Твердомеры для металлов. Метод Роквелла и Бринелля

Подробное описание

Принцип работы твердомеров для измерения твердости по методу Роквелла заключается в измерении остаточной глубины внедрения стандартного наконечника -алмазного конуса или стального шарика, в поверхность испытуемого изделия под действием суммы двух последовательно прилагаемых нагрузок – предварительной и основной, измеренной после выдержки под нагрузкой и снятия основной нагрузки.

Принцип работы твердомера для измерения твердости по методу Бринелля заключается во вдавливании индентора – стального шарика стандартного диаметра в образец под действием нагрузок предварительной и основной, приложенных перпендикулярно поверхности образца в течении определенного времени и измерении диаметра отпечатка при помощи микроскопа.

Конструктивно твердомеры состоят из рычажной системы нагружения, системы отсчета показаний и механизма подъема стола, смонтированных в едином корпусе.

Система нагружения твердомеров обеспечивает приложение и снятие заданной основной нагрузки в соответствии с ГОСТ 23677-79 через наконечник к испытуемому изделию.

Система отсчета твердомеров обеспечивает визуальный контроль за приложением предварительной нагрузки, а также отсчет результатов испытания.

Механизм подъема стола предназначен для установки испытуемого изделия, его подвода к наконечнику, приложения предварительной нагрузки, а также отвода испытуемого изделия в исходное положения после завершения процесса измерения.

Твердомеры ТРТС выпускаются в нескольких модификациях. Модификации твердомеров отличаются способом приложения нагрузки, а также способом представления информации. Кроме того, твердомеры могут иметь варианты исполнения для измерения твердости как наружных поверхностей, так и внутренних.

Обозначение твердомеров при их заказе:

-твердомер с ручным приложением нагрузки, с аналоговой отсчетной системой:

“Твердомер ТРТС-01. УХЛ4.2. ТУ 4271-014-99369822-12”;

-твердомер с электромеханическим приложением нагрузки, с аналоговой отсчетной системой:

“Твердомер ТРТС-02. УХЛ4.2. ТУ 4271-014-99369822-12”;

-твердомер с электромеханическим приложением нагрузки, с аналоговой отсчетной системой, с возможностью измерения внутренних поверхностей:

“Твердомер ТРТС-03. УХЛ4.2. ТУ 4271-014-99369822-12”;

-твердомер с электромеханическим приложением нагрузки, с цифровой отсчетной системой:

“Твердомер ТРТС-10. УХЛ4.2. ТУ 4271-014-99369822-12”;

-твердомер с электромеханическим приложением нагрузки, с цифровой отсчетной системой, с возможностью измерения внутренних поверхностей:

“Твердомер ТРТС-11. УХЛ4.2. ТУ 4271-014-99369822-12”.

Функционально твердомеры обеспечивают измерение твердости наружных и внутренних поверхностей деталей по методу Роквелла в соответствии с требованиями ГОСТ 24622-91 с представлением результатов измерений в единицах твердости. Представление результатов измерений на твердомерах моделей ТРТС-01, ТРТС-02 и ТРТС-03 осуществляется по шкале индикатора часового типа. На твердомерах моделей ТРТС-10 и ТРТС-11 на дисплее встроенного пульта управления. Кроме того, программное обеспечение твердомеров моделей ТРТС-10 и ТРТС-11 позволяет фиксировать и представлять на дисплее следующие параметры: -глубину внедрения индентора, в мм;

-твердость, HR или HB;

-группу твердости (больше, норма, меньше);

-отклонение от стандартной твердости в абсолютных единицах;

-среднее значение всех параметров в серии до 50 испытаний, а также расхождение результатов в серии в процентах и абсолютных единицах HR или НВ;

– по запросу оператора вывод на индикацию значения электронного клейма.

Рисунок 1

Твердомеры модели ТРТС-01.

Рисунок 2

Твердомеры модели ТРТС-02.

I

Рисунок 3

Твердомера модели ТРТС – 03

Рисунок 4

Твердомера модели ТРТС-10.

Рисунок 5

Твердомера модели ТРТС-11.

