Твердомеры: методы, сферы применения, виды и принципы работы

Содержание:

• Твердость
• Измерение твердости металлов
• Методы определения твердости
• Твердомеры: что это?
• Сферы применения
• Виды твердомеров
• Принципы работы
• Как выбрать твердомер?

Твердость

Твердость — это способность материала сопротивляться проникновению более твёрдого тела (индентора). Чем выше сопротивление материала пластической деформации, тем выше его твердость. Это свойство определяет целый ряд механических характеристик, которые оказывают влияние на эксплуатационные качества материала.

Измерение твердости является одним из самых распространённых методов испытаний, так как оно позволяет оценить прочность изделия и его способность выдерживать различные нагрузки.

Измерение твердости металлов

Твердость металлов можно определять как на эталонных образцах, так и на готовых деталях. Главное условие — все образцы должны быть изготовлены из одного материала и подвергаться одинаковой термической обработке.

Важно учитывать, что при испытании готовых изделий следует соблюдать осторожность, чтобы не повредить их внешний вид после проведения исследования.

Выбор метода испытания твердости зависит от нескольких факторов:

• Исходных механических характеристик прочности, упругости и пластичности материала изделия.
• Размеров детали или зоны соединения элементов конструкции, например, если необходимо измерить твердость сварного шва.
• Целей испытания: нужно ли определить твердость всего изделия или только его поверхности.
• Условий, времени и места проведения теста. Эти параметры влияют на выбор твердомера: портативного (для полевых условий) или стационарного.
• Стабильности получаемых результатов при повторных измерениях.

Твердость металлов измеряется как с помощью механических методов, так и ультразвуковых.

Механические методы могут быть статическими и динамическими.

• Статические измеряют сопротивление деформации.
• Динамические помимо сопротивления деформации анализируют упругость материала.

Кроме того, измеряется твердость как при комнатной, так и при повышенной температуре.

Методы определения твердости

Методы определения твердости можно разделить на два типа в зависимости от способа приложения нагрузки: статические и динамические (ударные).

Существующие методы измерения твердости не позволяют полностью отразить какое-либо одно фундаментальное свойство материалов, поэтому не существует прямой связи между различными шкалами и методами. Однако имеются таблицы, которые приближённо связывают шкалы разных методов для определённых групп материалов.

Испытания твердости не требуют создания специальных образцов и могут проводиться прямо на проверяемых деталях после их подготовки (например, зачистки поверхности на ровной горизонтальной площадке), а порой и без нее.

Основной принцип измерения твердости заключается в механическом воздействии на поверхность исследуемого образца, и по его результатам делается вывод. Способ зависит от выбранных методов измерения. Они могут быть как разрушающими, так и неразрушающими, в зависимости от степени воздействия на объект.

Выбор метода измерения твердости зависит от характеристик материала, целей измерений, условий испытания и доступной аппаратуры. Шкала твердости для контроля изделий выбирается согласно конструкторской и технической документации. Наиболее часто используются шкалы Роквелла, Бринелля, Виккерса и Шора.

Твердомеры: что это?

Для определения твердости инструментально используются приборы, называемые твердомерами. Это специализированные измерительные устройства, с помощью которых измеряют твердость заготовок, готовых деталей или промежуточных стадий.

Твердомеры классифицируются по следующим признакам:

• Степень автоматизации процесса измерений: ручные, полуавтоматические и автоматические.
• Вид отображения результатов: аналоговые и с цифровыми индикаторами.
• Структура и свойства материала, а также условия эксплуатации, конструкция и размеры контролируемых объектов: стационарные и портативные твердомеры с разными принципами работы.
• Шкала измерения. Выбирается в зависимости от твердости материалов:
  • для мягких используется шкала Бринелля;
  • для твердых — шкала Роквелла;
  • для материалов средней твердости — шкала Виккерса.

Многие современные твердомеры могут использовать несколько методов измерения твердости одновременно и могут сохранять последние результаты.

Конструкция твердомера включает следующие элементы:

• Корпус, оборудованный вычислительной электроникой.
• В стационарных моделях — столик для установки исследуемого объекта.
• Датчик с индентором — элемент, который вдавливается в образец для определения его твердости.

Для регулярной проверки точности показаний твердомера в комплект могут входить эталонные образцы, изготовленные по специальной технологии для соответствующих шкал твердости.

Сферы применения

Твердомеры широко используются на различных этапах производства для контроля качества продукции, а также для проверки заготовок, поступающих на заводы. Эти приборы необходимы в таких отраслях, как машиностроение, железнодорожный транспорт и энергетика.

Кроме того, твердомеры находят применение в научно-исследовательских центрах, где они используются для лабораторных тестов и оценки характеристик материалов при разработке новых конструкций.

Приборы помогают отслеживать отклонения от норм и оперативно принимать меры, если показатели выходят за пределы установленного стандарта.

Виды твердомеров

Стационарные

Слово «стационарный» указывает на то, что такие приборы имеют крупные габариты и значительную массу, что делает их неподвижными. Обычно они устанавливаются в лабораториях или на производственных площадках.

Главным преимуществом стационарных твердомеров является высокая точность измерений с минимальными погрешностями.

Эти устройства могут быть оснащены дополнительными компонентами, такими как датчики, дисплеи, микроскопы и принтеры, а также быть подключены к компьютеру.

Для питания стационарных твердомеров используется обычная электросеть.

Портативные

Портативные твердомеры (дюрометры) обладают компактными размерами и позволяют измерять твердость по нескольким шкалам, что значительно расширяет их область применения.

Для определения твердости такие приборы используют различные методы:

• контактно-импедансный (ультразвуковой);
• динамический.

