Руководство и диаграмма по шкале твердости Мооса

Понимание шкал твердости

Введение в твердость

Твердость - это важнейшее свойство материала, измеряющее его устойчивость к деформации, в частности к постоянному вдавливанию, царапанию, резке или истиранию. Она необходима в различных областях, включая производство, металлургию и машиностроение, для обеспечения соответствия материалов определенным эксплуатационным критериям. Испытания на твердость предоставляют ценные данные для выбора материала, контроля качества и прогнозирования износостойкости.

Виды испытаний на твердость

Испытание на твердость по Бринеллю

Испытание на твердость по Бринеллю предполагает вдавливание шара из твердой стали или карбида в поверхность материала под определенной нагрузкой. Твердость определяется путем измерения диаметра образовавшегося углубления и вычисления числа твердости по Бринеллю (BHN). Например, типичное применение - испытание чугуна, при котором BHN может составлять от 150 до 200. Этот метод особенно полезен для материалов с крупной или неоднородной зернистой структурой, поскольку он усредняет твердость по большей площади.

Испытание на твердость по Роквеллу

Тест на твердость по Роквеллу измеряет твердость путем определения чистого увеличения глубины отпечатка при приложении нагрузки. При этом используется незначительная нагрузка для установки индентора, а затем большая нагрузка для создания вмятины. Разница в глубине между малой и большой нагрузками дает число твердости по Роквеллу. В зависимости от типа индентора и испытательной нагрузки используются различные шкалы (A, B, C и т. д.). Например, шкала Роквелла C, в которой используется 120-градусный алмазный конус с нагрузкой до 150 кг, обычно используется для промышленных машинных ножей, как правило, в диапазоне от RC 40 до RC 65.

Испытание на твердость по Виккерсу

Для определения твердости по Виккерсу используется алмазный пирамидальный индентор, создающий квадратное углубление на поверхности материала. Диагональ углубления измеряется оптически, и рассчитывается число твердости по Виккерсу (VHN). Этот метод может применяться как к мягким, так и к твердым материалам и подходит для испытания на микротвердость. Например, при испытании куска закаленной стали VHN может составлять около 600.

Другие испытания на твердость

• Испытание на твердость по методу Кнупа: Применяется для тонких или хрупких материалов. В этом испытании используется удлиненная пирамида для создания неглубокой вмятины. Измерение длинной диагонали используется для расчета твердости по Кнупу. Он часто используется для испытания керамики или стекла.
• Испытание на твердость по Моосу: Качественная шкала, по которой минералы ранжируются от 1 до 10 в зависимости от их устойчивости к царапинам. Например, тальк имеет рейтинг 1, а алмаз - 10.
• Испытание на твердость по Шору: Используется для более мягких материалов, таких как эластомеры и пластмассы. В этом испытании используется подпружиненный индентор (дюрометр) для измерения глубины проникновения. Дюрометр - это прибор, измеряющий твердость материалов по глубине вмятины, образующейся под действием заданной силы.

Шкалы твердости и их значение

Весы Rockwell

Шкала твердости Роквелла широко используется и признана, особенно в сталелитейной промышленности. Она включает в себя различные шкалы, такие как A, B, C и т. д., каждая из которых подходит для разных материалов. Шкала Роквелла С особенно распространена для ножей промышленных машин и варьируется от RC 40 до RC 65. Например, лезвие ножа из высокоуглеродистой стали может иметь твердость около RC 58.

Шкала Бринелля

Число твердости по Бринеллю (HB) рассчитывается на основе нагрузки и площади поверхности вдавливания. Оно выражается в формате "75 HB 10/500/30" с указанием твердости, диаметра шарика, нагрузки и продолжительности испытания. Эта шкала часто используется для испытания цветных металлов и чугуна.

Шкала Виккерса

Число твердости по Виккерсу (VHN) рассчитывается по измерению диагонали квадратного вдавливания. Эта шкала непрерывна и может использоваться для широкого спектра материалов. Например, для куска алюминиевого сплава VHN может составлять 120.

Ключевые моменты и применение

• Твердость и пластичность: С увеличением твердости пластичность обычно уменьшается. Более твердые материалы более устойчивы к износу, но при этом более хрупкие и менее способны поглощать энергию до разрушения.
• Износостойкость: Твердость прямо пропорциональна износостойкости. Твердые материалы не изнашиваются под давлением, что делает их подходящими для таких применений, как режущие инструменты и шлифовальные круги.
• Отраслевые применения: Испытания на твердость играют важную роль в различных отраслях промышленности, включая аэрокосмическую, автомобильную и строительную. Они помогают в сравнении материалов, выборе и контроле качества процессов закалки. Например, в автомобильной промышленности испытания на твердость гарантируют, что компоненты двигателя смогут выдержать высокие нагрузки и температуры.

