Твердомеры для металлов принцип работы

Идеологически динамический твердомер базируется на методе по ГОСТ 23273-78 «Металлы и сплавы. Измерение твердости методом упругого отскока бойка (по Шору)».

Фундаментальной основой динамического метода измерения твердости является вязкость — свойство металла поглощать в заметных количествах механическую энергию в необратимой форме не разрушаясь.

Иначе, вязкость можно охарактеризовать как работу затраченную на упруго-структурную и пластическую деформации измеряемую площадью диаграммы деформации*. (*) Справочник по металлическим материалам турбино- и моторостроения.

Михайлов-Михеев П.Б. д.т.н.

Еще один вид дополнительных потерь механической энергии — это затраты на возбуждение свободных упругих колебаний всего контролируемого объема изделия. Эти затраты энергии функционально связаны с размерами, геометрией и массой контролируемого объема изделия, а так же с атомно-кристаллической решеткой материала.

Следует иметь ввиду, что корректное измерение вязкости (твердости) определяется критическими параметрами контролируемого объема изделия: массой, толщиной и геометрией, соответствием типов атомно-кристаллических решеток контролируемого изделия и образцовых мер твердости использованных при калибровке динамического твердомера, а так же структурным состоянием литых чугунных изделий (особенно для серого чугуна). Например, тип атомно-кристаллической решетки алюминия и его сплавов, меди и ее сплавов, а так же конструкционных сталей — кубическая гране- и объемно-центрированная, в то время как кадмий, магний, цинк и альфа-титан имеют гексагональную упакованную решетку.

Несоответствие хотя бы одного из критических параметров может привести к дополнительным потерям механической энергии на свободные упругие колебания всего контролируемого объема изделия и как следствию искажению результатов измерения.

Подробное исследование влияния критических параметров (размеры, геометрия и масса) на значение показаний динамического твердомера позволило специалистам компании Искролайн разработать контроль твердости изделий методом калибровочных поправок. Данный метод существенно упрощает, а во многих случаях исключает разработку и внедрение пользовательских шкал и изготовление контрольных образцов (СОП).

Рассмотрим измерение твердости динамическим методом для двух групп металлов — первая с твердостью в диапазоне HB 5 – 150 (цветные металлы, алюминиевые, медные сплавы) и вторая с HB 100 – 400 (стали с различной термообработкой). Функциональная зависимость сигнала датчика от твердости HL=φ (HB) для первой группы соответствует области (1), а второй — области (2), см. рис 1.

Функциональная зависимость сигнала датчика от твердости.

Как показали исследования функции HL=φ (HB), проведенные и опубликованные д.т.н. Б.Г. Лившицем и д.т.н. С.И. Ратнер, для первой группы (1) вязкость определяется сугубо пластической деформацией. Влияние упруго-структурной деформации практически полностью отсутствует. Это подтверждается и полученными нами экспериментальными данными, в частности:

• а. эффект пластической деформации и диаметр отпечатка от удара шариком падающего индентора для твердости в области (1) на порядок выше пластической деформации в области (2);
• б. для построения графика зависимости в области (1) исследованы следующие материалы: чистые металлы — Pb, Sn, Al, Cu, алюминиевые литейные и деформируемые сплавы, медные сплавы — латуни и бронзы, особо мягкие чугуны и даже сталь с HB95;

Характерно, что модуль нормальной упругости Е этих материалов изменяется в очень широких пределах: 1600 (Pb), 4000 (Sn), 7000 (Al), 10000-11000 (Cu), 11000-15000 (ферритные чугуны) и 20000-22000 (стали), но практически не влияет на твердость.

Эти данные полностью подтверждают полное отсутствие упругой составляющей для материалов с твердостью HB 5 — HB150.

Кроме того, для области (1) характерно резкое отличие HL (сигнала датчика) для металлов с различной атомно-кристаллической решеткой при схожей твердости.

Сравните величину сигнала датчика для металлов с гексагональной плотноупакованной решеткой (Cd, Mg, Zn, Ti α) и с кубической гране- и объемно-центрированной решеткой (Pb, Sn, Cu, Al) см. рис.2. 

Для металлов с кубической решеткой отмечается высокий коэффициент корреляции зависимости сигнала датчика от твердости, чего не скажешь о гексагональной, что связано со значительным уменьшением вязкости. Калибровочную поправку для таких изделий следует применять только к сигналу датчика (ΔHL).

