Преимущества и недостатки метода роквелла

Под твёрдостью металлов понимают их способность пластически деформироваться при нагрузках, которые прикладываются к детали в результате внедрения в неё элемента с более высокой твёрдостью – индентора. Испытания на твёрдость считаются одними из наиболее распространённых, поскольку определяют как меру прочности изделия, так и его способность сопротивляться переменным во времени нагрузкам. При этом, в отличие от других методов контроля, испытания на твёрдость относятся к числу неразрушающих, а твердомеры для металлов могут быть достаточно компактными.

Сущность методов определения твёрдости металлов

Испытания могут проводиться как на эталонных образцах (изготовленных из того же металла, и подвергнутых такому же режиму термической обработки), так и непосредственно на готовых деталях. В последнем случае необходимо принять меры к тому, чтобы испытуемое изделие не имело затем внешних повреждений.

Выбор метода испытания твёрдости зависит от:

1. Исходных механических показателей прочности, упругости и пластичности изделия.
2. Габаритных размеров детали (или места соединения смежных элементов конструкции, если устанавливается твёрдость в зоне, например, сварного шва).
3. Конечного результата: установить твёрдость самого изделия, либо твёрдость только его поверхности (выполняется для деталей, прошедших термическую обработку или иной вид поверхностного упрочнения).
4. Требований к условиям, времени и месту проведения испытания. Например, в полевых условиях более подходят не стационарные, а портативные твердомеры.
5. Стабильности результатов измерений и их воспроизводимости при повторных испытаниях.

Твёрдость может быть измерена тремя группами методов – механическими (статическими и динамическими), а также ультразвуковыми. Кроме того, различают твёрдость при комнатных и повышенных температурах (так называемую «горячую твёрдость»). Независимо от этого, физическая сущность всех методов одна – в образец внедряется деформирующий элемент, перемещение которого считывается по специальной шкале.

Твёрдость рассматривается как сопротивление металла необратимым пластическим деформациям, а потому отличается от других измерений наличием специальных унифицированных приборов – твердомеров для металлов.

Твердомеры Бринелля

Способ определения твёрдости по методу Бринелля заключается в том, что в поверхность детали вдавливается шарик или из закалённой стали, или из твёрдого сплава. В результате на металле остаётся отпечаток в виде полусферы определённого диаметра и глубины, что определяет меру твёрдости по Бринеллю НВ.

К методу предъявляются следующие требования:

1. Индентор должен быть строго определённых размеров. Стандартными считаются диаметры 10; 5; 2,5; 1,25 и 1 мм. Выбор зависит от ориентировочной твёрдости испытуемого образца и нагрузке на него:

Диаметр шарика, мм	Рекомендуемая нагрузка на индентор, кН в зависимости от материала изделия
	Стали, чугуны, высокопрочные сплавы	Большинство цветных металлов и сплавов	Алюминий	Подшипниковые сплавы	Свинец, олово, баббиты
10	29,42	9,8	4,9	2,45	1,225
5	7,335	2,45	1,225	0,613	0,307
2,5	1,84	0,613	0,307	0,153	0,077
1,25	0,459	0,153	0,076	0,038	0,019
1	0,294	0,098	0,049	0,0245	0,013
Рекомендуе-мый диапазон измерения твёрдости НВ	67…450	22…315	11…158	6…78	3…39

1. Нельзя выполнять измерения твёрдости НВ одной и той же детали, используя различные типы твердомеров Бринелля.
2. Соотношение прикладываемой к изделию нагрузки и площади отпечатка должны быть постоянными.
3. При ссылке на установленную при замерах величину НВ необходимо указывать условия, при которых был получен результат.
4. Деталь в месте измерения твёрдости должна иметь ровную и хорошо зашлифованную поверхность достаточной толщины (иначе с обратной стороны возможна деформация, ухудшающая точность результата).
5. Недопустимо определять твёрдость, если точка испытания находится вблизи от кромки детали.

Метод Бринелля непригоден, если измеренная твёрдость превышает 450 НВ: в таком случае происходит деформация контактной поверхности самого индентора.

Твердомеры для металлов, реализующие метод Бринелля, подразделяют на приборы типа ТШ и типа БТБ.

Стационарные твердомеры для металлов типа ТШ, с механическим приводом от электродвигателя, состоят из следующих узлов:

• Узла нагружения, который включает в себя оправку с индентором, возвратную пружину и корпус;
• Узла привода, состоящего из электродвигателя и системы передач;
• Рычажного механизма, который передаёт рабочую нагрузку на шарик;
• Рабочего стола;
• Панели управления и контроля результатов измерений.
• Противовеса с грузами;
• С-образной станины.

Твердомер Бринелля работает так. Деталь испытуемой поверхностью вверх устанавливают на стол, после чего поднимают его до упора, имеющегося в корпусе индентора. Далее включается электродвигатель, который перемещает корпус индентора. Тот, преодолевая сопротивление пружин, приводит в движение шарик, который вдавливается в металл. Конечный результат считывается по шкале. Отношение плеч рычажного механизма, а также суммарный вес грузов на противовесе устанавливается в зависимости от предполагаемого результата измерений (см. таблицу выше).

Твердомеры для металлов типа БТБ имеют некоторые эксплуатационные преимущества перед приборами ТШ: они обладают увеличенными размерами рабочего пространства стола, смена режимов нагружения производится механически, а для отсчёта результата используется более точная оптическая система. Работы на твердомерах БТБ производят в той же последовательности, что и на приборах ТШ, но образец после испытания сканируется измерительной головкой, с отображением результата на экране.

Данный способ подходит также для определения твёрдости изделий, которые эксплуатируются при повышенных температурах. Для этого на стол устанавливается ванна с нагревающей образец жидкостью, причём для температур до 300 ° С используют масло, а для более высоких температур – солевой расплав. Образец помещают в ванну на асбестовую плиту, после чего измеряют твёрдость обычным методом.

Доступными и простыми в эксплуатации являются переносные твердомеры для металлов типа ТШП. Испытательная головка прибора устанавливается на деталь в месте измерения и крепится струбциной или специальными захватами. Нагрузка создаётся вручную, и контролируется по шкале индикатора. Для измерения результата применяют переносной микроскоп типа МПБ. Замеренный отпечаток сравнивается со значениями, которые приводятся в таблицах пересчёта.

Твердомеры для металлов, работающие по методу Бринелля, имеют ряд ограничений своего применения:

• Не учитывается упругая деформация детали под нагрузкой.
• Динамика проведения испытания (время и скорость вдавливания индентора) очень сильно зависит от исходной твёрдости металла.
• Поверхность в месте испытания должна быть строго перпендикулярной оси движения индентора.
• При повторных измерениях твёрдости расстояние между смежными отпечатками должны быть не менее 0,2…0,6 от диаметра шарика.

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

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.

Твердость материалов является интегрирующим показателем их механических свойств. Существует эмпирическое соответствие между значением твердости и рядом механических характеристик (например, предел прочности на сжатие, растяжение или изгиб).

С развитием машиностроения возникла необходимость иметь общие методики измерения твердости. В начале XX века профессором Людвигом была разработана теоретическая часть методики определения твердости алмазным конусом. В 1919 году Хью и Стэнли Роквеллы запатентовали гидромеханическую установку, которая получила имя — твердомер Роквелла.

Актуальность этого устройства вызвана необходимостью применения неразрушающих методов контроля твердости в подшипниковой промышленности. Существующий метод Бринелля (HB) основан на измерении площади отпечатка шарика диаметром 10 мм. Отпечаток формируется с помощью шарика из закаленной стали или карбида вольфрама, который вдавливается в образец с определенным усилием. Метод Бринелля применяется для определения твердости цветных металлов или низколегированных сталей и неприменим для образцов из закаленной стали. Это связано с тем, что рабочая нагрузка составляет 3000 кгс. Шарик деформируется, поэтому метод Бринелля не может считаться неразрушающим методом контроля.

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.

Твердость металла по Роквеллу: таблица

Таблица создана для наглядного сравнения методов Роквелла и Бриннеля.

Чтобы эффективно применять металлы в различных конструкциях, важно знать, насколько они прочны. Твердость – наиболее часто вычисляемая характеристика качества металлов и сплавов. Методов ее определения несколько: Бринелля, Рокелла, Супер-Роквелла, Виккерса, Людвика, Шора (Монотрон), Мартенса. Статье рассмотрим метод братьев Роквеллов.

Что представляет собой метод

Методом Роквелла называют метод испытания материалов на твёрдость. Для исследуемого элемента вычисляется глубина проникновения твердого наконечника индикатора. При этом одинаковой остается нагрузка для каждой шкалы твердости. Обычно она составляет 60, 100 ил 150 кгс.

Индикатором в исследовании являются шарики из прочного материала либо алмазные конусы. Они должны быть с закругленным острым концом и иметь угол при вершине 120 градусов.

Этот метод признан простым и быстро воспроизводимым. Что дает ему преимущество перед другими методами.

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.

Преимущества и недостатки метода

Каждый метод вычисления твердости уникален и применим в какой-либо сфере. Методы определения твердости по Бринеллю и Роквеллу являются основными.

Есть ряд преимуществ метода:

• возможность проведения опытов с высокой твердостью;
• незначительные повреждения поверхности при проведении испытания;
• простой метод, не требующий измерения диаметра отпечатка;
• процесс испытания достаточно быстрый.

• по сравнению с твердомерами Бринелля и Виккерса, метод Роквелла не достаточно точен;
• необходимо тщательно подготовить поверхность образца.

Строение шкалы Роквелла

Для испытания твердости металлов методом Роквелла выведено всего 11 шкал. Их отличие состоит в соотношении наконечника и нагрузки. Наконечник может быть не только алмазным конусом, но и шариком из сплава карбида и вольфрама или закаленной стали в форме сферы. Наконечник, закрепленный в установке, называют идентером.

Шкалы принято обозначать буквами латинского алфавита: A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T.

Проводятся испытания прочности основными шкалами — A, B, C:

• Шкала А: испытания алмазным конусом с нагрузкой 60 кгс. Обозначение – HRA. Такие испытания проводятся для тонких твердых материалов (0,3-0,5 мм);
• Шкала B: испытания стальным шариком с нагрузкой 100 кгс. Обозначение – HRB. Испытания проводятся на отоженной мягкой стали и цветных сплавах;
• Шкала C: испытания конусом с нагрузкой 150 кгс. Обозначение – HRC. Испытания проводятся для металлов средней твердости, закаленной и отпущенной стали или слоев толщиной не более 0,5 мм.

Твердость по методу Роквелла принято обозначать HR с третьей буквой шкалы (например, HRA, HRC).

Формула для расчёта

Твердость материала влияет на глубину проникновения наконечника. Чем испытуемый объект тверже, тем меньшим будет проникновение.

Чтобы численно определить твердость материала, необходима формула. Ее коэффициенты зависят от шкалы. Для снижения погрешности измерений следует принять относительную разницу глубины проникновения индентора в момент приложения основной и предварительной (10 кгс) нагрузки.

Метод измерения твердости по Роквеллу предполагает применение формулы: HR=N-(H-h)/s, где разностью H-h обозначают относительную глубину проникновения индентора под нагрузками (предварительной и основной), величина исчисляется в мм. N, s – это константы, они зависят от конкретной шкалы.

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.

Методика проведения испытаний

Проведение исследования требует тщательной подготовки. При определении твердости металлов методом Роквелла поверхность образца должна быть чистой, без трещин и окалин. Важно постоянно контролировать перпендикулярно ли прилагается нагрузка на поверхность материала, а также устойчиво ли он располагается на столике.

Отпечаток при вдавливании конуса должен быть не меньше 1,5 мм, а при вдавливании шарика – более 4 мм. Для эффективных расчётов образец должен быть в 10 раз толще, чем глубина внедрения индентора после снятия основной нагрузки. Также следует проводить не меньше 3 испытаний одного образца, после чего усреднить результаты.

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.

Что повлияет на точность

При проведении любого испытания важно учитывать множество факторов. Выявление твердости по методу Роквелла тоже имеет свои особенности.

Факторы, на которые нужно обратить внимание:

• Толщина испытуемого образца. Правилами проведения опыта запрещается использовать образец, который по толщине меньше, чем десятикратная глубина проникновения наконечника. То есть, если глубина внедрения — 0,2 мм, то материал должен быть минимум 2 см в толщину.
• Между отпечатками на образце должно быть соблюдено расстояние. Оно составляет три диаметра между центрами ближних отпечатков.
• Следует учитывать возможное изменение результатов опыта на циферблате в зависимости от положения исследователя. То есть считывание результата должно проводиться с одной точки обзора.

Механические свойства в испытаниях прочности

Связать и исследовать прочностные характеристики материалов и результаты проверки твердости методом определения твердости по Роквеллу получилось у таких ученых-материаловедов, как Давиденков Н. Н., Марковец М. П. и других.

По результатам испытания твердости путем вдавливания применяются методы вычисления предела текучести. Данная связь вычислена для высокохромистых нержавеющих сталей, которые прошли множественную термообработку. Среднее значение отклонения, при применении алмазного индентора, составило всего +0,9 %.

Также проводятся исследования по определению и других механических свойств материалов, связанных с твердостью. Например, предел прочности (или временное сопротивление), истинное сопротивление разрушению и относительное сужение.

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.