Твердометрия

Твёрдость — свойство материала сопротивляться пластической деформации при местном контактном воздействии (обычно - при внедрении в материал более твёрдого тела — индентора).
Среди других методов инспекции, применяемых в производстве, приборы для измерения твердости – твердомеры - отличаются широчайшим разбросом параметров и исполнений, в зависимости от выбранной измерительной задачи. Измерения могут проводиться под нагрузками от 3000 кгс (29430 Н) до сотен или даже единиц грамм. Твердость измеряется как для тяжелых и массивных отливок, так и для шестеренок, применяемых в наручных часах, для сверхтвердых материалов и мягких сплавов. Огромное количество различных методов измерения твердости может поначалу привести в замешательство. Далее мы подробно остановимся на трех наиболее широко применяющихся методах измерения твердости – по Роквеллу, Виккерсу и Бринеллю. При выборе твердомера также стоит акцентировать свое внимание на следующих характеристиках:
1)    Прилагаемая нагрузка
2)    Диапазон измерений твердости
3)    Точность результатов
4)    Приспособленность твердомера к измерению твердости объекта заданной формы и размеров
5)    Цена

1.    Прилагаемая нагрузка
Основной принцип при определении прилагаемой нагрузки следующий: индентор не должен проникать на глубину, превышающую 1/10 толщины измеряемого образца (или покрытия образца). По возможности рекомендуется использовать максимально возможную нагрузку – это повышает точность измерений за счет того, что индентор проникает глубже и это нивелирует влияние поверхности, которая может сильно отличаться по своим физическим свойствам. С другой стороны, слишком большая нагрузка может сильно повредить образец и даже вызвать образование трещин на образцах с сильными внутренними напряжениями. При выборе нагрузки важно добиться того, чтобы под ее воздействием материал вел себя как однородный. Например, железо, в общем случае, требует больших нагрузок. 
2.    Диапазон измерений твердости
При работе с материалами с твердостью более 50 HRC (для стали примерно 485 HB) рекомендуется использовать алмазный индентор. Инденторы из стали или карбида могут использоваться только для материалов с меньшей твердостью.
Метод измерения твердости по Бринеллю не подразумевает использования алмазного индентора и по этой причине не может использоваться для измерений твердости закаленной стали. Метод измерения твердости по Роквеллу более гибок за счет использования как алмазных так и стальных инденторов. 
Метод Виккерса использует пирамидальный индентор из алмаза, что позволяет ему работать в большом диапазоне измеряемых значений твердости, хотя он чаще используется в лабораториях чем в производственном цеху.
3.    Точность
Точность измерений зависит от используемого метода и методики проведения. Подготовка поверхности, время измерения, регулярность поверки и калибровки твердомера с использованием эталонных образцов – все это влияет на точность измерений. По возможности рекомендуется использовать статический, а не динамический метод измерений. Точность измерений приобретает огромное значение при работе на малых нагрузках. 
4.    Приспособленность твердомера к измерению твердости объекта заданной формы и размеров
Существует вариант перемещения объекта исследования относительно твердомера и наоборот. Первый вариант подразумевает стационарный твердомер, которые позволяют фиксировать образец в процессе измерений. Такие инструменты подходят для контроля малых и средних образцов. Второй вариант – портативный твердомер, который присоединяется к объекту контроля или просто помещается на больших деталях. Портативные твердомеры с большими нагрузками осуществляют динамический (ударный) режим измерений, портативные твердомеры с небольшими нагрузками обычно работают в статическом режиме. 
Иногда возникает необходимость разработки специальной оснастки для измерения твердости деталей сложной формы.
5.    Цена
На цену влияют следующие основные факторы: гибкость системы, время проведения измерения и степень участия оператора. Первый фактор имеет большое значение при инспекции разнородной продукции, где один прибор используется для измерения твердости всей номенклатуры, например, на малом предприятии. Однако, в случае инспекции серийной продукции на крупном производстве, скорость измерений и возможность проведения измерений оператором с низкой квалификацией оказываются ключевыми факторами. 

Измерение твердости по Роквеллу
Принципиальная схема твердомера со стрелочным индикатором, работающим по методу Роквелла, приведена на рисунке 1 (стрелочный индикатор отражает смещение индентора). 