Зависимость сигнала датчика от кристаллической решетки.

Для материалов соответствующих зависимости HL=φ (HB) в области (2) (стали, чугуны, титановые сплавы) характерно наличие влияния упруго-структурной деформации на значение сигнала датчика, что приводит к резкому изменению параметров функциональной зависимости. Общая картина зависимостей HL=φ (HB) для разнообразных материалов в широком диапазоне твердости от HB 5 до HB 400 представлена на рис.3.

Зависимость HL=φ (HB) для различных материалов.

Физическая сущность динамического метода измерения твердости металлов, сплавов и сталей

В отличии от классического статического метода определения твердости по методу Бринелля или Роквелла, динамический метод принимает за показатель твердости не площадь отпечатка или глубину проникновения твердосплавного наконечника, а отношение скоростей индентора перед ударом и после него. В общем случае — чем материал более твердый, тем выше скорость отскока, но не следует забывать про упомянутые выше особенности кристаллических решеток различных материалов, дающих заметные отклонения результатов измерений.

Динамический метод определения твердости по Бринеллю или Роквеллу опирается на метод Лейба по стандарту ASTM 956.

Данный стандарт описывает: методику определения твердости образцов из стали полученных прокатным или литейным способом, а так же чугуна, алюминиевых и медных сплавов, методы проверки и испытания приборов, калибровку твердомеров по стандартным мерам твердости, требования к мерам твердости и измеряемым изделиям.

Устройство датчика становится понятным при рассмотрении его схематического изображения  в разрезе на рис.4.

Датчик состоит из корпуса (1) с опорным кольцом (2), подвижной втулки (3), спусковой кнопки (4), индентора с магнитом и наконечником из карбида вольфрама или синтетического алмаза (в зависимости от типа датчика) (5), катушки индуктивности (6), пружины (7). Перед измерением датчик надежно прижимается к контролируемой поверхности (8).

Устройство датчика динамического твердомера.

Согласно стандарту ASTM 956 существует 6 разновидностей датчиков. Наиболее распространенный и универсальный — это датчик типа «D».

Принцип работы датчика динамического твердомера

Значение твердости вычисляется из отношения скоростей индентора, измеренных до и после удара на расстоянии 1 мм от исследуемой поверхности изделия, по формуле HL=1000xVb/Va, где HL – значение твердости по шкале Лейба, Vb – скорость после отскока, Va —  скорость падения перед ударом.

Определение скорости достигается с помощью постоянного магнита, установленного в инденторе, который под действием силы пружины перемещается через катушку и индуцирует электрическое напряжение при падении и отскоке, см. рис. 5. Индуцированные напряжения пропорциональны скоростям падения и отскока.

Отношение измеренных значений напряжения, умноженное на коэффициент 1000, дает число, которое составляет значение твердости по шкале (методу) Лейба.

Эти значения твердости иначе еще называют сигналом датчика.

Сигнал датчика при прохождении индентора с магнитом через катушку индуктивности.

Прямая корреляция между критерием твердости по Лейбу и другими методами твердости

Стандарт ASTM 956 рекомендует внимательно и продумано использовать перевод значений твердости по Лейбу в другие системы за исключением случаев когда точность преобразования была получена путем сравнительного тестирования. Причины таковых рекомендаций были нами описаны выше.

Учитывая, что, при разработке динамического твердомера Тукан К-18А, производителем многократно протестированы таковые зависимости, а так же проведены все метрологические испытания при внесении твердомера в реестр средств измерений, измерения проводимые по другим шкалам являются достоверными.

Тем не менее, при проверке особо ответственных деталей мы рекомендуем достичь специального соглашения по методике выполнения измерений между стороной, определяющей этот метод испытаний, и стороной, выполняющей испытание на твердость.

Область применения динамического твердомера

Описание твердомера Тукан К-18А

Портативный твердомер Тукан К-18А рекомендован к применению: на крупных промышленных предприятиях для контроля, как единичных изделий, так и серийной продукции с сохранением статистики измерений; в производственных компаниях; в лабораториях и исследовательских учреждениях.

