Что это — метод Роквелла? Метод определения твердости
- По объекту контроля
- Контроль качества покрытий
- Измерение прочности строительных материалов
- Измерение толщины защитного слоя и поиск арматуры
- По типу оборудования
- Толщиномеры
- Дефектоскопы
- Твердомеры
- Все для вашего прибора
- Программы для ПК и Android
- Прошивки для приборов
- Документация
- Рекомендации по применению приборов
- Расширенная гарантия
- Услуги
- Поверка и калибровка приборов
- Ремонт и наладка приборов
- Аренда приборов
- Разработка приборов и систем под заказ
- Разработка технологий и методик контроля
Твердость. Измерение твердости по Роквеллу, Бринеллю, Виккерсу
Твердость – сопротивление твердого тела изменению формы (деформированию) либо разрушению в поверхностном слое при местных силовых контактных воздействиях. Проецируя это определение на методы неразрушающего контроля, можем получить следующее определение твердости: это свойство материала сопротивляться пластической деформации.
Наибольшее распространение для определения твердости металлов получили методы, основанные на вдавливании индентора в виде стального шарика (методы Бринелля и Роквелла), алмаза в форме пирамиды (метод Виккерса) или алмаза с округлой вершиной (также метод Роквелла) в испытуемый образец.
Давайте рассмотрим отдельной каждый из указанных методов.
Метод Роквелла – метод определения твердости материалов, преимущественно металлов, основанный на вдавливании под заданной нагрузкой в поверхность испытуемого образца специального индентора – алмаза в форме конуса либо стального закаленного шарика. Метод назван по имени разработавшего его в 1919 году американского металлурга Стенли Роквелла. Отличием данного метода является применение небольших испытательных нагрузок (60, 100 и 150 кгс), что позволяет применять его для испытания тонких образцов и окончательно обработанных изделий, а также применение специальных шкал твердости, связанных только с глубиной отпечатка.
Шкалы твердости по Роквеллу.
Существует 11 основных шкал для определения твердости по методу Роквелла. Это шкалы A; B; C; D; E; F; G; H; K; N; T, при этом, как упоминалось ранее, наиболее часто используемые среди них – это шкалы А, В и С с испытательной нагрузкой 60, 100 и 150 кгс соответственно.
Таблица 1. Наиболее широко используемые шкалы твёрдости по Роквеллу.
Шкала
Индентор
Нагрузка, кгс
Алмазный конус с углом 120° при вершине
Шарик диаметром 1/16 дюйма из карбида вольфрама (или закалённой стали)
Алмазный конус с углом 120° при вершине
Важно отметить, что чем твёрже материал, тем меньше будет глубина проникновения наконечника в него. Чтобы при большей твёрдости материала не получалось меньшее число твёрдости по Роквеллу, вводят условную шкалу глубин, принимая за одно её деление глубину, равную 0,002 мм. При испытании алмазным конусом предельная глубина внедрения составляет 0,2 мм, или 0,2/0,002 = 100 делений, при испытании шариком — 0,26 мм, или 0,26/0,002 = 130 делений.
Нормативные документы для метода Роквелла.
- 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.
Метод Виккерса – метод измерения твердости металлов и сплавов, основанный на вдавливании в испытуемый материал правильной четырёхгранной алмазной пирамиды с углом 136° между противоположными гранями. При этом само значение твердости вычисляется путем деления приложенной нагрузки на площадь поверхности полученного пирамидального отпечатка.
Данный метод измерения подходит для определения значений твердости деталей малой толщины из черных и цветных металлов и сплавов; деталей, закаленных на малую глубину, а также деталей, имеющих тонкие слои гальванических покрытий. Основным недостатком метода Виккерса является зависимость измеряемой твёрдости от приложенной нагрузки или глубины внедрения индентора (явление размерного эффекта).
Нормативные документы для метода Виккерса.
- ГОСТ 2999-75 (СТ СЭВ 470-77) – Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу;
- ISO 6507-1:2005 Metallic materials. Vickers hardness test. Part 1: Test method.