Рисунок 1. Измерение твердости по Роквеллу

1)    Вначале прикладывается предварительная нагрузка F0, под действием которой индентор слегка входит в материал. После этого стрелочный индикатор выставляется в нулевое положение.
2)    Постепенно и без дополнительных внешних воздействий, к индентору прикладывается дополнительная нагрузка F1, которая позволяет достичь результирующей нагрузки F. Под действием этой нагрузки индентор входит в образец на глубину, зависящую от твердости материала. Следует дождаться завершения внедрения индентора в материал. Стрелочный индикатор отражает смещение индентора.
3)    Дополнительная нагрузка F1 снимается, остается только предварительная нагрузка. В этом состоянии индентор остается в материале, но все упругие напряжения, возникшие в процессе приложения нагрузки, пропадут. Стрелочный индикатор покажет разницу в проникновении между предварительной нагрузкой и основной нагрузкой. Инденторы, предварительные и основные нагрузки, а также единицы измерений стандартизированы и разбиты на 2 группы: стандартный Роквелл и супер-Роквелл. 

Стандартный Роквелл 
В стандартном Роквелле применяется один конический алмазный индентор с углом при вершине 120 градусов и радиусом алмазного наконечника 0,2 мм, а также несколько шариковых инденторов из твердого металла с диаметрами 1/16, 1/8, ¼ и ½ дюйма.  


​Рисунок 2 - Профиль индентора для измерения твердости по Роквеллу

Предварительная нагрузка постоянна и равна 10 кгс (98,1 Н).
Основные нагрузки (предварительная нагрузка + дополнительная нагрузка) могут быть следующими: 60, 100, 150 кгс (588,4, 980,7, 1471 Н).

Примечание: В соответствии со стандартами DIN, предварительные и основные нагрузки различных методов (Роквелл, Бринелль, Виккерс) приводятся только в Ньютонах. Однако, для практических применений до сих пор часто применяют обозначение нагрузки в килограммах силы. Единица измерения стандартного Роквелла соответствует проникновению на 0,002 мм. Единицы твердости растут с ростом твердости материала, в то время как разность проникновения индентора под действием предварительной нагрузки и основной нагрузок снижается. Таким образом, твердость по Роквеллу получается путем вычитания из 100 (для алмазного индентора) или 130 (для любого другого шарикового индентора) разности проникновений, выраженной в единицах [0,002 мм]. 
Пример
С алмазным индентором разность проникновений составила 0,082 мм, твердость по Роквеллу равна 100-(82/2)=59 единиц Роквелла.
Если бы такое проникновение было бы получено с шариковым индентором, то твердость по Роквеллу равнялась бы: 130 – (82/2)=89 единиц Роквелла.
На твердомерах со стрелочным индикатором, который показывает перемещение индентора, шкала обычно разбита на 100 делений, таким образом, полный оборот отвечает 0,2 мм. Стрелочные индикаторы имеют два набора шкал: черные цифры отвечают измерениям с использованием алмазного индентора, а красные цифры – шарикового. Ноль должен быть выставлен по черной шкале (130 по красной шкале). В случае работы с цифровыми приборами, результаты измерений отражаются непосредственно на экране после завершения процесса измерений. Комбинируя различные инденторы и нагрузки можно покрыть большой диапазон шкал твердости, как показано в таблице 1. 

Нагрузка, кгс Шкала HR
150 С G K P V
100 D B E M S
60 A F H L R
Индентор Алмаз Шарик 1/16" Шарик 1/8" Шарик 1/4" Шарик 1/2"
Цифры на шкале Черные Красные

​Таблица 1 – Стандартные шкалы Роквелла

Пример
При работе и алмазным индентором при нагрузке 150 кгс, полученная твердость будет обозначаться HRC, где H – значит твердость (Hardness), R – метод Роквелла (Rockwell), C – используемая шкала. Число твердости проставляется перед данной аббревиатурой, например, 60 HRC.  

