Что значит твердость по роквеллу эталонная
Шкала Роквелла. Твердость по Роквеллу
«Испытание конусом». Это название книги, в которой впервые было предложено измерять твердость материалов путем проникновения в них алмазного конуса.
Книга написана профессором Людвигом. Издана брошюра в 1908-ом году. С тех пор и существует шкала Роквелла. Почему Роквелла, а не Людвига? Об этом, и не только, далее.
Секрет названия шкалы Роквелла
Профессор Людвиг подготовил теоретическую базу, но не изобрел машину для измерения. Чтобы конус надавил на материал с определенной силой, нужен отлаженный механизм.
Его придумали двое изобретателей из Коннектикута. Одного американца звали Стенли, другого – Хью. Фамилия одна на двоих – Роквелл. Мужчины были дальними родственниками, работали на предприятии – New Dearture Manufacturing.
Он предлагал вдавливать в испытуемый материал шарик все из той же закаленной стали. Процесс был медленным, а отпечаток слишком внушительным, чтобы считаться неразрушающим.
Показатель твердости определялся по диаметру следа. Диапозон шкалы Роквелла был больше, метод быстрее, отпечатки на деталях после него – незначительными. Важной стала глубина следа, а не его диаметр.
Благодаря новой установке New Dearture Manufacturing уже к 1916-му году вошла в корпорацию General Motors. Как же выглядит аппарат Роквеллов?
На чем определяют твердость по шкале Роквелла
Установка отдаленно напоминает швейную машину. Есть импровизированная игла – алмазный конус (или шарик ) и материал, в который игла должна войти. Для этого подвешивают груз, регулирующий силу воздействия.
Время отображается на индикаторе. Делают 2 подхода. Первое нажатие равно 10 килограммам силы (кгс), второе – 100 или 150-ти. Меньшее давление оказывается шариком, большее – конусом.
Испытуемый материал лежит на так называемом столике. Алмаз на него опускается с помощью грузового рычага. Опуститься плавно ему помогает рукоять с масленым амортизатором.
Основную нагрузку выдерживают 3-6 секунд, в зависимости от размеров испытуемого образца. Сила воздействия на него, кстати, тоже зависит от величины.
Предварительную нагрузку сохраняют вплоть до получения результата. Его отображает большая стрелка индикатора, движущаяся по часовой. Какие цифры может указать прибор, и что они означают? Давайте выяснять.
Строение шкалы Роквелла
Существует 11 шкал Роквелла. Они отличаются по соотношению наконечника к нагрузке. Наконечник в установке именуется идентером. Алмазный конус уже давно не является его единственным вариантом.
Шкала А соответствует алмазному конусу. Угол при его вершине обязательно составляет 120 градусов. Нагрузка при воздействии алмазом равна 60 кгс. 100 кгс – нагрузка уже карбидного шарика шкалы В. Для нее применима и сфера из стали. Важен диаметр шарика в 1/16 дюйма. Это чуть больше полутора миллиметров.
Шкала Роквелла, таблица которой обозначается буквой С, снова посвящена алмазному конусу с углом при вершине в 120 градусов. Разница в нагрузке. В отличие от А, она составляет не 60, а 150 кгс.
Буквенное обозначение шкалы Роквелла добавляется к результату, выраженному числом. Рядом располагается указатель HR – твердость по Роквеллу.
Теперь, остается разобраться, какая величина считается по шкале прибора Роквелла приемлемой для тех, или иных изделий. Показатель важен не только для подшипников и прочих элементов автомобилей, самолетов, ракет.
Цифры имеют значение, к примеру, при выборе ножей. Они, как правило, делаются из закаленной стали. Далее, расскажем, какие стоит брать, а какие нет.
Шкала Роквелла для ножей, и не только
«Аогами» в переводе с японского означает «голубая бумага». Такова обертка, в которую заворачивают стальные заготовки. Однако, цифры на клинках могут ввести в заблуждение.
В мире есть около 10-ти шкал, применяемых для измерения твердости сплавов, металлов. Остается в ходу метод Бринелля. Существуют шкалы Виккерса, Шора, Аскера. Их показатели пишутся, как правило, по одной схеме. Отличаются лишь буквы. По Виккерсу, к примеру, записи дополняют буквы HV.
Разнятся и числа. Но, смысл их становится понятным, лишь в случае знания буквенных обозначений для всех шкал. Так, то, что по Роквеллу не больше 86-ти, по Шору – уже 102, а по Виккерсу – больше 1 000.
На комментарии продавцов ориентироваться приходится редко. В большинстве магазинов консультанты либо путаются в нюансах всех известных шкал и обозначений на продукции, либо не владеют информацией даже в общих чертах.
Если на ножах шкала Роквелла (HRC) отображается, то на машинных деталях отметка не ставится. Нет ее и в сопроводительных документах. Ориентироваться приходится лишь на марку сплава.
В начале главы указывалось, что для каждого состава есть установленные границы. Твердость подшипниковой стали по шкале Роквелла должна быть не меньше 56,5 единиц.
В противном случае, детали отбраковываются. Берется усредненный показатель обоймы, а не каждого подшипника в отдельности.
Что может повлиять на точность измерений методом Роквелла
Напоследок заметим, что отбраковка деталей может делаться не только после измерений, но и до их начала. В установку не помешаются материалы, толщина которых меньше десятикратной глубины проникновения алмазного конуса.
Предельная глубина его внедрения равна 0,2 миллиметра. То есть, для испытаний подходят детали толщиной от 2- сантиметров. Если штамп проставлен на более тонком элементе, замеры, наверняка, неверные.
Ограничиваться должно и расстояние между отпечатками. Минимальный показатель – 3 диаметра. Ровно столько места нужно оставлять между центрами 2-х соседних оттисков. Третий момент, влияющий на объективность измерений – параллакс.
Слово греческое, означает «смену», «чередование». Речь об изменении положения объекта относительно удаленного фона. Параллакс не должен присутствовать при считывании показаний с циферблата установки Роквелла.
Нюансов работы со шкалой Роквелла, как видно, масса. Зато, точное измерение твердости сплава дает примерные знания о других его характеристиках, к примеру, пределе прочности, сопротивлении разрушениям и относительном сужении.
Связь показателей описана в трудах Николая Давиденко и Михаила Марковца. Оба – советские ученые материаловеды.
Твердость по Роквеллу
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.
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.
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:
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:
Современное оборудование позволяет существенно упростить процесс и повысить точность получаемых результатов в ходе проводимых измерений.
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:
Обозначение проводится с использованием заглавных букв латинского алфавита.
Шкалы для определения твердости по Роквеллу
Прочему так важно учитывать тип применяемой шкалы? Причин довольно много:
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.
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:
Рассматриваемое оборудование производится достаточно большим количеством различных компаний. При этом стоимость предложения может колебаться в достаточно большом диапазоне.
Преимущества и недостатки метода
Каждый метод вычисления твердости поверхности обладает своими определенными достоинствами и недостатками. Принято считать, что испытание на твердость по Роквеллу и Бринеллю являются основными, так как позволяют получить наиболее точный результат.
К достоинствам метода измерения твердости по Роквеллу HRC можно отнести нижеприведенные моменты:
Однако есть и несколько существенных недостатков, которые также нужно учитывать:
Несмотря на то, что получаемые результаты могут иметь достаточно высокую погрешность, этот метод получил широкое распространение в машиностроительной и других отраслях промышленности, так как на тестирование уходит мало времени.
Показатель твердости зависит от достаточно большого количества моментов, к примеру, химического состава. Кроме этого, металлы могут улучшаться закалкой и другими видами термической обработки. Сегодня можно встретить довольно много методической литературы с таблицами, в которых указывается твердость для распространенных материалов. Принимаются эти значения зачастую при выполнении расчетов или проектировании.
Твердость некоторых материалов, получаемая при проведении тестов по Роквеллу, сравнивается с соответствующим показателем алмаза. Этот материал считается одним из самых твердых. Поэтому твердость алмаза по Роквеллу составляет 100 HRC. Аналогичные показатели стекла и вольфрама будут существенно ниже.
На точность проводимых измерений может оказывать влияние:
В заключение отметим, что сегодня подобные исследования проводятся все реже. Это связано с тем, что при изготовлении заготовок достигают высокой точности химического состава и физико-механических свойств. Поэтому каждой марке металла соответствует определенный показатель твердости по Роквеллу. Измерения зачастую проводятся после выполнения химико-термической обработки, когда от соблюдения применяемой технологии зависит конечный результат.
Что это — метод Роквелла? Метод определения твердости
Стационарный твердомер МЕТОЛАБ 202 — автоматический прибор с расширенным функционалом для измерения твердости контролируемых объектов по Роквеллу и Супер-Роквеллу.
По Роквеллу — шкалы A, B, C (пред. нагрузка 10 кгс) выполняется контроль изделий из литой и легированной стали, алюминиевых сплавов, немагнитных металлов, пластмасс и других материалов.
По Супер-Роквеллу — шкалы HR15N, HR30N, HR45N, HR30T (пред. нагрузка 3 кгс) — контроль твердости мелких и тонких деталей из металлов и сплавов; деталей с упрочненными поверхностными слоями; закаленных и незакаленных сталей; меди; цинкованных, хромированных и луженых покрытий поверхностей, подшипниковых сталей, алюминиевых сплавов, листового металла, наплавленных слоев.
Прибор внесен в Гос. Реестр средств измерений РФ, поставляется со Свидетельством о первичной поверке.
Преимущества твердомера МЕТОЛАБ 202
Метод Роквелла
Метод Роквелла является методом проверки твёрдости материалов. Из-за своей простоты этот метод является наиболее распространённым и основан на проникновении твёрдого наконечника в материал и измерении глубины проникновения.
Шкалы твёрдости по Роквеллу
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 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.
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 твердости по Роквеллу
| Шкала | Индентор | Нагрузка, кгс |
| А | Алмазный конус с углом 120° при вершине | 20 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
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:
Проведение испытания
Факторы, влияющие на точность измерения
Сравнение шкал твёрдости
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. Существует корреляция между значениями твёрдости, измеренной разными методами (см. рисунок — перевод единиц твёрдости HRB в твёрдость по методу Бринелля для алюминиевых сплавов). Зависимость носит нелинейный характер. Имеются нормативные документы, где приведено сравнение значений твёрдости, измеренной разными методами (например, ASTM E-140).
Оценка механических свойств по испытаниям на твёрдость
Связь между результатами проверки на твёрдость и прочностными характеристиками материалов исследовались такими учёными-материаловедами, как Н. Н. Давиденков, М. П. Марковец и др. Используются методы определения предела текучести по результатам проверки на твёрдость вдавливанием. Такая связь была найдена, например, для высокохромистых нержавеющих сталей после различных режимов термообработки. Среднее отклонение для конического алмазного индентора составляло всего +0,9%. Были проведены исследования по нахождению связи между значениями твёрдости и другими характеристиками, определяемыми при растяжении, такими как предел прочности (временное сопротивление), относительное сужение и истинное сопротивление разрушению.
Принцип измерения твердости по Роквеллу
В зависимости от поставленной задачи, применяется та или иная шкала, нагрузка и тип индентора: твердосплавный шарик диаметром 1,588 мм или алмазный конус (угол=120 градусов).
На выбор шкалы измерений и индентора влияют: минимально допустимая толщина объекта, твердость материала, толщина отвержденного слоя. Алмазный индентор подойдет для закаленной стали и твердого металла. Для мягкого материала – шариковый индентор. При измерении тонких объектов нагрузка не должна деформировать образец.
| Тип шкалы | Тип индентора | Усилие, кгс | Обозначение твердости | Область применения | |
| P0 | P0+P1 | ||||
| A | Алмазный конус с углом при вершине 120° | 10 | 60 | HRA | Особо твердые материалы. Изделия из карбида вольфрама; изделия и поверхности после химико-термической обработки. |
| B | Стальной закаленный шарик диаметром 1,588 мм | 10 | 100 | HRB | Алюминиевые сплавы, бронза, мягкие стали. Пластичные и тонкие покрытия (напр. фольга). |
| C | Алмазный конус с углом при вершине 120° | 10 | 150 | HRC | Твёрдые стали с HRB>100. Материалы после термической обработки. |
Принцип действия прибора основывается на вдавливании индентора с алмазным конусом или стальным шариком в контролируемый материал с последующим измерением полученного отпечатка.
Чем твёрже материал, тем меньше глубина проникновения индентора, тем больше будет число твердости.
При испытаниях по методу Супер-Роквелла применяются такие же инденторы, но требования к точности радиуса и угла более высокие, поскольку при малых нагрузках даже незначительное отклонение может привести к ошибкам.
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:
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:
Современное оборудование позволяет существенно упростить процесс и повысить точность получаемых результатов в ходе проводимых измерений.
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 | |||
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.
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
от 35 HRC до 55 HRC
от 55 HRC до 70 HRC
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.
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 | |
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:
Способ измерения твердости методом царапания
Способами царапания и резания твердость определяется соответственно как сопротивление материала царапанию или резанию. Способ царапания разработал Моос в начале XIX в.; им были предложена шкала твердости минералов по способности одного наносить царапины на поверхности другого. Эта десятибалльная шкала (от талька № 1 до алмаза № 10) используется в минералогии, а также для оценки твердости технической керамики и монокристаллов.
При определении твердости всеми методами (кроме микротвердости) измеряют интегральное значение твердости материала (усредненное для всех структурных составляющих).
Значения твердости нельзя однозначно переводить в значения других механических свойств материала. Однако определение твердости является эффективным способом сравнения друг с другом однотипных материалов и контроля их качества.
Измерение микротвердости
Метод измерения микротвердости регламентирован ГОСТ 9450. Определение микротвердости (твердости в микроскопически малых объемах) проводят при исследовании отдельных структурных составляющих сплавов, тонких покрытий, а также при измерении твердости мелких деталей. Прибор для определения микротвердости состоит из механизма для вдавливания алмазной пирамиды под небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа. В испытываемую поверхность вдавливают алмазную пирамиду под нагрузкой 0,05…5 Н.
Микротвердость измеряют путем вдавливания в образец (изделие) алмазного индентора под действием статической нагрузки Р в течении определенного времени выдержки т. Число твердости определяют (как и по Виккерсу) делением приложенной нагрузки в Н или кгс на условную площадь боковой поверхности полученного отпечатка в мм2.
Основным вариантом испытания является так называемый метод восстановленного отпечатка, когда размеры отпечатков определяются после снятия нагрузки. Для случая, когда требуется определение дополнительных характеристик материала (упругое восстановление, релаксация, ползучесть при комнатной температуре и др.) допускается проводить испытание по методу невосстановленного отпечатка. При этом размеры отпечатка определяют на глубине вдавливания индентора в процессе приложения нагрузки.
Практически микротвердость определяют по стандартным таблицам дня конкретной формы индентора, нагрузки Р и полученных в испытании размеров диагоналей отпечатка.
В качестве инденторов используют алмазные наконечники разных форм и размеров в зависимости от назначения испытании микротвердости. Основным и наиболее распространенным нконечником является четырехгранная алмазная пирамида с квадратым основанием (по форме подобна индентору, применяющемуся при определении твердости по Виккерсу).
Число микротвердости обозначают цифрами, характеризующими величину твердости со стоящим перед ними символом H с указанием индекса формы наконечника, например, Н□ =3000. Допускается указывать после индекса формы наконечника величину прилагаемой нагрузки, например: Н□ 0,196 =3000 — число микротвердости 3000 Н/мм2, полученное при испытании с четырех гранной пирамидой при нагрузке 0,196 Н. Размерность микротвердости (Н/мм2 или кгс/мм2) обычно не указывают. Если микротвердость определяли по методу невосстановленного отпечанка, то к индексу формы наконечника добавляют букву h (Н□h).
Соотношение значений твердости
При сопоставлении значений твердости, полученных разными методами, между собой и с механическими свойствами материалов необходимо помнить, что приводимые в литературных источниках таблицы или зависимости для такого сопоставительного перевода являются чисто эмпирическими. Физического смысла такой перевод лишен, так как при вдавливании paзличных по форме и размерам инденторов и с разной нагрузкой твердость определяется при совершенно различных напряженных состояниях материала. Даже при одном и том же способе измерения твердости значение сильно зависит от нагрузки: при меньших нагрузках значения твердости получаются более высокими.
Выше были рассмотрены основные методы контроля твердости. Существуют и другие методики контроля, которые основаны на косвенных измерениях значений механических свойств. Например электрические, магнитные, акустические и т.д. Все эти методы основаны на составлении экспериментальных корреляционных таблиц «измеряемый параметр — параметр механических свойств», где все параметры постоянны (химический состав металла, номер плавки, количество загрязнений), а меняются лишь табличные параметры. Такие методы на производстве практически не работают, т.к. например химический состав металлов по ГОСТам требуется в селекте, т.е. может быть в заданном пределе и меняться от плавки к плавке. Составление градуировочных таблиц на каждую партию металла — очень трудоёмкая работа.
Оценка механических свойств по испытаниям на твёрдость
Связь между результатами проверки на твёрдость по Роквеллу и прочностными характеристиками материалов исследовались такими учёными-материаловедами, как Н. Н. Давиденков, М. П. Марковец и др.
Используются методы определения предела текучести по результатам проверки на твёрдость вдавливанием. Такая связь была найдена, например, для высокохромистых нержавеющих сталей после различных режимов термообработки. Среднее отклонение результатов методов для конического алмазного индентора составляло всего +0,9 %.
Были также проведены исследования по нахождению связи между значениями твёрдости и другими прочностными характеристиками, определяемыми при растяжении, такими, как предел прочности (временное сопротивление), относительное сужение и истинное сопротивление разрушению.
Твердость по Роквеллу — твердость, определяемая разностью между условной максимальной глубиной проникновения индентора и остаточной глубиной его внедрения под действием основной нагрузки, после снятия этой нагрузки, но при сохранении предварительной нагрузки. При этом методе индентором является алмазный конус или стальной закаленный шарик. В отличие от измерений по методу Бринелля твердость определяют по глубине отпечатка, а не по его площади. Глубина отпечатка измеряется в самом процессе вдавливания, что значительно упрощает испытания. Нагрузка прилагается последовательно в две стадии (ГОСТ 9013-59): сначала предварительная, обычно равная 10 кгс (для устранения влияния упругой деформации и различной степени шероховатости), а затем основная. После приложения предварительной нагрузки индикатор, измеряющий глубину отпечатка, устанавливается на нуль. Когда отпечаток получен приложением окончательной нагрузки, основную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения наконечника. Твердомер Роквелла измеряет разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной и предварительной нагрузок. Каждое давление (единица шкалы) индикатора соответствует глубине вдавливания 2 мкм. Однако условное число твердости по Роквеллу (HR) представляет собой не указанную глубину вдавливания h, а величину 100 – h по черной шкале при измерении конусом и величину 130 – h по красной шкале при измерении шариком. Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и того физического смысла, который имеют числа твердости по Бринеллю, однако можно найти соотношение между ними с помощью специальных таблиц.
| Твердость по методу Роквелла можно измерять: |
| — алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кгс. Твердость измеряется по шкале С и обозначается HRC (например, 65 HRC). Таким образом определяют твердость закаленной и отпущенной сталей, материалов средней твердости, поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм; |
| — алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кгс. Твердость измеряется по шкале А, совпадающей со шкалой С, и обозначается HRA. Применяется для оценки твердости очень твердых материалов, тонких поверхностных слоев (0,3 … 0,5 мм) и тонколистового материала; |
| — стальным шариком с общей нагрузкой 100 кгс. Твердость обозначается HRB. Так определяют твердость мягкой (отожженной) стали и цветных сплавов. |
При измерении твердости методом Роквелла необходимо, чтобы на поверхности образца не было окалины, трещин, выбоин и др. Необходимо контролировать перпендикулярность приложения нагрузки и поверхности образца и устойчивость его положения на столике прибора. Расстояние отпечатка должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и не менее 4 мм при вдавливании шарика. Толщина образца должна не менее чем в 10 раз превышать глубину внедрения наконечника после снятия основной нагрузки. Твердость следует измерять не менее 3 раз на одном образце, усредняя полученные результаты.