Метод Бринелля – один из основных методов определения твердости материалов, основанный на вдавливании в поверхность испытуемого материала металлического шарика из твёрдого сплава с определенным диаметром и дальнейшем измерении диаметра полученного отпечатка. В качестве инденторов используются шарики из твёрдого сплава диаметром 1; 2; 2.5; 5 и 10 мм. Величину нагрузки и диаметр шарика выбирают в зависимости от исследуемого материала. При этом сами исследуемые материалы делят на 5 основных групп:
- сталь, никелевые и титановые сплавы;
- чугун;
- медь и сплавы меди;
- лёгкие металлы и их сплавы;
- свинец, олово.
Кроме этого, вышеприведенные группы могут разделяться на подгруппы в зависимости от твёрдости образцов.
Нормативные документы для метода Бринелля.
- ISO 6506-1:2014 «Metallic materials — Brinell hardness test — Part 1: Test method»;
- ДСТУ ISO 6506-1:2007 «Визначення твердості за Брінеллем. Частина 1. Метод випробування»;
- ASTM E-10 «Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials»;
- ASTM E140-07 «Standard Hardness Conversion Tables for Metals Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, and Scleroscope Hardness».
Важно, также, отметить, что по ISO 6506-1:2005 (ГОСТ 9012-59) регламентированы следующие основные нагрузки для метода Бринелля: 9.807 Н; 24.52 Н; 49.03 Н; 61.29 Н; 98.07 Н; 153.2 Н; 245.2 Н; 294.2 Н; 306.5 Н; 612.9 Н; 980.7 Н; 1226 Н; 2452 Н; 4903 Н; 7355 Н; 9807 Н; 14 710 Н; 29 420 Н.
Среди недостатков метода можно отметить следующие: применим для материалов с твердостью не более 450 HB; измеряемые значения твердости напрямую зависят от приложенной нагрузки (обратный размерный эффект); по краям отпечатка от индентора образуются навалы и наплывы, что затрудняет измерение как диаметра, так и глубины отпечатка; из-за относительно большого диаметра используемых шариков данный метод неприменим для тонких образцов.
Для измерения твердости материалов по указанным методам используются специальные приборы: портативные и стационарные твердомеры. Подробнее о каждом из видов мы расскажем в следующих статьях.
Замер твердости по методу Роквелла/Бринелля/Виккерса
Замер твердости по методу Роквелла
Твердость — это способность материала сопротивляться внедрению в его поверхностные слои более твердого тела (индентора). Измерение твердости металлов и сплавов проводят в соответствии с ГОСТ 9013-59.
К образцам для проведения испытания предъявляются следующие требования: толщина образца должна не менее чем в 10 раз превышать глубину внедрения наконечника после снятия основного усилия; шероховатость поверхности образца Ra должна быть не более 2,5 мкм по ГОСТ 2789, если нет других указаний в нормативно-технической документации на металлопродукцию. Свойства образца не должны изменяться в ходе его подготовки в процессе механической обработки и т.д.
Испытание твердости по методу Роквелла производится вдавливанием в исследуемый образец индентора (конус с углом при вершине 120° или стального закалённого шарика D = 1,59 мм под действием двух последовательно воспроизводимых нагрузок. Сначала прилагается предварительная нагрузка (10 кг), а после общая (60,100 или 150 кг, в зависимости от шкалы твердости) рисунок 1. Предварительная нагрузка обеспечивает исключения влияния упругой деформации и разной степени чистоты поверхности образца на результаты измерений. О твердости материала судят по глубине лунки, величина которой определяется в процессе испытания по разности глубин вдавливания индентора под действием двух последовательно приложенных нагрузок.
Рисунок 1. Схема измерения твердости методом Роквелла.Метод Роквелла получил широкое распространение в производственной и лабораторной практике. Он позволяет определять твердость на готовых деталях, так как на поверхности после измерения остается отпечаток очень малой величины, что не влияет на работу детали. Методом Роквелла можно измерять твердость очень мягких и очень твердых материалов, а также производить замер твердости тонких деталей и поверхностных слоев. Метод имеет высокую производительность.
