Гост 2999-75. металлы и сплавы. метод измерения твердости по виккерсу (с изменениями n 1, 2)

Суть метода

Метод определения твердости по Виккерсу основан на исследовании зависимости глубины проникновения алмазного конуса (индентора) в исследуемый материал от величины усилия. После снятия усилия на поверхности образца остается отпечаток, соответствующий глубине погружения индентора. Ввиду того, что геометрические размеры индентора известны и строго регламентированы, вместо глубины погружения определяют площадь отпечатка в поверхностном слое испытуемого материала.

Определение твердости по Виккерсу возможно для веществ с самыми высокими значениями, поскольку в качестве испытательного конуса используется пирамидка из алмаза, который имеет максимальную известную твёрдость.

Индентор выполнен в виде четырехугольной пирамиды с углами между гранями 136°. Такой угол выбран для того, чтобы сблизить значения метода Виккерса с методом Бриннеля. Таким образом, значения твердости в пределах 400-450 единиц практически совпадают, особенно, в области меньших значений.

Метод Виккерса

Твердость по Виккерсу определяют путем вдавливания пирамиды в испытуемый образец под действием силы определенной величины. Зная приложенную силу и площадь отпечатка можно определить твердость поверхности испытуемого материала.

Вместо расчета площади отпечатка используются значения измеренных диагоналей ромба, между которыми находится прямая зависимость.

Итоговый результат твёрдости определяют по формуле:

Как правило, при измерениях по Виккерсу никаких вычислений по приведенной формуле не применяют, а используют табличные значения, исходя из приложенного усилия, времени воздействия и результирующей площади следа.

Значение приложенной силы регламентировано и составляет 30 кг. Время воздействия на поверхность обычно составляет 10-15 с. Это самые распространенные значения, однако во многих ситуациях необходимо воздействовать на материал образца при помощи иных значений силы.

Величина нагрузки зависит от измеряемого материала (его предполагаемой твердости). Чем тверже поверхность испытуемого образца материала, тем больше нагрузка. Это вызвано стремлением к уменьшению погрешности при определении площади и уменьшения влияния вязкости материала.

Для снижения погрешности также предъявляются ограничения по размерам испытуемого образца. Минимальная толщина образца должна быть в 1,2-1,5 раз больше предполагаемой диагонали отпечатка в зависимости от вида металла (меньшая величина соответствует стали, большая предназначена для цветных металлов). Расстояние между краем образца или краем предыдущего отпечатка и центром отпечатка должно быть не менее 2,5 величины диагонали.

Особые требования предъявляются также к чистоте поверхности. Ее шероховатость не должна превышать 0,16 мкм, что означает необходимость в полировке поверхности.

Таблица для определения твердости по Виккерсу

Малые линейные размеры образца требуют применение микроскопа дл измерения размеров отпечатка, причем, чем тверже образец, тем более четкую картинку должен передавать микроскоп для сохранения точности измерения.

Устройство прибора

Чертёж инденторов для дюрометров типов A и D

В конструкции дюрометров Шора типов A и D входят следующие части:

• Опорная поверхность (площадь не менее 100 мм²) с отверстием диаметром от 2,5 до 3,5 мм, центр которого находится на расстоянии не менее 6 мм от любого края опоры.
• Индентор в виде закаленного стального стержня диаметром 1,10—1,40 мм.
• Индикаторное устройство, показывающее степень выдвижения кончика индентора за пределы опорной поверхности. Степень выдвижения может быть измерена непосредственно в условных единицах в диапазоне от 0, для полного выдвижения кончика индентора, равного 2,50 мм + 0,04 мм, до 100 при отсутствии какого-либо выдвижения вообще, что происходит, например, в том случае, когда опорную поверхность индентора плотно прижимают к стеклянной пластинке.
• Калиброванная пружина для приложения к индентору силы, рассчитанной согласно одной из приведенных ниже формул:

• F = 550 + 75Н_A, где F — прилагаемая сила, мН; Н_A — твердость, определённая по дюрометру типа А;
• F = 445Н_D, где F — прилагаемая сила, мН; H_D — твердость, определённая по дюрометру типа D.

Опционально Твердомеры снабжаются специальным приспособлением или элементами крепления груза, центрированного по оси индентора, позволяющими создавать определённое прижимное усилие. Данное усилие может корректироваться нормативно-технической документацией на конкретные материалы.

