Измерение твердости по Роквеллу

Измерение твердости по Роквеллу

Металлы обладают достаточно большим количеством физико-механических свойств, которые следует учитывать при их использовании для изготовления различных изделий. Твердость – способность одного материала препятствовать проникновению в него другого, более твердого. Для измерения этого показателя были разработаны самые различные методики тестирования. Часто проводится измерение твердости по Роквеллу (HRC). Этот метод имеет довольно большое количество особенностей, о которых далее поговорим подробнее.

Шкалы твёрдости по Роквеллу [ править ]

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» [6] . Наиболее широко используются два типа инденторов: шарик из карбида вольфрама диаметром 1/16 дюйма (1,5875 мм) или такой же шарик из закалённой стали и 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 на шкалу, по которой проводились испытания (HRA, HRB, HRC).

Наиболее широко используемые шкалы твёрдости по Роквеллу

Шкала Индентор Нагрузка, кгс
А Алмазный конус с углом 120° при вершине 60 кгс
В Шарик диаметром 1/16 дюйма из карбида вольфрама (или закалённой стали) 100 кгс
С Алмазный конус с углом 120° при вершине 150 кгс

Формулы для определения твёрдости [ править ]

Чем твёрже материал, тем меньше будет глубина проникновения наконечника в него. Чтобы при большей твёрдости материала не получалось большее 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. Таким образом, формулы для вычисления значения твёрдости будут выглядеть следующим образом:

  • При измерении по шкале А (HRA) и С (HRC):

Разность представляет разность глубин погружения индентора (в миллиметрах) после снятия основной нагрузки и до её приложения (при предварительном нагружении).

  • При измерении по шкале B (HRB):

Как измеряется твердость по шкале Роквелла?

Шкала Роквелла измеряет относительную твердость металла. Она основана на том, насколько глубокой является полученная вмятина при ударе тяжелого предмета. Так как же проводят испытания металла?

Во-первых, металл должен быть термически обработан и абсолютно плоским. Иначе результаты теста будут неточными.

Одним из методов является использование конуса с алмазным наконечником для принудительного удара по металлу. Затем тестеры измеряют, насколько глубоко конус проник в поверхность. Затем, это измерение преобразуется в шкалу, которая показывает различные металлы, которые были испытаны, и как они все связаны друг с другом.

Одним из небольших недостатков при испытании клинка ножа является то, что оно оставляет небольшую точечную вмятину на поверхности, что некоторые могут счесть дефектом. Знак испытания может быть скрыт, если испытание проводится в области, которая находится под рукояткой.

Тест Роквелла фактически состоит из двух тестов. Во время первого испытания создается лишь незначительное усилие, используя алмазный наконечник, похожий на карандаш в сверлильном станке. Это гарантирует, что зона испытания абсолютно плоская и является мишенью для основного испытания на давление. После того, как сделано первое измерение, тест повторяется в той же точке. Давление резко возрастает для этого второго теста, при этом приблизительно 150 кг. давления находятся на этом алмазном наконечнике.

Разница между давлением, использованным для первого и второго испытания, представляет собой число твердости по шкале Роквелла. Два (или более) испытания одного и того же куска металла дадут среднее значение для данного конкретного куска стали.

Твердомер по Роквеллу

Твердомером по Роквеллу (далее – твердомер) называется инструмент, который применяется для определения твёрдости металла и сплавов по одноимённому методу. Принцип его действия основан на проникновении твёрдого наконечника этого инструмента (индентора) в тело исследуемого материала и последующего измерения глубины образовавшегося проникновения. Благодаря своей простоте по сравнению с другими методами (Бринелля, Виккерса и т. д.), метод Роквелла получил наибольшее распространение.

Идентор

Индентор – это наконечник твердомера, который используется для измерения твёрдости испытуемого образца. Он изготавливается из следующих материалов:

  • алмаз;
  • твёрдый сплав;
  • закаленная сталь.

В некоторых случаях инденторами называют сам приборы для измерения твёрдости.

Чаще всего, используются два типа инденторов:

  • шарик, состоящий из карбида вольфрама диаметром 1/16 дюйма (1,5875 мм), или такой же шарик из закалённой стали;
  • конический алмазный наконечник, имеющий угол при вершине 120°.

Метод Роквелла и система обозначения твёрдости материала

Измерение твёрдости исследуемого материала производится статическим методом, который заключается во вдавливании индентора в образец с некоторой постоянной силой. По истечении определённого времени, нагрузка снимается, индентор удаляется и производится измерение геометрических параметров отпечатка. Определяется относительная разница в глубине проникновения индентора при приложении предварительной (10 кгс) и основной (60, 100 и 150 кгс) нагрузки. Результаты сопоставляются с одной из 11 шкал твёрдости (A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T) по стандарту ГОСТ 9013-59 «Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу», основанных на комбинациях «индентор — нагрузка».

Обозначение твёрдости, определённой по методу Роквелла, производится символом «HR». К этому символу добавляется буква, которая указывает на шкалу испытаний. Чаще всего используются: HRA, HRB, HRC.

Стрелочный прибор установки измерения твёрдости методом Роквелла

Преимущества твердомера по Роквеллу

Измерение твёрдости металла и сплавов твёрдомером по Роквеллу имеет ряд достоинств:

  • простота метода. Его главное достоинство — нет необходимости измерять диаметр отпечатка;
  • не требуется высокая чистота измеряемой поверхности. Для сравнения, методы Виккерса и Бринелля требуют полировку поверхности, т. к. иначе не возможен замер размера отпечатка с помощью микроскопа.

Популярные бренды и модели

Наибольшей популярностью пользуются следующие модели:

  • стационарные твердомеры бренда «Метротест» модификации «ИТР». Например: «ИТР-60/150-М»;
  • твердомер бренда «Qness GmbH» модель «Q150R»;
  • автоматизированный стационарный твердомер бренда «TIME Group Inc» модель «TH300».

Весы и ценности

Существует несколько альтернативных шкал, наиболее часто используемые шкалы «B» и «C». Оба выражают твердость как произвольное безразмерное число .

Различные шкалы Роквелла

Шкала Сокращение Загрузить Индентор Использовать N s
А HRA 60 кгс Алмазная сфероконическая форма 120 ° † Карбид вольфрама 100 0,002 мм
B HRB 100 кгс Стальная сфера диаметром 1 ⁄ 16 дюйма (1,588 мм) Алюминий, латунь и мягкая сталь 130 0,002 мм
C HRC 150 кгс 120 ° алмаз сфероконический Более твердые стали> B100 100 0,002 мм
D HRD 100 кгс 120 ° алмаз сфероконический 100 0,002 мм
E ОПЧ 100 кгс Стальная сфера диаметром 1 ⁄ 8 дюйма (3,175 мм) 130 0,002 мм
F HRF 60 кгс Стальная сфера диаметром 1 ⁄ 16 дюйма (1,588 мм) 130 0,002 мм
г HRG 150 кгс Стальная сфера диаметром 1 ⁄ 16 дюйма (1,588 мм) 130 0,002 мм
ЧАС Его Королевское Высочество 60 кгс Стальная сфера диаметром 1 ⁄ 8 дюйма (3,175 мм) Алюминий, цинк, свинец
K HRK 150 кгс Стальная сфера диаметром 1 ⁄ 8 дюйма (3,175 мм) Подшипниковый сплав, олово, твердые пластмассовые материалы
† Также называется индентором Брале
  • За исключением испытаний тонких материалов в соответствии с A623, стальные шарики индентора были заменены шариками из карбида вольфрама различного диаметра. Когда используется шариковый индентор, буква «W» используется для обозначения шарика из карбида вольфрама, а буква «S» указывает на использование стального шарика. Например: 70 HRBW означает, что показание было 70 по шкале Роквелла B с использованием индентора из карбида вольфрама.
Читайте также  Как согнуть алюминиевую трубу

В поверхностных Rockwell весы используют более низкие нагрузки и более мелкие впечатления на хрупком и очень тонкие материалы. Шкала 45 Н выдерживает нагрузку 45 кгс на алмазный конусообразный индентор Брэле и может использоваться на плотной керамике . Шкала 15T использует нагрузку 15 кгс на 1 / 16 — дюймовый диаметр (1,588 мм) , закаленной стальной шарик, и может быть использован на листового металла .