Оборудование для проведения измерения

На момент разработки рассматриваемой методики измерения твердости специального оборудования не было

После того, как в машиностроительной и других областях промышленности установили важность этой физико-механической характеристики, было разработано специальное оборудование, которое основано также на вдавливании шарика или конуса в тестируемый объект. Современное оборудование позволяет с высокой точностью контролировать величину прилагаемой силы и времени выдержки

Твердомером измеряется твердость, как правило, небольших объектов, являющимися образцами получаемой заготовки. Это связано с весьма компактными размерами большинства моделей рассматриваемых устройств.

Твердомер Роквелла

К особенностям применяемого оборудования можно отнести нижеприведенные моменты:

1. Испытуемый образец, как правило, располагается на столике.
2. Алмазный наконечник опускается с помощью грузового рычага.
3. Важным моментом является то, что наконечник опускается плавно. Это достигается при применении рукоятки с масленым амортизатором.
4. Время выдержки применимой нагрузки зависит от размеров испытуемого образца. Как правило, показатель составляет 3-6 секунд. Сила воздействия определяется также величиной заготовки.
5. Важные параметры вводятся при помощи специального пульта программирования. За счет того, что контроль прилагаемой силы и время выдержки проводит оборудование, точность получаемых результатов довольно высока.

Рассматриваемое оборудование производится достаточно большим количеством различных компаний. При этом стоимость предложения может колебаться в достаточно большом диапазоне.

Твердомеры ультразвуковые

Главная страница » Твердомеры

К методам неразрушающего контроля и технической диагностики (МНК и ТД) относится контроль ультразвуковыми твердомерами.

Принцип действия инструмента

Принцип действия ультразвукового твердомера основан на использовании явления затухания колебаний (метод UCI — ультразвуковой контактный импеданс). Суть метода UCI заключается в следующем:

• алмазную пирамидку индентора прижимают к исследуемому образцу;
• обеспечивается постоянное усилие;
• возбуждаются упругие колебания.

По глубине продавливания определяется твёрдость: чем глубже индентор продавливает поверхность, тем меньше твёрдость образца.

Преимущества ультразвуковых твердомеров перед аналогами других типов

Ультразвуковые твердомеры имеют ряд преимуществ:

• производят измерение твердости изделий толщиной от 1мм, что является невозможным для динамических твердомеров;
• на месте проведения испытания (на поверхности изделия) остаётся маленький отпечаток. Поэтому, возможен контроль твёрдости шеек коленчатых валов, зеркальных поверхностей, ножей и т. д.;
• возможны измерения в широком диапазоне показателей твердости;
• комфорт при проведении испытаний.

Инструмент оснащается различными девайсами, позволяющими значительно повышать производительность и качество труда: графический индикатор, устройство контроля уровня заряда аккумуляторной батареи и т. д.

Дадим краткое описание популярных моделей ультразвуковых твердомеров.

Твердомер ультразвуковой «ТКМ-459С».

Твердомеры ультразвуковые «ТКМ-459С», «ТКМ-459М»

Измерительные инструменты предназначены для измерения твердости самых разных металлов. В том числе:

• поверхностноупрочнённых слоёв (например, цементация, закалка ТВЧ, азотирование и т. п.);
• гальванических покрытий (например, хром);
• наплавок и т. п.

Твердомеры монтируются во влагозащищенных (прорезиненных) и ударопрочных корпусах, которые позволяют применять их в самых тяжелых климатических условиях. Информация выводится на цветной графический OLED дисплей. Конструкция сохраняет эксплуатационные характеристики твердомера при отрицательных температурах, а дисплей снижает нагрузку на глаза оператора.

Диапазон измерений:

• по Роквеллу, HRC – 20…70;
• по Бринеллю, HB – 90…460;
• по Виккерсу, HV – 230…940.

Преимущества «ТКМ-459С» перед «ТКМ-459М»:

• на дисплей выводится много полезной дополнительной информации;
• количество результатов измерений, сохраняемых в памяти: ТКМ-459С, шт.: 12 400;
• ТКМ-459М, шт.: 6 000;

статистический анализ результатов измерений и вывод его на дисплей, построение графиков; яркость дисплея и его цветовая палитра выбирается пользователем.

Твердомер ультразвуковой «МЕТ-У1».