При динамическом методе измеряется отношение скоростей индентора при его падении и отскоке от поверхности материала. Это соотношение определяет твердость. Динамические твердомеры позволяют проводить измерения с высокой скоростью.

Контактно-импедансный (ультразвуковой) метод основан на изменении частоты колебаний датчика при внедрении алмазной пирамиды в поверхность материала. Ультразвуковые твердомеры подходят для исследования различных материалов, включая стальные листы, мелкие детали и зеркальные поверхности, и применяются для оценки механической прочности материалов.

Принципы работы

При классификации устройств специалисты опираются на методы проведения исследований, которые и дали название приборам. Рассмотрим принцип действия некоторых из них.

Твердомер Роквелла (метод Роквелла)

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

Метод является быстрым и простым, что делает его самым популярным. Он основан на измерении глубины проникновения индентора в материал.

Принцип работы твердомера Роквелла заключается в статическом вдавливании алмазного конусного или шарикового наконечника с последующим измерением глубины его проникновения в материал.

Этот метод был разработан, чтобы быстро оценивать влияние термообработки на обоймы стальных подшипников.

Твердость обозначается HR, где H — это hardness (твердость), а R — rockwell, и вычисляется по формуле HR = 100 − kd, где d — глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k — коэффициент. В обозначении метода также указывается тип шкалы, например HRA, HRB, HRC и другие.

Метод использует 11 шкал для определения твердости, которые основаны 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. Для измерений используются нагрузки 60, 100 и 150 кгс.

Твердомер Роквелла определяет твердость как разницу в глубине проникновения индентора под воздействием предварительной (10 кгс) и основной нагрузки.

Образец для измерения должен быть устойчиво размещён на столике и не иметь повреждений, таких как трещины или выбоины.

Преимущество метода Роквелла в том, что твердость фиксируется индикатором, что исключает необходимость в оптическом измерении отпечатка.

Твердомер Бринелля (метод Бринелля)

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

Метод, предложенный шведским инженером Юханом Августом Бринеллем в 1900 году, стал первым широко используемым в материаловедении и был признан стандартом для определения твердости. Он относится к методам вдавливания.

Преимущество твердомера Бринелля заключается в том, что он более точен на низких значениях твердости (менее 30 HRC), чем метод Роквелла.

Принцип работы заключается в статическом вдавливании твёрдосплавного шарика с последующим измерением диаметра отпечатка.

Для измерений используются стальные или твердые сплавы диаметром 1, 2, 2,5, 5 и 10 мм, в зависимости от исследуемого материала. Это может быть сталь, никель и титан, чугун, медь, свинец и легкий металл. Твердость шариков должна быть не менее 850 HV10 для стали и 1500 HV10 для твёрдого сплава.

Метод Бринелля позволяет быстро и легко определить предел прочности и текучести материала, что важно для инженерных задач.

Твердомеры Бринелля бывают как стационарными, так и портативными.

Твердомер Шора (метод Шора)

Твердомеры Шора применяются для измерения твердости низкомодульных материалов, таких как резина, полимеры, пластмассы, эластомеры и каучуки.

Данный метод заключается в эмпирическом измерении глубины вдавливания наконечника при заданной нагрузке, а также измерении изменений вдавливания через определенные интервалы времени.

Метод Шора имеет широкий диапазон значений и подходит для быстрых измерений, включая измерения на готовых изделиях, крупных деталях и криволинейных поверхностях. Благодаря этому метод Шора получил широкое применение в производственной практике.

Твердомеры Шора делятся на два типа в зависимости от способа приложения нагрузки:

1. Ручные — нагрузка прикладывается вручную на корпус прибора. Удобны для быстрых измерений в любых условиях, но точность зависит от навыков оператора. Полученные данные часто служат как «первичные» показания.
2. Механические — нагрузка производится с использованием нормированных гирь. Такие приборы обладают высокой точностью и повторяемостью измерений, но имеют меньшую производительность и могут использоваться только в стационарных условиях. Эти измерения считаются «окончательными» показаниями.

Твердомер Виккерса (Метод Виккерса)

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

Этот прибор представляет собой устройство неразрушающего контроля, которое используется для измерения твердости различных металлов и сплавов.

Принцип работы твердомера Виккерса заключается в статическом вдавливании наконечника, представляющего собой алмазную пирамиду, с последующим измерением длин диагоналей отпечатка. Твердость по Виккерсу определяется путём деления приложенной нагрузки на площадь отпечатка, оставленного пирамидой.

Стоит отметить, что значения твердости по Бринеллю и Виккерсу совпадают в пределах от 100 до 450 НV.

Основные параметры при измерении твердости с помощью твердомера Виккерса включают нагрузку от 0,09807 до 980,7 Н и время выдержки: 10–15 секунд для сталей и 30 секунд для цветных металлов.

Число твердости по Виккерсу обозначается как HV, при этом в обозначении указываются также нагрузка и время выдержки. Размерность числа твердости не указывается.

Твердомер Виккерса можно использовать для определения твердости азотированных и цементированных поверхностей, а также для измерений тонких листовых материалов.

Как выбрать твердомер?

Выбор твердомера зависит от того, с какими материалами предстоит работать и в каких условиях будут проводиться испытания.

Если вы планируете использовать прибор в лаборатории на предприятии и для вас важна высокая точность измерений, стоит обратить внимание на стационарные модели.

Для работы, например, в полевых условиях, оптимальным выбором будет портативный твердомер. Для измерения твердости простых и массивных деталей лучше использовать динамический механический метод. Для более сложных по форме материалов более подходящим будет ультразвуковой.

Кроме того, каждый метод имеет свои ограничения, которые нужно учитывать при выборе прибора.

Мы готовы предоставить консультацию, а также помочь приобрести твердомер, соответствующий вашим требованиям.