Твердомеры широко применяются:

• на предприятиях энергетического комплекса,
• в металлургии черных и цветных металлов,
• в машиностроении и автомобильном транспорте (производство и ремонт),
• в нефтегазовой отрасли,
• в судостроении,
• в стале- и чугуно-литейных производствах,
• на трубопрокатных заводах,
• в железнодорожной сфере (прокат и ремонт рельс, колесных пар, сцепок, осей и пр.),
• в аэрокосмической отрасли,
• в монтажно-ремонтных и диагностических организациях. 

Назначение твердомера

• Быстрый контроль материалов и деталей, в том числе и сложной формы, контроль качества термообработки, определение твердости различных деталей механизмов при их ремонте.
• Информационный слой для динамического датчика составляет порядка 0,8 мм. Это указывает на возможность разработки методики контроля глубины азотированного слоя до 0,7 — 0,75 мм для изделий из конструкционных сталей (например, марок 38хмюа, 18х2н4ма и др.). 

Основные возможности

• Измерение твердости по наиболее распространенным в металлообработке, и в частности в машиностроении, шкалам твердости: Бринелль (HB), Роквелл (HRC), Лейб (HL) и т.п.
• Измерение твердости по дополнительным (пользовательским) шкалам (10 шкал).
• Изменение размера выборки.
• Отброс максимального и минимального значений при вычислении среднего.
• Автоматический учет положения датчика.
• Автоматический учет калибровочных поправок к результатам измерений для учета влияния различных факторов (геометрические и массогабаритные отклонения контролируемого объема).
• Метод калибровочных поправок позволяет расширить номенклатуру контролируемых изделий, исключая необходимость притирки малогабаритных деталей к массивной плите.
• Рекалибровка введенных шкал (коррекцию калибровочной зависимости).
• Сохранение в памяти настроек для различных серийно выпускаемых изделий для минимизации трудозатрат и ошибок при подготовке прибора к работе.
• Сохранение в памяти результатов измерения для серийно выпускаемых изделий с фиксацией номера партии и даты измерения.
• Трехцветная (ниже — норма — выше) пороговая индикация соответствия твердости изделия требованиям технологической документации.

Дополнительные возможности

• Сохранение результатов измерения для партий серийно выпускаемых изделий в памяти прибора и статистическая обработка результатов.
• Калибровка новых (пользовательских) шкал.
• Выход на исполнительное устройство для автоматической сортировки контролируемых изделий в условиях конвейерного производства.
• Вход для сигнала обратной связи от исполнительного устройства для определения момента готовности конвейера к измерению следующего изделия.
• Установка календаря и часов.
• Задание времени работы подсветки, пороговой индикации, времени отображения результата, периода автоотключения, изменять язык интерфейса.
• Просматривать статистику измерений.

Требования к контролируемому изделию

Выполнение первичных требований – обязательное условие точности измерений!