Супер-Роквелл
Метод супер-Роквелла использует те же инденторы, что и стандартный Роквелл. Алмазный индентор, однако, несмотря на точно такой же профиль, имеет более высокие требования к точности угла и радиуса. При малых нагрузках отклонения формы индентора приведут к большой ошибке в измерении твердости. Предварительная нагрузка постоянна и равна 3 кгс (29,43 Н). Нагрузки (предварительная нагрузка+ основная нагрузка) могут быть: 15, 30, 45 кгс (147,1, 294,2, 441,3 Н). Единица измерения по методу супер-Роквелла соответствует проникновению индентора на 0,001 мм. В методе супер-Роквелла нулевое положение соответствует цифре 100 (0 по стрелочному индикатору) на шкале независимо от используемого индентора (алмаз или шарик). Фактически, шкала стрелочных индикаторов разделена на 100 градаций, полному обороту соответствует 0,1 мм. 

Пример
При использовании алмазного или шарикового индентора и глубины проникновения 0,082 мм твердость составит 100-82=18 по супер-Роквеллу.
Нагрузка с указанной после не буквой, как в таблице 2, обозначает шкалы супер-Роквелла. Значение твердости помещается перед этими символами, например – 65 HR30T.

Нагрузка, кгс Шкала по супер-Роквеллу HR
45 45N 45T 45W 45X 45Y
30 30N 30T 30W 30X 30Y
15 15N 15T 15W 15X 15Y
Индентор алмаз Шарик 1/16 дюйма Шарик 1/8 дюйма Шарик 1/4 дюйма Шарик 1/2 дюйма

Таблица 2 шкалы супер-Роквелла

Области применения различных шкал Роквелла
Как известно, существует множество шкал стандартного Роквелла и супер-Роквелла. Выбор определенной шкалы зависит от твердости материала, минимальной толщины объекта исследования или отвержденного слоя (в случае обработки поверхности – поверхностного науглероживания, азотирования и т.д.).

От твердости материала зависит и выбор индентора – конический алмазный или шариковый. 

Алмазный индентор применяется для закаленной стали и твердых металлов; он не подходит для измерения твердости стали с упругостью менее 785 Н/мм2. Стальные шариковые инденторы используются для мягких металлов: чем мягче материал – тем меньше нагрузка и больше диаметр используемого шарика. К примеру, шкала HRB (шарик 1/16 дюйма и нагрузка 100 кгс) не позволяет инспектировать столь же мягкие материалы, какие позволяет инспектировать шкала HRL (шарик ¼ дюйма и нагрузка 60 кгс). В основном, шарики большого диаметра используются для инспекции пластиков или похожих на них по механическим свойствам материалов.

При инспекции очень тонких образцов или поверхностных упрочненных слоев, отпечаток индентора может оказать влияние на большую часть материала вокруг области интереса. Если деформация дойдет до противоположной стороны инспектируемого объекта, то результаты будут полностью неверными. Таким образом, для исследования тонких объектов прилагаемая нагрузка не должна приводить к деформации, превышающей толщину объекта с проникновением индентора сквозь весь образец. Это основное правило для всех методов измерения твердости. Для каждого метода измерений и каждого образца должна быть определена граница применимости – минимальная толщина исследуемого объекта из определенного материала. Однако, универсальные границы установить довольно проблематично как раз таки из-за различия свойств разных материалов. Обычно, минимальная измеряемая толщина принимается равной 10 глубинам проникновения индентора в данный материал (см. таблицу 3).

F, кгс HRC
20 30 40 50 60 70
15 0,41 0,33 0,26 0,19 0,14 0,09
30 0,69 0,58 0,47 0,36 0,26 0,17
45 0,91 0,77 0,63 0,50 0,37 0,25
60 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
150 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8

Таблица 3 – Минимальные измеряемые толщины по методу Роквелла при использовании конического алмазного индентора

Подобные расчеты применимы и для упрочненных слоев (поверхностное науглероживание и т.д.), где обычно используется шкала HRA (конический алмазный индентор, 60 кгс). 

Наиболее часто используемые шкалы по Роквеллу:
HRC (конический алмазный индентор – 150 кгс)
Наиболее часто используемая шкала по Роквеллу, используемая для исследования закаленных, упрочненных и сильно науглероженных деталей.
Когда речь идет о шкале по Роквеллу, чаще всего имеется в виду именно шкала HRC. Это может создать некоторую путаницу, поскольку зачастую могут требоваться другие шкалы по Роквеллу. Шкала HRC может быть конвертирована в другие шкалы при помощи специальных таблиц, однако результат этой конвертации должен трактоваться как приближенное значение.

HRA (конический алмазный индентор – 60 кгс)
В основном используется для твердых металлов, где твердость карбидов может вызвать раскалывание алмаза. По этой причине большие нагрузки не рекомендуются. 