Однако у метода есть следующие недостатки: необходимость более тщательной подготовки поверхностей детали для испытания, а также требуется строгое соблюдение параллельности исследуемых плоскостей.
Замер твердости по методу Бринелля
По значениям твердости можно оценить прочность материала, его пластичность и вязкость, а также определить, как деталь будет обрабатываться резанием и давлением. Измерение твердости металлов и сплавов по методу Бринелля проводят в соответствии с ГОСТ 9012-59.
Рисунок 2. Отпечаток, получаемый на образце при замере твердости методом Бринелля.При определении твердости по методу Бринелля в испытываемый образец под нагрузкой (62,5 до 3000 кг) вдавливается индентор – стальной закаленный шарик. При вдавливании шарика на поверхности образца остается отпечаток, по величине которого судят о твердости материала рисунок 2.
Рисунок 3. Схема измерения твердости по методу Бринелля
Метод прост, имеет достаточную точность, минимальные требования к чистоте поверхности по сравнению с другими методами. Однако, на прессе Бринелля нельзя испытывать твердость тонкого материала, толщина испытываемого материала должна быть не меньше десятикратной глубины отпечатка. Нельзя проводить испытания материалов, твердость которых больше 450 ед. НВ, т.к. деформируется индентор.
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.
Динамические методы
Реализуются на замерах отскока и падения бойка. Особую популярность имеет динамический твердомер. Он измеряет соотношение скорости падения индентора при падении и отскоке. Результат от сигналов анализируется преобразователем и выводится на дисплей. Компактный переносной твердомер имеет большую производительность и мобильность в отличие от оборудования для классических методов измерения.
Твердость по Шору
Метод регламентируется ГОСТом 23273-78. Регистрируется скорость падения бойка с алмазным наконечником и высота его отскока. Чем тверже металл, тем выше отскакивает боек. На основе полученных данных выводится число твердости по Шору. Единица измерения – HSD. Основная область применения этого метода – изготовление и эксплуатация прокатных валков.
Как измерять твердость по Родману
В первом случае твердость определяется величинами углублений, производимых постоянным грузом на стальной закаленный нож, имеющий форму пирамиды с сильно вытянутым ромбическим основанием.
Во втором случае твердость определяется величиною переменного груза, необходимого для вдавливания закаленного стального усеченного конуса определенных размеров до половины его высоты.
P – переменный груз; h/2 – половина величины углубления индентора
Как измерять твердость по Кальверту и Джонсону
Следует обратить внимание, что все первые методы определения твердости в той или иной мере характеризуют именно сопротивление тела углублению в него индентора.
В 1900 г. шведский инженер Бринелль (Brinell) Юхан Август предложил метод определения твердости, сущность которого заключалась в измерении параметров восстановленного отпечатка, нанесенного шариковым индентором под определенной нагрузкой и расчету числа твердости по известным формулам, характеризующим отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка. Этот метод характеризует уже не сопротивление тела углублению в него индентора, а конечный результат такого сопротивления, когда снимается приложенная к индентору нагрузка, происходит упругое восстановление отпечатка и измеряются параметры этого отпечатка, характеризующие, в основном, пластическую деформацию материала. Аналогичный по физической сущности метод был предложен английским военно-промышленным концерном «Vickers Limited» в 1925 г. с той лишь разницей, что в качестве индентора использовалась четырехгранная алмазная пирамида. Несколько иной подход к определению твердости предложил американский металлург С. Л. Роквелл в 1920 г., который твердость оценивает условными единицами, характеризующими глубину внедрения’ шарикового или конусообразного индентора. Этот метод носит несколько условный характер определения твердости. Проанализировав все существующие теории твердости, Б. Л. Пилипчук в 1960 годы предложил твердость рассматривать как «особое» свойство, присущее в различной степени реальным твердым телам, которое проявляется в способности этих тел оказывать сопротивление всяким попыткам упруго или пластически деформировать участок поверхности тела». Несколько иначе представляет понятие твердости Ю.М. Лахтин, согласно которому «твердостью называется свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии в поверхностном слое». В этом случае понятие твердости не подходит к материалам, обладающим исключительно упругими свойствами, например, резине. Исходя из изложенного, вполне справедливым является утверждение Б.