• Исследуемая поверхность должна быть тщательно подготовлена, чтобы избежать каких-либо изменений в твердости, вызванных нагревом во время шлифования или путем упрочнения во время обработки. Любая краска, окалины, вмятины или другие поверхностные покрытия или неровности должны быть полностью удалены. Проверяемые поверхности должны быть гладкими. Неспособность обеспечить надлежащую обработку поверхности приведет к отклонению результатов измерений. Грубая обработка контролируемой поверхности будет вносить искажения в результаты измерения. Рекомендуется, чтобы тестируемая поверхность была подвергнута механической обработке — шлифовке или полировке. Размер зернистости шлифовальных материалов, рекомендованной для достижения заданной чистоты поверхности, определяется при разработке технологической карты для конкретного изделия.
• Выполнение теста на твердость на деталях с остаточным магнитным полем может повлиять на результаты. Рекомендуется, чтобы любое остаточное магнитное поле было меньше 4 ·10-4 Тл (Тесла) или менее 4 Гс (Гауссов, по международной системе СГС — сантиметр-грамм-секунда)).
• Контроль твердости изделий из конструкционных сталей целесообразно производить после объемной термообработки, обеспечивающей равномерность структуры и физико-механических свойств, в том числе твердости, по всему контролируемому объему.
• При контроле твердости литых изделий (чугуны, алюминиевые сплавы, силумины, изделия из аустенитных литейных сплавов) необходимо учитывать структурную анизотропию, т.е. различие твердости на разных участках. В связи с этим для изделий литейного производства обязательна установка постоянного места контроля твердости. Это обеспечит возможность сравнительной оценки твердости отдельных изделий в одной партии и между партиями.
• Чтобы предотвратить ошибки, возникающие в результате смещения датчика, основание опорного кольца должно быть прижато плотно и перпендикулярно к поверхности испытуемого образца.
• Датчик и прибор откалиброваны для направления удара вертикально вниз (перпендикулярно горизонтальной поверхности). Для других направлений удара, например, 45 ° от горизонтальной плоскости или иных, измеренные значения твердости следует использовать с обязательной поправкой. Твердомер Тукан К-18А имеет функцию автоматического учета поправки.
• Расстояние между любыми двумя точками удара индентора должно быть не менее двух диаметров отпечатка. Расстояние между точкой удара и краем образца должен быть не менее 5 мм. Повторное измерение в тоже самое место не допускается.
• Исследуемые части с криволинейными поверхностями могут быть испытаны при условии, что радиус кривизны образцов на выпуклых или вогнутых поверхностей кольца составляет не менее 30 мм.
• Для исключения влияния неоднородности материала изделия рекомендуется использовать не менее 5 измерений на площади приблизительно 2.5 см2 (625 мм2). Если испытуемый материал считается заведомо неоднородным (например, чугун) количество измерений на испытуемой площади следует увеличить до 10.
• Толщина и вес испытуемого образца должны учитываться при проведении измерений и выборе места контроля. Для датчика типа D стандартом ASTM 956  рекомендованы следующие минимальные размеры и вес изделия: вес — 5 кг, толщина — 3 мм. Согласно стандарту, если исследуемые изделия имеют массу меньше минимальной или части любого веса имеют сечения, меньше, чем минимальная толщина, требует наличие жесткой опоры и сцепления с массивной неподатливой поверхностью, чтобы предотвратить свободные колебания от удара индентора датчика. Но, как описано выше, специалистами компании Искролайн разработан метод калибровочных поправок позволяющий существенно ослабить данные ограничения и уменьшить требования к массе и минимальным размерам исследуемого изделия.

Ограничения

Для динамического твердомера Тукан К-18А, как и для всех моделей динамических твердомеров, присущи некоторые ограничения.

Измерения нельзя считать корректными при невозможности надежной фиксации сложно профилированного изделия на массивном основании или отсутствии у изделия постоянного, внесенного в технологическую документацию, места контроля.

Твердомер – каким инструментом провести исследование детали? + видео

Твердомеры металлов нашли свое применение на большинстве производств, потому что измеряемый ими параметр очень важен в деталях, которые выпускает тяжелая промышленность. Иногда такое приспособление может пригодиться и в быту, поэтому давайте знакомиться.

Устройство и принцип работы прибора

Удобный для снятия показаний твердомер электронный сегодня чаще всего служит на благо производства. Такой прибор не только измеряет твердость, но и способен отслеживать разрушения структуры металлических изделий.

Такую работу чаще проводят на производственных участках, но больше всего в нем нуждаются машиностроительные предприятия. Именно там приходится часто отслеживать качество изделий.

Лаборатории заводов не только с помощью данных приборов следят за контролем качества, но и разрабатывают новые конструкции и материалы. Инструмент нужен и при приеме на производство сырья и заготовок.

Данным инструментом проверяются и контролируются изделия из разных металлов и сплавов.

Это такие металлы и материалы, как высоколегированные, жаропрочные, коррозионно-стойкие, нержавеющие стали, цветные металлы и сплавы, чугуны, упрочняющие и другие слои на стальных изделиях. Устройство такого приспособления довольно простое.

Основные узлы – это датчики и электронный блок, с помощью которого обрабатывается сигнал с датчика, а вот датчик состоит из пружины, индентора и электромагнитной катушки.

Датчики формируют сигнал, который несет сведения о твердости изделий, обследуемых на данный момент. Индентор в это время разгоняется при помощи пружины. Затем, ударяясь о поверхность изделия, индентор отбрасывается в сторону.

Когда он отскакивает, то в катушке тут же генерируется ЭДС (электродвижущая сила), она обычно пропорциональна скоростям отскоков от детали. Эта скорость и определяет твердость металла. Сутью измерений данного параметра считается проверка механического воздействия на поверхности исследуемых образцов.