HRB (шарик 1/16 дюйма – 100 кгс)
В основном используется в Европе для меди, латуни, бронзы и в США для сплавов железа с твердостью до примерно 686 Н/мм2.

Супер-Роквелл
Шкалы: HR15N, HR30N, HR45N (конический алмазный индентор) подходят для инспекции деталей с тонкими поверхностными слоями.
Шкалы: HR15T, HR30T, HR45T (шарик 1/16 дюйма) подходят для инспекции тонких образцов. 
Инспекция цилиндрических поверхностей
Условия работы с цилиндрическими поверхностями сильно отличаются от работы с плоскими поверхностями. В случае больших диаметров различия не так заметны. Для небольших радиусов требуется поправка (зависящая от радиуса и твердости). Поправки, которые стоит добавлять к результатам измерений цилиндрических поверхностей, приведены в таблице 4. 

​​

  Диаметр объекта исследования
3 6 10 12 15 20 25
Шкалы HR C-D-A 80   0,5 0,5 0,5 0 0 0
70   1,0 1,0 0,5 0,5 0,5 0
60   1,5 1,0 1,0 0,5 0,5 0,5
50   2,5 2,0 1,5 1,0 1,0 0,5
40   3,5 2,5 2,0 1,5 1,0 1,0
30   5 3,5 2,5 2,0 1,5 1,0
20   6 4,5 3,5 2,5 2,0 1,5
Шкалы HR ​15N-30N-45N 90 0,5 0,5 0 0 0 0 0
80 1,0 0,5 0,5 0,5 0 0 0
70 2,0 1,0 1,0 0,5 0,5 0,5 0,5
60 3,0 1,5 1,0 1,0 0,5 0,5 0,5
50 3,5 2,0 1,5 1,0 1,0 1,0 0,5
40 4,5 3,0 2,0 1,5 1,0 1,0 1,0

Таблица 4 – Поправочные значения для измерения твердости по Роквеллу цилиндрических поверхностей алмазным индентором (поправку необходимо прибавить к полученному значению твердости)

Преимущества и ограничения метода Роквелла

Среди основных методов измерения твердости Роквелл является единственным, который непосредственно считывает измерения твердости без необходимости оптического анализа отпечатка (как в Виккерсе и Бринелле). В связи с этим, метод Роквелла является самым быстрым и поддающимся полной автоматизации методом. 
Твердомеры, работающие по методу Роквелла, самые популярные, поскольку они наименее подвержены влиянию оператора на результаты измерений. 
Даже несмотря на то, что, в соответствии со стандартами, поверхность образца перед измерением твердости должна быть гладкой, метод Роквелла наименее чувствителен к шероховатости поверхности. 
Основным ограничением метода Роквелла является то, что максимальная и минимальная нагрузки различаются всего в 10 раз. В твердометрии на большинстве предприятий требуются нагрузки в диапазоне от 1 до 3000 кгс. Шкала же Роквелла подходит для стальных образцов толще 0,15 мм. 
Для обхода данного ограничения при низких нагрузках производятся твердомеры, работающие по принципу Роквелла с нестандартизированными малыми нагрузками. 
Несмотря на наличие различных шкал Роквелла, для некоторых важных материалов, например, необработанной стали, нет подходящей шкалы. В таком случае рекомендуется использовать инструмент, работающий по принципу Роквелла с нагрузками и инденторами, относящимися к методу Бринелля. 

Модификация принципа Роквелла
 Недостатком метода Роквелла является то, что результат измерений сильно зависит от контакта между объектом исследования и столиком твердомера. При снятии дополнительной нагрузки и возврату к предварительной нагрузке показания индикатора должны отвечать именно глубине проникновения и не зависеть от внешних факторов. Это возможно только в случае идеального контакта между деталью и столиком. Если, например, на детали были остатки масла или смазки и деталь сместилась в процессе приложения нагрузки, то измеренное значение твердости будет меньше истинного. 
Поскольку не всегда возможно работать в идеальных условиях, к примеру в многие измерения необходимо проводить в условиях цеха, данную особенность процесса измерений требуется всегда принимать во внимание. Для преодоления этой проблемы, практически все твердомеры производства Ernst (серия AT, TWIN, BRE-AUT, COMPUTEST SCX, DYNATEST SCX) работают по модифицированному методу Роквелла, схема которого приведена на рисунке 3. Дополнительная опора на исследуемой поверхности дает глубину проникновения. Таким образом, перемещения объекта исследования или столика не влияют на результаты измерений. 
Благодаря этой методике аналогичные преимущества достигаются и при использовании методов Бринелля и Виккерса.  