В. Мотта, согласно которому «твердость может характеризовать как упругую, так и пластическую деформацию». Этому утверждению в наибольшей степени соответствуют методы кинетической твердости, детально разработанные Булычевым С.И. и Алехиным В.П.. Для реализации этого метода в исследуемый материал вдавливается индентор и непрерывно регистрируются два основных параметра: приложенная нагрузка и глубина внедрения индентора. В качестве критерия твердости по данному методу используется условная, рассчитанная по глубине внедрения, площадь контакта индентора с материалом. Евростандартами, также предусмотрено кинетическое индентирование и рекомендуется определять расчетное значение твердости по отношению к максимально приложенной нагрузки к контактной площади лунки под нагрузкой. Такое разнообразие вышеуказанных и многих других методов определения твердости привело к тому, что до сих пор нет строгого научного определения понятия «твердость», а сравнение чисел твердости, полученных по методам Бринелля, Роквелла, Виккерса, вообще лишено всякого физического смысла.
Разрушающие – испытания с применением разрушающих методов контроля. Преимущество разрушающих испытаний состоит в том, что они дают возможность получить количественные характеристики свойств изделий. Правда, при каждом испытании получают обычно только одну характеристику (например, для материала – предел выносливости, твердость и т. д.).
Этим испытаниям могут подвергаться образцы, заготовки, детали, узлы, изделия и технические системы в целом. Разрушающие испытания позволяют получать показатели назначения, надежности и технологичности продукции. При разрушающих испытаниях детали подвергаются разрушению под действием механических нагрузок или разрезаются, чтобы можно было исследовать деталь изнутри. К разрушающим относятся и испытания на надежность, так как в результате их расходуется ресурс исследуемого изделия (полностью или частично).
Естественно, что детали, которые в дальнейшем будут использоваться в изделиях, не могут подвергаться испытаниям разрушающими методами; а если разрушающим испытаниям подвергаются сами изделия или системы, то после проведения испытаний они являются непригодными к дальнейшему их использованию по назначению. Разрушающим испытаниям подвергаются не все изделия (генеральная совокупность), а небольшая их часть, называемая выборкой. В этом случае показатели качества изделия могут отличаться от соответствующих статистических оценок вследствие ограниченности и случайного состава выборки. Чтобы учесть это возможное отличие, вводится понятие доверительной вероятности. Доверительная вероятность – вероятность того, что истинное значение оцениваемого параметра или числовой характеристики лежит в заданном интервале, называемом доверительным.
Также существуют и неразрушающие методы контроля твердости материалов, позволяющие определить твердость изделия, без его разрушения. Эти методы получили широкое распространение, так- как твердость можно измерять на деталях – непригодных для испытаний на растяжение. После испытания – деталь можно использовать как новую.
Метод Бринелля − твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части сферы, а не как площадь круга); размерность единиц твердости по Бринеллю кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H − hardness (твёрдость, англ.), B − Бринелль;
Метод Роквелла − твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA; твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 − kd, где d − глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k − коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу соответствует HR 100.
Метод Виккерса − твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к пирамидке, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части поверхности пирамиды, а не как площадь ромба); размерность единиц твёрдости по Виккерсу кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV;
Метод Шора − твёрдость определяется по высоте отскакивания стального шарика от поверхности изучаемого металла или по глубине введения алмазной иглы под действием пружины. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HSD;
Метод Кузнецова − Герберта − Ребиндера − твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл;
Шкала Мооса − используется главным образам для указания твёрдости минералов, определяется по тому, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый, и какой материал из десяти стандартных царапается тестируемым.