Полученные результаты и говорят о твердости, но не всегда о прочности, кстати. Многие стараются смешать эти понятия.

От того, какой материал необходимо исследовать, от его свойств, структуры и габаритов, зависит выбор, каким же прибором воспользоваться – портативным или стационарным.

Портативный твердомер – что мы выиграем при его использовании?

Твердомер портативный считается прибором, который дает возможность получить более точные показатели, чем его стационарный “брат”. При работе с такими инструментами пользуются механическими, контактно-импедансными (или ультразвуковыми), а также динамическими методами.

Когда работа ведется при помощи динамического метода, то контролируется твердость при измерении скорости индентора датчиком сразу после ударов о проверяемую поверхность.

Ультразвуковой твердомер производит проверку при помощи наблюдений за изменениями частоты колебаний индентора сразу после внедрения его на проверяемые поверхности.

Читайте еще:   Как пользоваться тестером – виды измерений и их особенности

Механический твердомер дает нам информацию, исходя из сопротивляемости металлической поверхности обычному вдавливанию. Этот способ, конечно, самый разрушающий, особенно если материал детали относительно мягкий.

Показания всех этих инструментов выдаются относительно какой-то шкалы твердости, основные из которых – Роквелла, Бринелля и Виккерса.

Большинство приспособлений работает в рамках одной шкалы, но есть и универсальный твердомер, который способен снимать показания в одной системе, а следом пересчитывать данные в еще нескольких шкалах.

Последние портативные модели такие, как МЕТ-УД и МЕТ-УДА состоят из пластикового электронного блока и имеют два сменных датчика – ультразвуковой и динамический. В нашей стране такими инструментами пользуются на многих предприятиях, ими измеряются твердости не только у многих металлов, но и у сплавов по таким шкалам, как HRC, HR SHD.

Имеющиеся в данных приборах дополнительные шкалы Н-1, Н-2, Н-3 позволяют получать точные данные о твердости не только у изделий из цветных металлов, но также и у чугунных и многих других деталях.

Имеющийся в приборе автоматический перерасчет на растяжение и расчет на прочность во время разрывов (и все соответствует ГОСТу) позволяет провести обследование наиболее широко.

Чем же отличается стационарная модель?

Стационарный твердомер отличается большими возможностями, у него имеется дополнительный набор опций. Более того, с данным приспособлением можно спокойно работать с наибольшими нагрузками.

Часто такими инструментами работают в лабораториях и с их помощью контролируют твердость металлов. В работе со стационарными моделями используют такие методы измерения твердости, которые подразумевают нарушения целостности образцов.

Измеряется глубина после полного проникновения индентора в материалы.

К такому варианту относится оборудование типа ТЭПМ. С его помощью обследуются крупногабаритные изделия, которые отличаются не только сложностью форм, но также и труднодоступностью измерительных зон.

Данным прибором можно получить все необходимые показатели в любом положении датчика.

Такие инструменты отличаются высокой производительностью, а измерения снимаются очень легко, да и сам прибор прост в обслуживании.

Читайте еще:   Заклепочник – для резьбовой и вытяжной заклепки

Отличаются приборы такого типа и электронным блоком. Он легко приводит все результаты на средний уровень, а затем автоматически вся информация попадает в буфер памяти и потом выводится на дисплей прибора или на компьютер.

Инструмент имеет 64 шкалы твердостей и около 255 средних результатов для измерения. Прибором легко пользоваться, можно программировать или калибровать шкалы. Он подключается к компьютеру при помощи кабеля USB. Предел прочности определяется на растяжение RM за счет автоматического расчета по ГОСТу.

Это касается всех углеродистых сталей, которые относятся к перлитному классу.

Удобны такие приспособления и своим самоотключением, после проделанной работы оборудование отключается само. К преимуществу данного прибора можно отнести и имеющуюся подсветку. Это дает возможность работать с ним в плохо освещенных помещениях. Таким образом, к основным характеристикам стационарного твердомера можно отнести:

• возможность усреднения;
• работу с памятью;
• любое положение датчиков;
• возможность программирования;
• зарядку батареек;
• пользование подсветками.

Условия работы и требования к исследуемым деталям

Каждый тип приборов имеет свои особенности, но суть одна. С их помощью надо измерить твердость металлического изделия. Метод, который используют для определения твердости, называют твердометрией.

