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

Що являє собою метод

Методом Роквелла називають метод випробування матеріалів на твердість. Для досліджуваного елемента обчислюється глибина проникнення твердого наконечника індикатора. При цьому однаковою залишається навантаження для кожної шкали твердості. Зазвичай вона складає 60100 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 визнаний простим і швидко відтворюваним. Що дає йому перевагу перед іншими методами.

Історія

Віденський професор-дослідник Людвіг вперше запропонував использовть індентор для дослідження твердості шляхом його проникнення в матеріал і обчислення відносної глибини. Його метод описаний у роботі 1908 року «Випробування конусом» (Die Kegelprobe). Цей метод мав недоліки. Брати Х'ю і Стенлі Роквелли запропонували нову технологію, яка виключала помилки маханического 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 шарикопідшипників.


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 був запатентований під номером 1294171. В цей час працювали на Роквелли компанію-виробника шарикопідшипників. У вересні 1919 року Стенлі Роквелл покинув компанію і переїхав в штат Нью-Йорк. Там він подав заявку на удосконалення приладу, яка була прийнята. Новий прилад запатентований і вдосконалено до 1921 році. В кінці 1922 року Роквелл заснував підприємство з термообробці, яке досі функціонує в штаті Коннектикут. З 1993 року перебуває у складі корпорації Instron.

Переваги і недоліки методу

Кожен метод обчислення твердості унікальний і застосовується в якій-небудь сфері. Методи визначення твердості за Брінеллем і Роквеллу є основними. Є ряд переваг методу:

можливість проведення дослідів з високою твердістю;

незначні пошкодження поверхні при проведенні випробування;

простий метод, що не вимагає 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 за методом Роквелла виведено всього 11 шкал. Їх 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 идентером.
Шкали прийнято позначати літерами 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 (03-05 мм);

Шкала B: випробування сталевою кулькою з навантаженням 100 кгс. Позначення – HRB. Випробування проводяться на отоженной м'якої 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 05 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 випробуваний об'єкт твердіше, 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 програми основної та попередньої (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 (попередньої та основної), величина обчислюється мм. N, s – це константи, вони залежать від конкретної шкали.

Твердомір за Роквеллу

Твердоміром називається пристрій для визначення твердості металів і сплавів методом Роквелла. Він являє собою прилад з алмазним конусом (або кулькою) і матеріалом, який конус повинен увійти. Також приклепляется вантаж для регулювання сили впливу. Час відображає індикатор. Процес відбувається в два етапи: спочатку робиться натискання з силою 10 кгс, потім сильніше. Для більшого натискання застосовується конус, для меншого – кулька. Досліджуваний матеріал розташовується горизонтально. Алмаз опускають на нього з допомогою важеля. Для плавного спуску в пристрої застосована рукоять з масляним амортизатором. Час основного навантаження зазвичай становить від 3 до 6 секунд, в залежності від матеріалу. Навантажуванням необхідно зберігати до отримання результатів випробування. Велика стрілка індикатора рухається за годинниковою і відображає результат досвіду. Найбільш популярні в практиці такі моделі твердоміри за методом Роквелла:

Стаціонарні прилади «Метротест» моделі «ІТП», наприклад, «ІТП-60/150-М».

Твердоміри Qness GmbH моделі Q150R.

Стаціонарне автоматизований пристрій TIME Group Inc модель TH300.

Методика проведення випробувань

Проведення дослідження вимагає ретельної підготовки. При визначенні твердості металів за методом Роквелла поверхня зразка повинна бути чистою, без тріщин і окалини. Важливо постійно контролювати перпендикулярно чи додається навантаження на поверхню матеріалу, а також стійке він розташовується на столику.
Відбиток при вдавлюванні конуса повинен бути не менше 15 мм, а при вдавлюванні кульки – більше 4 мм. Для ефективних розрахунків зразок повинен бути в 10 разів товщі, ніж глибина впровадження індентора після зняття основний навантаження. Також слід проводити не менше 3 випробувань одного зразка, після чого усереднити результати.

Етапи проведення випробування

Щоб досвід мав позитивний результат і маленьку похибка, слід дотримуватися порядку його проведення. Етапи проведення досліду за методом визначення твердості за Роквеллом:

Визначитися з вибором шкали.

Встановити необхідний індентор і навантаження.

Провести два пробних (не враховуються результати) відбитка для корекції правильності установки пристрою і зразка.

Розташувати на столику приладу еталонний блок.

Випробувати навантажуванням (10 кгс) і обнулити шкалу.

Додати основне навантаження, дочекатися досягнення максимальних результатів.

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 чинників. Виявлення твердості за методом Роквелла теж має свої особливості. Фактори, на які потрібно звернути увагу:

Товщина випробуваного зразка. Правилами проведення досвіду забороняється використовувати зразок, який по товщині менше, ніж десятиразова глибина проникнення наконечника. Тобто, якщо глибина впровадження - 02 мм, то матеріал повинен бути мінімум 2 см в товщину.

Між відбитками на зразку має бути дотримано відстань. Воно становить три діаметра між центрами ближніх відбитків.

Слід враховувати можливу зміну результатів досвіду на циферблаті в залежності від положення дослідника. Тобто зчитування результату повинно проводитися з однієї точки огляду.

Механічні властивості у випробуваннях міцності

Зв'язати і досліджувати міцнісні характеристики матеріалів та результати перевірки твердості методом визначення твердості за Роквеллом вийшло у таких вчених-матеріалознавців, як Давиденков Н. Н., Марковець М. П. та інших. За результатами випробування твердості шляхом вдавлювання застосовуються методи обчислення границі текучості. Дана зв'язок обчислена для високохромистих нержавіючих сталей, які пройшли множинне термообробку. Середнє значення відхилення, при застосуванні алмазного індентора, склало всього +09 %. Також проводяться дослідження по визначенню та інших механічних властивостей матеріалів, пов'язаних з твердістю. Наприклад, межа міцності (або тимчасовий опір), справжнє опір руйнуванню і відносне звуження.

Альтернативні методи визначення твердості

Вимірювати твердість можна не тільки методом Роквелла. Розглянемо основні моменти кожного з методів та їх відмінності. Випробування під дією статистичної навантаження:

Досліджувані зразки. Методи Рокелла і Віккерса дають можливість тестувати щодо м'які і матеріали підвищеної міцності. Метод Брінелля розрахований на вивчення більш м'яких металів з твердістю до 650 HBW. Метод Супер-Роквелла дозволяє відчувати на твердість при невеликих навантаженнях.

Гости. Метод Роквелла відповідає Гост 9013-59 метод Брінелля – 9012-59 метод Віккерса – 2999-75 метод Шора - Гости 263-7524622-9124621-91 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, з допомогою вертикального копера Миколаєва, пружинного приладу Шоппера і Баумана та інших. Твердість також може вимірюватися методом дряпання. Такі випробування проводили з допомогою напилка Барба, приладу Монтерса, Хенкинса, микрохарактеризатора Бірбаума та інших. Незважаючи на недоліки, метод Роквелла широко застосовується для випробування твердості в промисловості. Він відрізняється простотою виконання, головним чином, із-за того, що не потрібно вимірювати відбиток під мікроскопом і полірувати поверхню. Але при цьому метод не такий точний 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.