​​
Рисунок 3 – Измерения твердости по модифицированному методу Роквелла


1)    Инденторная сборка (a и b) движется вниз к объекту исследования, прикладывается предварительная нагрузка. Нулевое положение выставляется автоматически
2)    Применятся основная нагрузка
3)    Нагрузка снимается и индикатор показывает перемещение индентора

В случае смещения образца в процессе измерений, соотношение между a и b остается постоянным, что позволяет избежать основной ошибки измерений по методу Роквелла. Такой же принцип применяется и в методе супер-Роквелла.
В твердомерах ERNST имеется еще один компонент, который не стоит путать со вспомогательной частью индентора b. В стационарных твердомерах этой компонент называется фиксатором. Это фиксатор используется для закрепления образца без каких либо дополнительных оснасток. Фиксатор, в случае необходимости, можно легко снять. В портативных твердомерах этот компонент называется «база», он сменный и позволяет осуществить наилучшую поддержку для объекта исследования.

Метод Бринелля
В методе Бринелля карбидовый шариковый индентор (диаметр которого выражается в мм) вдавливается в исследуемую поверхность (гладкую и плоскую) с определенной нагрузкой на определенное время (обычно – 15 секунд).
Диаметр отпечатка измеряется оптической системой (микроскопом или профильным проектором). В случае не идеально круглого отпечатка для расчетов берется среднее значение диаметра. Твердость по Бринеллю определяется соотношением между приложенной нагрузкой и площади скругленной формы (части сферы), полученной в результате вдавливания индентора:

где F – нагрузка, выраженная в кгс, D – диаметр шарика в мм и d – диаметр отпечатка в мм.


Рисунок 4 – Измерение твердости по Бринеллю

Зная нагрузку, диаметр шарика и диаметр отпечатка, можно быстро определить твердость по Бринеллю при помощи специальных таблиц. Обычно в методе Бринелля используются шарики с диаметрами 10, 5 и 2,5 мм. 
Нагрузки: 3000, 1000, 750, 500, 250, 187,5, 125, 62,5, 31,25 кгс (29420, 9807, 7355, 4903, 2452, 1839, 1226, 612,9, 306,5 Н). 

При измерении твердости по Бринеллю следует учитывать следующие указания:
1)    Стандарты требуют, чтобы диаметр отпечатка находился в диапазоне от 0,24 до 0,6 от диаметра шарика; для выполнения этого требования стоит заранее знать, какую нагрузку и какой диаметр шарика использовать для данного материала.
Естественно, при исследовании мягких образцов при помощи шарика малого диаметра и под большой нагрузкой, шарик проникнет в образец слишком глубоко. Обратно, если инспектировать твердый материал при помощи шарика большого диаметра и под малой нагрузкой, то отпечаток будет небольшим и его невозможно будет считать, если он окажется меньше 0,24 диаметра шарика.
2)    В методе Бринелля имеет место фундаментальное соотношение F/D2 между приложенной нагрузкой (кгс) и квадратом диаметра шарика (мм). Данное соотношение является важнейшей характеристикой данного измерения твердости. Самые часто встречающиеся соотношения: 30, 10, 5, 2,5 (для особо мягких материалов можно использовать меньшие соотношения).
К примеру, в случае шарика диаметром 10 мм и нагрузки 3000 кгс, соотношение будет равно 30. Для шарика диаметром 5 мм и нагрузки 125 кгс соотношение будет равно 5. Естественно, чем тверже металл, тем большее значение соотношения требуется использовать.
3)    Соотношение F/D2 очень важно т.к. результаты измерений будут разниться в зависимости от выбранного соотношения. 
Действительно, один и тот же материал, испытанный 10 мм шариком под нагрузкой 1000 кг (соотношение HB10) даст значение твердости, отличное от 10 мм шарика и 500 кг нагрузки (соотношение HB5).
С другой стороны, при инспекции образца при помощи шарика 2,5 мм и нагрузки 62,5 кгс (соотношение HB10), результат измерений будет тем же, что и в первом случае, поскольку в обоих случаях соотношение аналогично (учитывая предположение, что материал равномерен без слоев с различными значениями твердости).