А сам этот параметр относят к свойству материалов оказывать сопротивление к деформации или разрушению тогда, когда будет внедряться индентор на поверхность изделия.

И вся работа проводится при помощи описываемого нами прибора.

Например, в самом простом методе (механическом) алмазная пирамида при определенной нагрузке вдавливается в образец в течение заданного времени, затем измеряются диагонали оставшихся отпечатков. Чаще расстояние должно быть не менее 2,5 всей длины по диагонали.

В работе применяют разные методы, но требования к образцам и условиям должны быть общими. Работать нужно с проверяемым металлом при температуре от +10 до +20 градусов по Цельсию.

Необходимо, чтобы образец находился в перпендикулярном положении к действующим на него усилиям.

Читайте еще:   Насос погружной скважинный – правила для выбора и монтажа

Также нужно следить за тем, чтобы поверхность изделия была чистой, не должно быть ни краски, ни масел, ни пленок, ни окалин и тому подобного. Поверхность проверяемой детали должна обрабатываться таким образом, чтобы все края отпечатков были отчетливо видны.

Начиная работать, надо позаботиться и о безопасности, потому что при изменении твердости изделие может нагреваться или образовывать наклеп на поверхности.

При поломках осуществить ремонт твердомера может только специалист, который обслуживает такие приборы, обычно такой человек работает только на заводе-изготовителе самого инструмента.

• Михаил Малофеев
• Распечатать

Твердомеры для металлов. Метод Роквелла и Бринелля

Сущность методов определения твёрдости металлов

Испытания могут проводиться как на эталонных образцах (изготовленных из того же металла, и подвергнутых такому же режиму термической обработки), так и непосредственно на готовых деталях. В последнем случае необходимо принять меры к тому, чтобы испытуемое изделие не имело затем внешних повреждений.

Выбор метода испытания твёрдости зависит от:

1. Исходных механических показателей прочности, упругости и пластичности изделия.
2. Габаритных размеров детали (или места соединения смежных элементов конструкции, если устанавливается твёрдость в зоне, например, сварного шва).
3. Конечного результата: установить твёрдость самого изделия, либо твёрдость только его поверхности (выполняется для деталей, прошедших термическую обработку или иной вид поверхностного упрочнения).
4. Требований к условиям, времени и месту проведения испытания. Например, в полевых условиях более подходят не стационарные, 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 также ультразвуковыми.

Независимо от этого, физическая сущность всех методов одна – в образец внедряется деформирующий элемент, перемещение которого считывается по специальной шкале.

Твёрдость рассматривается как сопротивление металла необратимым пластическим деформациям, а потому отличается от других измерений наличием специальных унифицированных приборов – твердомеров для металлов.

Как определить химический состав металла читайте по ссылке //proinstrumentinfo.ru/analizator-metallov-i-splavov-tsena/

Твердомеры Бринелля

Способ определения твёрдости по методу Бринелля заключается 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 предъявляются следующие требования:

1. Индентор должен быть строго определённых размеров. Стандартными считаются диаметры 10; 5; 2,5; 1,25 и 1 мм. Выбор зависит от ориентировочной твёрдости испытуемого образца и нагрузке на него:

1. Нельзя выполнять измерения твёрдости НВ одной и той же детали, используя различные типы твердомеров Бринелля.
2. Соотношение прикладываемой к изделию нагрузки и площади отпечатка должны быть постоянными.
3. При ссылке на установленную при замерах величину НВ необходимо указывать условия, при которых был получен результат.
4. Деталь в месте измерения твёрдости должна иметь ровную и хорошо зашлифованную поверхность достаточной толщины (иначе с обратной стороны возможна деформация, ухудшающая точность результата).
5. Недопустимо определять твёрдость, если точка испытания находится вблизи от кромки детали.

Метод Бринелля непригоден, если измеренная твёрдость превышает 450 НВ: в таком случае происходит деформация контактной поверхности самого индентора.

Твердомеры для металлов, реализующие метод Бринелля, подразделяют на приборы типа ТШ и типа БТБ.

