Шкалы для определения твердости по Роквеллу

Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка P₀ (10 кгс) для плотного соприкосновения наконечника с образцом.

Затем прикладывается основная нагрузка Р₁, в течение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р (60, 100 или 150 кгс). После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой P₀.

За единицу твердости по Роквеллу принята величина, соответствующая перемещению наконечника на 0,2 мм. Твердость по Роквеллу определяется по формуле (для шкал А и С):

где h₁ – глубина внедрения (мм) наконечника под действием предварительной нагрузки 10 кг;

h − глубина внедрения (мм) наконечника под действием общей нагрузки 60, 100 или 150 кг после ее снятия и оставления нагрузки 10 кг;

К − постоянная величина, равная для шарика 0,26 и для конуса 0,2;

с − цена деления циферблата индикатора, соответствующая углублению шарика или конуса на 0,2 мм.

Прибор измеряет глубину отпечатка алмазного конуса (стального шарика) или, точнее, разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной нагрузки и от вдавливания под предварительной нагрузкой. Поэтому чем тверже измеряемый материал и, следовательно, меньше h, тем больше должно быть число твердости. Наоборот, чем мягче измеряемый материал и больше величина h, тем меньше число твердости, т. е. числа твердости по Роквеллу возрастают с увеличением твердости материала, что позволяет сравнить числа Роквелла с числами Бринелля (соотношения неточные).

Твердость по Роквеллу − число отвлеченное и выражается в условных единицах. В зависимости от того, чей и при какой нагрузке производится испытание, то есть по какой шкале А, В или С, число твердости обозначается HRA, HRB, HRC.

Внешний вид и кинематическая схема прибора показана на рис. 1.5.

1 – индикатор; 2 – точка для грубой настройки;

3 – барабан; 4 – лампа; 5 – клавиша; 6 − тумблер

Рис. 1.5. Твердомер Роквелла (а) и кинематическая схема (б)

Порядок работы на приборе Роквелла. Подключают к сети и включают тумблер 6. При этом должна загореться красная лампочка 4. Электродвигатель и механизм прибора позволяет плавно прикладывать нагрузку в течение 4 с.

Выбрав образец для измерений, кладут его на измерительный стол и вращением барабана 3 совмещают нуль шкалы С (черная) с большой стрелкой индикатора 1. Сначала дают предварительную нагрузку. Для этого образец вместе со столиком, на котором он находится, путем ручного вращения винта по часовой стрелке поджимают к индентору с силой 10 кгс.

Признаком указанной нагрузки является установление маленькой стрелки шкалы индикатора на красной точке 2. При этом большая стрелка индикатора не должна отклоняться от нуля более чем на 5 делений. Если это отклонение больше, значит образец пружинит или индентор попал на неровность поверхности. При этом нужно опустить стол и начать испытание на новом месте. При отклонении большой стрелки при нагрузке 10 кг менее чем на 5 делений индикатор ставят на нуль путем вращения барабана 3. После этого дают основную нагрузку в 150 кгс путем нажатия клавиши 5. Под действием этой нагрузки индентор вдавливается в материал и стрелка индикатора передвигается на определенное число делений.

Когда стрелка индикатора останавливается, основная нагрузка автоматически снимается и на индентор действует только предварительная нагрузка. Стрелка индикатора показывает теперь разность между глубиной вдавливания под действием основной нагрузки (после снятия этой нагрузки) и предварительной нагрузкой (при действии этой нагрузки).

При измерении твердости по методу HRC шкала делится на 100 единиц твердости. Полная шкала соответствует разностному ходу индентора, равному 0,2 мм. Твердость испытуемого материала считывается непосредственно с индикатора прибора.

При решении вопроса о возможности проведения испытаний изделия следует учитывать состояние опорной поверхности этого изделия.

Так как испытание основано на измерении глубины отпечатка, то точных результатов нельзя получить в тех случаях, когда опорная поверхность изделия вследствие неровностей, грубой обработки, окалины, заусенцев или других пороков не может плотно прилегать к опорному столу.