Измерение и интерпретация

• Нагрузки и инденторы: В разных тестах на твердость используются разные нагрузки и инденторы. Например, в тесте Роквелла используются малая и большая нагрузки, а в тесте Виккерса - алмазный пирамидальный индентор с переменной нагрузкой.
• Расчет твердости: Значение твердости рассчитывается на основе измерения вдавливания. Например, в тесте Роквелла число твердости определяется разницей в глубине между малой и большой нагрузками.

Современные достижения в области испытаний на твердость

Последние достижения в области испытаний на твердость включают автоматизированные твердомеры и неразрушающие методы контроля. Эти технологии повышают точность и эффективность измерений твердости, облегчая испытания сложных форм и материалов в режиме реального времени. Например, портативные твердомеры теперь позволяют проводить испытания на месте, обеспечивая немедленное получение результатов без необходимости лабораторных условий.

Шкала твердости Мооса

Существует два метода измерения твердости материалов: твердость царапин и твердость вдавливания при статической нагрузке. Твердость царапин, также известная как твердость по Моосу, является относительной твердостью и довольно грубой.

В качестве эталонов используются десять природных минералов. Порядок твердости не отражает абсолютную величину твердости конкретного минерала, а указывает на то, что минерал более высокого порядка твердости может поцарапать минерал более низкого порядка. Твердость других минералов определяется путем сравнения с этими стандартными минералами.

Единицей измерения твердости по Моосу является килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см²), обозначаемая как [Па]. Это стандарт для выражения твердости минерала, впервые предложенный в 1824 году немецким минералогом Фредерихом Моосом. Твердость определяется глубиной царапины, сделанной на поверхности исследуемого минерала методом царапания алмазной иглой пирамидальной формы.

Шкала твердости выглядит следующим образом: тальк - 1 (самый мягкий), гипс - 2, кальцит - 3, флюорит - 4, апатит - 5, ортоклаз (также известный как полевой шпат или периклаз) - 6, кварц - 7, топаз - 8, корунд - 9, алмаз - 10 (самый твердый). Твердость по шкале Мооса также используется для определения твердости других твердых материалов.

Для более конкретного метода: чтобы определить твердость исследуемого минерала, нужно поцарапать его о стандартную твердость по шкале Мооса.

Например, если минерал может поцарапать кальцит и флюорит, то твердость этого минерала находится в диапазоне от 3 до 4. В качестве альтернативы можно использовать ноготь (твердость 2-2,5), монету (твердость 3,5) или небольшой нож (твердость 5,5), чтобы поцарапать минерал для общего определения его твердости.

Что такое твердость по Моосу?

Твердость по Моосу - это стандарт, определяющий твердость минералов, впервые предложенный в 1824 году немецким минералогом Фридрихом Моосом. Этот стандарт устанавливается с помощью алмазного сверла пирамидальной формы, которое царапает поверхность минерала, а глубина царапины указывает на твердость.

Твердость минерала означает его способность сопротивляться определенным внешним механическим воздействиям, таким как царапины, вмятины или шлифовка. В минералогии часто упоминается твердость по Моосу, которая представляет собой твердость царапин по сравнению со шкалой твердости Мооса.

Шкала твердости Мооса основана на десяти минералах различной твердости, разделенных на десять уровней от низкого до высокого: 1. тальк; 2. гипс; 3. кальцит; 4. флюорит; 5. апатит; 6. ортоклаз; 7. кварц; 8. топаз; 9. корунд; 10. алмаз.

При использовании стандартных минералов их царапают о минералы с неизвестной твердостью. Если минерал можно поцарапать апатитом, но нельзя флюоритом, то его твердость определяется как 4-5.

Этот метод был создан и назван немецким профессором минералогии Фридрихом Моосом (1773-1839). Однако для точного измерения твердости минералов все же требуется микротвердомер или твердомер. Твердость минералов также является одним из физических свойств минералов. Минералы с высокой твердостью широко используются в промышленных технологиях.

Алмазы, корунды и другие минералы не только используются в промышленности, но и становятся драгоценными камнями. Как драгоценные камни, они обычно обладают высокой твердостью.

