Измерение твердости — это определение сопротивления материала пластической деформации или разрушению путем вдавливания индентора (шарика, конуса, пирамидки) или измерения отскока бойка, с последующим расчетом значения по размеру отпечатка или скорости отскока, используя методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, Либа и другие, что критически важно для оценки качества и долговечности материалов.

Основные методы измерения твердости.

• По Бринеллю: Вдавливается стальной шарик под нагрузкой; твердость рассчитывается по площади полученного отпечатка (HB).
• По Роквеллу: измеряется глубина вдавливания наконечника (алмазного конуса или шарика) после снятия основной нагрузки. Результат безразмерный и обозначается HRA, HRB, HRC и т.д., в зависимости от шкалы.
• По Виккерсу: вдавливается алмазная четырехгранная пирамидка; твердость (HV) определяется по площади отпечатка.
• По Либу (динамический): измеряется высота или скорость отскока бойка от поверхности после удара, твердость обозначается HLD, HLC и т.д.
• По Шору (динамический/статический): для мягких материалов (резины), определяется глубина вдавливания полусферы (метод Аскер) или высота отскока бойка (метод Шора).

Принцип измерения.

• Нанесение нагрузки: Индентор (стержень с наконечником нужной формы) вдавливается в поверхность образца с определенной силой (статические методы).
• Измерение: измеряется размер отпечатка (диаметр, глубина) или скорость отскока бойка.
• Расчет: По полученным данным и специальным формулам (согласно ГОСТам) рассчитывается число твердости.

Требования к образцам
Поверхность должна быть чистой, ровной, без окислов и следов наклепа.
Толщина образца должна быть достаточной, чтобы избежать прогиба и искажения результата.

Твердость измеряют путем вдавливания специального индентора (шарика, конуса или пирамиды) в поверхность материала под определенной нагрузкой и последующего измерения либо глубины погружения, либо размеров образовавшегося отпечатка (диагонали). Основные методы — Бринелля (шарик, измерение диаметра отпечатка), Виккерса (алмазная пирамида, измерение диагонали отпечатка), Роквелла (конус/шарик, измерение остаточной глубины погружения), а также более современные (Шор) или динамические.

Основные методы измерения твердости.
По Бринеллю (HB):
Индентор: стальной шарик или из твердого сплава.
Принцип: вдавливается шарик под нагрузкой.
Измерение: измеряется диаметр полусферического отпечатка и по таблицам или формуле определяется число твердости (HB).

По Виккерсу (HV):
Индентор: алмазная пирамида с квадратным основанием.
Принцип: Пирамида вдавливается с контролируемым усилием.
Измерение: измеряются диагонали ромбовидного отпечатка под микроскопом, и твердость (HV) рассчитывается по площади отпечатка.

По Роквеллу (HR):
Индентор: алмазный конус или стальной шарик.
Принцип: сначала прикладывается небольшая предварительная нагрузка, затем основная, после снятия которой измеряется остаточная глубина погружения индентора.
Измерение: твердость определяется по глубине погружения, безразмерна (HRA, HRB, HRC и т.д.).

Динамические методы (например, по Либу):
Принцип: измеряется высота отскока специального бойка (молотка) от поверхности.

Общая процедура.

• Подготовка образца: поверхность очищают от окалины, смазки и делают ее ровной.
• Установка образца: образец прочно закрепляется на столике твердомера, чтобы исключить смещение.
• Приложение нагрузки: индентор плавно приводится в контакт с образцом и к нему прикладывается заданная нагрузка.
• Выдержка: нагрузка выдерживается определенное время (зависит от метода).
• Снятие нагрузки: нагрузка снимается, индентор отводится.
• Измерение: измеряется размер отпечатка или глубина погружения с помощью микроскопа или автоматических датчиков прибора.
• Расчет: число твердости вычисляется по формуле или берется из таблиц.

Измерение твердости позволяет оценить сопротивление материала пластической деформации, царапинам и истиранию, измеряя его стойкость к вмятинам, износ и обрабатываемость, а также предсказывая прочность, долговечность и применимость для различных нагрузок, что критично для качества и срока службы изделий. Параметры включают величину вдавливания (глубину или диаметр отпечатка) под нагрузкой и оценивают износостойкость и способность к обработке давлением или резанием.

Основные параметры, которые измеряются и оцениваются:

• Сопротивление пластической деформации: способность материала не деформироваться необратимо под нагрузкой.
• Сопротивление царапанию (истиранию): устойчивость поверхности к повреждениям от трения.
• Износостойкость: как долго материал сохраняет свои свойства при эксплуатации.
• Обрабатываемость: возможность обработки резанием, штамповкой или шлифовкой.
• Прочность и долговечность: косвенно связаны с твердостью (чем тверже, тем часто прочнее и долговечнее).
• Стойкость к локальным ударным нагрузкам: особенно важно для подшипников и валов.

Как это происходит (методы):

• Вдавливание (индентирование): в поверхность вдавливается шарик, конус или пирамида под известной нагрузкой; измеряется размер отпечатка (Бринелль, Роквелл, Виккерс).
• Царапание: оценка способности материала противостоять царапанию острым предметом.
• Отскок (маятниковые твердомеры): оценивается высота отскока бойка, что связано с упругостью материала.

Что это дает:
Твердость – ключевой показатель, который помогает выбрать материал для конкретной задачи: от изготовления ножей (нужна высокая твердость) до мягких уплотнителей (требуется низкая твердость по Шору).

Измерение твердости — универсальный, быстрый и неразрушающий метод контроля, который позволяет оценивать долговечность, износостойкость и качество материалов (металлы, сплавы, пластмассы), определяя их сопротивление деформации, что важно для входного контроля сырья и оценки готовых изделий, а также дает возможность предварительно судить о структуре металла, например, после закалки. Преимущества включают возможность измерений на готовых деталях, мелких образцах и даже в труднодоступных местах с помощью портативных приборов.

Преимущества измерения твердости:

• Универсальность: применяется для широкого спектра материалов: сталей, алюминия, сплавов, композитов, пластмас, от очень мягких до очень твердых.
• Неразрушающий контроль: методы, такие как Роквелл или Виккерс, оставляют минимальные или несущественные следы, позволяя использовать детали в дальнейшем.
• Высокая оперативность: измерения занимают мало времени, что ускоряет контроль качества.
• Оценка эксплуатационных свойств: твердость коррелирует с прочностью, износостойкостью и долговечностью, помогая прогнозировать срок службы.
• Контроль структуры: позволяет выявлять зоны термической обработки (закалки) и оценивать однородность материала.
• Возможность контроля готовых изделий: можно измерять твердость на деталях, узлах и конструкциях без их разрушения, в том числе портативными твердомерами в полевых условиях.
• Экономичность и простота (для некоторых методов): например, метод Роквелла не требует сложной подготовки образцов и имеет прямое считывание, а метод Бринелля менее чувствителен к качеству поверхности и позволяет быстро оценить предел прочности.
• Возможность измерения микрообразцов: позволяет изучать тонкие пленки, покрытия, микрочастицы и наноматериалы.

Где применяется:

• Входной контроль: проверка сырья (прокат, поковки) на соответствие стандартам.
• Машиностроение, энергетика, судостроение: Контроль качества деталей и узлов.
• Научно-исследовательские работы: Исследование новых материалов.