Сведения об измерениях твердости по Бринеллю
Аббревиатура HB означает измерение твердости по Бринеллю. H означает твердость (hardness), B – Бринелль (Brinell). 
Значение твердости по Бринеллю указывается перед буквами HB, после которых идет информация о диаметре шарика, нагрузке и времени приложения нагрузки. 

Диаметр шарика, мм Нагрузка, кгс
10   1000 500 250
5 750 250 125 62,5
2,5 187,5 62,5 31,2 15,6
Соотношение HB30 HB10 HB5 HB2,5

​Таблица 5 – Бринеллевское соотношение F/D2

Пример: 305 HB2,5/187,5/15
Для портативных инструментов за аббревиатурой HB идет соотношение F/D2 (например, 305 HB30).
Различные соотношения указаны в таблице 5.

Применения метода Бринелля
Как уже было сказано в предыдущей главе от твердости материала зависит выбор соотношения F/D2.
После выбора соотношения выбирается нагрузка, исходя из следующих факторов:
1)    Минимальная толщина исследуемого материала (см. таблицу 6)

Шарик, мм F, кгс HB
40 60 80 100 150 200 300 400 500
2,5 187,5 HB30   2,40 1,60 1,20 0,80 0,60 0,48
5 125 2,0 1,3 1,0 0,80 0,53     HB5
10 1000 8,0 5,3 4,0 3,2 2,1 1,6   HB10
10 3000 HB30   9,6 6,3 4,8 3,2 2,4 1,9

Таблица 6 – Минимальные измеряемые толщины по методу Бринелля

2)    Однородность материала. В случае неоднородности материала рекомендуется использовать большие нагрузки.
3)    Чем больше отпечаток – тем легче его измерить, как на микроскопе так и на профильном проекторе. 

Общая информация о применении метода Бринелля 

Сталь
Всегда следует использовать HB30
Метод Бринелля имеет огромное значение для сталей, поскольку имеется строгое соотношение между твердостью по Бринеллю и пределом прочности (0,36 для углеродистых сталей, хромистых сталей и хромомарганцевых сталей; 0,34 для хромоникелевых сталей). 
Пример: 225 HB30 x 0,36 x9,807 = 794,3 N/mm2.
Это единственный неразрушающий метод контроля для определения предела прочности стали. Стоит однако помнить, что метод Бринелля не подходит для закаленных сталей, для инспекции которых требуется алмазный индентор. 

Мягкое железо
В основном, используется HB30, даже если диаметр отпечатка превышает половину диаметра шарика. 

Чугун
Всегда используется HB30. Из-за большой неоднородности этого материала, рекомендуется работать с максимальной нагрузкой, которую позволяет применять толщина образца. Обычно используется нагрузка 3000 кгс.

Легкие сплавы
HB10 или HB5. Иногда для работы с мягкими сплавами применяется HB 2,5.

Сплавы меди
HB10 для бронзы (в некоторых случаях используется HB30) и HB5/HB10 для латуни. 


Преимущества и ограничения метода Бринелля

Основным достоинством метода Бринелля является возможность приложения больших нагрузок при помощи надежного и простого в использовании инструмента. Также, размер отпечатка можно считать при помощи микроскопа или зрительного стекла. Измерение возможно, даже если объект исследования не идеально спозициониран, что необходимо например в методе Роквелла. Метод Бринелля не чувствителен к деформации отклонению объекта исследования. Возможно также вычислить значение предела прочности материала простым умножением значения твердости по Бринеллю на коэффициент, зависящий от материала образца. Деформация отпечатка может дать информацию о существующих в материале напряжениях. 
Основным ограничением метода Бринелля является необходимость оптического считывания размеров отпечатка. В связи с этим существует вероятность, что ошибка оператора повлияет на результаты измерений. Также требуется тщательная подготовка поверхности для получения точных результатов. По этой причине метод Бринелля не может использоваться для быстрых измерений твердости и следовательно, им очень тяжело контролировать большие объемы продукции. По этой причине часто применяется метод Роквелла с Бринеллевскими инденторами и нагрузками (см. следующую главу). В случае инспекции цилиндрических объектов требуется создать плоскость на поверхности образца. 