Твердость каких материалов измеряется c помощью шкалы Шора

Показатели твердости по этому методу являются государственными стандартами для таких материалов, как резина, каучук, эбонит, силикон, пластик, полиуретан. Впервые подобные нормы были утверждены для резины. Стандарт появился еще в 1975 году, после чего неоднократно корректировался.

Измерять методом Шора можно и твердость металлических изделий. Но технология при этом немного другая. При измерении твердости заведомо жестких материалов отслеживают не глубину погружения индентора, а высоту отскока носика. Для показателей, получаемых методом отскока, также есть отдельная шкала. Но в промышленности чаще применяются другие более точные способы определения.

Несмотря на это, места и ситуации, где используется метод Шора, очень разнообразны и порой неожиданны

Так, на показатели твердости обращают внимание медики, когда подбирают специальные резиновые бинты для фиксации шин. Последние необходимы при оказании помощи после травмы костей

Слишком мягкие бинты не могут достаточно качественно фиксировать шину, а слишком жесткие могут пережать сосуды и нарушить кровоток.

Таким образом, метод, изобретенный американским промышленником еще в прошлом веке, до сих пор актуален во многих областях благодаря объективности и доступности применения.

Дюрометры и шкалы Аскер

Название происходит от бренда «Asker» японского производителя Kobunshi Keiki Co., выпускающей ряд моделей приборов оригинальной фирменной модификации и имеющих соответствующие оригинальные шкалы. Методика измерения твёрдости с применением дюрометров Аскер основана на тех же принципах и фактически является методом Шора. Измерительный прибор, применяемый в этом методе, так же именуется «дюрометр». Применяется в основном для тех же материалов, что и описываемый в данной статье метод Шора, только преимущественно — мягких и эластичных. Часть фирменных шкал Аскер нормируется национальными стандартами Японии. Отличается от классического метода некоторыми параметрами измерительного прибора, инденторами и фирменными названиями типов шкал (моделей приборов).

Твёрдость по дюрометру Аскер обозначается так же, как твёрдость по дюрометру Шора, только вместо «Шор» указывается «Аскер», например, «Твёрдость по Аскер 80C».

Следует иметь в виду, что ряд названий типов шкал совпадает со стандартизованными, но не всегда совпадают значения этих шкал и используемые инденторы. Например, модель «Аскер A» полностью совпадает со стандартной моделью «Шор A», а модель «Аскер C» — только названием типа шкалы. В случае проведения испытаний дюрометром Аскер, модель которого полностью соответствует определённой модели дюрометра Шора для различения при записи результатов испытаний рекомендуется отдавать предпочтение записи «30 ед. Шор A» вместо «30 ед. Аскер A».

Приблизительное соотношение между шкалами дюрометров Шора A и Аскер С

Обозначение твердости

Как и любая физическая величина, твёрдость имеет свое обозначение. Из-за наличия множества методик измерений, каждая из них требует своего обозначения во избежание путаницы. Следует заметить, что часть методов выдает искомую величину как безразмерную, но по методу Виккерса твердость измеряется как кгс/мм2. В обозначениях размерность не пишут, подразумевая ее наличие.

Твердость по Виккерсу обозначается символами HV, где после символов может стоять значение силы и времени выдержки:

• HV 500 – стандартная нагрузка 30 кгс (294,2 Н) при времени выдержки 10-15 с;
• HV 150 10/40 – нагрузка 10 кгс (98,07 Н) при выдержке 40 с.

Перевод значений, измеренных другими методами, производится при помощи стандартных таблиц, которые входят в комплекты документации на измерительные приборы, а также присутствуют в справочной литературе.

Проведение испытания

При испытании материалов, твердость которых не зависит от относительной влажности, дюрометр и образцы для испытания кондиционируют не менее 1 ч в условиях одной из стандартных атмосфер по ГОСТ 12423-2013 «Пластмассы. Условия кондиционирования и испытания образцов (проб)» (ISO 291), защитив их от воздействия прямых солнечных лучей. При испытании материалов, твердость которых зависит от относительной влажности, образцы для испытаний следует кондиционировать по тем же стандартам или согласно соответствующей нормативно-технической документации на испытуемый материал.

При этих же условиях проводят испытание.

Испытуемый образец должен иметь толщину не менее 6 мм. Для достижения необходимой толщины образец для испытаний может состоять из нескольких тонких слоев, но результаты испытаний, полученные с такими образцами, могут не согласовываться с результатами испытаний цельных образцов, так как поверхности таких слоев иногда не полностью соприкасаются друг с другом.

Размеры образцов должны позволять проводить испытание на расстоянии не менее 12 мм от любого края, если только заранее не будет известно, что при испытаниях на меньшем расстоянии от края достигаются идентичные результаты. Поверхность образца в месте контакта с опорной поверхностью на площади радиусом не менее 6 мм от кончика индентора должна быть очень ровной. На кривых, неровных или шероховатых поверхностях нельзя получить удовлетворительные результаты измерения твердости с помощью дюрометра.

Испытуемый образец помещают на твердую ровную горизонтальную поверхность. Дюрометр устанавливают в вертикальном положении так, чтобы кончик индентора находился на расстоянии не менее 12 мм от любого края образца. Как можно быстрее без толчка к образцу прижимают опорную поверхность дюрометра, держа её параллельно поверхности испытуемого образца. К опорной поверхности с помощью специального приспособления или груза прилагают давление, достаточное для обеспечения надежного контакта с образцом.

Допускается пригружение твердомера вручную.

Снимают показания индикаторного устройства спустя 15+1 с. Если необходимо произвести мгновенное измерение, то показание снимают в течение 1 с после прижатия опорной поверхности к образцу. В этом случае записывают максимальное значение, которое покажет индикатор дюрометра.

Лучшая воспроизводимость может быть достигнута путём использования подставки (штатива) для дюрометра или груза, центрируемого по оси индентора, или того и другого вместе для прижатия опорной поверхности к образцу. Для дюрометра типа А рекомендуется масса груза 1 кг, а для дюрометра типа D — 5 кг. Интервал времени, после которого снимают показания, может устанавливаться на отдельные материалы собственной нормативно-технической документацией.

Проводят пять измерений твердости в разных местах поверхности образца, но на расстоянии не менее 6 мм от точки предыдущего измерения, и определяют среднее значение. Рекомендуется при получении с помощью дюрометра типа A значений выше 90 испытания проводить с дюрометром типа D, а при получении с помощью дюрометра типа D значений меньше 20 испытания проводить с помощью дюрометра типа A.

Оформляют протокол испытаний, в который включают:

• ссылку на стандарт;
• полную идентификацию испытуемого материала;
• описание образца для испытания, включая толщину, а в случае применения составного образца и число слоев;
• температуру испытания и относительную влажность, если твердость испытуемого материала зависит от влажности;
• тип дюрометра (A, D и т. д.);
• если известно и если требуется, время, прошедшее с момента изготовления образца до момента измерения твердости;
• отдельные значения твердости и интервал времени, по истечении которого эти показания снимались;
• среднее значение твердости;
• отдельные подробности процедуры, не указанные в стандартах, на которые имеются ссылки, и любые другие указания, которые могут повлиять на результаты.

Показания можно записывать по следующей форме, твердость по Шору: А/15:45, где A — тип дюрометра, 15 — время в секундах от момента приведения опорной поверхности в тесный контакт с образцом до момента снятия показания, 45 — показания. Аналогичным образом твердость по Шору D/1:60 означает показание 60, полученное с помощью дюрометра типа D в течение 1 с или от максимального показания.

5. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ

5.1. Помещение для испытаний должно быть оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией и соответствовать требованиям ГОСТ 12.1.004-85 и .

5.2. При подготовке и проведении испытаний должно соблюдаться правила пожарной безопасности промышленных предприятий, утвержденные ГУПО МВД СССР и ГОСТ 12.3.002-75.

5.3. Аппаратура должна соответствовать требованиям .

Разд. 5. (Введен дополнительно, Изм. № 4).

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ

1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Министерством нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности СССР

ИСПОЛНИТЕЛИ

Л. А. Вишницкая, Л. П. Федюкина, Б. Ф. Кришталь, В. Д. Сокольская, Р.К. Гольнева, О. Н. Беззаботнова

2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 21.01. № 115.

3. Стандарт содержит все требования СТ СЭВ 1198-78

4. ВЗАМЕН ГОСТ 263-53

5. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ

6. Срок действия продлен до 01.01.93 Постановлением Госстандарта СССР от 20.06.88 № 1895.

7. ПЕРЕИЗДАНИЕ (декабрь 1988 г.) с Изменениями № 1, 2, 3, 4, утвержденными в апреле 1980 г., феврале 1983 г., ноябре 1985 г., июне 1988 г. (ИУС 5-80, 6-83, 2-86, 9-88).

Понятие твердости

Твердость материала – это стойкость к разрушению при внедрении во внешний слой более твердого материала. Другими словами, способность к сопротивлению деформирующим усилиям (упругой или пластической деформации).

Определение твердости металлов производится посредством внедрения в образец твердого тела, именуемого индентором. Роль индентора выполняет: металлически шарик высокой твердости; алмазный конус или пирамида.

После воздействия индентора на поверхности испытуемого образца или детали остается отпечаток, по размеру которого определяется твердость. На практике используются кинематические, динамические, статические способы измерения твердости.

В основе кинематического метода лежит составление диаграммы на основе постоянно регистрирующихся показаний, которые изменяются по мере вдавливания инструмента в образец. Здесь прослеживается кинематика всего процесса, а не только конечного результата.

Динамический метод заключается в следующем. Измерительный инструмент воздействует на деталь. Обратная реакция позволяет рассчитать затраченную кинетическую энергию. Данный метод позволяет проводить испытание на твердость не только поверхности, но и некоторого объема металла.

Статические методы – это неразрушающие способы, позволяющие определить свойства металлов. Методы основаны на плавном вдавливании и последующей выдержке в течение некоторого времени. Параметры регламентируются методиками и стандартами.

Прилагаемая нагрузка может прилагаться:

• вдавливанием;
• царапанием;
• резанием;
• отскоком.

На основе проводимых испытаний составляется таблица, в которой указываются материалы, прилагаемые нагрузки и полученные результаты.

3. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЯ

3.1. После вулканизации образцы выдерживают в соответствии с требованиями ГОСТ 269-66.

3.2. Перед испытанием образцы кондиционируют при температуре (23 ± 2) °С не менее 1ч, при этом они должны быть защищены от воздействия прямых солнечных лучей.

3.3. Температура испытания должна быть равна (23 ± 2) °С. Измеряют толщину образца, округляя результат до целого числа.

3.4. Испытуемый образец помещают на гладкую горизонтальную поверхность. Твердомер устанавливают на образец без толчков и ударов в перпендикулярном положении так, чтобы опорная поверхность площадки соприкасалась с образцом.

Способ установки изделий и образцов из них, место измерения твердости и другие необходимые сведения должны быть приведены в нормативно-технической документации на резиновые изделия и методы их испытаний.

Твердомер устанавливают в специальное приспособление, позволяющее создавать прижимное усилие от 10,0 до 12,5 Н, или на него монтируют центрированный по оси индептора груз массой от 1,00 до 1,25 кг.

Допускается твердомер нагружать вручную.

3.3, 3.4. (Измененная редакция, Изм. № 4).

3.5. Отсчет значения твердости производят по шкале прибора по истечении (3) с с момента прижатия прибора к образцу.

3.6. Для образцов, у которых наблюдается дальнейшее отчетливое погружение индептора, показатель отсчитывают по истечении (15 ± 1) с, что оговаривают в нормативно-технической документации на резины, резиновые изделия и методы их испытаний.

3.7. Исключен, Изм. № 3).

3.8. Твердость измеряют не менее, чем в трех точках в разных местах образца.

Где применяются показатели твердости по Шору

Области применения показателей, полученных методом Альберта Шора, разнообразны. Так, художники, выбирая ластики, отдадут предпочтение изделиям с маркировкой 20, а не 50. Для творчества больше подходят мягкие резинки, позволяющие деликатно поправить рисунок или растушевать карандаш. А вот в школе, офисе актуальнее резинки более упругие. Там цель – бесследно стереть недочеты.

Важны показатели упругости у герметика. Так, в случае, если его придется вскрывать, например, из-за того, что он потемнел, потрескался, более низкие показатели твердости окажутся выгоднее. Мягкий герметик удобнее демонтировать. Оптимальные показатели 10-25. Большие величины говорят о низком качестве герметика.

Твердость покрышек для велосипедов, конечно, должна быть ниже, чем для автомобильных колес. Но все же минимальные показатели около 30. А вот для скейтбордов необходимы твердые колеса. Минимальный порог – 75, а если нужны жесткие колеса, то отметка должна быть в районе 95, что схоже с требованиями к твердости шин вилочных погрузчиков.