Шкалы B и C перекрываются, так что показания ниже HRC 20 и выше HRB ​​100, которые обычно считаются ненадежными, не нужно брать или указывать.

Типичные значения

  • Очень твердая сталь (например, долота, качественные лезвия ножей ): HRC 55–66 (закаленные быстрорежущие углеродистые и инструментальные стали, такие как M2, W2, O1, CPM-M4 и D2, а также многие из новых нержавеющих сталей порошковой металлургии. такие как CPM-S30V, CPM-154, ZDP-189 и т. д.)
  • Оси : около 45–55 HRC
  • Латунь: HRB 55 (низкое содержание латуни, UNS C24000, закалка H01) до HRB 93 (латунь картриджа, UNS C26000 (латунь 260), закалка H10)

Несколько других шкал, включая обширную шкалу A, используются для специализированных приложений. Существуют специальные шкалы для измерения цементированных образцов.

Routes to finance

Проще говоря, испытание на твердость по Роквеллу является методом измерения твердости материалов. Шкала твердости Rockwell обычно вводится для характеристики твердости металлов, таких как тонкая сталь, цементированные карбиды, свинец, алюминий, цинк, медные сплавы, титан и железо. Но масштаб также используется для проверки некоторых пластмасс.

Твердость, измеренная по шкале Роквелла, относится к сопротивлению проникновению.

Тест получил свое название от Стэнли П. Роквелла, который разработал тестовые и оригинальные машины, а затем продал им права. Тест был впервые введен в 1919 году.

Как работает твердость по Роквеллу

Тест твердости по Роквеллу измеряет твердость самым простым способом: путем нажатия индентора на поверхность материала с определенной нагрузкой, а затем для измерения того, как далеко индентор смог проникнуть. В большинстве случаев индентор выполнен либо из стального шарика, либо из алмаза.

Но, конечно, реальность гораздо сложнее, потому что образцы металла радикально меняются. В результате такой же подход не может использоваться для всех выборок. На самом деле, существует 30 различных шкал Роквелла. Каждый из них использует различную комбинацию сил тестирования и типов инденторов. При выборе подходящей шкалы для образца металла оценщики учитывают размер и форму испытуемого материала, его однородность и ограничения для каждой шкалы.

Несмотря на то, что существует ряд тестов Rockwell, наиболее распространенными для очень твердых материалов являются Rockwell и Rockwell C. Когда материал очень тонкий, следует использовать более легкие нагрузки: Rockwell 30T, 1ST , Rockwell 15-N и 30-N. Как видно из этих измерений, номера твердости Роквелла имеют префикс, который отличает шкалу Роквелла, используемую в корреляции с комбинацией нагрузки и индентора.

Существуют диаграммы преобразования, которые позволят преобразовать один метод твердости в другой, но следует помнить, что эти диаграммы преобразования не могут точно преобразовываться из одного в другой.

Большинство людей, которые смотрят результаты тестов на твердость по Роквеллу, не знают, что доступны несколько типов весов. Таким образом, они могут не понимать, что конверсионные диаграммы не совсем точны. Это потому, что измерения Роквелла не имеют единиц. Как размеры. com объясняет: «Символом является HR, за которым следует буква, указывающая один из нескольких возможных масштабов. Например,« HRC 96 »означает 96 на шкале Rockwell C.»

Сравнимая шкала с твердостью Роквелла

Шкала Роквелла сравнивалась с тестом Мооса и шкалой Бринелла. Шкала Бринелла была разработана шведским инженером Йоханом А. Бринеллом в 1910 году и работает следующим образом.Нагрузка прикладывается к закаленному стальному шару, который находится на плоской поверхности металла, ожидающей оценки. После этого оценивается диаметр вмятины, которая образуется.

Согласно размерам. com, твердость измеряется с помощью этой формулы: «Число Бринелл, указывающее твердость металла, представляет собой нагрузку на шарик в килограммах, деленную на сферическую площадь поверхности вмятины в квадратных миллиметрах».

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.

Читайте также  Убрать хром с авто

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.

Шкалы твёрдости по Роквеллу

Существует несколько шкал для проверки твёрдости, основанных на комбинации «индентор (наконечник) — нагрузка». Используются два типа индентеров: шарик из карбида вольфрама диаметром 1/16 дюйма (1,5875 мм) или такой же шарик из закаленной стали и 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.Значения твёрдости по методу Роквелла предваряются буквой A, B или C.

ОСНОВНЫЕ ШКАЛЫ ТВЁРДОСТИ ПО РОКВЕЛЛУ

Шкала Индентор Нагрузка, кгс
А Алмазный конус
с углом 120° при вершине
60 кгс
В Шарик диам. 1/16 дюйма
из карбида вольфрама (или закаленной стали)
100 кгс
С Алмазный конус
с углом 120° при вершине
150 кгс

Формулы для определения твёрдости

Твёрдость по шкале С (HRC) определяется формулой:

Шкала С имеет 100 делений. Разность представляет разность глубин погружения индентора (в миллиметрах) после снятия основной нагрузки и до её приложения (при предварительном нагружении).

Твёрдость по шкале B (HRB) определяется формулой:

Шкала В имеет 100 делений, нулевая точка — та же, что и для шкалы С (см. фото).

Весы и ценности

Существует несколько альтернативных шкал, наиболее часто используемые шкалы «B» и «C». Оба выражают твердость как произвольное безразмерное число .

Различные шкалы Роквелла

Шкала Сокращение Загрузить Индентор Использовать N s
А HRA 60 кгс Алмазная сфероконическая форма 120 ° † Карбид вольфрама 100 0,002 мм
B HRB 100 кгс Стальная сфера диаметром 1 ⁄ 16 дюйма (1,588 мм) Алюминий, латунь и мягкая сталь 130 0,002 мм
C HRC 150 кгс 120 ° алмаз сфероконический Более твердые стали> B100 100 0,002 мм
D HRD 100 кгс 120 ° алмаз сфероконический 100 0,002 мм
E ОПЧ 100 кгс Стальная сфера диаметром 1 ⁄ 8 дюйма (3,175 мм) 130 0,002 мм
F HRF 60 кгс Стальная сфера диаметром 1 ⁄ 16 дюйма (1,588 мм) 130 0,002 мм
г HRG 150 кгс Стальная сфера диаметром 1 ⁄ 16 дюйма (1,588 мм) 130 0,002 мм
ЧАС Его Королевское Высочество 60 кгс Стальная сфера диаметром 1 ⁄ 8 дюйма (3,175 мм) Алюминий, цинк, свинец
K HRK 150 кгс Стальная сфера диаметром 1 ⁄ 8 дюйма (3,175 мм) Подшипниковый сплав, олово, твердые пластмассовые материалы
† Также называется индентором Брале
  • За исключением испытаний тонких материалов в соответствии с A623, стальные шарики индентора были заменены шариками из карбида вольфрама различного диаметра. Когда используется шариковый индентор, буква «W» используется для обозначения шарика из карбида вольфрама, а буква «S» указывает на использование стального шарика. Например: 70 HRBW означает, что показание было 70 по шкале Роквелла B с использованием индентора из карбида вольфрама.

В поверхностных Rockwell весы используют более низкие нагрузки и более мелкие впечатления на хрупком и очень тонкие материалы. Шкала 45 Н выдерживает нагрузку 45 кгс на алмазный конусообразный индентор Брэле и может использоваться на плотной керамике . Шкала 15T использует нагрузку 15 кгс на 1 / 16 — дюймовый диаметр (1,588 мм) , закаленной стальной шарик, и может быть использован на листового металла .

Шкалы B и C перекрываются, так что показания ниже HRC 20 и выше HRB ​​100, которые обычно считаются ненадежными, не нужно брать или указывать.

Типичные значения

  • Очень твердая сталь (например, долота, качественные лезвия ножей ): HRC 55–66 (закаленные быстрорежущие углеродистые и инструментальные стали, такие как M2, W2, O1, CPM-M4 и D2, а также многие из новых нержавеющих сталей порошковой металлургии. такие как CPM-S30V, CPM-154, ZDP-189 и т. д.)
  • Оси : около 45–55 HRC
  • Латунь: HRB 55 (низкое содержание латуни, UNS C24000, закалка H01) до HRB 93 (латунь картриджа, UNS C26000 (латунь 260), закалка H10)

Несколько других шкал, включая обширную шкалу A, используются для специализированных приложений. Существуют специальные шкалы для измерения цементированных образцов.