Стационарные твердомеры для металлов типа ТШ, с механическим приводом от электродвигателя, состоят из следующих узлов:

• Узла нагружения, который включает в себя оправку с индентором, возвратную пружину и корпус;
• Узла привода, состоящего из электродвигателя и системы передач;
• Рычажного механизма, который передаёт рабочую нагрузку на шарик;
• Рабочего стола;
• Панели управления и контроля результатов измерений.
• Противовеса с грузами;
• С-образной станины.

Твердомер Бринелля работает так. Деталь испытуемой поверхностью вверх устанавливают на стол, после чего поднимают его до упора, имеющегося в корпусе индентора. Далее включается электродвигатель, который перемещает корпус индентора.

Тот, преодолевая сопротивление пружин, приводит в движение шарик, который вдавливается в металл. Конечный результат считывается по шкале.

Отношение плеч рычажного механизма, а также суммарный вес грузов на противовесе устанавливается в зависимости от предполагаемого результата измерений (см. таблицу выше).

Твердомеры для металлов типа БТБ имеют некоторые эксплуатационные преимущества перед приборами ТШ: они обладают увеличенными размерами рабочего пространства стола, смена режимов нагружения производится механически, а для отсчёта результата используется более точная оптическая система. Работы на твердомерах БТБ производят в той же последовательности, что и на приборах ТШ, но образец после испытания сканируется измерительной головкой, с отображением результата на экране.

Данный способ подходит также для определения твёрдости изделий, которые эксплуатируются при повышенных температурах. Для этого на стол устанавливается ванна с нагревающей образец жидкостью, причём для температур до 300°С используют масло, а для более высоких температур – солевой расплав. Образец помещают в ванну на асбестовую плиту, после чего измеряют твёрдость обычным методом.

Твердомеры производства «Точприбор»

Доступными и простыми в эксплуатации являются переносные твердомеры для металлов типа ТШП. Испытательная головка прибора устанавливается на деталь в месте измерения и крепится струбциной или специальными захватами.

Нагрузка создаётся вручную, и контролируется по шкале индикатора. Для измерения результата применяют переносной микроскоп типа МПБ.

Замеренный отпечаток сравнивается со значениями, которые приводятся в таблицах пересчёта.

Твердомеры для металлов, работающие по методу Бринелля, имеют ряд ограничений своего применения:

• Не учитывается упругая деформация детали под нагрузкой.
• Динамика проведения испытания (время и скорость вдавливания индентора) очень сильно зависит от исходной твёрдости металла.
• Поверхность в месте испытания должна быть строго перпендикулярной оси движения индентора.
• При повторных измерениях твёрдости расстояние между смежными отпечатками должны быть не менее 0,2…0,6 от диаметра шарика.

Твердомеры Роквелла

Метод определения твёрдости металлов по Роквеллу состоит во вдавливании алмазного конуса или стального закалённого шарика в предварительно зашлифованную поверхность образца.

Метод Роквелла считается более оперативным, а в таких твердомерах  автоматизируется как процесс испытания, так и последующая обработка его результатов.

Суть метода Роквелла заключается в том, что предварительно выбирается некоторая реперная точка, и полученная для этой координаты глубина внедрения индентора вычитается из произвольно выбранной наибольшей глубины вдавливания.

Метод Роквелла имеет несколько разновидностей, каждая из которых применяется в определённых условиях испытаний (см. таблицу):

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

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

Последовательность действия твердомера Роквелла следующая. Образец шлифованной поверхностью вверх размещают на измерительном столе, после чего перемещают его вверх, до начала вдавливания индентора в поверхность, что отслеживается по шкале твердомера.

Так происходит предварительное нагружение, признаком окончания которого является вертикальное расположение большой стрелки. Это означает, что индентор внедрился в поверхность на глубину, при которой упругая деформация металла уже перешла в пластическую.

Далее, освобождают рукоятку, которая амортизатором возвращается до упора, и нагружают испытуемое изделие основным усилием. В конечном положении нагрузка на деталь должна быть не менее 5…10 с., когда на индикаторе появится искомое значение твёрдости по Роквеллу.

После этого маховичком возвращают столик в исходное положение, и снимают с него деталь.

Условная единица твёрдости Роквелла соответствует 2 мкм перемещения рабочего наконечника индентора.

Существуют и переносные разновидности приборов Роквелла. К числу наиболее популярных относится прибор типа ТКП, испытательная головка которого прикрепляется к измеряемой детали.

Последовательность приложения нагрузок – предварительной и основной – в приборах типа ТКП такая же, так и в стационарных твердомерах для металла, где применяется метод Роквелла.

Применяются также и другие типы твердомеров для металла – Шора, Виккерса и пр. Их цена зависит от технических характеристик прибора. Например, диапазон цен на портативные динамические твердомеры составляет 30000…50000 руб, на стационарные установки – от 275000 до 420000 руб.

Твердомеры для металлов. Методы Бринелля и Роквелла

01.11.2017

Твердость — способность металла пластически деформироваться под воздействием объекта с более высокой твердостью (индентора).

Испытания на твёрдость являются очень распространёнными, поскольку определяют не только меру прочности изделия, но и его сопротивление переменным нагрузкам.

Преимущество метода — испытания на твёрдость относятся к числу неразрушающих, а твердомеры для металлов могут быть как стационарными, так и портативными.

Измерения могут проводиться на эталонных образцах (изготовленных из того же материала или сплава и подвергнутых такому же режиму термической обработки) или на готовых деталях. Единственное условие — в случае испытания готовых деталей необходимо принять меры к тому, чтобы объект контроля (ОК) не имел внешних повреждений.

Выбор метода контроля твёрдости зависит от:

• исходных механических показателей прочности, упругости и пластичности изделия
• размеров ОК (или места соединения смежных элементов конструкции, если устанавливается твёрдость в зоне, например, сварного шва)
• конечного результата: установить твёрдость самого изделия, либо твёрдость только его поверхности (выполняется для деталей, прошедших термическую обработку или иной вид поверхностного упрочнения).
• Требований к условиям проведения испытания. В полевых условиях используют не стационарные, а портативные твердомеры.
• Стабильности результатов измерений и их воспроизводимости при повторных испытаниях.

Твёрдость может быть измерена тремя группами методов — механическими (статическими и динамическими), а также ультразвуковыми. Кроме того, различают твёрдость при комнатных и повышенных температурах (так называемую «горячую твёрдость»). Техническая сущность всех методов одна — в ОК внедряется деформирующий элемент, глубина перемещения которого считывается по специальной шкале.

Твёрдость рассматривается как сопротивление металла необратимым пластическим деформациям, а потому отличается от других измерений наличием специальных унифицированных приборов — твердомеров для металлов.

Твердомеры Бринелля: методика и оборудование

Используются для определения твёрдости мягких сплавов и цветных металлов, чугуна и незакалённых сталей в соответствии с ГОСТ 9012-59.

Измерение твердости по Бринеллю производится либо стальным шариком, либо шариком из карбида вольфрама. Последний позволяет узнать твердость материалов, превышающих показатель обычной стали.Карбидный индентор, как правило, нужен для инструментальных сплавов. Шарик из обычной стали используют, измеряя твердость древесины, меди, алюминия, дюраля, нержавейки, стекла. То есть, твердомер применяют не только к металлам.

Способ определения твёрдости по методу Бринелля заключается во вдавливании в поверхность ОК шарика-индентора (из закалённой стали или из твёрдого сплава). В результате на металле остаётся отпечаток в виде полусферы определённого диаметра и глубины, что позволяет определить меру твёрдости по Бринеллю (НВ).

• Современная конструкция твердомера Бринелля позволяет плавно внедрять индентор в образец, обеспечивает высокую точность приложения нагрузки (погрешность не более 1,0 %), что позволяет получать отпечатки с высокой повторяемостью, необходимой для обеспечения точности измерений твердости.
• В качестве инденторов используются шарики из твердого сплава диаметром 1; 2,5; 5 и 10 мм. Величину нагрузки и диаметр шарика выбирают в зависимости от исследуемого материала, который разделен на 5 основных групп:
• При измерении твердости по методу Бринелля необходимо выполнять следующие условия:

1 — сталь, никелевые и титановые сплавы; 2 — чугун; 3 — медь и сплавы меди; 4 — легкие металлы и их сплавы; 5 — свинец, олово.

• образцы с твердостью выше HB 450/650 кгс/мм2 испытывать запрещается;
• поверхность образца должна быть плоской и очищенной от окалины и других посторонних веществ;
• диаметры отпечатков должны находиться в пределах 0,2D