В России и Украине стандартизированы четыре первые шкалы твёрдости. Первые три перечисленных метода относятся к методам вдавливания, методы Шора и Кузнецова − Герберта − Ребиндера − к динамическим методам определения твёрдости. Значения твёрдости, определённые по методам вдавливания, можно пересчитать из одной шкалы в другую. Конкретный способ определения твёрдости выбирается исходя из свойств материала, имеющейся аппаратуры и др.
Для инструментального определения твёрдости методом вдавливания используются твердомеры. Все методы определения твердости являются методами неразрущающего контроля.
В данной работе решаются следующие задачи исследования:
-выполнить мониторинг существующих методов контроля свойств материалов;
-проанализировать методы неразрушающего контроля механических свойств материалов, основанные на вдавливании индентора;
-рассмотреть существующие устройства для контроля твердости деталей и заготовок;
-исследовать возможность оценки некоторых служебных свойств материалов по результатам измерений твердости.
Проведение испытания [ править ]
- Выбрать подходящую для проверяемого материала шкалу (А, В или С)
- Установить соответствующий индентор и нагрузку
- Перед тем, как начать проверку, надо сделать два неучитываемых отпечатка, чтобы проверить правильность посадки наконечника и стола
- Установить эталонный блок на столик прибора
- Приложить предварительную нагрузку в 10 кгс, обнулить шкалу
- Приложить основную нагрузку и дождаться до приложения 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
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.
К особенностям применяемого оборудования можно отнести нижеприведенные моменты:
- Испытуемый образец, как правило, располагается на столике.
- Алмазный наконечник опускается с помощью грузового рычага.
- Важным моментом является то, что наконечник опускается плавно. Это достигается при применении рукоятки с масленым амортизатором.
- Время выдержки применимой нагрузки зависит от размеров испытуемого образца. Как правило, показатель составляет 3-6 секунд. Сила воздействия определяется также величиной заготовки.
- 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.
Проведение испытания
- Выбрать подходящую для проверяемого материала шкалу (А, В или С)
- Установить соответствующий индентор и нагрузку
- Перед тем, как начать проверку, надо сделать два неучитываемых отпечатка, чтобы проверить правильность посадки наконечника и стола
- Установить эталонный блок на столик прибора
- Приложить предварительную нагрузку в 10 кгс, обнулить шкалу
- Приложить основную нагрузку и дождаться до приложения 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
- ↑Kehl G. L. The Principles of Metallographic Laboratory Practice, 3rd Ed., McGraw-Hill Book Co., 1949, p. 229.
- ↑H. M. Rockwell & S. P. Rockwell Hardness-Tester, US Patent 1294171, Feb 1919.
- ↑S. P. Rockwell The Testing of Metals for Hardness // Transactions of the American Society for Steel Treating, Vol. II, № 11, Aug 1922, p. 1013—1033.
- ↑ 12S. P. Rockwell Hardness-Testing Machine, US Patent 1516207, Nov 1924.
- ↑Lysaght V. E. Indentation Hardness Testing, Reinhold Publishing Corp., 1949, p. 57-62.
- ↑ ISO 6508-1:2005. Metallic materials. Rockwell hardness test. Part 1: Test method (scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T)
- ↑ Smith, William F. & Hashemi, Javad (2001), Foundations of Material Science and Engineering (4th ed.), McGraw-Hill, с. 229, ISBN 0-07-295358-6
- Фридман Я. Б. Механические свойства металлов. Изд. 3-е, в 2-х частях. — М.: «Машиностроение», 1974
- Бернштейн М. Л., Займовский В. А. Механические свойства металлов. Изд. 2-е. — М.: «Металлургия», 1979.
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
Что такое wiki2.info Вики является главным информационным ресурсом в интернете. Она открыта для любого пользователя. Вики это библиотека, которая является общественной и многоязычной.
Основа этой страницы находится в Википедии. Текст доступен по лицензии CC BY-SA 3.0 Unported License.
Wikipedia® — зарегистрированный товарный знак организации Wikimedia Foundation, Inc. wiki2.info является независимой компанией и не аффилирована с Фондом Викимедиа (Wikimedia Foundation).
