Измерение твердости по Роквеллу

Насколько твердыми бывают основные металлы

Большинство материалов уже обладают определенными характеристиками, их давно измерили и записали в таблицы, при этом в сводках обозначены как исходные значения необработанного железа, так и после различных типов термо- и холодной металлообработки. Но при добавлении нестандартных и новых добавок, проведенных процедур необходимо заново измерять данный показатель. Но если вы сталкиваетесь со стандартными сплавами, то следует посмотреть в подготовленные списки.

Цветмет

Они более мягкие, чем черные, потому что в них нет твердых включений, а также их не подвергают закалке и прочим методам термообработки.

Титан составляет исключение. Приведем технологию, используемую Бриннелем:

Материал	Особенности	В нв
Медь	Имеет высокую пластичность и низкую прочность. если добавляются специальные примеси, получаются новые марки, тогда показатель может увеличиваться.	35
Латунь	Это двойной или многокомпонентный состав, который включает медь. но она более надежная, дополнительно включены цинк или олово.	42 – 60
Алюминий	Может быть мягким или твердым, с увеличенной или уменьшенной пластичностью.	15 – 20
Дюралюминий	Современный, легкий, активно применяется в авиастроении. есть добавки – медь, магний, марганец.	70
Титан	Очень крепкий цветмет.	160

Черные металлы

Это железо и стали, ферросплавы и чугуны. Иногда к этой категории относят ванадий, марганец. Общая характеристика:

• Способ получения – обработка железной руды.
• Увеличенная прочность.
• Невосприимчивость к механическим воздействиям.
• Высокая износостойкость.
• Хорошая свариваемость.
• Невысокая стоимость.

Поэтому железо активно применяют. Нецелесообразно приводить полный список всех марок, поэтому только основные:

• Чугун – 220 НВ.
• Инструментальные стальные сплавы – до 700 НВ, из нее делаются режущие инструменты.
• Нержавейка – до 250 НВ.

Единицы измерения твердости

Каждый способов измерения сопротивления металла к пластической деформации имеет свою методику его проведения, а также единицы измерения.

Измерение твердости мягких металлов производится методом Бринелля. Данному способу подвергаются цветные металлы (медь, алюминий, магний, свинец, олово) и сплавы на их основе, чугуны (за исключением белого) и отожженные стали.

Твердость по Бринеллю определяется вдавливанием закаленного, отполированного шарика из шарикоподшипниковой стали ШХ15. Окружность шарика зависит от испытуемого материала. Для твердых материалов – все виды сталей и чугунов – 10 мм, для более мягких – 1 – 2 — 2,5 — 5 мм. Необходимая нагрузка, прилагаемая к шарику:

• сплавы железа – 30 кгс/мм2;
• медь и никель – 10 кгс/мм2;
• алюминий и магний – 5 кгс/мм2.

Единица измерения твердости – это числовое значение и следующий за ними числовой индекс HB. Например, 200 НВ.

Твердость по Роквеллу определяется посредством разницы приложенных нагрузок к детали. Вначале прикладывается предварительная нагрузка, а затем общая, при которой происходит внедрение индентора в образец и выдержка.

В испытуемый образец внедряется пирамида (конус) из алмаза или шарик из карбида вольфрама (каленой стали). После снятия нагрузки производится замер глубины отпечатка.

Единица измерения твердости – это условные единицы. Принято считать, что единица — это величина осевого перемещения конуса, равная 2 мкм. Обозначение твердости маркируется тремя буквами HR (А, В, С) и числовым значением. Третья буква в маркировке обозначает шкалу.

Методика отображает тип индентора и прилагаемую к нему нагрузку.

Тип шкалы	Инструмент	Прилагаемая нагрузка, кгс
А	Конус из алмаза, угол вершины которого 120°	50-60
В	Шарик 1/16 дюйма	90-100
С	Конус из алмаза, угол вершины которого 120°	140-150

В основном, используются шкалы измерения А и С. Например, твердость стали HRC 26…32, HRB 25…29, HRA 70…75.

Измерению твердости по Виккерсу подвергаются изделия небольшой толщины или детали, имеющие тонкий, твердый поверхностный слой. В качестве клинка используется правильная четырехгранная пирамида угол при вершине, которой составляет 136°. Отображение значений твердости выглядит следующим образом: 220 HV.

К определению микротвердости прибегают, когда необходимо получить значения мелких деталей, тонкого покрытия или отдельной структуры сплава. Измерение производят путем измерения отпечатка наконечника определенной формы. Обозначение значения выглядит следующим образом:

_0,196 — нагрузка на наконечник, Н;

2800 – численное значение твердости, Н/мм 2 .

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».

Методика измерения и оборудование

Метод определения твердости по Роквеллу подходит для неразрушающего контроля не пластичных материалов, например легированных сталей. В индустрии пластмасс этот метод широко используется для определения твердости рабочих узлов оборудования для переработки полимеров и эластомеров, а также поверхностей технологической оснастки, например прессформ, экструзионного и прочего формующего инструмента.

Метод Роквелла универсален, т.к. обладает тремя шкалами твердости, стандартизированные для определения твердости под тремя нагрузками: в 60, 100 и 150 кгс. Каждой нагрузке соответствует своя измерительная головка или индентор. Рабочим органом каждой головки является конус с углом в 120° и радиусом на вершине в 0,2 мм, выполненный из алмаза. Также применяются калиброванные шарики нескольких стандартных диаметров.

Суть метода заключается в измерении глубины внедрения конуса индентора в образец измеряемого материала. Глубина ввода показывает насколько тот или иной материал способен к сопротивлению внешнему усилию без деформации, то есть образования своего рода валика из выдавленного материала вокруг конуса измерительной головки.

Единицей твердости по Роквеллу при данном методе является числовая величина, не имеющая размера и выражающаяся в числах от 0 до 100. За одну единицу принято движение головки на 0,002 мм.

Всего твердость металла по Роквеллу измеряется по 11 шкалам, обозначаемых латинскими буквами A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T). Они используются для определения твердости в разных парах индентор-нагрузка.

Наиболее часто употребляются шкалы, описанные ниже:

1. Шкала А (HRa) — конус и усилие на инденторе равное 60 кгс, диапазон измерений от 20 до 88 единиц, предназначен для коррозионностойких и жаропрочных сталей.

2. Шкала B (HRb) — шарик диаметром 1,588 мм и усилие на инденторе равное 100 кгс, диапазон измерений от 20 до 100 единиц, предназначен для сплавов меди, ковкого чугуна, низкоуглеродистой стали.

3. Шкала C (HRc) — конус и усилие на инденторе равное 150 кгс, диапазон измерений от 20 до 70 единиц, предназначен для высокоуглеродистых сталей после термообработки (закаленных).

При измерении первоначально на конус или шарик прикладывается предварительная нагрузка, позволяющая избавиться от зазоров прибора и оксидной пленки на образце. Эта нагрузка равна 10 кгс для всех трех шкал.

Стационарный твердомер Роквелла выглядит как конструкция в виде рамки, напоминающей букву «П» и состоящая из двух блоков – измерительного и блока установочного перемещения. Они также могут включать в состав двигатель перемещения, цифровую систему измерения, монитор и прочие элементы современного прибора. Однако, суть измерения твердости основана на способе, предложенном сто лет назад Роквеллами.

Рис.2. Современный прибор для измерения твердости

Процесс определения твердости проводят при температуре от 18 до 23 градусов С и относительной влажности от 70 до 80 процентов. К исследуемому образцу предъявляются следующие требования: устойчивость на приборе, шероховатость поверхности Ra=2,5 или выше. Образец должен проходить термообработку вместе с деталями партии, к которой он относится.

Преимущества твердомера МЕТОЛАБ 202

• Полностью автоматизированный процесс измерений.
• Возможность задания нижней/верхней границ измерений, звуковая сигнализация при выходе значений за установленные границы.
• Статистическая обработка результатов – вывод минимального/среднего/максимального значений.
• Перевод результатов измерений по шкалам Виккерса, Бринелля.
• Поправка на кривизну цилиндрических и шарообразных деталей.
• Интуитивное управление, русскоязычное меню.
• Большие удобные кнопки для ввода параметров измерения; яркий ЖК экран для считывания показаний
• Широкий диапазон измеряемых значений.
• Передача данных на ПК в виде электронных таблиц формата Excel для удобства обработки результатов.
• Встроенный мини-принтер для распечатки результатов измерений.

Относительное измерение твердости при помощи напильников

Стоимость стационарных и портативных твердомеров довольно высока, поэтому их приобретение оправдано только необходимостью частой эксплуатации. Многие мастеровые по мере надобности практикуют измерять твердость металлов и сплавов относительно, при помощи подручных средств.

Измерение твердости при помощи напильников

Опиливание образца напильником – один из самых доступных, однако далеко не самый объективный способ проверки твердости стальных деталей, инструмента, оснастки. Напильник должен иметь не затупленную двойную насечку средней величины №3 или №4. Сопротивление опиливанию и сопровождающий его скрежет позволяет даже при небольшом навыке отличить незакаленную сталь от умеренно (40 HRC) или твердо закаленной (55 HRC).

Для тестирования с большей точностью существуют наборы тарированных напильников, именуемые также царапающий твердомер. Они применяются для испытания зубьев пил, фрез, шестерен. Каждый такой напильник является носителем определенного значения по шкале Роквелла. Твердость измеряется коротким царапанием металлической поверхности поочередно напильниками из набора. Затем выбираются два близко стоящие – более твердый, который оставил царапину и менее твердый, который не смог поцарапать поверхность. Твердость тестируемого металла будет находиться между значениями твердости этих двух напильников.

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.

Способы перехода между шкалами

Тот факт, что в лабораториях используются разные методы, а также то, что нет одного стандарта, то приходится конвертировать один показатель в другую систему счисления. Следует отметить, что во всех странах преимущественно выбирают одну технологию. Но из-за активного товарооборота изготовители встречаются с непривычными маркировками. Итак, дадим таблицу с аналогичными результатами по отличающимся данным:

Диаметр от вдавливания – в мм	По Бринеллю	По Роквеллу, категория А	В	С	По Виккерсу
3,9	241	62,8	99,8	24	242
4,08	217	60,7	96,6	20,2	217
4,2	206	59,6	94,6	17,9	206
5	144	49,9	77,7	–	144

Можно отметить, что списки не обладают особо высокой точностью, поскольку в зависимости от измерений могли быть использованы разнообразные сплавы. Сводки будут верны только в том случае, если при всех пяти способах был апробирован одинаковый материал.

Измерение твердости по Шору

Метод определения твердости по Шору применяется для тестирования прокатных валиков на момент их изготовления. Кроме этого, проверка рассматриваемого показателя может проводиться при эксплуатации валиков на прокатных станках, так как из-за оказываемого воздействия структура металла может изменяться, ухудшая эксплуатационные качества. Регламентирован метод Шора ГОСТ 23273.

Шкала твердости по Шору

Рассматривая измерение твердости по Шору, следует отметить следующие моменты:

1. В отличие от предыдущих способов, рассматриваемый основан на свободном падении алмазного индикатора на тестируемую поверхность с определенной высоты. Для тестирования применяется специальное оборудование, которое позволяет фиксировать точно высоту отскока.
2. Масса применяемого бойка с алмазным наконечником составляет 36 грамм. Этот показатель важен, так как учитывается при проводимых расчетах.
3. Твердость определяется по высоте отскока, измерение проводится в условных единицах. Падение образца на поверхность происходит с образованием небольшого углубления, а упругость приводит к обратному отскоку. Этот метод хорош тем, что позволяет проводить тестирование образцов, которые прошли предварительную термическую обработку. При постепенном вдавливании возникающая нагрузка может стать причиной деформирования используемого наконечника или шарика. В этом случае вероятность их деформации весьма мала.
4. За 100 единиц твердости в этом случае принято считать высоту отскока 13,6 мм с возможностью небольшого отклонения в большую или меньшую сторону. Этот показатель можно получить при тестировании углеродистой стали, прошедшей процесс закалки. В качестве обозначения применяется аббревиатура HSD.

Сегодня этот способ измерения твердости применяется довольно редко из-за высокой погрешности и сложности замера высоты отскока байка от тестируемой поверхности.

Как ранее было отмечено, существует довольно большое количество методов измерения рассматриваемого показателя. Однако из-за сложности проведения тестов и большой погрешности многие уже не применяются.

В некоторых случаях проводится тестирование на микротвердость. Для измерения этого показателя прилагается статическая нагрузка к телу с формой пирамиды, и оно входит в испытуемые образец. Время выдержки может варьироваться в большом диапазоне. Показатель вычисляется примерно так же, как при методе Виккерса.