а) неоднородные по структуре сплавы (например, чугун);

б) хрупкие изделия и изделия, имеющие на поверхности раковины, следы грубой обработки и другие дефекты;

в) изделия, которые могут пружинить или деформироваться под действием нагрузки;

г) изделия с толщиной менее чем восьмикратная глубина отпечатка;

К достоинствам метода Роквелла следует отнести:

− высокую производительность. Измерение твердости по Роквеллу требует меньше времени (30-60 с), чем по Бринеллю;

− простоту обслуживания. Здесь не нужно измерять размеры отпечатка, так как число твердости отсчитывают непосредственно по шкале твердомера (она указана стрелкой);

− сохранение качественной поверхности после испытания. Измерение твердости по Роквеллу оставляет меньший отпечаток на поверхности детали, что практически не связано с порчей поверхности изделия;

− возможность проведения испытаний деталей после поверхностного упрочнения и объемной закалки.

Не рекомендуется применять этот метод для определения твердости неоднородных по структуре сплавов (чугуна), для испытания криволинейных поверхностей с радиусом кривизны менее 5 мм и для испытания деталей, которые под действием нагрузки деформироваться.

Твердость очень тонких слоев металла (толщиной менее 0,3 мм) с указанными нагрузками 60 и 150 кгс измерять нельзя, так как алмазный конус проникает на глубину, превышающую толщину этих слоев, и указывает, следовательно, твердость нижележащих областей. Вместе с тем с увеличением твердости измеряемого материала глубина отпечатка уменьшается, вследствие чего понижается точность измерения (особенно для металлов с твердостью более HRC 60). Для этих же целей иногда применяют приборы типа супер-роквелл, у которых твердость измеряют с меньшей нагрузкой и с меньшей глубиной вдавливания. Предварительная нагрузка составляет 3 кгс, а каждое деление (единица шкалы) индикатора соответствует глубине вдавливания, равной 1 мкм, Поэтому чувствительность этих приборов заметно выше.

Метод заключается во вдавливании алмазного наконечника (индентора), имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136 °, в образец (изделие) под действием нагрузки Р и измерении диагонали отпечатка d, оставшегося после снятия нагрузки (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Метод Виккерса: а − схема измерения; б − вид отпечатка

Нагрузка Р может меняться от 9,8 (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Твердость по Виккерсу рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P к площади поверхности отпечатка F:

Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе. Число твердости по Виккерсу HV определяют по специальным таблицам по измеренной величине d.

Метод используют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость. Как правило, используют небольшие нагрузки: 10, 30, 50, 100, 200, 500 Н. Чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка.

Кинематическая схема прибора для измерения твердости методом Виккерса показана на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Схема прибора для измерения твердости по Виккерсу:

1 − столик для установки образца; 2 − маховик; 3 − шток с алмазной пирамидой;

4 − педаль пускового рычага; 5 − подвеска с призмой; 6 − микроскоп

Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои. Высокая точность и чувствительность метода.

Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю для материалов, имеющих твердость до 450 НВ, практически совпадают.

Вместе с тем измерения пирамидой дают более точные значения для металлов с высокой твердостью, чем измерения шариком или конусом. Алмазная пирамида имеет большой угол в вершине (136 °) и диагональ ее отпечатка примерно в семь раз больше глубины отпечатка, что повышает точность измерения отпечатка даже при проникновении пирамиды на небольшую глубину и делает этот способ особенно пригодным для определения твердости тонких или твердых сплавов.

При испытании твердых и хрупких слоев (азотированного, цианированного) около углов отпечатка иногда образуются трещины (отколы), по виду которых можно судить о хрупкости измеряемого слоя.

Метод микротвердости − метод Хрущева-Берковича

Измерение микротвердости (ГОСТ 9450-76) имеет целью определить твердость отдельных зерен, фаз и структурных составляющих сплава (рис. 1.8), очень тонких слоев (сотые доли миллиметра), а не «усредненную» твердость, как при измерении макротвердости.

Прибор для определения микротвердости типа ПМТ-3, разработанный М. М. Хрущевым и Е. С. Берковичем (рис. 1.9), имеет штатив 1 вертикального микроскопа с тубусом, перемещающимся вверх и вниз с помощью макрометрического винта 2 и микрометрического винта 3. На верхний конец тубуса насажен окулярный микрометр 4, а в нижнем конце закреплены шток 5 с алмазной пирамидой, опак-иллюминатор 6 и объективы 7, В опак-иллюминаторе имеется лампочка напряжением 6 В, питаемая от электросети через трансформатор.

Прибор снабжен двумя объективами для просмотра микрошлифа при увеличениях в 478^× и 135^×. Окуляр увеличивает в 15 раз.

Окулярный микрометр имеет неподвижную сетку, остаточный микрометрический барабанчик и каретку с подвижной сеткой. На неподвижной сетке длиной 5 мм нанесены штрихи с цифрами и угольник с прямым углом, вершина которого совпадает с цифрой 0. На подвижной сетке нанесен угольник с прямым углом и две риски.

Рис. 1.9. Схема прибора ПМТ-3 для измерения микротвердости:

1 − микроскоп; 2 − микрометрический винт; 3 − микрометрический винт; 4 − окулярный микрометр; 5 − шток с алмазной пирамидой; 6 – опак-иллюминатор; 7 − объектив; 8 − стол для установки микрошлифа; 9 − ручка стола; 10 − винт стола; 11 − регулировочные винты;

Алмазная пирамида имеет угол между гранями при вершине 136 °, т. е. такой же, как и в пирамиде для измерения по Виккерсу (что облегчает пересчет на числа Виккерса). Нагрузка для вдавливания пирамиды создается грузами 12, устанавливаемыми на шток 5. В приборе применяют грузы от 1 до 200 г в зависимости от особенностей изучаемой структуры и задач исследования.

Подготовленный образец (микрошлиф) устанавливают на столе 8 так, чтобы исследуемая поверхность была параллельна плоскости столика и обращена вверх. Установленный микрошлиф просматривают через окуляр. С помощью двух винтов столик перемещается в двух перпендикулярных направлениях, что позволяет перемещать микрошлиф и выбрать на нем участок, в котором необходимо измерить твердость. Этот участок следует разместить в середине поля зрения микроскопа − точно в вершине угла неподвижной сетки.

Затем устанавливают грузы, поворачивают с помощью ручки столик 9 на 180 ° (от одного упора до другого) для подведения выбранного участка образца под алмазную пирамиду. После этого медленным (в течение 10-15 с) поворотом ручки 13 приблизительно на 180 ° опускают шток с алмазной пирамидой так, чтобы алмаз коснулся образца. Пирамида вдавливается в поверхность образца при небольших нагрузках (0,05-5 Н или 5-500 кгс). В этом положении выдерживают образец под нагрузкой 5-10 с, после чего, поворачивая ручку 13 в исходное положение, поднимают шток с алмазом. Затем поворачивают столик 8 на 180 ° и возвращают образец в исходное положение под объектив микроскопа для измерения диагонали отпечатка (рис. 1.10).

Рис 1.10. Схема измерения отпечатков на приборе микротвердости

Если прибор правильно центрирован, то изображение отпечатка окажется в поле зрения микроскопа или будет близко к вершине угла неподвижной сетки. Точность совмещения места, намеченного для испытания, с местом фактического вдавливания пирамиды составляет в этом приборе 3 мкм. Затем вращением винтов 11 подводят отпечаток к угольнику неподвижной сетки таким образом, чтобы вершина угольника совпала с левым углом отпечатка, и пунктирные линии угольника совпали с гранями левой части отпечатка. После этого вращением микрометрического барабана окуляра подводят вершину угольника подвижной сетки к противоположному углу отпечатка; тогда пунктирные линии угольника подвижной сетки совместятся с гранями правой части отпечатка. При таком положении сеток деления микрометрического барабанчика указывают длину диагонали отпечатка. Поворачивая окуляр на 90°, определяют также длину второй диагонали и вычисляют среднюю длину диагонали. Полученную среднюю длину переводят по таблице на число твердости по значению диагонали отпечатка при выбранной нагрузке. Указанные измерения полученного отпечатка производят не менее двух-трех раз. Число твердости Н в таблице определяют как при вычислении числа твердости по Виккерсу (формулы 1.6 и 1.7).

