Что такое метод Роквелла? Метод определения твердости

Точность превыше всего | 23.11.2016

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.

Недостатки:

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

Что нужно знать о твердомерах

Твердомер, являясь высокоточным измерительным прибором, нуждается в периодической проверке на исправность.

Кроме того, регулярно проводится его калибровка.

Следует знать, что для каждого метода определения твердости существует свой стандарт калибровки.

Например, для стационарных твердомеров Бринелля, Виккерса и Роквелла – ГОСТ 23677-79.

В этом же ГОСТе указано, что у таких приборов средняя наработка на отказ должна составлять не менее 25 тыс. (12,5 тыс. для вариантов с вычислительными модулями) часов.

Этот параметр определяет продолжительность работы устройства до первого отказа.

При этом полный срок службы должен превышать 10 лет, в соответствие все тому же государственному стандарту.

В комплекте с каждым твердомером идет паспорт с инструкцией по его проверке и калибровке.

Первичная проверка осуществляется изготовителем.

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).

Твердомеры Роквелла: методика и оборудование

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.

Существует 11 шкал определения твердости по методу Роквелла (A; B; C; D; E; F; G; H; K; N; T), основанных на комбинации «индентор (наконечник) — нагрузка». Наиболее широко используются два типа инденторов: шарик из карбида вольфрама диаметром 1/16 дюйма (1,5875 мм) или такой же шарик из закаленной стали либо конический алмазный наконечник с углом при вершине 120°. Возможные нагрузки — 60, 100 и 150 кгс. Величина твёрдости определяется как относительная разница в глубине проникновения индентора при приложении основной и предварительной (10 кгс) нагрузки.

Для обозначения твёрдости, определённой по методу Роквелла, используется символ HR, к которому добавляется буква, указывающая шкалу, по которой проводились испытания (HRA, HRB, HRC).

Таблица определения твердости по Бринеллю

Выбор метода в зависимости от условий испытания

Стационарные твердомеры для металлов по методу Роквелла (типа ТК) делятся на приборы с электрическим и механическим приводом. Ручной твердомер ТК включает в себя:

• Подвижный измерительный стол, на который устанавливается деталь
• Рычажный привод нагружения
• Измерительную систему (цифровая или аналоговая индикация результата)
• Рабочая измерительная головка (с регулируемыми установками)
• Масляный амортизатор
• Станина

Принцип действия твердомера Роквелла: Образец (шлифованной поверхностью вверх) размещают на измерительном столе, после чего перемещают его вверх, до начала вдавливания индентора в поверхность, что отслеживается по шкале твердомера . Это 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. Затем 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.
Наиболее часто используемые шкалы Роквелла

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)
• Параллакса при считывании результатов с циферблата стрелочных приборов
• 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 полировку поверхности)

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

Если вы хотите приобрести твердомер Бринелля, рекомендуем модель ТР 5008А или модель LC-200R

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.

Устройство и принцип действия твердомера

Суть испытания с помощью твердомера состоит в механическом воздействии на материал либо изделие, последующем снятии необходимых замеров и проведении вычислений на основе полученных данных. Для реализации подобного исследования прибор оснащён:

• индентором — компонентом, предназначенным для непосредственного взаимодействия с объектом контроля (вдавливания, удара, царапанья и прочего);
• датчиком силы — регистрирует нагрузку;
• корпусом с электронной начинкой — системой управления, дисплеем для отображения настроек и результатов измерений.

Этот перечень содержит только основные составляющие устройства. Полная комплектация зависит от его вида.

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.

Методика измерения

Метод определения твердости металла по Роквеллу применяется в случае, когда нужно протестировать заготовку небольшой толщины. Кроме этого, подобным образом проверяется твердость поверхностного слоя изделия, к примеру, прошедшего закалку или процесс цементирования.

Проводится определение твердости металлов методом Роквелла следующим образом:

1. Метод основан на вдавливании более твердого объекта в испытуемый. Для этого используется специальный алмазный наконечник, который имеет форму правильной пирамиды.
2. Нагрузка прикладывается к наконечнику на протяжении определенного времени. При этом время выдержки и величина нагрузки могут существенно различаться. Согласно установленным стандартам в ГОСТ 9013-59, нагрузка может быть от 1 до 100 кгс. При этом уточняются конкретные значения из этого промежутка.
3. Полученные отпечатки алмазного конуса измеряются. Наиболее важными показателями в этом случае можно назвать размер диагоналей оставшегося отпечатка.

Принцип измерения твердости по Роквеллу

Полученные данные сверяются с табличными значениями, в которых учитывается величина приложенной силы и время выдержки. Рассматриваемая методика позволяет получить показатель твердости в своих условных единицах.

Процесс измерения можно разделить на несколько этапов:

1. Определяется тип шкалы.
2. Устанавливается подходящий индикатор. Важно выбрать индикатор, который будет соответствовать типу установленной шкалы.
3. Проводится два пробных теста, которые необходимы для корректирования работы применяемого оборудования.
4. Прикладывается предварительная нагрузка, равная 10 кгс.
5. Прикладывается основная нагрузка и выдерживается определенный период, который позволяет получить максимальное значение.
6. Убирается нагрузка и считывается полученный результат.

Скачать ГОСТ 9013-59

Современное оборудование позволяет существенно упростить процесс и повысить точность получаемых результатов в ходе проводимых измерений.

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.

Правила выбора твердомеров для металлов

Прежде чем купить твердомер, следует определиться с его видом. Для испытания мягких металлов, сплавов и изделий из них используют приборы, работающие по методу Бриннеля. Свойства средних по твёрдости материалов проверяют с помощью аппаратов Роквелла, а очень твёрдых — Виккерса. Если предполагаются исследования разных образцов, то лучше остановить выбор на универсальных устройствах KB Pruftechnik стационарного типа. Также стоит обратить внимание:

• на способ связи датчика с индентором, который бывает встроенным, проводным и беспроводным;
• качество и надежность нагрузочной ячейки;
• диапазон нагрузок;
• возможность подключения к ПК;
• сходимость и воспроизводимость результатов.

Информация об этих и других параметрах твердомеров указана в карточках товаров. При желании её уточнить или проконсультироваться со специалистом, звоните либо присылайте заявку на обратную связь. Мы не только дадим исчерпывающие ответы, но и поможем с оформлением заказа, доставкой оборудования в лабораторию, выполнением пуско-наладочных работ и организацией технического обслуживания.

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.

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.

Как определить химический состав металла читайте по ссылке