Твердомеры для металлов. Метод Роквелла и Бринелля

Точность превыше всего | 23.11.2016

твердомеры для металловтвердомеры для металлов
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.

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.

Читайте также: Как укоротить жалюзи горизонтальные и вертикальные: полезные советы

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.

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

определение твёрдости металлаопределение твёрдости металла

  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 металловтвердомеры металлов

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.

Читайте также: Бизнес план успешного производства газобетона: гарантированная прибыль в максимально короткие сроки

Твердомеры производства «Точприбор»

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.

стационарный твердомер для металластационарный твердомер для металла

Шкалы твердости

Мера твердости по Роквеллу обозначается HRC. За время проведения тестирования различных металлов было разработано 11 шкал, которые отличаются по соотношению геометрических размеров наконечника и прилагаемой нагрузки. Стоит учитывать, что сегодня в качестве вдавливаемого тела сегодня используются не только алмазные наконечники. Распространение получили:

  1. сферы, изготавливаемые из закаленной стали,
  2. шарики из сплава карбида и вольфрама.

Обозначение проводится с использованием заглавных букв латинского алфавита.

Шкалы для определения твердости по Роквеллу

Прочему так важно учитывать тип применяемой шкалы? Причин довольно много:

  1. От нее зависит вид вдавливаемого индикатора. При этом есть определенная связь между геометрической формой и размерами индикатора и получаемыми данными.
  2. У каждого типа вдавливаемого объекта есть свое ограничение по показателю максимальной нагрузки.

Получаемые результаты важны при изготовлении подшипников и прочих ответственных элементов, используемых при создании автомобилей или авиатехники. Размерность твердости, определяемой по Роквеллу, учитывается и при выборе изделий из закаленной стали.

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.

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.

Твердомер Роквелла

Читайте также: Обзор мотокос STIHL. Описание модельного ряда, преимущества, видео

К особенностям применяемого оборудования можно отнести нижеприведенные моменты:

  1. Испытуемый образец, как правило, располагается на столике.
  2. Алмазный наконечник опускается с помощью грузового рычага.
  3. Важным моментом является то, что наконечник опускается плавно. Это достигается при применении рукоятки с масленым амортизатором.
  4. Время выдержки применимой нагрузки зависит от размеров испытуемого образца. Как правило, показатель составляет 3-6 секунд. Сила воздействия определяется также величиной заготовки.
  5. 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.

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

твердомеры для металловтвердомеры для металлов

Метрологические характеристики испытательных нагрузок

Шкалы твердости Нагрузка, Н Пределы допускаемой относительной погрешности, %
основная предварительная предварительной нагрузки основных нагрузок
Шкала Роквелла для МЕТОЛАБ 100 / 101 / 102 / 103 / 202
HRA 588,4 98,07 (10 кгс) ±2,0 ±0,5
HRB 980,7
HRC 1471
Шкала Супер-Роквелла для МЕТОЛАБ 202 / 301
HR15N 147,1 29,42 (3 кгс) ±2,0 ±0,66
HR30N, HR30T 294,2
HR45N 441,3

Параметры твердомеров МЕТОЛАБ по Супер-Роквеллу

Шкалы твердости Диапазон измерений твёрдости Пределы допускаемой абсолютной погрешности твердомеров
Шкала Супер-Роквелла для твердомеров МЕТОЛАБ 202 / 301
HR15N от 70 HR15N до 94 HR15N ±1,0 HR15N
HR30N от 40 HR30N до 76 HR30N ±2,0 HR30N
от 76 HR30N до 86 HR30N ±1,0 HR30N
HR45N от 40 HR45N до 78 HR45N ±2,0 HR45N
HR30T от 45 HR30T до 70 HR30T ±3,0 HR30T
от 70 HR30T до 82 HR30T ±2,0 HR30T

Параметры твердомеров МЕТОЛАБ по Роквеллу

Шкалы твердости Диапазон измерений твёрдости Пределы допускаемой абсолютной погрешности твердомеров
Шкала Роквелла для твердомеров МЕТОЛАБ 100 / 101 / 102 / 103 / 202
HRA от 70 HRA до 93 HRA ±1,2 HRA
HRB от 25 HRB до 80 HRB

от 80 HRB до 100 HRB

±3,0 HRB

±2,0 HRB

HRC от 20 HRC до 35 HRC

от 35 HRC до 55 HRC

от 55 HRC до 70 HRC

±2,0 HRC

±1,5 HRC

±1,0 HRC

Преимущества твердомера МЕТОЛАБ 202

  • Полностью автоматизированный процесс измерений.
  • Возможность задания нижней/верхней границ измерений, звуковая сигнализация при выходе значений за установленные границы.
  • Статистическая обработка результатов – вывод минимального/среднего/максимального значений.
  • Перевод результатов измерений по шкалам Виккерса, Бринелля.
  • Поправка на кривизну цилиндрических и шарообразных деталей.
  • Интуитивное управление, русскоязычное меню.
  • Большие удобные кнопки для ввода параметров измерения, яркий ЖК экран для считывания показаний
  • Широкий диапазон измеряемых значений.
  • Передача данных на ПК в виде электронных таблиц формата Excel для удобства обработки результатов.
  • Встроенный мини-принтер для распечатки результатов измерений.
4.5 9 голоса

Рейтинг
статьи

Подписаться
Уведомить о
guest
14 Комментарий
Старые
Новые Популярные
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии
nintendoboy
nintendoboy
11 месяцев назад

Ей, ребят, а вы знали, что современное оборудование позволяет супер точно контролировать силу и время воздействия? А еще, оно может измерять твердость маленьких объектов, типа образцов заготовок. Офигенная штука, особенно если речь идет про Твердомер Роквелла. У него размеры ваще компактные! Короче, в статье про него почитайте, интересно!

angelina
angelina
Ответить на  nintendoboy
10 месяцев назад

Согласен, БТБ твердомеры лучше ТШ приборов, потому что они имеют больший стол, удобный для работы, а также механическое переключение режимов нагружения и точную оптическую систему для отсчета результатов. Выбор веса и расположения противовеса в БТБ зависит от того, что нужно измерить.

gleb
gleb
11 месяцев назад

А вот я не согласен с тем, что твердомеры для металлов по методу Бринелля не учитывают упругую деформацию детали. Ну как же, ведь она может сильно влиять на результаты измерения твёрдости. И ещё, нельзя забывать о том, что динамика испытания тоже зависит от исходной твёрдости металла. Так что тут безусловно есть ограничения. Но главное, чтобы поверхность в месте испытания была перпендикулярной оси движения индентора, чтобы результаты были достоверными.

ksenia
ksenia
Ответить на  gleb
10 месяцев назад

А я согласен с комментатором! Ведь сегодня не только алмазные наконечники юзают вдавливаемые тела. Знаешь, получили распространение сферы из закаленной стали, шарики из сплава карбида и вольфрама. При этом, прощение, обозначение идет с заглавных букв латинского алфавита. Ну и еще про Роквеллу, шо есть шкалы для определения твердости. Так шо учитывать тип применяемой шкалы – это главное!

elena
elena
11 месяцев назад

Как связаны геометрическая форма и размеры индикатора с данными, получаемыми при испытании? Знаете ли вы, что каждый тип объекта имеет свое ограничение по максимальной нагрузке? Эти результаты крайне важны в процессе создания автомобилей и авиатехники. И как размерность твердости, которая является фактором при выборе изделий из закаленной стали, учитывается при использовании твердомера? Интересно узнать о принципе действия этого устройства и какие замеры и вычисления проводятся на основе полученных данных.

konstantin
konstantin
Ответить на  elena
11 месяцев назад

Это точно, работы на твердомерах БТБ и на ТШ приборах делают по одной схеме, только в БТБ образец сканируется и результат на экране показывается. Этот метод кстати хорошо подходит для определения твёрдости изделий, которые работают при высоких температурах. Очень удобно!

fedor
fedor
11 месяцев назад

Я глянул статью про тестирование твёрдости металлов, а там оказывается целая наука. Вот, например, у них есть переносные микроскопы, типа МПБ, чтобы измерять результаты. И еще они используют такие приборы, которые могут сравнить отпечаток с таблицами, чтобы узнать, какая твердость у металла. Но там есть некоторые ограничения, типа не учитывают упругую деформацию и скорость вдавливания индентора зависит от исходной твёрдости металла. Короче, не все так просто, когда дело касается тестирования металлов.

anna
anna
11 месяцев назад

Мне кажется, что сила воздействия весьма важна для определения твёрдости металла. Но не только она – нужно учитывать и размер заготовки. Кстати, параметры вводятся специальным пультом. Интересно, сколько компаний занимаются производством такого оборудования? И, главное, сколько это стоит? Хочется знать, на что ориентироваться.

stanislav
stanislav
Ответить на  anna
10 месяцев назад

Да, бро, я с тобой солидарен! Когда включается электродвигатель, корпус индентора начинает двигаться. А вот потом, шарик, преодолевая пружину, втыкается в металл. Понимаю, как это работает, и мне нравится, что все так четко и точно!

mari
mari
10 месяцев назад

Какую роль играют параметры ввода и размер заготовки для определения силы воздействия? Я так понимаю, что это оборудование само контролирует процесс и обеспечивает точность результатов. Уточни пожалуйста, почему стоимость предложения может так сильно варьироваться и сколько компаний выпускают такое оборудование? Кстати, можно ли проводить испытания на уже готовых деталях, а не только на образцах?

maria86
maria86
Ответить на  mari
10 месяцев назад

Бро, согласен на все 💯 Твердомеры БТБ крутые по сравнению с ТШ. Они больше, значит больше места для работы, плюс можно переключать нагрузки, будто на автомате 💪 И да, оптика в них точнее. Похоже, они просто суперэкономичные. 👌

oksana2
oksana2
Ответить на  mari
10 месяцев назад

Ага, понятно. Такое наверное неплохое дело, методика измерения твердости и все такое. Я согласен с тем чуваком, который сказал, что это полезно. Мне кажется, что это хорошо, что можно получить такой показатель. И вообще, шаг за шагом, подходчик шкалу выбирает и индикатор поднимает. Ну прямо как на автомате, процесс. Вот так-то!

Маша
Маша
10 месяцев назад

Почему нужно обращать внимание на тип используемой шкалы для определения твердости при тестировании металлов? Ведь в процессе исследований было создано аж 11 шкал, которые различаются по размерам наконечника и нагрузке. Сейчас для вдавливания используют не только алмазные наконечники, но и стальные сферы, а также шарики из карбида и вольфрама. И чтобы всё это классифицировать, применяют заглавные буквы латинского алфавита. В общем, вопрос: чем тип шкалы так важен?

sasha
sasha
Ответить на  Маша
10 месяцев назад

Я согласен с комментарием! Всякое имеет свои стандарты, так и нагрузка в ГОСТе имеет свои пределы. От 1 до 100 кгс – вот такие циферки. И еще рисуют они алмазные конусы, потом эти отпечатки меряют. Нормально, так и должно быть!