Твердомер ультразвуковой «МЕТ-У1»

Этот инструмент, дополнительно к возможностям «ТКМ-459С» и «ТКМ-459М», измеряет твёрдость по шкале Шора «D» (HSD) и определяет предел прочности на растяжение изделий из углеродистых сталей перлитного класса.

Диапазон измерения:

• по Роквеллу, HRC – 20…67;
• по Бринеллю, HB – 75…650;
• по Виккерсу, HV – 75…1000;
• по Шору, HSD – 23…102;
• измерения предела прочности, Rm – 378…1736.

Ультразвуковой твердомер «МЕТ-УД»

Ультразвуковой твердомер «МЕТ-УД» измеряет твёрдость по описанному выше методу UCI и по методу отскока (Лейба). Второй метод заключается в определении отношения скоростей индентора до и после соударения с поверхностью контролируемого изделия. Конструктивно он представляет собой комбинированный портативный твердомер, состоящий из пластикового электронного блока MET-УД и двух сменных датчиков:

• ультразвукового У1. Работает по методу UCI;
• динамического Д1. Работает по методу Лейба.

Благодаря этому, при помощи инструмента можно оценить изменение твердости закаленного слоя по глубине.

Инструмент экономически целесообразен, т.к. совмещает два твердомера в одном: МЕТ-УД = МЕТ-У1 + МЕТ-Д1.

Твердомер «УЗИТ-3»

Конструкция «УЗИТ-3» даёт возможность измерять твердость крупных и мелких изделий, в том числе, на участках с большой кривизной поверхности, вблизи краев и различных неровностей.

Диапазоны измерений:

• шкала Бринелля, HB: 80…450;
• шкала Роквелла, HRC: 20…70.

Габаритные размеры, мм: 140 х 65 х 25.

Твердомер ультразвуковой «ТКМ-459М».

Измерение твердости по Роквеллу

Рис. 3 Положение наконечника при определении твердости по Роквеллу: I-IV последовательность нагружения.

Рис. 4 Схема прибора для измерения твердости по Роквеллу

Твердость измеряют на приборе Роквелла (Рис. 4), в нижней части станции которого установлен столик 5. В верхней части станции индикатор 3, масляный регулятор 2 и шток 4, в котором устанавливается наконечник с алмазным конусом (имеющим угол при вершине 120 и радиус закругления 0,2 мм) или стальным шариком диаметром 1,588 мм. Индикатор 3 представляет собой циферблат, на котором нанесены две шкалы (черная и красная) и имеются две стрелки – большая (указатель твердости) и маленькая – для контроля величины предварительного нагружения, сообщаемого вращением маховика 6. Столик с установленным на нем образцом для измерений поднимают вращением маховика до тех пор, пока малая стрелка не окажется против красной точки на шкале. Это означает, что наконечник вдавливается в образец под предварительной нагрузкой, равной 10 кгс.

После этого поворачивают шкалу индикатора (круг циферблата) до совпадения цифры 0 на черной шкале с большой стрелкой. Затем включают основную нагрузку, определяемую грузом 1, и после остановки стрелки считывают значение твердости по Роквеллу, представляющее собой цифру. Столик с образцом опускают, вращая маховик против часовой стрелки.

Твердомер Роквелла измеряет разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной и предварительной нагрузок. Каждое давление (единица шкалы) индикатора соответствует глубине вдавливания 2 мкм. Однако условное число твердости по Роквеллу (HR) представляет собой не указанную глубину вдавливания t, а величину 100 – t по черной шкале при измерении конусом и величину 130 – t по красной шкале при измерении шариком.

Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и того физического смысла, который имеют числа твердости по Бринеллю, однако можно найти соотношение между ними с помощью специальных таблиц.

Твердость по методу Роквелла можно измерять:

• алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кгс. Твердость измеряется по шкале С и обозначается HRC (например, 65 HRC). Таким образом определяют твердость закаленной и отпущенной сталей, материалов средней твердости, поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм;

• алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кгс. Твердость измеряется по шкале А, совпадающей со шкалой С, и обозначается HRA. Применяется для оценки твердости очень твердых материалов, тонких поверхностных слоев (0,3 … 0,5 мм) и тонколистового материала;

• стальным шариком с общей нагрузкой 100 кгс. Твердость обозначается HRB и измеряется по красной шкале B. Так определяют твердость мягкой (отожженной) стали и цветных сплавов.

