса на измерване вибраторът се притиска с постоянна сила и диамантеният връх предизвиква пластична деформация на повърхността на изследвания метал.

Това води до повишаване на резонансната честота на вибратора поради действието на противоположна сила, чиято големина зависи от площта на деформирания участък. Тъй като размерът на вдлъбнатината е мярка за твърдостта на материала, съществува директна връзка между промяната на честотата и твърдостта на материала.

Като недостатъци на този метод могат да се посочат затрудненото тестване на детайли с малки размери, наличието на пластична деформация на тестваната повърхност, необходимост от прецизен подбор и калибровка на сондите в зависимост от тествания детайл.

UCI е статичен метод. За разлика от него методът на рикошета (отскока) - Rebound е динамичен. Твърдостта на материала се определя индиректно на базата на измерване на отношението между скоростта на падане и скоростта на отскачане от тестваната повърхност, на сфера от твърд материал с определен размер. Сферата се изстрелва към повърхността с определена скорост. След отразяване от повърхността, в резултат на загубата на енергия, скоростта на сферата в обратна посока намалява.

Отношението на скоростта при отскачане към тази при падане носи информация за твърдостта – колкото е по-близо до 1, толкова материалът е по-твърд.
При използването на този метод е добре да се има предвид, че измерването се влияе от грапавостта на повърхнината, чистотата и т. н.

Много от водещите производители на мобилни тестери за твърдост предлагат комбинирани уреди с комплект измерителни сонди и за двата метода - UCI и REBOUND.
Методът TIV (Through Indenter Viewing) също е статичен и определянето на твърдостта е по Викерс.

Измерването на площта на пластично деформираната тествана повърхност се осъществява чрез CCD камера, монтирана в диамантения връх на сондата. Този метод позволява директно да се наблюдава проникването на диамантената повърхност в тествания материал.

Благодарение на оптичния метод на измерване, технологията TIV позволява измерване на твърдостта на различни материали без допълнително калибриране. Освен това, статичното прилагането на товара позволява измерване на твърдостта на тънки и малки обекти, както и на покрития.

Измерване на твърдост на малки площи
В немалко случаи в практиката се налага определяне на твърдостта на малки площи. Често измерването на твърдостта на циментирани повърхности, определянето на твърдостта на отделни елементи или на много малки детайли се явява сериозен проблем. В подобни случаи за много подходящ метод се счита методът на Knoop.

Твърдостта на металите по Knoop се определя като функция от проникването на диамантена пирамида с ромбоидна основа в изследвания образец под действието на сила с определена големина. Съотношението между диагоналите на ромба е 1:7. Методът е подобен на изследването на Викерс.

Този метод се счита за подходящ в случаите, при които има изискване за провеждане на изпитванията с много малки натоварвания от порядъка на няколко грама. Твърдомерите, измерващи по Knoop, са стационарни.