Даже выбирая каски для рабочих строительной площадки, важно учитывать показатели твердости. Минимальные показатели – 75 единиц

Использовать защитные головные уборы из более мягкого пластика, с показателями 40-60, опасно для жизни и здоровья.

Измерение

Устройство для получения значения твердости было созданоавтором методики А.Шором. Оно получило названием «дюрометр». Этот прибор состоит из следующих элементов:

— опорная площадка, имеющая отверстие,

— индентор,

— упругая пружина для оказания воздействия к стержню,

— индикатор перемещения индентора.

Рис.1. Дюрометр

Для лучшей точности и более широкого спектра измерений используют несколько шкал твердости по Шору, обозначаемых заглавными латинскими буквами. Наиболее часто употребляемыми из них являются шкалы A и D. При этом по шкале A определяется твердость более мягких материалов, а по шкале D – относительно более твердых.

При определении твердости дюрометр устанавливают вертикальным образом на расстоянии не менее 12 мм от конца образца. Опорную панель с достаточной скоростью прижимают к плоскости образца. Усилие на индентор передается либо при помощи веса груза определенной массы, либо вручную.

В случае мгновенных измерений значение получают в течение одной секунды. Более точные измерения проводятся при выдержке порядка 15 секунд и в нескольких разных точках образца. Значение твердости берется как среднее между полученными в разных точках. Значение представляет собой число от 0 до 100 единиц по той или иной шкале.

Существует рекомендация, по которой в случае, если твердость по Шору по шкале A имеет значение более 90 единиц провести повторные исследования по шкале D. Это же правило работает и в обратную сторону: при результате, измеренном по шкале D равном величине менее 20 рекомендуется провести повторные измерения твердости материала по шкале A.

После проведения анализа твердости для формализации результатов оформляется протокол испытаний, включающий обычно:

1) наименование стандарта;

2) марку исследуемого материала;

3) информацию об исследуемом образце: его толщине и число слоев, если применимо;

4) температуру и относительную влажность в помещении для испытания;

5) тип используемой шкалы Шора, например A, D или другой;

6) количество времени с момента получения образца до измерения (если необходимо);

7) все полученные значения с временем, прошедшим между испытаниями;

8) средне арифметическое полученное значение;

9) прочие подробности испытания, влияющие на их результаты.

Полученные результаты фиксируются в виде:«твердость по Шору: D/15:50», где D — шкала измерений дюрометра, 15 — количество секунд по описанной выше процедуре измерений с момента касания индентором опорной поверхности доснятия результата, 50 — значение твердости. Аналогично значение А/1:40 значит уровень твердости 40, полученный на дюрометре со шкалой А в течение одной секунды. Существует таблица ориентировочных значений твердостей Шора для наиболее популярных материалов.

Важно, чтобы измерение проходило при нормальных условиях по влажности, температуре, наличию излучений, в том числе света и т.п. Кроме того имеются требования к форме образца, используемого для испытаний

Он должен быть не более 6 мм толщиной, а ширина такова, чтобы иметь минимум 12 мм от точки приложения индентора до ближайшего края. Его поверхность должна быть гладкой, т.к. любые шероховатости ведут к искажению результата.

Примечания

1. Следует отличать от «склероскопа» — прибора для измерения твёрдости по методу отскока.
2. ↑ Прижимное усилие опорной поверхности дюрометра к испытуемому образцу. Стандартами предусмотрены разные единицы измерения для данного параметра, поэтому они указываются не в заголовке, а в соответствующих строках таблицы. Между разными стандартами имеются небольшие отличия — даны в скобках.
3. Стандарт PV 3931
4. Стандартная атмосфера «23/50»: температура 23±2 °C, относительная влажность 50 %, давление 86—106 кПа.
5. Разброс значений ±5 ед.
6. Резиновые колечки, которыми обвязывают пачки купюр, небольшие пакеты, прикрепляют рецепты к флаконам с лекарственными средствами и т. п.
7. ТУ 38.106.209-90
8. Например, колёсико багажной тележки, ручной клади (чемодана).
9.  (англ.). Дата обращения 8 июля 2010.
10. ↑ На испытуемый образец воздействует (вдавливается) торцевая поверхность сплошного цилиндра.