При измерении твердости на приборе Роквелла необходимо, чтобы на поверхности образца не было окалины, трещин, выбоин и др. Необходимо контролировать перпендикулярность приложения нагрузки и поверхности образца и устойчивость его положения на столике прибора. Расстояние отпечатка должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и не менее 4 мм при вдавливании шарика.

Твердость следует измерять не менее 3 разна одном образце, усредняя полученные результаты.

Преимущество метода Роквелла по сравнению с методами Бринелля и Виккерса заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.

Список используемой литературы

1. Геллер Ю.А. Рахштадт А.Г. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи. М.: Металлургия, 1984г.

2. Металловедение и термическая обработка стали: Справ. М.Л Бернштейн, А.Г. Рахштадт М.: Металлургия, 1983г.

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Подробнее

Преимущества и недостатки метода

Каждый метод вычисления твердости поверхности обладает своими определенными достоинствами и недостатками. Принято считать, что испытание на твердость по Роквеллу и Бринеллю являются основными, так как позволяют получить наиболее точный результат.

К достоинствам метода измерения твердости по Роквеллу HRC можно отнести нижеприведенные моменты:

1. Технология определяет возможность тестирования поверхностей с повышенной твердостью.
2. При тестировании поверхность повреждается несущественно, что позволяет исследовать уже готовые изделия.
3. Существенно упрощается процесс расчетов показателя твердости, так как нет необходимости в замере диаметра получаемого отпечатка после снятия прилагаемой нагрузки.
4. На проведение измерений по Роквеллу уходит всего несколько секунд.

Однако есть и несколько существенных недостатков, которые также нужно учитывать:

1. В сравнении с методом по Бринеллю, получаемый результат не так точен.
2. Для повышения точности проводимых измерений следует тщательно подготовить поверхность.

Несмотря на то, что получаемые результаты могут иметь достаточно высокую погрешность, этот метод получил широкое распространение в машиностроительной и других отраслях промышленности, так как на тестирование уходит мало времени.

Показатель твердости зависит от достаточно большого количества моментов, к примеру, химического состава. Кроме этого, металлы могут улучшаться закалкой и другими видами термической обработки. Сегодня можно встретить довольно много методической литературы с таблицами, в которых указывается твердость для распространенных материалов. Принимаются эти значения зачастую при выполнении расчетов или проектировании.

На точность проводимых измерений может оказывать влияние:

1. Толщина испытуемого образца. Согласно принятым нормам при проникновении алмазного наконечника на 0,2 мм толщина испытуемого образца должна быть не меньше 2 см. В противном случае, полученные данные будут считаться искаженными.
2. Если один образец применяется для проведения нескольких тестов, то расстояние между отпечатками должно быть не менее трех их диаметров. Соблюдение этого правила также позволяет получить более точные результаты.
3. Результаты на циферблате могут отличаться в зависимости от положения исследователя. Повторные тестирования должны проводиться с одной точки обзора, иначе полученные результаты могут отличаться.

В заключение отметим, что сегодня подобные исследования проводятся все реже. Это связано с тем, что при изготовлении заготовок достигают высокой точности химического состава и физико-механических свойств. Поэтому каждой марке металла соответствует определенный показатель твердости по Роквеллу. Измерения зачастую проводятся после выполнения химико-термической обработки, когда от соблюдения применяемой технологии зависит конечный результат.

Шкала твёрдости Мооса для металлов

Царапать можно не только минералы, но и металлы. Определение их твёрдости необходимо в машиностроении, на промышленных предприятиях.

Что это такое

Принцип для металлов аналогичен шкале минералов. Первое место в ней занимает олово с показателем 1,5, а на последнем – карбид вольфрама с твёрдостью 9. Сталь по шкале Мооса располагается в середине (4–4,5), с ней часто делают сплавы для повышения прочности мягких металлов.

Почему нужно знать твёрдость металлов

От показателя зависит:

• износостойкость изготовленных из металла деталей;
• метод их обработки;
• способность влиять на другие материалы.