Прибор позволяет фотографировать микроструктуру сплава с полученными отпечатками.

Вывод: По Бринеллю определяют твердость относительно мягких материалов: цветных металлов и их сплавов, отожженной стали, чугунов (кроме белого).

По Роквеллу чаще всего определяют твердость очень твердых материалов: закаленных сталей, твердых сплавов, керамики, твердых покрытий, в том числе наплавленных слоев достаточной глубины на сталях и чугунах. Но на приборе Роквелла можно определять твердость и сравнительно мягких материалов.

Метод Виккерса используется для испытания твердости деталей малой толщины или тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость. Реже этот метод применяется для измерения твердости твердых и мягких материалов.

Методом микротвердости обычно измеряется твердость в пределах отдельных зерен или очень тонких слоев. Два последних метода чаще всего используются в исследовательских работах.

Динамические методы измерения твердости не приводят к возникновению дефектов поверхности изделий.

Распространен метод по Шору (обозначение − HSD) − способ определения твердости в условных единицах по высоте отскакивания легкого ударника (бойка), падающего на поверхность испытуемого материала с определенной высоты. Чем больше величина отскока, тем тверже материал. Определение твердости проводится на приборе, называемом склероскопом.

Применяется и метод измерения твердости с помощью ультразвуковых колебаний, основанный на регистрации изменения частоты колебаний измерительной системы в зависимости от твердости исследуемого материала.

Путем царапанья сравнивают твердость исследуемого и эталонного материалов. В качестве эталонов приняты 10 минералов, расположенных в порядке возрастания их твердости: 1 − тальк, 2 − гипс, 3 − кальцит, 4 − флюорит, 5 − апатит, 6 − ортоклаз, 7 − кварц, 8 − топаз, 9 − корунд, 10 − алмаз.

Эталонным конусом, пирамидой или шариком наносится царапина, которая является мерой. При нанесении царапин на другие материалы и сравнении их с мерой судят о твердости материала.

Прибор предназначен для экспрессного измерения твердости различных изделий (из стали, ее сплавов и сварных соединений, чугуна, цветных металлов, резины и др. материалов) по шкалам Бринелля (НВ), Роквелла (HRC), Виккерса (HV), Шора (HSD), а также для определения предела прочности на растяжение изделий из углеродистых сталей перлитного класса по ГОСТ 22791-77.

Метод измерения − динамический. Прибор может быть использован в производственных и лабораторных условиях.

− измерение твердости деталей, в том числе сложной формы и крупногабаритных изделий, имеющих труднодоступные зоны измерений, при различных пространственных положениях датчика прибора;

− высокая производительность, простота измерений и обслуживания прибора;

− диагностирование твердости эксплуатируемого оборудования с целью оценки его остаточного безопасного ресурса;

− усреднение результатов измерений прибором, их ввод в буфер памяти и последующий вывод из него на дисплей прибора или на компьютер, распечатка данных на принтере в виде протокола либо сохранение их в виде файла;

− энергонезависимая память 10-ти программируемых шкал твердости и 99-ти усредненных результатов измерений твердости;

− программирование (калибровка) шкал твердости прибора с его клавиатуры или с компьютера с помощью поставляемых с твердомером кабеля RS 232 (порты СОМ 1 или СОМ 2) и программы (на дискете);

− определение предела прочности на растяжение путем автоматического пересчета с НВ по ГОСТ 22761-77 для углеродистых сталей перлитного класса.

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: