Що це метод Роквелла? Метод визначення твердості

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 99

Щоб ефективно застосовувати метали в різних конструкціях, важливо знати, наскільки вони міцні. Твердість — найбільш часто обчислювана характеристика якості металів і сплавів. Методів її визначення декілька: Брінелля, Рокелла, Супер-Роквелла, Віккерса, Людвіка, Шора (Монотрон), Мартенса. Статті розгляньмо метод братів Роквелів.

Що являє собою метод

Методом Роквелла називають метод випробування матеріалів на твердість. Для досліджуваного елемента обчислюється глибина проникнення твердого наконечника індикатора. При цьому однаковим залишається навантаження для кожної шкали твердості. Зазвичай вона становить 60, 100 іл 150 кгс.

Індикатором у дослідженні є кульки з міцного матеріалу або алмазні конуси. Вони повинні бути з заокругленим гострим кінцем і мати кут при вершині 120 градусів.

Цей метод визнано простим і швидко відтворюваним. Що дає йому перевагу перед іншими методами.

Історія

Віденський професор-дослідник Людвіг вперше запропонував використати індентор для дослідження твердості шляхом його проникнення в матеріал і обчислення відносної глибини. Його метод описано в роботі 1908 року «Випробування конусом» (Die Kegelprobe).

Цей метод мав недоліки. Брати Х’ю і Стенлі Роквелли запропонували нову технологію, яка виключала помилки маханічної недосконалості системи вимірювання (люфти і дефекти поверхні, забруднення матеріалів і деталей). Професори винайшли твердомір — прилад, що визначає відносну глибину проникнення. Він застосовувався для тестування сталевих кулькопідшипників.

Визначення твердості металів методами Брінелля і Роквелла заслужили уваги в науковому співтоваристві. Але метод Брінелля поступався — він був повільним і не застосовувався для загартованих сталей. Таким чином, його не можна було вважати методом неруйнівного контролю.

У лютому 1919 року твердомір запатентували під номером 1294171. У цей час Роквелли працювали на компанію-виробника кулькопідшипників.

У вересні 1919 року Стенлі Роквелл покинув компанію і переїхав до штату Нью-Йорк. Там він подав заявку на удосконалення приладу, яка була прийнята. Новий прилад запатентований і вдосконалений до 1921 року.

Наприкінці 1922 року Роквелл заснував підприємство з термообробки, яке досі функціонує в штаті Коннектикут. З 1993 року перебуває у складі корпорації Instron.

Переваги і недоліки методу

Кожен метод обчислення твердості унікальний і застосовний у будь-якій сфері. Методи визначення твердості по Брінелю і Роквеллу є основними.

Є ряд переваг методу:

• можливість проведення дослідів з високою твердістю;
• незначні пошкодження поверхні при проведенні випробування;
• простий метод, що не потребує вимірювання діаметра відбитка;
• процес випробування досить швидкий.

Недоліки:

• порівняно з твердомерами Брінелля і Віккерса, метод Роквелла не досить точний;
• необхідно ретельно підготувати поверхню зразка.

Будова шкали Роквелла

Для випробування твердості металів методом Роквелла виведено всього 11 шкал. Їхня відмінність полягає у співвідношенні наконечника і навантаження. Наконечник може бути не тільки алмазним конусом, але і кулькою зі сплаву карбіду і вольфраму або загартованої сталі у формі сфери. Наконечник, закріплений в установці, називають ідентером.

Шкали прийнято позначати буквами латинського алфавіту: A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T.

Проводяться випробування міцності основними шкалами — A, B, C:

• Шкала А: випробування алмазним конусом з навантаженням 60 кгс. Позначення — HRA. Такі випробування проводяться для тонких твердих матеріалів (0,3-0,5 мм);
• Шкала B: випробування сталевою кулькою з навантаженням 100 кгс. Позначення — HRB. Випробування проводяться на відображеній м’якій сталі і кольорових сплавах;
• Шкала C: випробування конусом з навантаженням 150 кгс. Позначення — HRC. Випробування проводяться для металів середньої твердості, загартованої і відпущеної сталі або шарів товщиною не більше 0,5 мм.

Твердість за методом Роквелла прийнято позначати HR з третьою буквою шкали (наприклад, HRA, HRC).

Формула для розрахунку

Твердість матеріалу впливає на глибину проникнення наконечника. Чим випробовуваний об’єкт тверший, тим меншим буде проникнення.

Щоб чисельно визначити твердість матеріалу, необхідна формула. Її коефіцієнти залежать від шкали. Для зниження похибки вимірювань слід прийняти відносну різницю глибини проникнення індентора в момент додатку основного і попереднього (10 кгс) навантаження.

Метод вимірювання твердості по Роквеллу передбачає застосування формули: HR = N- (H-h )/s, де різницею H-h позначають відносну глибину проникнення індентора під навантаженнями (попередньою і основною), величина обчислюється в мм. N, s — це константи, вони залежать від конкретної шкали.

Твердомер по Роквеллу

Твердомером називається пристрій для визначення твердості металів і сплавів методом Роквелла. Він являє собою прилад з алмазним конусом (або кулькою) і матеріалом, в який конус повинен увійти. Також приклепляється вантаж для регулювання сили впливу.

Час показує індикатор. Процес відбувається в два етапи: спочатку робиться натискання з силою 10 кгс, потім — сильніше. Для більшого натискання застосовується конус, для меншої — кулька.

Досліджуваний матеріал розташовується горизонтально. Алмаз опускають на нього за допомогою важеля. Для плавного спуску в пристрої застосована рукоять з масляним амортизатором.

Час основного навантаження зазвичай становить від 3 до 6 секунд, залежно від матеріалу. Попереднє навантаження необхідно зберігати до отримання результатів випробування.

Велика стрілка індикатора рухається по годинниковій і відображає результат досвіду.

Найбільш популярні в практиці такі моделі твердомірів за методом Роквелла:

• Стаціонарні прилади «Метротест» моделі «ІТР», наприклад, «ІТР-60/150-М».
• Твердоміри Qness GmbH моделі Q150R.
• Стаціонарний автоматизований пристрій TIME Group Inc модель TH300.

Методика проведення випробувань

Проведення дослідження вимагає ретельної підготовки. При визначенні твердості металів методом Роквелла поверхня зразка повинна бути чистою, без тріщин і окалін. Важливо постійно контролювати перпендикулярно чи додається навантаження на поверхню матеріалу, а також чи стійко він розташовується на столику.

Відбиток при втисканні конуса повинен бути не менше 1,5 мм, а при втисканні кульки — більше 4 мм. Для ефективних розрахунків зразок повинен бути в 10 разів товщим, ніж глибина впровадження індентора після зняття основного навантаження. Також слід проводити не менше 3 випробувань одного зразка, після чого усереднити результати.

Етапи проведення випробування

Щоб досвід мав позитивний результат і маленьку похибку, слід дотримуватися порядку його проведення.

Етапи проведення досвіду за методом визначення твердості за Роквелом:

1. Визначиться з вибором шкали.
2. Встановити необхідний індентор і навантаження.
3. Провести два пробних (не враховуються в результати) відбитка для коригування правильності установки пристрою і зразка.
4. Розташувати на столику приладу еталонний блок.
5. Випробувати попереднє навантаження (10 кгс) і обнулити шкалу.
6. Додати основне навантаження, дочекатися досягнення максимальних результатів.
7. Прибрати навантаження і прочитати отримане значення по циферблату.

Правилами дозволено проводити випробування одного зразка при тестуванні масової продукції.

Що вплине на точність

При проведенні будь-якого випробування важливо враховувати безліч факторів. Виявлення твердості за методом Роквелла теж має свої особливості.

Фактори, на які потрібно звернути увагу:

• Товщина випробовуваного зразка. Правилами проведення досвіду забороняється використовувати зразок, який за товщиною менше, ніж десятикратна глибина проникнення наконечника. Тобто, якщо глибина впровадження — 0,2 мм, то матеріал повинен бути мінімум 2 см в товщину.
• Між відбитками на зразку має бути дотримана відстань. Воно становить три діаметри між центрами ближніх відбитків.
• Слід враховувати можливу зміну результатів досвіду на циферблаті залежно від положення дослідника. Тобто зчитування результату має проводитися з однієї точки огляду.

Механічні властивості у випробуваннях міцності

Зв’язати і дослідити міцнісні характеристики матеріалів і результати перевірки твердості методом визначення твердості по Роквеллу вийшло у таких вчених-матеріалознавців, як Давиденков Н.Н., Марковець М. П. та інших.

За результатами випробування твердості шляхом втискування застосовуються методи обчислення межі плинності. Цей зв’язок вирахувано для високохромистих нержавіючих сталей, які пройшли множинну термообробку. Середнє значення відхилення, при застосуванні алмазного індентора, склало всього + 0,9%.

Також проводяться дослідження з визначення й інших механічних властивостей матеріалів, пов’язаних з твердістю. Наприклад, межа міцності (або тимчасовий опір), справжній опір руйнуванню і відносне звуження.

Альтернативні методи визначення твердості

Вимірювати твердість можна не тільки методом Роквелла. Розгляньте основні моменти кожного методу та їх відмінності. Випробування під дією статистичного навантаження:

• Досліджувані зразки. Методи Рокелла і Віккерса дають можливість тестувати відносно м’які і підвищеної міцності матеріали. Метод Брінелля розрахований на вивчення більш м’яких металів з твердістю до 650 HBW. Метод Супер-Роквелла дозволяє випробовувати на твердість при невеликих навантаженнях.
• ГОСТИ. Метод Роквелла відповідає ГОСТу 9013-59, метод Брінелля — 9012-59, метод Віккерса — 2999-75, метод Шора — ГОСТи 263-75, 24622-91, 24621-91, ASTM D2240, ISO 868-85.
• Твердоміри. Пристрої дослідників Роквелла і Шора відрізняються простотою використання і малими габаритами. Обладнання Віккерса дозволяє проводити випробування на дуже тонких і малих зразках.

Досліди під динамічним тиском проводилися за методом Мартеля, Польді, за допомогою вертикального копера Миколаєва, пружинного приладу Шоппера і Баумана та інших.

Твердість також може вимірюватися методом подряпання. Такі випробування проводили за допомогою напильника Барба, приладу Монтерса, Хенкінса, мікрохарактеризатора Бірбаума та інших.

Незважаючи на недоліки, метод Роквелла широко застосовується для випробувань твердості в промисловості. Він відрізняється простотою виконання, головним чином, через те, що не потрібно вимірювати відбиток під мікроскопом і полірувати поверхню. Але при цьому метод не такий точний як запропоновані дослідження Брінелля і Віккерса. Твердість, заміряна різними способами, має залежність. Тобто результативні одиниці по Роквеллу можуть бути переведені в одиниці Брінелля. На законодавчому рівні є нормативні документи, наприклад ASTM E-140, в яких порівнюються значення твердості.