Металлические сплавы

Для ювелирных изделий чаще всего используются сплавы драгоценных металлов. Смешивание мягкого и дешёвого металла с более твёрдым способно повысить прочность сплава, не увеличивая его стоимость.

Описание

Принцип действия твердомеров основан на статистическом вдавливании алмазного или твердосплавного шарикового наконечников в испытуемое изделие с последующим измерением глубины внедрения наконечника.

Твердомеры представляют собой стационарные установки, состоящие из системы приложения нагрузки, измерительной системы и дисплея для демонстрации результата и процесса измерения твердости.

Твердомеры обеспечивают:

–    автоматический цикл измерения твердости;

–    вывод на дисплей результата измерения;

–    переключение на одну из трех испытательных нагрузок;

–    статистическую обработку серии результатов измерений.

Твердомеры имеют следующие модификации 8150 ВК, 8150 LK, 8150 SK, 8150 TK, которые отличаются типом дисплея, форматами представления информации на экране дисплея о ходе процесса измерения твердости и результата измерений, наличием системы автоматической настройки на толщину образца, наличием внутренних часов и типом связи с компьютером.

Внешний вид твердомеров приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Внешний вид твердомеров

Твердомер по Роквеллу

Твердомером называется устройство для определения твердости металлов и сплавов методом Роквелла. Он представляет собой прибор с алмазным конусом (или шариком) и материалом, в который конус должен войти. Также приклепляется груз для регулировки силы воздействия.

Время отображает индикатор. Процесс происходит в два этапа: сначала делается нажатие с силой 10 кгс, потом – сильнее. Для большего нажатия применяется конус, для меньшего – шарик.

Исследуемый материал располагается горизонтально. Алмаз опускают на него с помощью рычага. Для плавного спуска в устройстве применена рукоять с масляным амортизатором.

Время основной нагрузки обычно составляет от 3 до 6 секунд, в зависимости от материала. Предварительную нагрузку необходимо сохранять до получения результатов испытания.

Большая стрелка индикатора движется по часовой и отражает результат опыта.

Наиболее популярны в практике такие модели твердомера по методу Роквелла:

• Стационарные приборы «Метротест» модели «ИТР», например, «ИТР-60/150-М».
• Твердомеры Qness GmbH модели Q150R.
• Стационарное автоматизированное устройство TIME Group Inc модель TH300.

Метод Роквелла

Среди всех существующих методов определения твердости сталей и цветных металлов самым распространенным и наиболее точным является метод Роквелла.

Метод Роквелла – определение твердости металла

Проведение измерений и определение числа твердости по Роквеллу регламентируется соответствующими документами ГОСТа 9013-59. Этот метод реализуется путем вдавливания в тестируемый материал инденторов – алмазного конуса или твердосплавного шарика. Алмазные инденторы используются для тестирования закаленных сталей и твердых сплавов, а твердосплавные шарики – для менее твердых и относительно мягких металлов.  Измерения проводят на механических или электронных твердомерах.

Методом Роквелла предусматривается возможность применения целого ряда шкал твердости A, B, C, D, E, F, G, H (всего – 54), каждая из которых обеспечивает наибольшую точность только в своем, относительно узком диапазоне измерений.

Для измерения высоких значений твердости алмазным конусом чаще всего используются шкалы «А», «С». По ним тестируют образцы из закаленных инструментальных сталей и других твердых стальных сплавов. А сравнительно более мягкие материалы, такие как алюминий, медь, латунь, отожженные стали испытываются шариковыми инденторами по шкале «В».

Пример обозначения твердости по Роквеллу: 58 HRC или 42 HRB.

Впереди стоящие цифры обозначают число или условную единицу измерения. Две буквы после них – символ твердости по Роквеллу, третья буква – шкала, по которой проводились испытания.

(!) Два одинаковых значения от разных шкал – это не одно и то же, например, 58 HRC ≠ 58 HRA. Сопоставлять числовые значения по Роквеллу можно только в том случае, если они относятся к одной шкале.

