Методичка твердость

Таким образом, история измерений твердости отражает развитие науки и техники, а также возрастающие требования к качеству и надежности материалов, используемых в различных отраслях промышленности и науки.

4.2.2Метод измерения твердости по Роквеллу

4.2.2.1Принцип метода Роквелла

Метод Роквелла – это один из наиболее распространенных методов измерения твердости, основанный на вдавливании индентора (специального наконечника) в поверхность испытуемого материала. Главным принципом метода является измерение разницы глубин проникновения индентора под действием предварительной и основной нагрузки.

Сначала к индентору прикладывается небольшая предварительная нагрузка (например, 10 кгс), которая обеспечивает плотное прилегание индентора к поверхности образца и исключает влияние шероховатости поверхности. После этого прикладывается основная нагрузка (величина которой зависит от выбранной шкалы), вызывающая углубление индентора в материал. После снятия основной нагрузки, индентор возвращается до положения под действием предварительной нагрузки. Разница глубин проникновения индентора под действием основной и предварительной нагрузки пропорциональна твердости материала и измеряется твердомером автоматически. При этом, чем больше эта разница, тем мягче материал, и наоборот. Значение твердости по Роквеллу определяется непосредственно прибором и отображается в условных единицах.

Метод Роквелла является экспресс-методом, что обеспечивает высокую производительность при измерениях твердости.

4.2.2.2Инденторы, шкалы Роквелла и их применение

Вметоде Роквелла применяются различные инденторы и нагрузки, что позволяет измерять твердость широкого спектра материалов, от мягких до сверхтвердых.

Инденторы:

Алмазный конический индентор:

•Представляет собой конус с углом при вершине 120° и скругленным кончиком (радиус скругления 0,2 мм). Алмазные инденторы изготавливаются из монокристаллического или поликристаллического алмаза высокой твердости и износостойкости. Они применяются для измерения твердости закаленных сталей, твердых сплавов, керамики и других твердых материалов.

Стальной шариковый индентор:

•Представляет собой шарик из закаленной стали или карбида вольфрама. Наиболее распространенные диаметры шариков - 1,588 мм (1/16 дюйма) и 3,175

мм(1/8 дюйма). Шарики используются для измерения твердости более мягких материалов, таких как нержавеющие стали, цветные металлы и др.

Шкалы Роквелла:

Шкала HRA:

•Применяется алмазный конический индентор с нагрузкой 60 кгс. Эта шкала используется для измерения твердости очень твердых материалов и обеспечивает максимальную чувствительность при измерении твердости.

Шкала HRB(W):

•Используется стальной шариковый индентор диаметром 1/16 дюйма с нагрузкой 100 кгс. Эта шкала предназначена для измерения твердости материалов средней твердости. При использовании вольфрамового шарика используется обозначение HRBW.

Шкала HRC:

•Применяется алмазный конический индентор с нагрузкой 150 кгс. Это самая распространенная шкала для измерения твердости закаленных и термически обработанных сталей.

11

Помимо этих основных шкал, существует ряд других шкал Роквелла (HRD, HRE, HRF, HRG, HRH, HRK и др.), каждая из которых характеризуется своим набором индентора и нагрузки и применяется для измерения твердости конкретных материалов.

4.2.2.3 Подготовка к измерениям, методика измерения твердости по Роквеллу и особенности

Для получения достоверных результатов измерения твердости по методу Роквелла, необходимо соблюдать следующую методику:

1.Подготовка образца: Поверхность образца должна быть чистой, ровной и гладкой. Необходимо удалить с поверхности окислы, окалину, грязь, масло и другие загрязнения. Для этого могут использоваться шлифовка, полировка или обезжиривание.

2.Выбор шкалы и индентора: Выберите шкалу и соответствующий ей индентор и нагрузку в зависимости от типа материала и ожидаемого значения твердости. При выборе шкалы нужно руководствоваться правилом: чем тверже образец, тем выше нагрузка и тверже индентор.

3.Установка образца: установите образец на предметный столик твердомера. Обеспечьте надежную опору образца и точное его позиционирование под индентором.

4.Приложение предварительной нагрузки: Подведите индентор к поверхности образца и приложите предварительную нагрузку. Это обеспечит плотный контакт индентора

споверхностью образца и установит базовую точку отсчета для измерения глубины проникновения.

5.Установка «нуля»: после установки предварительной нагрузки на аналоговой стрелочной шкале устанавливается начальное значение (условно "ноль").

6.Приложение основной нагрузки: плавно, без рывков, приложите основную нагрузку. В этом положении индентор вдавливается в материал на определенную глубину.

7.Время выдержки: выдержите образец под основной нагрузкой в течение определенного времени (обычно несколько секунд, указано в руководстве по эксплуатации твердомера). Это время необходимо для того, чтобы произошла полная пластическая деформация материала.

8.Снятие основной нагрузки: По истечении времени выдержки, основная нагрузка снимается. При этом индентор вернется в положение под действием предварительной нагрузки.

12

9.Считывание значения твердости: после снятия нагрузки твердомер автоматически определит разницу глубин проникновения индентора и покажет значение твердости по выбранной шкале.

10.Запись результата: Запишите полученное значение твердости, обязательно указав используемую шкалу (например, 65 HRC, 90 HRB, 75 HRA).

11.Повторение измерений: для повышения точности результатов измерения следует выполнить несколько раз в разных точках поверхности образца и определить среднее значение, а также дисперсию и СКО измерений.

12.Особенности: необходимо учитывать, что метод Роквелла является методом определения макротвердости, то есть при проведении измерения создаются отпечатки (углубления) довольно больших размеров, поэтому он не подходит для измерения твердости тонких покрытий, фольги и других подобных материалов. Кроме того, на результаты измерений могут влиять неоднородность материала, шероховатость поверхности и другие факторы.

ВАЖНО: Согласно ГОСТ9013-59

13

4.2.3 Метод измерения твердости по Бринеллю 4.2.3.1 Принцип метода Бринелля

Метод Бринелля – это классический метод определения твердости материалов, основанный на вдавливании закаленного стального шарика (индентора) в поверхность образца под действием строго определенной нагрузки. При этом на поверхности испытуемого материала образуется отпечаток (лунка) сферической формы. Диаметр отпечатка измеряется после снятия нагрузки. Чем мягче материал, тем больше диаметр отпечатка при одинаковой нагрузке. Твердость по Бринеллю вычисляется как отношение приложенной нагрузки к площади сферической поверхности отпечатка. Метод Бринелля является статическим методом, то есть нагрузка прикладывается плавно и выдерживается в течение определенного времени.

4.2.3.2Инденторы, нагрузки и шкала Бринелля

Вметоде Бринелля используются стальные шарики различного диаметра, изготовленные из закаленной стали или карбида вольфрама. Стальные шарики применяются для измерения твердости относительно мягких материалов, а шарики из карбида вольфрама применяются для измерения более твердых материалов.

Диаметры инденторов:

10 мм – наиболее распространенный диаметр для измерения твердости сравнительно мягких материалов (чугун, медь, алюминий и их сплавы и т.д.).

5 мм – используется для измерения твердости более твердых материалов, а также для более тонких образцов.

2,5 мм – применяется для измерения твердости мелких деталей или образцов с небольшой площадью.

1 мм – применяется для измерения твердости очень тонких образцов и покрытий. Нагрузки: Величина нагрузки (P) при измерении твердости по Бринеллю зависит от

диаметра шарика (D) и твердости материала. Рекомендуемые нагрузки составляют от 1 до 3000 кгс, и они выбираются таким образом, чтобы диаметр отпечатка (d) находился в пределах 0,25 - 0,6 от диаметра шарика.

Формула для расчета твердости по Бринеллю (HB):

2P

HB = πD(D− √ − )

где:

*HB — твердость по Бринеллю;

*P — приложенная нагрузка в кгс;

*D — диаметр шарика в мм;

*d — диаметр отпечатка в мм.

Шкала Бринелля: обычно используется одна шкала твердости, обозначаемая как HB (твердость по Бринеллю) или HBW (твердость по Бринеллю с использованием шарика из карбида вольфрама). Значение твердости указывается с указанием используемого диаметра шарика и приложенной нагрузки, например, 150 HB 10/3000/10, где 150 - значение твердости, 10 - диаметр шарика в мм, 3000 - нагрузка в кгс, 10

- время выдержки в секундах.

14

4.2.3.3 Подготовка к измерениям, методика измерения твердости по Бринеллю и особенности

Процедура измерения твердости по Бринеллю включает следующие этапы:

1. Подготовка образца: Поверхность образца должна быть чистой, ровной и гладкой. Необходимо удалить с поверхности окалину, ржавчину, масло и другие загрязнения. Для этого могут использоваться шлифовка, полировка или обезжиривание.