Измерения по методу Роквелла с использованием Бринеллевских инденторов и нагрузок
Как уже было упомянуто в предыдущей главе, для преодоления ограничений метода Бринелля, часто используются твердомеры, работающие по методу Роквелла, но с использованием Бринеллевских нагрузок и инденторов. Действительно, большинство твердомеров, работающих по принципу Роквелла, совместимы с Бринеллевскими нагрузками (62,5, 125, 187,5 кгс/612,9, 1226, 1839Н). В этом случае, твердость измеряется за счет вычисления разности глубин проникновения под действием основной нагрузки и предварительной нагрузки. 
Результаты измерений отображаются на экране или стрелочном индикаторе в единицах твердости по Роквеллу. Эти результаты переводятся в шкалу по Бринеллю при помощи специальных таблиц. 
Однако, этот метод не является чистым методом Бринелля, поскольку в нем не используется оптическое считывание результата. На самом деле, результаты перевода результатов таких измерений в шкалу Бринелля отличаются для различных металлов: к примеру, для стали и чугуна используются разные коэффициенты перевода. 
Несмотря на это, данный метод удобен для инспекции больших объемов продукции, поскольку он позволяет избежать оптического считывания результатов и подготовки поверхности образца, которых требует классический Бринеллевский метод.
При измерениях стали возможно использовать специальную калиброванную шкалу для непосредственного считывания предела прочности в кгс/мм2 и Н/мм2.    
Для повышения точности при больших объемах измерений, твердомеры ERNST дают возможность оператору самостоятельно вносить изменения в калибровочную шкалу Бринелля, основанную на измерении твердости по Бринеллю калибровочных образцов (твердость которых аттестована при помощи традиционного твердомера по Бринеллю).

Метод Виккерса
Принцип работы метода Виккерса очень похож на метод Бринелля, за тем исключением, что используется пирамидальный алмазный индентор с квадратным основанием и углом 136о между гранями. После вдавливания индентора проводятся измерения двух диагоналей и берется среднее значение, поскольку они почти никогда не равны друг другу. 


Рисунок 5 – Иллюстрация принципа Виккерса

Как и в случае Бринелля, значение твердости по Виккерсу определяется отношением между приложенной нагрузкой и площадью отпечатка, согласно формуле:

Где F – нагрузка в кгс и d – диагональ (или среднее значение двух диагоналей), выраженная в мм.
Естественно, существуют таблицы для быстрого определения твердости по Виккерсу по диагонали отпечатка.
В данном методе применяется большое количество различных нагрузок, но наиболее часто используемые: 1,2,5,10,30 кгс (9,81, 16,62, 49,05, 98,10, 294,30 Н).
Имеется возможность работы с нагрузками менее 1 кгс (9,81 Н). Это диапазон относится к измерениям микротвердости и применяется в металлографических лабораториях.

Область применения метода Виккерса 
В методе Виккерса имеется возможность сравнивать друг с другом результаты, полученные при разных нагрузках. Это возможно, поскольку в методе Виккерса используется всего один индентор и поскольку твердость по Виккерсу отражает конкретное отношение нагрузки к площади отпечатка. К примеру, при измерении твердости одного и того же материала при 30 кгс (294,30 Н) и затем при 1 кгс (9,81 Н) результат будет одинаковым (в приближении однородного материала без слоев с различной твердостью). Даже в случае образца, обладающего слоями с различной твердостью, увеличение нагрузки позволит определить глубину этих слоев. Стоит принимать во внимание, что если нагрузка не превышает 200 грамм, то даже для однородного материала твердость окажется больше твердости, измеренной при больших нагрузках, из-за эффекта остаточного напряжения. Также стоит помнить, что толщина объекта исследования должна быть минимум в 10 раз больше глубины проникновения индентора (см. таблицу 7).

F, ​​кгс HV
20 50 100 200 300 400 600 800 1000
0,200 0,19 0,12 0,09 0,06 0,05 0,04 0,04 0,03 0,03
1 0,43 0,28 0,19 0,14 0,12 0,10 0,08 0,07 0,06
2 0,62 0,39 0,28 0,19 0,16 0,14 0,12 0,10 0,09
5 1,0 0,62 0,44 0,31 0,25 0,22 0,18 0,15 0,14
10 1,4 0,87 0,62 0,43 0,36 0,31 0,25 0,22 0,19

Таблица 7 – Минимальные измеряемые толщины по методу Виккерса

После аббревиатуры значения твердости по Виккерсу HV (H-твердость (hardness), V – Виккерс (Vickers) указывается использованная нагрузка в кгс или Н и, в некоторых случаях, время приложения нагрузки. Самое значение твердости указывается перед данной аббревиатурой. 

Пример: 715 HV 5/15
Метод Виккерса отлично подходит для малых и тонких образцов, а также образцов с обработанной поверхностью, для измерения которых требуются малые нагрузки; метод Виккерса плохо подходит для измерения неоднородных материалов, таких как чугун. 

Преимущества и ограничения метода Виккерса 
Основным преимуществом метода Виккерса является одна шкала, которая охватывает диапазон твердостей от самых малых до высоких. По этой причине метод подходит для исследовательских лабораторий. Искажения отпечатка могут указывать на структурные особенности исследуемого материала. Как и метод Бринелля, метод Виккерса не чувствителен к отклонениям образца. В сравнении с результатами измерения твердости, полученными по методам Роквелла и Бринелля, твердость по методу Виккерса имеет более строгое значение т.к. всегда отражает измерения зондом одинаковой формы под определенной нагрузкой. 
Ограничение метода Виккерса – быстродействие. Измерение параметров отпечатка требуется проводить при помощи оптических приборов (микроскопа или профильного проектора). Область исследования должна быть тщательно подготовлена и отполирована. По этой причине перпендикулярность оси индентора поверхности образца имеет огромное значение, поскольку отклонения приведут к изменению формы отпечатка. По этой причине, не рекомендуется использовать метод Виккерса на производстве. Можно сказать, что метод Виккерса больше подходит для лабораторий, чем для цеховых условий. Во избежание этих ограничений, твердомеры Ernst проводят измерения твердости в шкале Виккерса более быстрым и удобным способом. 

Метод Шора для металлов  
Метод основан на следующем принципе: шарик (или стержень с шариковым наконечником) падает на объект исследования и отскакивает. Отскок более или менее коррелирует со значением твердости материала. Этот метод не так широко распространен поскольку, несмотря на простоту принципа, точность сильно зависит от массы объекта исследования и перпендикулярности падения шарика. Данный метод в основном применяется для больших цилиндрических объектов с хорошей обработкой поверхности. Некоторые твердомеры Ernst могут осуществлять непосредственное считывание измерений по шкале Шора. 

Метод Кноппа
Также как и в методе Виккерса, в данном методе в качестве индентора применяется алмазная пирамида с ромбическим основанием и отношением диагоналей 1:7. Этот метод применяется в лабораториях для измерений под малыми нагрузками.

Использование таблиц перевода между шкалами
Соответствие между различными шкалами определяется в эмпирических исследований, однако, следует помнить, что между шкалами в общем случае нет строгой математической связи. Фактически, таблицы, полученные из различных источников, могут разительно отличаться. По этой причине результаты конвертации между шкалами не могут считаться абсолютными значениями, а являются лишь оценкой. Также, существуют таблицы для определения предела прочности на растяжение (выраженного в кгс/мм2 или Н/мм2) для сталей с коэффициентом 0,36 или 0,34 относительно шкалы HB30.

Использование эталонных образцов
Обычно, твердомеры комплектуются одним или несколькими эталонными образцами твердости. Эти образцы изготавливаются из материалов с высокой степенью однородности и качеством обработки. Образцы калибруются только с одной стороны. Очень важно проверять твердомеры при помощи тестовых образцов для определения его погрешности. Минимальное расстояние между центрами отпечатков или центром отпечатка и краем образца должно удовлетворять следующим требованиям:

  • Для метода Роквелла: 3 мм
  • Для Роквелла N: 1 мм
  • Для Роквелла T: 2 мм
  • Для метода Бринелля: от 2,5 до 6 диаметров отпечатка, в зависимости от твердости

После того, как вся поверхность эталонного образца покроется отпечатками, его необходимо будет заменить на новый. Со временем значение твердости эталонного образца может меняться. Установлено, что твердость образца HRC60 за 5 лет увеличивается на 0,5-1 единиц твердости HRC.