Диапазоны шкал Роквелла по ГОСТ 8.064-94:

A	70-93 HR
B	25-100 HR
C	20-67 HR

Слесарный инструмент

Инструменты для ручной обработки металлов (рубка, резка, опиливание, клеймение, пробивка, разметка) изготавливают из углеродистых и легированных инструментальных сталей. Их рабочие части подвергают закаливанию до определенной твердости, которая должна находиться в пределах:

Ножовочные полотна, напильники	58 – 64 HRC
Зубила, крейцмессели, бородки, кернеры, чертилки	54 – 60 HRC
Молотки (боек, носок)	50 – 57 HRC

Монтажный инструмент

Сюда относятся различные гаечные ключи, отвертки, шарнирно-губцевый инструмент. Норму твердости для их рабочих частей устанавливают действующие стандарты. Это очень важный показатель, от которого зависит, насколько инструмент износостоек и способен сопротивляться смятию. Достаточные значения для некоторых инструментов приведены ниже:

Гаечные ключи с размером зева до 36 мм	45,5 – 51,5 HRC
Гаечные ключи с размером зева от 36 мм	40,5 – 46,5 HRC
Отвертки крестовые, шлицевые	47 – 52 HRC
Плоскогубцы, пассатижи, утконосы	44 – 50 HRC
Кусачки, бокорезы, ножницы по металлу	56 – 61 HRC

Металлорежущий инструмент

В эту категорию входит расходная оснастка для обработки металла резанием, используемая на станках или с ручными инструментами. Для ее изготовления используются быстрорежущие стали или твердые сплавы, которые сохраняют твердость в холодном и перегретом состоянии.

Метчики, плашки	61 – 64 HRC
Зенкеры, зенковки, цековки	61 – 65 HRC
Сверла по металлу	63 – 69 HRC
Сверла с покрытием нитрид-титана	до 80 HRC
Фрезы из HSS	62 – 66 HRC

Примечание: Некоторые производители фрез указывают в маркировке твердость не самой фрезы, а материала, который она может обрабатывать.

Крепежные изделия

Существует взаимосвязь между классом прочности крепежа и его твердостью. Для высокопрочных болтов, винтов, гаек эта взаимосвязь отражена в таблице:

	Болты и винты	Гайки	Шайбы
Классы прочности	8.8	10.9	12.9	8	10	12	Ст.	Зак.ст.
d<16 мм	d>16 мм	d<16 мм	d>16 мм
Твердость по Роквеллу, HRC	min	23	23	32	39	11	19	26	29.2	20.3	28.5
max	34	34	39	44	30	36	36	36	23.1	40.8

Если для болтов и гаек главной механической характеристикой является класс прочности, то для таких крепежных изделий как стопорные гайки, шайбы, установочные винты, твердость не менее важна. 

Стандартами установлены следующие минимальные / максимальные значения по Роквеллу:

Стопорные кольца до Ø 38 мм	47 – 52 HRC
Стопорные кольца Ø 38 -200 мм	44 – 49 HRC
Стопорные кольца от Ø 200 мм	41 – 46 HRC
Стопорные зубчатые шайбы	43.5 – 47.5 HRB
Шайбы пружинные стальные (гровер)	41.5 – 51 HRC
Шайбы пружинные бронзовые (гровер)	90 HRB
Установочные винты класса прочности 14Н и 22Н	75 – 105 HRB
Установочные винты класса прочности 33Н и 45Н	33 – 53 HRC

Твердость. Измерение твердости по Роквеллу, Бринеллю, Виккерсу

Твердость – сопротивление твердого тела изменению формы (деформированию) либо разрушению в поверхностном слое при местных силовых контактных воздействиях. Проецируя это определение на методы неразрушающего контроля, можем получить следующее определение твердости: это свойство материала сопротивляться пластической деформации.

Наибольшее распространение для определения твердости металлов получили методы, основанные на вдавливании индентора в виде стального шарика (методы Бринелля и Роквелла), алмаза в форме пирамиды (метод Виккерса) или алмаза с округлой вершиной (также метод Роквелла) в испытуемый образец.

Давайте рассмотрим отдельной каждый из указанных методов.