2.Выбор шарика и нагрузки: Выберите диаметр шарика и величину нагрузки, исходя из типа материала и его предполагаемой твердости. Для мягких материалов используются шарики большего диаметра и меньшие нагрузки, для твердых - шарики меньшего диаметра и большие нагрузки.

3.Установка образца: установите образец на предметный столик твердомера. Обеспечьте надежную опору образца и точное его позиционирование под индентором.

4.Приложение нагрузки: плавно, без рывков, приложите нагрузку. В этом положении шарик вдавливается в материал, оставляя отпечаток.

5.Время выдержки: выдержите образец под нагрузкой в течение определенного времени (обычно 10-15 секунд, если не указано иное в стандарте). Это время необходимо для того, чтобы произошла полная пластическая деформация материала.

6.Снятие нагрузки: По истечении времени выдержки, нагрузка снимается.

7.Измерение диаметра отпечатка: после снятия нагрузки, измерьте диаметр отпечатка

(d)с помощью микроскопа или окулярного микрометра. Измерения проводят в двух взаимно перпендикулярных направлениях и рассчитывают среднее арифметическое значение.

8.Расчет твердости: Рассчитайте твердость по Бринеллю (HB) по приведенной выше

формуле.

9.Запись результата: Запишите полученное значение твердости, указав диаметр шарика, нагрузку и время выдержки, например: 120 HB 5/750/10.

10.Повторение измерений: для повышения точности результатов измерения следует выполнить несколько раз в разных точках поверхности образца и определить среднее значение, а также дисперсию и СКО измерений.

15

4.2.4 Метод измерения твердости по Виккерсу 4.2.4.1 Принцип метода Виккерса

Метод Виккерса – это универсальный метод измерения твердости материалов, основанный на вдавливании алмазного индентора, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды с углом между противоположными гранями 136°, в поверхность образца под действием заданной нагрузки. После вдавливания и выдержки на поверхности материала остается отпечаток в виде ромба. Твердость по Виккерсу вычисляется на основе измерений диагоналей этого отпечатка и приложенной нагрузки.

Основным преимуществом метода Виккерса является его универсальность. Он подходит для измерения твердости широкого спектра материалов: как мягких, так и очень твердых, как массивных образцов, так и тонких покрытий и мелких деталей. Метод является статическим, что означает, что нагрузка прикладывается плавно и выдерживается в течение определенного времени.

4.2.4.2Индентор, нагрузки и шкала Виккерса

Вметоде Виккерса используется один вид индентора: алмазная пирамида с углом между противоположными гранями 136°, изготовленная из монокристаллического алмаза с высокой точностью и износостойкостью. Индентор имеет высокую твердость, что позволяет проводить измерения на широком диапазоне материалов.

Нагрузки: при измерении твердости по Виккерсу, в зависимости от типа и толщины материала, применяются различные нагрузки, обычно в диапазоне от 1 кгс до 100 кгс (0.0098

Н- 980,7 Н). Выбор нагрузки зависит от ожидаемой твердости материала и должен обеспечить получение отпечатка достаточно большого размера для точных измерений, но не слишком большого, чтобы не вызвать деформацию материала вокруг отпечатка. Для более тонких покрытий и пленок используются малые нагрузки, для массивных образцов – более высокие.

Формула для расчета твердости по Виккерсу (HV):

HV= 1,854

где:

*HV — твердость по Виккерсу;

*P — приложенная нагрузка в кгс;

*d — среднее арифметическое значение диагоналей отпечатка в мм.

Шкала Виккерса: В методе Виккерса используется единая шкала твердости, обозначаемая как HV (твердость по Виккерсу). Значение твердости записывается с указанием приложенной нагрузки, например, 450 HV 10, где 450 - значение твердости, 10 - нагрузка в кгс. При этом при записи можно дополнительно указать время выдержки, если оно отличается от стандартного, например, 500 HV 50/15, где 15 - время выдержки в секундах.

16

4.2.4.3 Подготовка к измерениям, методика измерения твердости по Виккерсу и

особенности Процедура измерения твердости по Виккерсу включает следующие этапы:

1. Подготовка образца: Поверхность образца должна быть ровной, чистой и гладкой. Необходимо удалить с поверхности окислы, окалину, грязь, масло и другие загрязнения. Для этого могут использоваться шлифовка, полировка или обезжиривание.

