Твердомеры

В некоторых сферах деятельности необходимо применять контроль твердости материалов – твердометрия. Для ее проведения используется специальный прибор – твердомер, который позволяет измерить твердость изделия, не разрушая структуру материала.

Твердомеры используются и для проверки твердости входящих на производство заготовок, и для контроля качества уже готовой продукции, в лабораторных исследованиях конструкций и материалов, при их разработке, в машиностроительной и железнодорожной промышленности, исследовательских центрах и институтах, энергетических отраслях.

Твердомер - это специальный диагностический прибор, который позволяет измерить твердость изделия, не разрушая структуру материала. 

Что такое твердость?

Твёрдость — это свойство материалов сопротивляться внедрению более твёрдого тела — индентора. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость. Это свойство определяет целый ряд механических характеристик, влияющих на эксплуатацию материала.

Определение твёрдости материалов считается одним из наиболее используемых испытаний, так как позволяет вычислить прочность изделия, его способность выдерживать нагрузки.

Твердомеры металлов (дюрометры) - применяются для проведения контроля твёрдости детали, без разрушения её структуры. Необходимость контроля твёрдости возникает на любом производственном участке (особенно машиностроительных предприятий) при контроле качества изделий, в лабораториях предприятий и научно-исследовательских институтах при разработке новых конструкций и материалов, а также при входном контроле сырья и заготовок.

В зависимости от структуры и свойств материала, а также конструкции и габаритов контролируемой заготовки используются портативные и стационарные твердомеры (дюрометры) различного принципа действия и конструкции. Твёрдость может быть определена по различным шкалам, наиболее часто используемые шкалы твердости - это шкалы Роквелла, Бринелля, Виккерса, Шора.

Выбор шкалы зависит от твёрдости материала:

• твёрдость более мягких изделий обычно измеряют по шкале Шора или шкале& Бринелля;
• для более твёрдых изделий используют шкалу Роквелла;
• для совсем твёрдых - шкалу Виккерса.

Выбор шкалы твёрдости для контроля изделий происходит также в соответствии с конструкторско-технической документацией.

Суть измерения твёрдости состоит в механическом воздействии на поверхность контролируемого образца, по результатам которого судят о твёрдости контролируемого материала. Способ механического воздействия отличается для разных шкал твёрдости.

• При измерении твёрдости по методу Шора измеряют глубину проникновения в материал стального стержня при заданном усилии.
• По методу Бринелля с помощью микроскопа измеряют диаметр и глубину отпечатка внедренного в материал шарика (индентора).
• По методу Роквелла - измеряют глубину внедрения индентора в материал.
• По методу Виккерса производится внедрение четырёхгранной алмазной пирамидки в материал, твёрдость вычисляется путём деления нагрузки Р на площадь поверхности полученного пирамидального отпечатка.

Классифицируя то или иное устройство, специалисты опираются на методы проведения исследований, которые и дали соответствующие названия приборам.  Рассмотрим принцип действия некоторых из них.

Твердомер Роквелла (метод Роквелла)

Твердомеры Роквелла предназначены для измерений твердости металлов и сплавов по шкалам Роквелла в соответствии с ГОСТ 9013-59

Метод Роквелла является простым, быстрым, и поэтому, самым распространённым. Им измеряют глубину внедрения индентора в материал.

Принцип действия твердомеров основан на статическом вдавливании алмазного конусного или шарикового наконечников с последующим измерением глубины внедрения наконечника.

Изобрели твердомер Роквелла Хью М. и Стэнли П. Роквеллы из-за необходимости оперативного определения эффектов термообработки на обоймах стальных подшипников.

Твёрдость, обозначается HR, где H – hardness, а R – Rockwell и вычисляется по формуле HR = 100 − kd, где d — глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k — коэффициент. 3-й буквой в обозначении идёт наименование типа шкалы, напр. HRA, HRB, HRC и т.д. 

Этот метод использует 11 шкал определения твёрдости, основанные на комбинации индентор-нагрузка: A; B; C; D; E; F; G; H; K; N; T.

В качестве индентора может использоваться шарик из карбида вольфрама или закалённой стали диаметром 1,5875 мм, или конический алмазный наконечник. Возможные нагрузки — 60, 100 и 150 кгс.

Твердомер по Роквеллу определяет величину твёрдости как относительную разницу в глубине проникновения индентора под действием предварительной нагрузки (10 кгс) и основной нагрузки.

Образец, используемый при измерении твёрдости на твердомере Роквелла должен устойчиво располагаться на столике и не иметь трещин, окалины, выбоин и т. д.

Преимущество твердомера Роквелла заключается в том, что значение твёрдости фиксируется индикатором, и тем самым необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка отпадает.

Твердомер Бринелля (Метод Бринелля)

Твердомеры Бринелля предназначены для измерений твердости металлов и сплавов по шкалам Бринелля в соответствии с ГОСТ 9012-59.

Метод определения твёрдости по Бринеллю первым получил широкое использование в материаловедении благодаря своему создателю, инженеру из Швеции Юхану Августу Бринеллю, предложившему его в 1900 году.  Этот метод впоследствии стал признан стандартизированным методом определения твёрдости в материаловедении.

Этот метод относится к методам вдавливания.

Преимущество твердомера Бринелля состоит в том, что он, по сравнению с аналогичным прибором Роквелла, более точен на значениях твёрдости ниже 30 HRC.

Принцип действия твердомеров основан на статическом вдавливании твёрдосплавного шарикового наконечника с последующим измерением диаметра окружности отпечатка.

В качестве индентора используются стальные шарики или шарики из твёрдого сплава диаметром 1; 2; 2,5; 5 и 10 мм в зависимости от исследуемого материала, которым может быть сталь и ее сплавы, сплавы из никеля и титана, чугуна, меди, свинец, олово и сплавы лёгких металлов. Твёрдость стального шарика, используемого в твердомере Бринелля — не менее 850 HV10; твёрдость шарика из твёрдого сплава — не менее 1500 HV10.

Благодаря параметру твёрдости, определённому методом Бринелля, можно быстро и легко определить предел прочности, текучести материала, что имеет важное значение для прикладных инженерных задач.

Твердомеры Бринелля могут быть как стационарными, так и переносными.

Твердомер Шора (Метод Шора). Измерение твердости резины и пластмасс

Это эмпирическое испытание, при котором измеряется глубина начального вдавливания, глубина вдавливания после заданных периодов времени или и то и другое вместе при заданном усилии.

Твердомеры Шора применяют для испытания твёрдости низкомодульных материалов, таких как: резины, полимеры, пластмассы, эластомеры, каучуки и продукты их вулканизации.

Метод отличается сравнительно большим разбросом значений результатов измерений, но удобен своей простотой (в том числе конструкцией измерительного прибора) и оперативностью проведения измерений, что позволяет производить измерения, в том числе на готовых изделиях, крупногабаритных деталях и криволинейных поверхностях достаточно больших радиусов. Это позволило методу получить широкое распространение в производственной практике.

В зависимости от способа приложении нагрузки твердомеры Шора делятся на 2 категории:

1. Ручные, в которых нагружение производиться рукой на корпус прибора. Плюсы: быстрое измерение в любом пространственном положении в производственных и полевых условиях. Минусы: точность измерения сильно зависит от навыков оператора. Полученные результаты таких измерений используются в качестве “первичных” показаний твёрдости.
2. Механические, в которых нагружение в штативе производится с использованием нормированных грузов-гирь. Плюсы: высокая точность и повторяемость измерений, погрешности приложения нагрузки вручную исключены. Минусы: невысокая производительность, измерение только в стационарных условиях. Полученные результаты измерений используются в качестве “окончательных” показаний твёрдости.

Твердомер Виккерса (Метод Виккерса).

Твердомеры Виккерса предназначены для измерений твердости металлов и сплавов по шкалам Виккерса в соответствии с ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007 и ГОСТ 2999-75.

Данный твердомер представляет собой прибор неразрушающего контроля для измерения твёрдости металлов и сплавов.

Принцип действия твердомеров основан: на статическом вдавливании наконечника - алмазной пирамиды Виккерса, с последующим измерением длин диагоналей восстановленного отпечатка. Чтобы определить твердость по Виккерсу, нагрузку делят на площадь поверхности пирамидального отпечатка, полученного в ходе испытания.

Необходимо отметить хорошее совпадение значений твёрдости по Бриннелю и Виккерсу в следующих пределах: от 100 до 450 НV.

К основным параметрам при измерении твёрдости с помощью твердомера Виккерса относят нагрузку от 0,09807 до 980,7 Н и время выдержки 10–15 с — для сталей, 30 с — для цветных металлов.

Число твердости по Виккерсу обозначают символом HV, при этом указывают нагрузку P и время выдержки под нагрузкой, размерность числа твердости (кгс/мм2) не ставится.

Твердомер Виккерса можно применять для определения твёрдости азотированных и цементированных поверхностей, тонких листовых материалов.

Портативные твердомеры (дюрометры) для определения твёрдости используют различные методы измерения твёрдости:

• механический;
• контактно-импедансный (ультразвуковой);
• динамический.

При динамическом методе контроля производится измерение скорости индентора датчика после его удара о контролируемую поверхность изделия.

При контактно-импедансном (ультразвуковом) методе контроля твёрдость определяется по изменению частоты колебаний индентора датчика, при его внедрении в контролируемую поверхность.

Устройство и характеристики

Принцип работы твердомера состоит в измерении различных показателей (в зависимости от вида прибора) при механическом воздействии на материал.

По результатам этих измерений и проводится оценка твердости материала. В зависимости от различных параметров заготовки, например, размеров, конструкции, свойств материала, для контроля твердости могут быть использованы стационарные или портативные твердомеры.