Измерение твердости металлов — методы Бринелля, Роквелла, Виккерса

Для корректной работы запчастей и прочих деталей, надо соблюдать все необходимые параметры изготовления. Именно в связи с этим процесс контроля так важен при производстве. У железных комплектующих существует много важных параметров, таких как вязкость, прочность или пластичность.

В статье мы поговорим о самом важном процессе – определении твердости металлов, расскажем про методы измерения и предложим таблицу для наглядности.

История

Измерение твёрдости по относительной глубине проникновения индентора было предложено в 1908 году венским профессором Людвигом (Ludwig) в книге «Die Kegelprobe» (дословно «испытание конусом»).

Метод определения относительной глубины проникновения индентора, предложенный Хью и Стэнли Роквеллами, исключал ошибки, связанные с механическими несовершенствами измерительной системы, такими, как люфты и поверхностные дефекты и загрязнения испытуемых материалов и деталей.

Твердомер Роквелла, прибор для определения относительной глубины проникновения, был изобретён уроженцами штата Коннектикут Хью М. Роквеллом (1890—1957) и Стэнли П. Роквеллом (1886—1940). Потребность в этом устройстве была вызвана необходимостью оперативного определения результатов термообработки обойм стальных шарикоподшипников. Метод Бринелля, изобретённый в 1900 году в Швеции, был медленным, не применимым для закалённых сталей, и оставлял слишком большой отпечаток, чтобы считать этот метод методом неразрушающего контроля.

Патентную заявку на новое устройство они подали 15 июля 1914 года; после её рассмотрения был выдан патент № 1294171 от 11 февраля 1919 года.

Во время изобретения Хью и Стэнли Роквеллы (они не были прямыми родственниками) работали в компании New Departure Manufacturing (Бристоль, Коннектикут). New Departure, бывшая крупным производителем шарикоподшипников, в 1916 году стала частью United Motors, а затем — корпорации General Motors.

После ухода из компании в Коннектикуте, Стэнли Роквелл переехал в Сиракьюс (штат Нью-Йорк) и 11 сентября 1919 года подал заявку на усовершенствование первоначального изобретения, которая была утверждена 18 ноября 1924 года. Новый прибор был также запатентован под № 1516207. В 1921 году Роквелл переехал в Западный Хартфорд, в Коннектикуте, где сделал дополнительные усовершенствования.

В 1920 году Стэнли Роквелл начал сотрудничество с производителем инструментов Чарльзом Вильсоном (Charles H. Wilson) из компании Wilson-Mauelen с целью коммерциализации изобретения и разработки стандартизированных испытательных машин.

Около 1923 года Стэнли Роквелл основал фирму по термообработке Stanley P. Rockwell Company, которая существует до сих пор в Хартфорде, в Коннектикуте. Через несколько лет она, переименованная в Wilson Mechanical Instrument Company, сменила владельца. В 1993 году компанию приобрела корпорация Instron.

Понятие

Твердость заготовки – особенность материала, благодаря которой железо создает сопротивление при контакте или проникновении в его слои инородного объекта или тела. Оно не должно подвергаться деформации или разрушению при определенных нагрузках.

Данный параметр служит для следующих целей:

• Контроль состояния металла по времени.

• Добыча информации, касательно минимальных и максимальных допустимых значениях заготовки.

• Анализ результатов обработки с применением высоких температур.

Данный критерий показывает, как деталь проявит себя в дальнейшем использовании, а также какой у нее срок годности. Для проведения исследований используется как необработанные элементы, так и готовые запчасти.

Методика проведения испытания промышленным твердомером Роквелла

• Выбрать подходящую для проверяемого материала шкалу (А, В или С).
• Установить соответствующий индентор и нагрузку.
• Перед тем, окончательным измерение надо сделать два пробных, неучитываемых отпечатка, чтобы проверить правильность установки индентора и стола.
• Установить эталонный блок на столик прибора.
• Приложить предварительную нагрузку в 10 кгс, обнулить шкалу.
• Приложить основную нагрузку и дождаться достижения максимального усилия.
• Снять нагрузку.
• Прочесть на циферблате по соответствующей шкале значение твёрдости (цифровой прибор показывает на экране значение твёрдости).
• Порядок действий при проверке твёрдости испытуемого образца такой же, как и на эталонном блоке. Допускается делать по одному измерению на образце при проверке массовой продукции.

Единицы измерения твердости металла: какой способ выбрать

При проведении тестов в лаборатории, необходимая методика подбирается в зависимости от характеристик и свойств детали. К таким относят:

• Размер заготовки. Если образец слишком маленький или тонкий, для вычисления необходимого коэффициента используют метод Виккерса.

• Приблизительное значение прочности. В зависимости от используемого материала и его количества принято использовать разные способы. Так например, твердость металла по Бринеллю и Роквеллу вычисляется, если заготовка выполнена из материалов с небольшой твердостью или из легированной стали и прочих сплавов.

• Толщина заготовки. Один из главных факторов – ширина детали в месте проведения замера. Зачастую данный фактор относится к цементным и азотным слоям.

Также отметим, что все необходимые параметры задокументированы межгосударственным стандартом.

Определение твердости металла по Роквеллу

Данный способ появился еще в начале 20 века и отличается более автоматизированным процессом. Отметим, что данный тип проверок используется чаще всего для заготовок из твердого металла.

К характеристикам данной методики можно отнести:

• Время проверки – от 10 секунд до минуты.

• Первичная нагрузка не менее 10 кгс.

• Показатель на корпусе приспособления для проверки можно вычислить арифметически.

• Пиковые показатели – HRA 20-800, HRB 20-100, HRC 20-70.

• Инденторы. Выделяют 11 шкал в зависимости от используемого наконечника, чаще всего используют А, В или С.

Рассмотрим типы наконечников:

• А – конусообразное изделие, выполненное из алмаза. Пиковая величина давления – 60 кгс. Такие приборы используют в основном для проверки тонкого проката.

• В – шарообразные индентор, размер которого составляет 1,588 миллиметра. Чаще всего выполнен из закаленной стали. Его тяжесть составляет 100 кгс. Применим для заготовок из отожженных материалов.

• С – алмазный наконечник, нажатие которого составляет 150 кгс. Использовать данное приспособление следует при проверке закаленных материалов.

Пробы можно проводить неоднократно. Их количество зависит лишь от размера заготовки. Расстояние между местом проведения измерения должно составлять около четырех диаметров наконечника. Также следует обратить внимание, что данный способ применим не ко всем металлам. Толщина изделия должна быть как минимум в десять раз больше, чем глубина вхождения индентора.

Таблица по Роквеллу:

Чтобы выполнить проверку данным способом вам понадобится выполнить следующие действия:

• Проверьте размеры и параметры заготовки.

• Оцените исправность прибора перед выполнением исследования.

• Выберите необходимый индентор и укажите нагрузку.

• Зафиксируйте деталь.

• Выполните первичную нагрузку, величина которой должна составить 10 кгс.

• Проведите полную проверку.

• Полученный результат появится на шкале прибора.

Для проверки результата можно вычислить итог путем математического расчета.

Если вы используете алмазный индентор, нажатие которого составляет 60-150 кгс:

• HR = 100 — ((H-h) / 0.002)

При применении железного шарообразного наконечника с давлением около 100 кгс, следует использовать следующую формулу:

• HR = 130 — ((H-h) / 0.002)
• h – длина вдавливания индентора вглубь при первом давлении,
• Н – аналогичная величина при повторной, полной нагрузке,
• 0,002 – показатель перемещения наконечника при смещении твердости на одну единицу.

Данная методика является наиболее простой из всех предложенных, однако отличается не самым точным результатом. Несмотря на это, она позволяет рассчитывать коэффициенты для сплавов из твердых металлов.

Факторы, влияющие на точность измерения

• Важным фактором является толщина образца. Не допускается проверка образцов с толщиной менее десятикратной глубины проникновения наконечника.
• Ограничивается минимальное расстояние между отпечатками (3 диаметра между центрами ближайших отпечатков).
• Параллакс при считывании результатов с циферблата стрелочных приборов.

Замер твердости по методу Виккерса

   Измерение твердости по методу Викерса проводят в соответствии с ГОСТ 2999-75.

   К испытуемым образцам выдвигаются следующие требования: для стальных изделий минимальная толщина образца должна быть больше диагонали отпечатка в 1,2 раза; для цветных металлов определяется в соответсвии с ГОСТ 2999-75 по номограмме.Схема измерения твердости по методу Викерса показана на рисунке 4. Радиус кривизны криволинейных поверхностей должен быть не менее 5 мм. Поверхность испытуемого образца должна иметь шероховатость не более 0,16 мкм по ГОСТ 2789-73 и быть свободной от окисной пленки и посторонних веществ. 

Рисунок. 4 Схема измерения твердости по методу Викерса

   Основными недостатками метода являются зависимость измеряемой твёрдости от приложенной нагрузки или глубины внедрения индентора, особенно это проявляется при маленьких нагрузках и высокие требования к тщательной подготовке исследуемой поверхности.  Достоинства метода в том, что можно измерять твердость тонких образцов, азотированных и цементированных слоев, твердость зерна и отдельных включений.

Сравнение шкал твёрдости

Простота метода Роквелла (главным образом, отсутствие необходимости измерять диаметр отпечатка) привела к его широкому применению в промышленности для проверки твёрдости. Также не требуется высокая чистота измеряемой поверхности (например, методы Бринелля и Виккерса включают замер отпечатка с помощью микроскопа и требуют полировки поверхности).

К недостатку метода Роквелла относится меньшая точность по сравнению с методами Бринелля и Виккерса.

Существует корреляция между значениями твёрдости, измеренной разными методами (например, см. рисунок — перевод единиц твёрдости HRB в твёрдость по методу Бринелля для алюминиевых сплавов). Зависимость носит нелинейный характер. Существуют нормативные документы, где приведено сравнение значений твёрдости, измеренной разными методами (например, ASTM E-140).

Оценка механических свойств по испытаниям на твёрдость

Величина прочности по Роквеллу связана с другими прочностными характеристиками веществ. Эта связь исследовалась такими учёными-материаловедами, как Н. Н. Давиденков, М. П. Марковец и др.

Например, по результатам проверки на твёрдость вдавливанием можно определить предел текучести вещества. Для высокохромистых нержавеющих сталей после различных режимов термообработки отклонение результатов, полученных таким методом, от разрушающих методов составило всего +0,9%.

Также исследовалась связь между значениями твёрдости и другими прочностными характеристиками определяемыми при растяжении, такими, как предел прочности (временное сопротивление разрушению), относительное сужение и истинное сопротивление разрушению.

Определение твердости металлов и сплавов: соответствия между разными типами измерений

Имея на руках результат одного способа проверки, можно получить данные в других шкалах. Для этого существуют таблицы соответствия. Ознакомимся с ними поближе:

Данная таблица обладает высокой точностью, так как составлена путем неоднократных исследований.

В статье мы рассказали про методы измерения твердости металлов и сплавов, рассмотрели их особенности, дали подробные инструкции и предложили таблицу соответствия. Для более точных измерений используйте качественное оборудование. Его вы найдете в нашем каталоге.

Литература

Нормативные документы

• ГОСТ 9013-59. Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу
• ISO 6508-1: Metallic Materials — Rockwell Hardness Test. Part 1: Test Method (Scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T)
• ASTM E-18 Standard Methods for Rockwell Hardness and Rockwell Superficial Hardness of Metallic Materials
• ASTM E-140 Standard Hardness Conversion Tables for Metals. Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, and Scleroscope Hardness

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...

Читайте также:

Эвольвентное зацепление — расчет, постро... Как открутить гайку с сорванными гранями... Как снять патрон с шуруповерта Makita, И... Стопорение резьбовых соединений — винтам...