2.Выбор нагрузки: Выберите подходящую нагрузку в зависимости от материала, его толщины, а также от требований к точности измерений.

3.Установка образца: установите образец на предметный столик твердомера. Обеспечьте надежную опору образца и точное его позиционирование под индентором.

4.Приложение нагрузки: плавно и без рывков приложите нагрузку. В этом положении индентор вдавливается в материал, оставляя ромбовидный отпечаток.

5.Время выдержки: выдержите образец под нагрузкой в течение определенного времени (обычно 10-15 секунд, если не указано иное в стандарте). Это время необходимо для того, чтобы произошла полная пластическая деформация материала.

6.Снятие нагрузки: По истечении времени выдержки, нагрузка снимается.

7.Измерение диагоналей отпечатка: после снятия нагрузки измерьте обе диагонали ромбовидного отпечатка с помощью микроскопа или окулярного микрометра. Измерения необходимо проводить с заданной точностью и вычислять среднее арифметическое значение диагоналей.

8.Расчет твердости: Рассчитайте твердость по Виккерсу (HV) по приведенной выше

формуле.

9.Запись результата: Запишите полученное значение твердости, обязательно указав приложенную нагрузку и время выдержки (если отличается от стандартного), например: 380 HV 20, 700 HV 10/15

10.Повторение измерений: для повышения точности результатов измерения следует выполнить несколько раз в разных точках поверхности образца и определить среднее значение, а также дисперсию и СКО измерений.

11.Особенности: следует учитывать, что метод Виккерса, как и методы Бринелля и Роквелла, относится к статическим методам измерения твердости и может быть подвержен влиянию шероховатости поверхности, неоднородности материала и погрешности измерения диагоналей отпечатка. Правильность выбора нагрузки и точность измерения диагоналей являются важными факторами, влияющими на точность измерений.

17

4.3 Методика калибровки твердомера

Калибровка твердомера – это критически важная процедура, обеспечивающая соответствие показаний прибора эталонным значениям и гарантирующая достоверность результатов измерений твердости. Калибровка выполняется с использованием эталонных мер твердости, имеющих известныезначения, сертифицированныев соответствии стребованиями стандартов. Правильно откалиброванный твердомер обеспечивает точные и надежные измерения, что особенно важно при контроле качества материалов.

4.3.1 Подготовка к калибровке

Перед началом калибровки твердомера необходимо тщательно подготовиться, чтобы избежать ошибок и обеспечить правильность процедуры:

1.Проверка комплектности: убедитесь в наличии всех необходимых элементов:

•Эталонные меры твердости (как минимум по три меры для каждого метода измерения и диапазона твердости).

•Инденторы соответствующие используемым методам (алмазный конус для Роквелла, стальные шарики для Бринелля, алмазная пирамида для Виккерса).

•Инструменты для установки инденторов и предметного столика.

•Салфетки, спирт или обезжиривающие средства для очистки эталонов и индентора.

•Паспорт на твердомер и эталонные меры твердости, с указанием эталонных значений твердости и допустимых погрешностей.

2.Визуальный осмотр: внимательно осмотрите твердомер:

•Убедитесь в отсутствии механических повреждений (трещин, сколов) на корпусе и элементах твердомера.

•Проверьте чистоту индентора, линз микроскопа (если есть) и других оптических элементов. Загрязнения могут исказить результаты измерений. Очистите все элементы, при необходимости.

•Проверьте надежность крепления всех деталей и узлов, отсутствие люфтов.

3.Выбор эталонов: Подберите эталонные меры твердости таким образом, чтобы они охватывали весь диапазон измеряемых значений твердости, которые будут использоваться при выполнении лабораторной работы. Выберите не менее трех эталонных мер для каждого диапазона измерений и для каждого из методов (Роквелла, Бринелля, Виккерса).

4.Подготовка рабочего места:

•Установите твердомер на ровную, устойчивую поверхность. Стол не должен шататься или вибрировать.

•Обеспечьте достаточное и равномерное освещение рабочего места.

•Расположите необходимые инструменты и материалы под рукой, чтобы все было доступно.

5.Проверка питания:

•Убедитесь в правильном подключении твердомера к сети электропитания и отсутствии повреждений кабеля.

•Проверьте, что напряжение в сети соответствует требованиям, указанным в паспорте твердомера.

18

4.3.2 Процедура калибровки

Калибровка твердомера выполняется в следующей последовательности:

1.Выбор метода и шкалы:Выберите метод измерения твердости (Роквелла, Бринелля или Виккерса) и соответствующую шкалу, для которой необходимо выполнить калибровку. Начните с наиболее часто используемого метода и шкалы.

2.Установка индентора: установите соответствующий индентор в держатель твердомера. Убедитесь, что индентор установлен правильно и надежно закреплен. Используйте инструменты и методику, указанные в руководстве по эксплуатации твердомера.

3.Установка эталонной меры: установите первую эталонную меру твердости на предметный столик твердомера. Обеспечьте надежную опору и точное позиционирование меры под индентором. Поверхность меры должна быть обращена к индентору и располагаться перпендикулярно к его оси.

4.Проведение измерения: Проведите измерение твердости в соответствии с методикой, описанной для выбранного метода (Роквелла, Бринелля или Виккерса). Выполните не менее трех измерений в разных точках поверхности меры. Запишите полученные значения твердости.

5.Сравнение с эталоном: сравните среднее значение полученных измерений с эталонным значением, указанным в паспорте на эталонную меру твердости.

6.Оценка погрешности: Рассчитайте разницу между средним полученным значением и эталонным значением твердости. Оцените погрешность измерения. Она не должна превышать допустимых значений, указанных в паспорте на эталонную меру твердости и на твердомер.

7.Корректировка настроек: если разница между полученным и эталонным значениями превышает допустимые значения, откорректируйте настройки твердомера (при наличии такой возможности). В зависимости от типа твердомера, настройки могут включать регулировку нагрузки, положения индентора, настройки нуля или коэффициентов преобразования. Информацию о процедуре корректировки можно найти в руководстве по эксплуатации твердомера.

8.Повторное измерение: после корректировки настроек выполните повторные измерения твердости на той же эталонной мере. Убедитесь, что среднее значение твердости находится в пределах допустимой погрешности. Если необходимо, выполните повторную корректировку.

9.Калибровка для других эталонов: выполните калибровку для остальных эталонных мер твердости в выбранном диапазоне. Убедитесь, что все полученные результаты находятся в пределах допустимых погрешностей.

10.Калибровка для других шкал: повторите этапы 1-9 для других методов и шкал, которые будут использоваться в работе. Начните калибровку со шкал, которые имеют наибольшее значение для выполняемых работ.

11.Запись результатов калибровки: Запишите результаты калибровки для всех методов и шкал в протокол калибровки. Укажите дату, время проведения калибровки, данные об используемых эталонных мерах, полученные значения твердости, погрешности измерений и выполненные корректировки.

19

4.3.3 Проверка калибровки

После проведения калибровки, необходимо проверить ее правильность и подтвердить, что твердомер показывает верные значения твердости:

1.Провести несколько измерений: Проведите контрольные измерения твердости на нескольких различных эталонных мерах и в разных точках поверхности каждой меры.

2.Оценить погрешности: Рассчитайте среднее значение результатов контрольных измерений, дисперсию (показатель разброса) и среднеквадратичное отклонение (СКО) для каждой меры.

3.Сравнить с допусками: убедитесь, что все результаты измерений, полученные на эталонных мерах, находятся в пределах допустимой погрешности, указанной в паспорте на твердомер и на эталонные меры. Если погрешности измерений превышают допустимые значения, повторите калибровку.

4.Записать результаты проверки: Запишите результаты проверки калибровки в протокол калибровки, отметив соответствие или несоответствие требованиям.

4.3.4 Периодичность калибровки

Калибровку твердомера необходимо проводить регулярно:

•Перед началом работы: перед каждой серией измерений, особенно если используются различные методы или диапазоны твердости.

•После замены индентора: после замены индентора или других важных частей твердомера (механизма нагрузки, оптической системы и т.п.).

•По графику: через определенные промежутки времени, установленные производителем твердомера, соответствующими стандартами или внутренними правилами контроля качества. Обычно это делается не реже одного раза в год.

•При сомнении в показаниях: если есть основания полагать, что твердомер показывает неправильные значения.

Соблюдение правил калибровки является обязательным условием для обеспечения точности идостоверности результатовизмерений твердостиипозволяетизбежатьошибокпри проведении лабораторной работы.

20