Твердомеры для металлов. Метод Роквелла и Бринелля

Твердомер Equotip 550 Portable Rockwell

Линейка твердомеров металла Equotip швейцарской компании Proceq представлена моделями, реализующими разные методы измерения твердости, за счет этого достигается универсальность их применения в различных отраслях промышленности. Твердомеры Proceq зарегистрированы в реестре средств измерений РФ и имеют положительные отзывы российских специалистов: (отзыв ОАО “Техдиагностика”, отзыв ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»). Твердомеры металла Proceq разработаны и собраны в Швейцарии. Срок гарантии всех приборов линейки составляет 2 года с возможностью продления до 3 лет.

Линейку твердомеров металла Proceq можно условно разделить на три группы:

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЁРДОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Под твёрдостью понимают свойство поверхностного слоя материала сопротивляться упругой и пластической деформации или разрушению при местных контактных воздействиях со стороны другого, более твёрдого тела (индентора) определённой формы и размеров.

Разнообразие применяемых методов и разный физический смысл числа твёрдости затрудняют выработку общего определения твердости как механического свойства. В разных методах и при различных условиях проведения испытаний числа твёрдости могут характеризовать упругие свойства, сопротивление малым и большим пластическим деформациям, сопротивление материала разрушению.

По широте применения испытания на твёрдость, особенно при комнатной температуре, конкурируют с наиболее распространёнными испытаниями на статическое растяжение. Это объясняется простотой и высокой производительностью, отсутствием разрушения образца, возможностью оценки свойств отдельных структурных составляющих и тонких слоев на малой площади, легко устанавливаемой связью результатов определения твёрдости с данными другими испытаний. Так, например, по значению твёрдости металла или изделия из него можно с достаточной для практики достоверностью установить предел прочности на растяжение, а также косвенно судить об износостойкости, упругих свойствах, структуре материала, его технологических свойствах и т.д.

Наибольшее применение нашли три основных метода определения твердости, основанные на статическом вдавливании индентора: метод Бринелля, метод Роквелла и метод Виккерса.

Метод Бринелля применим лишь для определения твёрдости, не превышающей , так как в качестве индентора используется стальной закалённый шарик. Особенностью этого метода является возможность определения твёрдости при пластическом деформировании достаточно больших, по сравнению с другими методами, объёмов металла и получение благодаря этому усреднённой характеристики твёрдости. Усреднённая характеристика твёрдости таких заготовок как отливки, поковки и прокат особенно важна для оценки их технологичности при обработке на металлорежущих станках. К недостаткам метода следует отнести низкую точность измерения размеров отпечатков, оставляемых индентором на испытуемой поверхности, и солидную величину самих отпечатков (как правило, диаметр отпечатков составляет несколько миллиметров).

Признание, которое получил метод Роквелла. определяется тем, что он позволяет получить числовое значение твёрдости испытуемого изделия в несколько раз быстрее, чем два других метода. Высокая производительность метода Роквелла обуслословлена тем, что измерение твёрдости сводится к определению глубины отпечатка, причём операция измерения твёрдости сводится к определению глубины отпечатка, при этом операция измерения совмещена по времени с процессом приложения испытательной нагрузки.

Метод вдавливания алмазной пирамиды (метод Виккерса) является самым точным и универсальным. Его используют для контроля твёрдости ответственных деталей, при проведении исследовательских работ и т.д. Благодаря применению малых нагрузок, этот метод может быть использован для контроля твёрдости тонких изделий и вообще изделий малых размеров. Недостаток метод Виккерса — длительность процесса испытания, связанная с необходимостью измерения отпечатка с помощью микроскопа.