Например, твердость опала составляет 5,5-6,5, кварца - 6,5-7, сфалерита - 7,5-8, цаворита - 8,5, а твердость сапфиров и рубинов - 9, что уступает только алмазам. Люди выбирают минералы высокой твердости в качестве драгоценных камней, вероятно, потому, что они износостойки и символизируют их непреходящую ценность!

В соответствии с потребностями люди также разработали шкалу твердости драгоценных камней, чтобы определить твердость минералов, от самых мягких до самых твердых: тальк, гипс, кальцит, флюорит, апатит, циркон, корунд, карбид кремния, карбид бора, алмаз и т.д.

Когда нет стандартного минерала, самый простой способ измерить твердость - это ноготь или маленький нож. Твердость ногтя составляет 2,5, медной монеты - 3, а стекла и маленького ножа - 5. Твердость выше 6 - это почти все минералы, похожие на драгоценные камни.

Факторы, влияющие на точность преобразования

Свойства материала

Свойства, присущие испытуемому материалу, могут существенно повлиять на точность пересчета твердости. Например, в стальных сплавах изменения в структуре зерна в результате термообработки могут привести к различным измерениям твердости. Мелкозернистая структура может давать более высокие значения твердости по сравнению с крупнозернистой структурой. Эти различия требуют использования таблиц пересчета для конкретных материалов, таких как ASTM E140 или ISO 18265, для обеспечения точности пересчета.

Методология тестирования

Точность пересчета твердости в значительной степени зависит от используемой методики испытаний. В разных тестах на твердость используются различные инденторы и нагрузки, что может привести к расхождениям. Например, в тесте на твердость по Роквеллу для измерения глубины вдавливания используется алмазный конус или стальной шарик, а в тесте на твердость по Леебу скорость отскока измеряется шариком из карбида вольфрама. Поскольку эти тесты работают на разных принципах, для получения точных результатов необходимо тщательное рассмотрение и иногда промежуточные преобразования (например, HLD в HV в HRC).

Калибровка оборудования

Правильная калибровка оборудования для определения твердости необходима для точного пересчета. Неправильно откалиброванные приборы могут выдавать ошибочные значения твердости, что приводит к неточному пересчету. Регулярная калибровка по стандартным эталонным материалам, как указано в таких руководствах, как ASTM E140, обеспечивает надежность измерений. Например, калибровка твердомера Лееба по сертифицированному эталонному блоку с известным значением твердости помогает поддерживать точность измерений.

Подготовка поверхности

Состояние поверхности материала может повлиять на результаты испытаний на твердость и, следовательно, на точность пересчета. Шероховатая или загрязненная поверхность может привести к неточным показаниям твердости. Правильная подготовка поверхности, такая как полировка и очистка, крайне важна для получения последовательных и надежных измерений. Например, полированная и чистая поверхность дает более точные значения твердости по Роквеллу по сравнению с грубой, неподготовленной поверхностью.

Мастерство оператора

Квалификация и опыт оператора, проводящего испытание на твердость, могут повлиять на точность результатов. Непоследовательное выполнение процедуры испытания, например, неправильное размещение индентора или неправильное приложение нагрузки, может привести к изменению показаний твердости. Обучение и соблюдение стандартизированных протоколов испытаний необходимы для минимизации ошибок, вызванных работой оператора.

Экологические факторы

Условия окружающей среды, такие как температура и влажность, могут влиять на измерения твердости. Экстремальные температуры могут изменять свойства материала, влияя на показания твердости. Для обеспечения точности измерений испытания следует проводить в контролируемых условиях окружающей среды. Например, испытания при комнатной температуре (примерно 20-25°C) идеально подходят для большинства тестов на твердость.

Качество эмпирических данных

Качество эмпирических данных, используемых для составления таблиц пересчета, напрямую влияет на точность пересчета твердости. Таблицы пересчета, основанные на обширных и хорошо задокументированных эмпирических данных, дают более надежные результаты. Для обеспечения точности необходимо обращаться к признанным стандартам и проверенным промышленностью таблицам пересчета, например, к таблицам ASTM E140 или ISO 18265.

Согласованность единиц измерения

Последовательное использование единиц измерения в различных шкалах твердости имеет решающее значение для точного преобразования. Несоответствие единиц измерения, например, использование килограммов силы (кгс) против Ньютонов (Н) для измерения нагрузки, может привести к ошибкам. Всегда следите за тем, чтобы единицы измерения были последовательными и правильно применялись в процессе преобразования.

Промежуточная точность шкалы

При использовании промежуточных шкал для преобразования необходимо учитывать точность каждого шага. Преобразование из HLD в HV, а затем из HV в HRC включает в себя несколько этапов, каждый из которых имеет свой собственный потенциал для ошибок. Обеспечение высокой точности на каждом промежуточном этапе повышает общую точность преобразования.

Проверка данных

Проверка результатов пересчета твердости с использованием нескольких источников или методов повышает точность. Перекрестное сопоставление результатов с различными таблицами пересчета или проведение дополнительных испытаний на твердость с использованием альтернативных методов может подтвердить первоначальный пересчет. Например, проверка преобразования HLD в HRC путем проведения испытания твердости по Виккерсу и сравнения результатов добавляет дополнительный уровень уверенности.

Понимая и учитывая эти факторы, вы сможете повысить точность пересчета твердости, обеспечив надежную и последовательную оценку свойств материала.

Часто задаваемые вопросы

Ниже приведены ответы на некоторые часто задаваемые вопросы:

Как точно перевести HLD в HRC?

Точное преобразование твердости по Леебу (HL) в твердость по Роквеллу (HRC) требует понимания различий между этими шкалами твердости и использования соответствующих методов преобразования.

Твердость по Леебу (HL) определяется с помощью испытания на отскок, когда шарик из карбида вольфрама ударяет по поверхности, а твердость рассчитывается на основе отношения скорости отскока к скорости удара. В отличие от этого, твердость по Роквеллу С (HRC) измеряется с помощью алмазного индентора под определенной нагрузкой, а твердость рассчитывается по глубине вмятины.

Чтобы точно перевести HL в HRC, следует использовать заранее составленные таблицы пересчета для конкретного испытуемого материала. Эти таблицы основаны на обширных эмпирических данных и учитывают различия в методах испытаний.

Например, если у вас есть значение HL, равное 50, и вам нужно перевести его в HRC, вы обратитесь к таблице пересчета. Если таблица показывает, что 49 HL соответствует 112 HRC, а 51 HL - 113 HRC, вы будете интерполировать между этими значениями. Как правило, для консервативной оценки можно использовать меньшее значение, поэтому 50 HL будет соответствовать примерно 112 HRC.

Важно отметить, что точность пересчета зависит от свойств материала. Для разных материалов требуются отдельные таблицы пересчета, поскольку на твердость влияет комбинация факторов, а не одно фундаментальное свойство. Кроме того, для получения точных результатов важна точность вводимых значений, так как модуль упругости и глубина вдавливания играют значительную роль.

Для упрощения процесса можно использовать калькуляторы для пересчета твердости, но эти инструменты также опираются на те же таблицы пересчета и могут давать приблизительные значения. Поэтому использование специальных и точных таблиц пересчета является лучшим методом для достижения точных результатов при пересчете HL в HRC.

Почему для значений твердости необходимы таблицы пересчета?

Таблицы пересчета значений твердости необходимы в связи с различиями, присущими методам испытания твердости, практическими трудностями при испытании различных материалов и необходимостью стандартизированной передачи данных в различных отраслях. Различные методы определения твердости, такие как Виккерс, Кнуп и Роквелл, используют разные инденторы и нагрузки, что приводит к различным измерениям твердости для одного и того же материала. Таблицы пересчета стандартизируют эти значения, обеспечивая согласованность и совместимость.

На практике некоторые материалы могут не подходить для определенных методов испытаний из-за их размера, толщины или хрупкости. Например, маленькие или хрупкие образцы могут требовать испытаний по Виккерсу или Кнупу вместо испытаний по Роквеллу. Таблицы пересчета позволяют переводить значения твердости между этими шкалами, что дает возможность оценить материалы, которые не могут быть испытаны в заданных условиях.

Однако важно понимать, что пересчеты твердости являются приблизительными и основаны на эмпирических данных. Такие факторы, как состав сплава, структура зерна и термообработка, могут влиять на измерения твердости, что затрудняет точные преобразования. Стандарты, такие как ASTM E140, содержат рекомендации по таким пересчетам, но они подчеркивают осторожность и необходимость интерпретации пересчитанных значений в контексте свойств материала и истории его обработки.

В конечном итоге таблицы пересчета играют важную роль в процессах контроля качества и принятия решений. Они обеспечивают основу для сравнения значений твердости при различных методах испытаний, что может повлиять на приемку или отбраковку материалов. Однако пользоваться этими таблицами следует с умом, понимая их ограниченность и приблизительный характер предлагаемых ими преобразований.

Какие проблемы возникают при преобразовании HLD в HRC?

Пересчет значений твердости из твердости по Леебу (HLD) в твердость по Роквеллу (HRC) сопряжен с рядом трудностей. Одной из основных трудностей является отсутствие прямой математической формулы для пересчета. Вместо этого процесс опирается на экспериментальные данные и использование таблиц пересчета или кривых, полученных в результате многочисленных измерений. Эти кривые пересчета являются приближенными и по своей сути несут в себе определенный уровень неопределенности.

Еще один уровень сложности добавляет изменчивость материалов. Даже в пределах одного класса материалов различия в микроструктуре, условиях обработки и незначительные изменения в химическом составе могут привести к разным значениям твердости. Следовательно, кривая пересчета, действительная для одного конкретного материала, может оказаться неточной для другого, даже если оба материала принадлежат к одной общей категории.

Факторы, зависящие от пользователя, также играют значительную роль, особенно при использовании портативных методов определения твердости, таких как тест Лееба. Эти методы, несмотря на их удобство, требуют тщательного обращения и калибровки для минимизации ошибок, что вносит дополнительную неопределенность.

Таблицы пересчета и кривые часто зависят от конкретного материала и не могут быть универсальными. Например, таблица пересчета, разработанная для стали, может оказаться неточной для других металлов или сплавов. Кроме того, один и тот же материал может показывать разные значения твердости при разных условиях испытаний, что еще больше усложняет процесс пересчета.

Учитывая эти проблемы, обычно рекомендуется использовать родную шкалу метода испытания, чтобы избежать неопределенностей, связанных с преобразованиями. Если это возможно, использование единой шкалы твердости во всей производственной цепочке может упростить процессы контроля качества и уменьшить количество ошибок.

С практической точки зрения, при использовании таблиц или кривых пересчета очень важно убедиться, что испытываемый материал точно соответствует материалу, для которого был установлен пересчет. Простые одноточечные поправки на сдвиг часто оказываются недостаточными для материалов с широким диапазоном значений твердости, что приводит к необходимости использования более точных многоточечных кривых пересчета.

В целом, преобразование HLD в HRC сопряжено со значительными трудностями, обусловленными эмпирическим характером преобразований, изменчивостью материалов и возможностью ошибок, зависящих от пользователя. Осознание этих ограничений необходимо, и таблицы и кривые для пересчета следует использовать с осторожностью.

Может ли тип материала влиять на результаты преобразования твердости?

Да, тип материала может существенно повлиять на результаты пересчета твердости. Различные материалы имеют уникальную микроструктуру, на которую влияют такие факторы, как термообработка, условия обработки и химический состав. Даже в пределах одной общей категории материалов эти различия могут приводить к разным значениям твердости. Кривые пересчета твердости, которые определяются эмпирически для конкретных групп материалов, не являются универсальными и могут вносить погрешности при использовании различных материалов. Поэтому для обеспечения точности необходимо вносить поправки на конкретный материал.

Кроме того, решающую роль в измерении твердости играют качество обработки поверхности и структурная целостность материала. Такие факторы, как шероховатость поверхности, градиенты упрочнения и деформированный металл вблизи поверхности, могут влиять на показания твердости. Стандартизированные и соответствующие методы подготовки образцов, разработанные для каждого типа материала, необходимы для уменьшения этих влияний.

Чтобы свести к минимуму погрешности, рекомендуется использовать родную шкалу метода испытания, а не переходить от одной шкалы к другой. Например, использование шкалы Роквелла при испытании по методу Роквелла позволяет избежать потенциальных ошибок, связанных с кривыми преобразования. В целом, тип материала является критическим фактором при пересчете твердости из-за вариаций микроструктуры, эмпирического характера кривых пересчета, а также необходимости введения поправок для конкретного материала и стандартизированных методов испытаний.

Где можно найти надежные таблицы перевода HLD в HRC?

Чтобы найти надежные таблицы перевода HLD (твердость по Леебу) в HRC (шкала твердости по Роквеллу), вы можете обратиться к нескольким надежным источникам:

Сайт Документ по скринингу Eagle Technologies предоставляет полную таблицу пересчета твердости, включающую шкалу твердости Лееба (HLD), а также другие шкалы твердости, такие как Бринелля, Виккерса и Роквелла. Эта таблица особенно полезна для преобразования HLD в HRC и другие шкалы.