Метод Роквелла – метод определения твердости материалов, преимущественно металлов, основанный на вдавливании под заданной нагрузкой в поверхность испытуемого образца специального индентора – алмаза в форме конуса либо стального закаленного шарика. Метод назван по имени разработавшего его в 1919 году американского металлурга Стенли Роквелла. Отличием данного метода является применение небольших испытательных нагрузок (60, 100 и 150 кгс), что позволяет применять его для испытания тонких образцов и окончательно обработанных изделий, а также применение специальных шкал твердости, связанных только с глубиной отпечатка.

Этапы проведения испытания

Чтобы опыт имел положительный результат и маленькую погрешность, следует придерживаться порядка его проведения.

Этапы проведения опыта по методу определения твердости по Роквеллу:

1. Определиться с выбором шкалы.
2. Установить необходимый индентор и нагрузку.
3. Провести два пробных (не учитываются в результаты) отпечатка для коррекции правильности установки устройства и образца.
4. Расположить на столике прибора эталонный блок.
5. Испытать предварительную нагрузку (10 кгс) и обнулить шкалу.
6. Приложить основную нагрузку, дождаться достижения максимальных результатов.
7. Убрать нагрузку и прочесть полученное значение по циферблату.

Правилами разрешено проводить испытание одного образца при тестировании массовой продукции.

История

Венский профессор-исследователь Людвиг впервые предложил использовть индентор для исследования твердости путем его проникновения в материал и вычисления относительной глубины. Его метод описан в работе 1908 года «Испытание конусом» (Die Kegelprobe).

Этот метод имел недостатки. Братья Хью и Стэнли Роквеллы предложили новую технологию, которая исключала ошибки маханического несовершенства системы измерения (люфты и дефекты поверхности, загрязнение материалов и деталей). Профессоры изобрели твердомер – прибор, определяющий относительную глубину проникновения. Он применялся для тестирования стальных шарикоподшипников.

Определение твердости металлов методами Бринелля и Роквелла заслужили внимания в научном сообществе. Но метод Бринелля уступал – он был медленным и не применялся для закаленных сталей. Таким образом, его нельзя было считать методом неразрушающего контроля.

В феврале 1919 года твердомер был запатентован под номером 1294171. В это время Роквеллы работали на компанию-производителя шарикоподшипников.

В сентябре 1919 года Стенли Роквелл покинул компанию и переехал в штат Нью-Йорк. Там он подал заявку на усовершенствование прибора, которая была принята. Новый прибор запатентован и усовершенствован к 1921 году.

В конце 1922 года Роквелл основал предприятие по термообработке, которое до сих пор функционирует в штате Коннектикут. С 1993 года находится в составе корпорации Instron.

Смотреть галерею

Альтернативные методы определения твердости

Измерять твердость можно не только методом Роквелла. Рассмотри основные моменты каждого метода и их отличия. Испытания под действием статистической нагрузки:

• Исследуемые образцы. Методы Рокелла и Виккерса дают возможность тестировать относительно мягкие и повышенной прочности материалы. Метод Бринелля рассчитан на изучение боле мягких металлов с твердостью до 650 HBW. Метод Супер-Роквелла позволяет испытывать на твердость при небольших нагрузках.
• ГОСТы. Метод Роквелла соответствует ГОСТу 9013-59, метод Бринелля – 9012-59, метод Виккерса – 2999-75, метод Шора — ГОСТы 263-75, 24622-91, 24621-91, ASTM D2240, ISO 868-85.
• Твердомеры. Устройства исследователей Роквелла и Шора отличаются простотой использования и малыми габаритами. Оборудование Виккерса позволяет проводить испытания на очень тонких и малых образцах.

Опыты под динамическим давлением проводились по методу Мартеля, Польди, с помощью вертикального копера Николаева, пружинного прибора Шоппера и Баумана и других.

Твердость также может измеряться методом царапания. Такие испытания проводили с помощью напильника Барба, прибора Монтерса, Хенкинса, микрохарактеризатора Бирбаума и других.

Несмотря на недостатки, метод Роквелла широко применяется для испытаний твердости в промышленности. Он отличается простотой выполнения, главным образом, из-за того, что не нужно измерять отпечаток под микроскопом и полировать поверхность. Но при этом метод не такой точный как предложенные исследования Бринелля и Виккерса. Твердость, замеренная разными способами, имеет зависимость. То есть результативные единицы по Роквеллу могут быть переведены в единицы Бринелля. На законодательном уровне имеются нормативные документы, например ASTM E-140, в которых сравниваются значения твердости.