Во всех методах испытания на твёрдость очень важно правильно подготовить поверхностный слой образца. Он должен по возможности полно характеризовать испытуемый металл

Все поверхностные дефекты (окалина, вмятины, грубые риски и т. п.) должны быть удалены. Требования к качеству испытуемой поверхности зависят от применяемого индентора и величины прилагаемой нагрузки. Чем меньше глубина вдавливания индентора, тем лучше должна быть подготовлена поверхность и тем более строго надо следить за тем, чтобы свойства поверхностного слоя не изменились вследствие наклёпа или разогрева при шлифовании и полировке.

Метод измерения твердости по Роквеллу

Твердость — характеристика материала, противоположная пластичности, способности материала «вытекать» из-под нагрузки. Методика измерения твердости по Роквеллу предназначена для неразрушающего контроля твердости наименее пластичных материалов — сталей и их сплавов. Универсальность метода заключается в наличии трех шкал твердости, которые проградуированы для измерения под одной из трех нагрузок (60, 100 и 150 кгс) для работы с одной из измерительных головок. В качестве рабочего органа измерительной головки применяют алмазный конус с углом 120° и радиусом при вершине 0,2 мм или закаленный шарик диаметром 1/16“ (1,588 мм).

Метод основан на фиксации прямого измерения глубины проникновения твердого тела измерительной головки (индентора) в материал образца. Глубина отпечатка характеризует способность материала сопротивляться внешнему воздействию без образования валика из вытесненного металла вокруг индентора.

Единица твердость по Роквеллу — безразмерная величина, которая выражается в условных единицах до 100. За единицу твердости приняли перемещение индентора на 0,002.

Обзор методов измерения твердости металлов и сплавов

Исторически с развитием технологий обработки металлов появлялись и совершенствовались способы контроля качества металлических изделий. Известно множество способов определения твердости металлов и сплавов:

• Вдавливание индентора под действием статической нагрузки (нагрузка прикладывается плавно) — по методу Бринелля, Роквелла, Супер-Роквелла, Виккерса, М.С.Дрозда, Герца, Лудвика, монотрон Шора;
• Динамическое вдавливание индентора (нагрузка прикладывается ударом) — по методу Мартеля, Польди, вертикальный копер Николаева, пружинный прибор Шоппера и Баумана, маятниковый копер Вальцеля, маятник Герберта, маятниковый склерометр Кузнецова;
• Измерение микротвердости статическим вдавливанием — по методу Липса, Егорова, Хрущева, Скворцова, Алехина, Терновского, Шоршорова, Берковича, Кнупа, Петерса, Эмерсона, микротвердомер Цейсса-Ганеманна;
• Метод упругого отскока бойка — склероскоп Шора;
• Измерение твердости царапанием — по Моосу, напильник Барба, прибор Мартенса, Хенкинса, микрохарактеризатор Бирбаума, склерометр О’Нейля, Григорович, Беркович).

Многие приемы сейчас используются редко или вовсе ушли в прошлое. На данный момент основные и самые распространенные методы контроля твердости металлов условно делят на две группы: прямые и косвенные.

Прямые методы измерения твердости основаны на способности материала сопротивляться внедрению другого, более твердого тела — индентора. Инденторы изготавливаются в форме конуса или пирамиды из алмаза, в форме шарика — из закаленной стали или карбида вольфрама.

Прямые методы реализуют cтационарные твердомеры по шкалам Бринелля (HB), Роквелла (HRA, HRB, HRC), Супер-Роквелла (HRN и HRT), Виккерса (HV).

Сущность испытаний заключается в том, что после внедрения индентора, при приложении заданной статической нагрузки, происходит пластическая деформация исследуемого материала. На поверхности образца остается отпечаток. Вычисление значения твердости строится на зависимости приложенного усилия и определенных геометрических параметров отпечатка. Для каждого прямого метода предусмотрена своя зависимость (см. таблицу ниже). Например, при замерах по Роквеллу фиксируется глубина отпечатка: чем она меньше, тем выше твердость объекта.

Плюсы: стационарные твердомеры применяются для контроля любых металлов и сплавов; выдают результат с минимальной погрешностью; не требуют дополнительной калибровки.

Минусы: работают на одном месте, как правило в специально оборудованной лаборатории; необходимо заранее готовить образцы, либо изделие должно иметь конкретные габариты; необходима квалификация оператора; невысокая скорость выполнения исследований.

Косвенные методы измерения твердости подразделяются на ультразвуковой и динамический — они не напрямую измеряют твердость, а только оценивают значение твердости металла в зависимости от других физических свойств.

Косвенные методы реализуют портативные твердомеры — ультразвуковые и динамические . Результаты можно получить по основным шкалам: Бринелля (HB), Роквелла С (HRC), Виккерса (HV).

Ультразвуковой метод (ультразвуковой контактный импеданс) основан на фиксации степени затухания резонансной частоты колебаний металлического стержня с алмазным наконечником (индентором) при внедрении его в поверхность металлического изделия.

При глубоком внедрении индентора в мягкий металл будет большая площадь контакта алмаза с материалом, значит будет выше степень затухания частоты колебаний.

Применим к изделиям практически любых габаритов по массе и размерам; оставляет незаметный отпечаток; подходит для измерения твердости поверхностно упрочненных слоев; удобен для образцов со сложной конфигурацией (шестерни, подшипники, метизы). Применение на изделиях с крупнозернистой структурой ограничено (чугуны, бронза).

Динамический метод (Либа) основан на определении отношения скорости бойка при отскоке от поверхности измеряемого образца к скорости бойка при соударении с поверхностью образца. В качестве бойка используется твердосплавный шарик (карбид вольфрама WC-Co) диаметрами 1,39 / 1,5 / 2,5 мм.

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.

Программное обеспечение

Программное обеспечение (ПО) твердомеров – встроенное, загружается при изготовлении твердомеров изготовителем. В процессе эксплуатации изменение ПО невозможно.

Наименование программного обеспечения	Идентификационное наименование программного обеспечения	Номер версии (идентификационный номер) программно -го обеспечения	Цифровой идентификатор программного обеспечения	Алгоритм вычисления цифрового идентификатора программного обеспечения
Indentec	Indentec 8150 R	8150 BKR, 8150 LKR, 8150 SKR, 8150 TKR (в зависимости от модификации)	–	–

Уровень защиты ПО твердомеров от непреднамеренных и преднамеренных изменений соответствует уровню «А» по МИ 3286-2010.

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.

Твёрдость металлов

Твёрдость металлов – наиболее глубоко изученное и стандартизированное международной практикой измерение твёрдости. Наиболее распространены следующие методы:

Измерение твёрдости металлов по Бринеллю (твердомеры)

Один из старейших методов, твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Обозначается HB, где H — Hardness (твёрдость, англ.), B — Brinell (Бринелль, англ.)

Измерение твёрдости металлов по Роквеллу (твердомеры)

Это самый распространённый из методов начала XX века, твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Обозначается HR, где H — Hardness (твёрдость, англ.), R — Rockwell (Роквелл, англ.), а 3-й буквой идёт обозначение типа шкалы, напр. HRA, HRB, HRC и т.д.

Измерение твёрдости металлов по Виккерсу (твердомеры и микротвердомеры)

Самая широкая по охвату шкала, твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Обозначается HV, где H — Hardness (твёрдость, англ.), V — Vickers (Виккерс, англ.).

Измерение твёрдости металлов по Шору (твердомеры и склероскопы)

Данный метод крайне редко используется, твёрдость определяется по высоте отскока бойка от поверхности. Обозначается HS, где H — Hardness (твёрдость, англ.), S — Shore (Шор, англ.), а 3-й буквой идёт обозначение типа шкалы, напр. HSD

Измерение твёрдости металлов по Либу (твердомеры)

Это самый широко применяемый на сегодня метод в мире, твёрдость определяется как отношение скоростей до и после отскока бойка от поверхности. Обозначается HL, где H — Hardness (твёрдость, англ.), L — Leeb (Либ, англ.), а 3-й буквой идёт обозначение типа датчика, напр. HLD, HLC и т.д.

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.

Читать также: Паяльник для полипропиленовых труб как пользоваться видео

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.

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

Твердомеры Роквелла

Метод определения твёрдости металлов по Роквеллу состоит во вдавливании алмазного конуса или стального закалённого шарика в предварительно зашлифованную поверхность образца. В отличие от предыдущего способа твёрдость по Роквеллу заключается в определении глубины вдавливания. Метод Роквелла считается более оперативным, а в таких твердомерах  автоматизируется как процесс испытания, так и последующая обработка его результатов.

Суть метода Роквелла заключается в том, что предварительно выбирается некоторая реперная точка, и полученная для этой координаты глубина внедрения индентора вычитается из произвольно выбранной наибольшей глубины вдавливания.

Метод Роквелла имеет несколько разновидностей, каждая из которых применяется в определённых условиях испытаний (см. таблицу):

Вариант метода	А	В	С	F	N	T
Форма индентора	Конус	Шарик	Конус	Шарик	Конус	Шарик
Материал индентора	Алмаз	Сталь	Алмаз	Сталь	Алмаз	Сталь
Условное обозначе-ние твёрдости	HRA	HRB	HRC	HRF	HRN	HRT
Диапазон замера твёрдости	60…80	35…100	30…70	60…100	17…92	5…94
Металлы	Стали весьма высокой твёрдости	Стали средней твёрдости, цветные сплавы	Стали повышенной твёрдости	Тонколистовые металлы	Для испытания тонких или малогабаритных изделий

Стационарные твердомеры для металлов, реализующие метод Роквелла (типа ТК), подразделяют на приборы с электрическим и механическим приводом. Ручной твердомер ТК включает в себя:

1. Подвижный измерительный стол, на который устанавливается деталь.
2. Рычажный привод нагружения.
3. Измерительную систему (она может быть с цифровой или аналоговой индикацией результата).
4. Рабочую измерительную головку, с регулируемыми установками.
5. Масляный амортизатор.
6. С-образную станину.

Последовательность действия твердомера Роквелла следующая. Образец шлифованной поверхностью вверх размещают на измерительном столе, после чего перемещают его вверх, до начала вдавливания индентора в поверхность, что отслеживается по шкале твердомера. Так происходит предварительное нагружение, признаком окончания которого является вертикальное расположение большой стрелки. Это означает, что индентор внедрился в поверхность на глубину, при которой упругая деформация металла уже перешла в пластическую. Далее, освобождают рукоятку, которая амортизатором возвращается до упора, и нагружают испытуемое изделие основным усилием. В конечном положении нагрузка на деталь должна быть не менее 5…10 с., когда на индикаторе появится искомое значение твёрдости по Роквеллу. После этого маховичком возвращают столик в исходное положение, и снимают с него деталь.

Условная единица твёрдости Роквелла соответствует 2 мкм перемещения рабочего наконечника индентора.

Существуют и переносные разновидности приборов Роквелла. К числу наиболее популярных относится прибор типа ТКП, испытательная головка которого прикрепляется к измеряемой детали. Нагрузку от рукоятки производит трёхкулачковый валик, передающий усилие шпинделю, в котором размещается индентор. Последовательность приложения нагрузок – предварительной и основной – в приборах типа ТКП такая же, так и в стационарных твердомерах для металла, где применяется метод Роквелла.

Применяются также и другие типы твердомеров для металла – Шора, Виккерса и пр. Их цена зависит от технических характеристик прибора. Например, диапазон цен на портативные динамические твердомеры составляет 30000…50000 руб, на стационарные установки – от 275000 до 420000 руб.

Пневмопробойник. Бестраншейная замена труб

Электроды. Обзор цен