Твердомеры для металлов. Метод Роквелла и Бринелля

Твердомеры для металлов
Твердомеры для металловПод твёрдостью металлов знают их способность пластически изменяться при нагрузках, которые прикладываются к детали в результате внедрения в неё элемента с наиболее высокой твёрдостью – индентора. Проверки на твёрдость являются одними из самых востребованных, так как формируют как меру прочности изделия, так и его способность противиться переменным во времени нагрузкам. При этом, в отличии от иных методов контроля, проверки на твёрдость относятся к числу неразрушающих, а твердомеры для металлов могут быть довольно небольшими.

Сущность методов определения твёрдости металлов

Проверки могут проводиться как на эталонных образцах (сделанных из того же металла, и подвергнутых такому же режиму обработки термическим способом), так и конкретно на готовых деталях. В последнем варианте нужно принять меры к тому, чтобы подопытное изделие не имело потом внешних повреждений.
Выбор метода проверки твёрдости зависит от:

  1. Начальных механических прочностных показателей, упругости и пластичности изделия.
  2. Больших размеров детали (или места соединений соседних компонентов конструкции, если ставится твёрдость в зоне, к примеру, шва сварки).
  3. Финишного результата: установить твёрдость самого изделия, либо твёрдость только его поверхности (исполняется для деталей, прошедших термообработку либо другой вид поверхностного упрочнения).
  4. Требований к условиям, времени и месту проведения проверки. К примеру, в полевых условиях более подойдут не неподвижные, 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 еще ультразвуковыми. Более того, отличают твёрдость при комнатных и очень высоких температурах (говоря иначе «горячую твёрдость»). независимо от этого, физическая сущность всех методов одна – в образец внедряется деформирующий компонент, перемещение которого считывается по специализированной шкале.
Твёрдость рассматривается как сопротивление металла невозвратимым пластическим деформациям, а поэтому отличается от других измерений наличием специализированных унифицированных приборов – твердомеров для металлов.
Твердомеры для металлов

Твердомеры Бринелля

Способ определения твёрдости по способу Бринелля состоит 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 предъявляют такие требования:

  1. Индентор должен быть строго конкретных размеров. Типовыми 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 Рекомендованная нагрузка на индентор, кН в зависимости от материала изделия
Стали, чугуны, очень прочные 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

Твердомеры для металлов

  1. Нельзя исполнять измерения твёрдости НВ одной и такой же детали, применяя разные типы твердомеров Бринелля.
  2. Соотношение прикладываемой к изделию нагрузки и площади отпечатка обязаны быть регулярными.
  3. При ссылке на установленную при замерах величину НВ следует указывать условия, при которых был получен результат.
  4. Деталь в месте измерения твёрдости обязана иметь идеальную и хорошо зашлифованную поверхность необходимой толщины (иначе с другой стороны возможна дефармация, ухудшающая точность результата).
  5. Непозволительно определять твёрдость, если точка проверки находится вблизи от кромки детали.

Метод Бринелля негоден, если измеренная твёрдость превосходит 450 НВ: в данном случае начинается деформирование контактной поверхности самого индентора.

Твердомеры для металлов, реализующие метод Бринелля, разделяют на приборы типа ТШ и типа БТБ.
Неподвижные твердомеры для металлов типа ТШ, с механическим приводом от электрического двигателя, состоят из следующих узлов:

  • Узла нагружения, который в себя включает оправку с индентором, возвратную пружину и корпус;
  • Узла привода, состоящего из электрического двигателя и системы передач;
  • Шарнирного механизма, который передаёт рабочую нагрузку на шарик;
  • Стола для работы;
  • Панели управления и контроля результатов измерений.
  • Противовеса с грузами;
  • С-образной станины.

Твердомер Бринелля работает так. Деталь испытуемой поверхностью вверх ставят на стол, после этого поднимают его до конца, имеющегося в корпусе индентора. Дальше включается электрический двигатель, который перемещает корпус индентора. Тот, преодолевая сопротивление пружин, приводит в движение шарик, который вдавливается в металл. Финишный результат считывается по шкале. Отношение плеч шарнирного механизма, а еще суммарный вес грузов на противовесе устанавливается в зависимости от будущего результата измерений (см. таблицу выше).
Твердомеры для металлов
Твердомеры для металлов типа БТБ имеют некоторые рабочие плюсы перед устройствами ТШ: они обладают увеличенными размерами пространства для работы стола, смена режимов нагружения выполняется механически, а для отсчёта результата применяется более точная оптическая система. Работы на твердомерах БТБ делают в такой же очередности, что и на приборах ТШ, но образец после проверки сканируется измерительной головкой, с отображением результата на экране.
Этот вариант подходит также для определения твёрдости изделий, которые используются при очень высоких температурах. Для этого на стол ставится ванна с нагревающей образец жидкостью, причём для температур до 300 ° С применяют масло, а для более больших температур – солевой расплав. Образец помещают в ванную на асбестовую плиту, после этого измеряют твёрдость обыкновенным методом.
Доступными и обычными в работе являются переносные твердомеры для металлов типа ТШП. Испытательная головка прибора ставится на деталь в месте измерения и фиксируется струбциной или специализированными захватами. Нагрузка создаётся вручную, и находится под контролем по шкале индикатора. Чтобы провести измерения результата используют мобильной микроскоп типа МПБ. Замеренный отпечаток сравнивается со значениями, которые приводятся в таблицах пересчёта.
Твердомеры для металлов, которые работают по методу Бринелля, имеют ряд ограничений собственного использования:

  • Не принимается во внимание упругая дефармация детали под нагрузкой.
  • Динамика проведения проверки (время и скорость вдавливания индентора) слишком сильно зависит от исходной твёрдости металла.
  • Поверхность в месте проверки должна быть строго перпендикулярной оси движения индентора.
  • При повторных измерениях твёрдости расстояние между соседними отпечатками обязаны быть не менее 0,2…0,6 от диаметра шарика.

Твердомеры для металлов

Твердомеры Роквелла

Метод определения твёрдости металлов по Роквеллу состоит во вдавливании алмазного конуса или стального закалённого шарика в заблаговременно зашлифованную поверхность образца. В отличии от предыдущего способа твёрдость по Роквеллу состоит в определении глубины вдавливания. Метод Роквелла является более своевременным, а в подобных твердомерах автоматизируется как процесс проверки, так и дальнейшая обработка его результатов.
Суть метода Роквелла состоит в том, что заблаговременно подбирается некоторая реперная точка, и полученная для такой координаты глубина внедрения индентора вычитается из произвольно подобранной самой большой глубины вдавливания.
Метод Роквелла имеет несколько вариантов, каждая из которых используется в конкретных условиях испытаний (см. таблицу):

Вариант метода А В С F N T
Форма индентора Конус Шарик Конус Шарик Конус Шарик
Материал индентора Алмаз Сталь Алмаз Сталь Алмаз Сталь
Относительное обозначе-ние твёрдости HRA HRB HRC HRF HRN HRT
Диапазон замера твёрдости 60…80 35…100 30…70 60…100 17…92 5…94

Стали очень высокой твёрдости Стали средней твёрдости, разноцветные сплавы Стали очень высокой твёрдости Тонколистовые металлы Для проверки тонких или маленьких изделий

Неподвижные твердомеры для металлов, реализующие метод Роквелла (типа ТК), разделяют на приборы с электрическим и механическим приводом. Ручной твердомер ТК в себя включает:

  1. Подвижный измерительный стол, на который ставится деталь.
  2. Рычажный привод нагружения.
  3. Измерительную систему (она может быть с цифровой или аналоговой индикацией результата).
  4. Рабочую измерительную головку, с изменяющимися установками.
  5. Масляный демпфер.
  6. С-образную станину.

Очередность действия твердомера Роквелла следующая. Образец шлифованной поверхностью вверх размещают на измерительном столе, после этого передвигают его вверх, до начала вдавливания индентора в поверхность, что отслеживается по шкале твердомера. Так происходит подготовительное нагружение, признаком завершения которого считается вертикальное расположение большой стрелки. Это значит, что индентор внедрился в поверхность на глубину, при которой упругая дефармация металла уже перешла в пластическую. Дальше, освобождают ручку, которая демпфером возвращается до конца, и нагружают подопытное изделие ключевым усилием. В конечном положении нагрузка на деталь должна быть не менее 5…10 с., когда на индикаторе возникнет искомое значение твёрдости по Роквеллу. Потом маховичком возвращают столик в начальное положение, и снимают с него деталь.
Твердомеры для металлов
Относительная единица твёрдости Роквелла отвечает 2 мкм перемещения рабочего наконечника индентора.
Есть и переносные разновидности приборов Роквелла. К числу самых распространенных относится прибор типа ТКП, испытательная головка которого прикрепляется к измеряемой детали. Нагрузку от рукояти создает трёхкулачковый валик, передающий усилие шпинделю, в котором размещается индентор. Очередность приложения нагрузок – подготовительной и ключевой – в приборах типа ТКП аналогичная, так и в неподвижных твердомерах для металла, где используется метод Роквелла.
Используются также и остальные типы твердомеров для металла – Шора, Виккерса и др. Их стоимость зависит от технических специфик прибора. К примеру, ценовой диапазон на портативные динамические твердомеры составляет 30000…50000 руб, на неподвижные установки – от 275000 до 420000 руб.