Методы измерения твердости

Все методы определения твердости металлов используют механическое воздействие на испытуемый образец – вдавливание индентора. Но при этом не происходит разрушение образца.

Метод определения твердости по Бринеллю был первым, стандартизованным в материаловедении. Принцип испытания образцов описан выше. На него действует ГОСТ 9012. Но можно вычислить значение по формуле, если точно измерить отпечаток на образце:

HB=2P/(πD*√(D 2 -d 2 ),

• гдеР – прикладываемая нагрузка, кгс;
• D – окружность шарика, мм;
• d – окружность отпечатка, мм.Шарик подбирается относительно толщины образца. Нагрузку высчитывают предварительно из принятых норм для соответствующих материалов:сплавы из железа — 30D 2 ;медь и ее сплавы — 10D 2 ;баббиты, свинцовые бронзы — 2,5D 2 .

Условное изображение принципа испытания

Схематически метод исследования по Роквеллу изображается следующим образом согласно ГОСТ 9013.

Метод измерения твердости по Роквеллу

Итоговая приложенная нагрузка равна сумме первоначальной и необходимой для испытания. Индикатор прибора показывает разницу глубины проникновения между первоначальной нагрузкой и испытуемой h –h

Метод Виккерса регламентирован ГОСТом 2999. Схематически он изображается следующим образом.

Математическая формула для расчета:HV=0.189*P/d 2 МПаHV=1,854*P/d 2 кгс/мм 2 Прикладываемая нагрузка варьируется от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Значения определяются по таблицам относительно измеренного отпечатка d.

Метод считается эмпирическим и имеет большой разброс показаний. Но прибор имеет простую конструкцию и его можно использовать при измерении крупногабаритных и криволинейных деталей.

Измерить твердость по Моосу металлов и сплавов можно царапанием. Моос в свое время предложил делать царапины более твердым минералом по поверхности предмета. Он разложил известные минералы по твердости на 10 позиций. Первую занимает тальк, а последнюю алмаз.

После измерения по одной методике перевод в другую систему весьма условен. Четкие значения существуют только в соотношении твердости по Бринеллю и Роквеллу, так как машиностроительные предприятия их широко применяют. Зависимость можно проследить при изменении диаметра шарика.

d, мм	HB	HRA	HRC	HRB
2,3	712	85,1	66,4	—
2,5	601	81,1	59,3	—
3,0	415	72,6	43,8	—
3,5	302	66,7	32,5	—
4,0	229	61,8	22	98,2
5,0	143	—	—	77,4
5,2	131	—	—	72,4

Как видно из таблицы, увеличение диаметра шарика значительно снижает показания прибора. Поэтому на машиностроительных предприятиях предпочитают пользоваться измерительными приборами с однотипным размером индентора.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Твердостью металла называют его свойство оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии стандартного тела-наконечника на поверхностные слои материала.

Испытание на твердость – основной метод оценки качества термообработки изделия.

Определение твердости по методу Бринелля. Метод основан на том, что в плоскую поверхность под нагрузкой внедряют стальной шарик. Число твердости НВ определяется отношением нагрузки к сферической поверхности отпечатка.

Метод Роквелла (HR) основан на статическом вдавливании в испытываемую поверхность наконечника под определенной нагрузкой. В качестве наконечников для материалов с твердостью до 450 HR используют стальной шарик. В этом случае твердость обозначают как HRB. При использовании алмазного конуса твердость обозначают как HRA или HRC (в зависимости от нагрузки).

Твердость по методу Виккерса (HV) определяют путем статического вдавливания в испытуемую поверхность алмазной четырехгранной пирамиды. При испытании измеряют отпечаток с точностью до 0,001 мм при помощи микроскопа, который является составной частью прибора Виккерса.

Метод Шора. Сущность данного метода состоит в определении твердости материала образца по высоте отскакивания бойка, падающего на поверхность испытуемого тела с определенной высоты. Твердость оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка.