В некоторых сферах деятельности необходимо применять контроль твердости материалов – твердометрия. Для ее проведения используется специальный прибор – твердомер, который позволяет измерить твердость изделия, не разрушая структуру материала.
Твердомеры используются и для проверки твердости входящих на производство заготовок, и для контроля качества уже готовой продукции, в лабораторных исследованиях конструкций и материалов, при их разработке, в машиностроительной и железнодорожной промышленности, исследовательских центрах и институтах, энергетических отраслях.
Устройство и характеристики
Принцип работы твердомера состоит в измерении различных показателей (в зависимости от вида прибора) при механическом воздействии на материал.
По результатам этих измерений и проводится оценка твердости материала.
В зависимости от различных параметров заготовки, например, размеров, конструкции, свойств материала, для контроля твердости могут быть использованы стационарные или портативные твердомеры.
Их конструкция отличается, в зависимости от используемого метода исследования.
Портативные модели используют в тех случаях, когда невозможно применение стационарных вариантов, например, если детали заготовки слишком велики, либо же из-за их большой массы, когда объект исследования невозможно транспортировать в лабораторию.
Твердомеры состоят из нескольких основных элементов:
• Корпус с вычислительной электроникой.
На нем имеется элементы управления, дисплей для вывода результата измерений и отображения настроек.
На стационарных вариантах может быть вмонтирован микроскоп.
• Наковальня (для стационарных вариантов) – площадка, на которую устанавливается исследуемый образец.
• Датчик с индентором – элемент механического воздействия на образец с регистратором силы этого воздействия.
В портативных вариантах соединен с корпусом гибким проводом, либо же жестко.
Существуют беспроводные модели.
Материал
Корпус, наковальня и все подвижные элементы стационарного прибора изготавливаются, как правило, из металла или прочного пластика.
Портативные устройства практически все пластиковые с герметичным корпусом.
Модели, рассчитанные на использование в полевых условиях, водонепроницаемы, и имеют резиновые накладки, защищающие прибор от ударов.
Размеры и вес
Вес некоторых стационарных твердомеров превышает 200кг, а их высота и длинна доходят до 1 м и более.
Подразумевается, что эти измерительные приборы будут установлены неподвижно, так что их размеры и масса не имеют какого-либо влияния на удобство использования.
Для портативных приборов, кроме точности замеров, важными показателями являются габариты и вес.
Переносные модели весят, как правило, 150 – 200 г (около 500 г в металлическом корпусе).
Их габаритные размеры сравнимы с рацией, инженерным калькулятором или портативным радиоприемником.
Для транспортировки используется ударопрочный кейс.
Память
Хороший портативный твердомер способен хранить показатели одновременно нескольких предыдущих замеров прибора.
Для этого он оборудован встроенной памятью.
Для переноса показателей из памяти прибора на компьютер, он может быть оснащен стандартным USB-интерфейсом.
Как правило, память для хранения показателей твердомера энергонезависима.
Иными словами, сохраненные данные не теряются при полной разрядке аккумулятора или его отсутствии.
Кром того, некоторые модели позволяют сохранять не только показатели замеров, но и его настройки.
Это удобно, так как нет необходимости перенастраивать прибор после каждого отключения.
Преимущества перед стационарными твердомерами
Работа с поверхностным слоем металла: cтационарные твердомеры под действием больших нагрузок «продавливают» поверхностный слой, подвергнутый наплавлению, напылению, механической, термической и другим видам поверхностной обработки металла.
Крупногабаритные изделия и труднодоступные места в изделиях: для стационарных твердомеров подобный контроль твердости недоступен из-за технических и конструкционных ограничений.
Измерения на месте производства и эксплуатации изделий: портативность позволяет измерять твёрдость изделия непосредственно на месте производства и эксплуатации изделий в цеховых, лабораторных и полевых условиях.
8 шкал твердости: экспресс-анализ твёрдости изделия по 8-ми различным шкалам твёрдости (в отличии от 1-3 шкал в стационарных твердомерах).
Высокая производительность: время одного измерения портативным твердомером в 5-10 раз меньше времени измерения стационарным.
Виды твердомеров, назначение и методы измерения твердости
Размеры этих измерительных инструментов оказывают непосредственное влияние на их классификацию, так для измерения твердости материалов приборы делятся на:
Стационарные
Имеют большие габариты и вес, используются в лабораториях для проведения измерений с минимальными погрешностями.
Опционально оборудованы интерфейсом для подключения к компьютеру, микроскопу и принтеру для распечатки результатов исследования.
Источник питания – бытовая сеть.
Имеют клавиатуру для ввода параметров измерения, результаты отображаются на встроенных дисплеях.
Портативные (переносные) твердомеры
Приборы с небольшой массой и габаритами.
Большинство из них помещаются в карман.
Несмотря на свои размеры, некоторые малогабаритные твердомеры имеют внушительный функционал.
Это и графический дисплей, и детальная настройка параметров измерений, и фотокамера, и наличие съемной карты памяти для хранения калибровок и результатов исследований.
Измерения могут проводится по нескольким шкалам одновременно, включая пользовательские варианты, выполнять пересчет между шкалами.
Ручной прибор питается от обыкновенных батареек, либо же встроенного аккумулятора.
Классификация методов измерения твердости материалов, которые лежат в основе работы твердомеров:
• Статические — группа методов, демонстрирующих сопротивление пластической деформации.
Индентор представляет собой алмазный наконечник, либо же стальной шарик, который постепенно вдавливается в поверхность материала, после чего проводится анализ оставленного отпечатка.
• Динамические — группа методов, демонстрирующих как сопротивление деформации, так и упругость.
Анализируется результат удара индентора о поверхность материала.
• Косвенные – группа методов, позволяющие оценить смежные свойства материала, например, изменение частоты пропущенной звуковой волны.
Стационарные приборы по принципу работы делятся на:
Твердомер Бринелля
В основе лежит метод вдавливания шарикового индентора в поверхность, предложенный инженером Ю. Бринеллем более века назад.
Первый в мире метод, получивший стандартизацию и широкое распространение.
Обозначение твердости – HB.
Твердомер Роквелла
В основе лежит метод вдавливания конусного индентора в поверхность, предложенный профессором Людвигом.
Для этого метода разработано несколько шкал, которые соответствуют паре индентор – нагрузка.
Шкалы имеют буквенные обозначения: A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T.
Сам же метод обозначается, как HR, к которому добавляется буква шкалы.
Твердомер Супер-Роквелла
Особенностью этого прибора является усовершенствованный метод работы на основе метода Роквелла.
Заключается он в проведении двух последовательных измерений.
Подробнее можно прочесть в ГОСТ 22975.
Твердомер Виккерса
В основе лежит метод вдавливания пирамидального индентора в материал, предложенный инженерами компании Vickers Ltd. в 1921 году.
Обозначается символами HV.
Существуют модификации, способные производить замеры по Микро-Виккерсу.
Твердомер по Шору
В основе лежит метод измерения высоты отскока индентора от поверхности.
Обозначается, как HS с добавлением буквы одной из шкал, соответствующих этому методу (С и D – основные шкалы).
Практическое применение данного метода ограничено, а сегодня он используется для контроля твердости неметаллических материалов.
Твердомер по Барколу
В основе лежит метод вдавливания индентора, который выполнен в форме усеченного конуса с плоской вершиной.
Считается почти универсальным, так как позволяет определять твердость большинства материалов.
Твердомер по Либу
В основе лежит метод измерения скорости отскока индентора.
Обозначается буквами HL
При работе прибора используются различные типы датчиков, каждый из которых имеет свое буквенное обозначение, которое указывается после HL.
Универсальные
Эти приборы могут использовать несколько методов определения твердости материала.
Применение каждого из перечисленных приборов ограничено в силу свойств контролируемых материалов.
Методам определения твердости соответствует одноименная шкала.
Портативные приборы по принципу работы классифицируются на:
Динамические твердомеры
Работа основана на фиксации скорости индентора датчика до удара о поверхность образца, а затем после его отскока.
Ультразвуковые твердомеры
Работа основана на внедрение датчика в поверхность материала с последующим замером частоты колебаний индентора.
На основе степени изменения частоты колебаний и проводится расчет твердости.
Комбинированные твердомеры
Способны проводить измерения описанными выше способами одновременно.
Является лучшим методом экспресс-контроля, так как позволяет получать более точные данные.
Само название “твердомер” обобщает инструменты для измерения твердости материалов в подкласс по их назначению.
Наиболее распространенные:
• Склерометр – инструмент предназначенный для замера плотности строительных материалов, таких как: шлакоблок, кирпич, бетон и других.
В работе используются принципы отскока индентора, ультразвукового прозвучивания, оценки ударных импульсов.
Часто используются твердомеры царапающего типа со шкалой Фридриха Маоса.
• Карандашного типа – замеряет твердость лакокрасочных покрытий.
• Твердомер по Бухгольцу. Оценка результата производится через микроскоп.
• Дюрометр – измеряет твердость материала по Шору.
• Зажимной твердомер.
Плотность материала определяется путем его механического зажима.
• Маятниковый
Используется для контроля твердости по параметрам колебаний установленного на испытуемую пластину маятника в форме равнобедренного треугольника.
Применение ограничено в силу специфики прибора, так что он подходит только для контроля твердости лакокрасочного покрытия.
• Универсальные твердомеры металлов стационарного типа – высокоточные аппараты с низкой погрешностью.
Способны выводить результат одновременно по нескольким шкалам.
• Шариковые – используют метод сопротивления вдавливанию индентора в виде шарика.
Применение – измерение твердости полимерных покрытий и материалов.
Также все твердомеры можно разделить на цифровые и аналоговые.
Последний вариант встречается достаточно редко из-за относительно низкой точности измерений, которая зависит от навыков оператора.
Как правило, используется для контроля мягких материалов.
Для вывода результата имеют шкалу в виде циферблата со стрелкой, в то время, как электронные приборы оснащены цифровым экраном.
Выбор шкалы, по которой проводятся измерения, напрямую зависит от твердости испытуемого образца.
Так, шкалы Бринелля и Шора отлично подходят для контроля твердости пластика, дерева, резины и других материалов, обладающих низкой твердостью.
Шкалу Роквелла используют для материала, обладающего средней твердостью.
Шкала Виккерса подходит для очень твердых образцов.
Методика измерения
Метод определения твердости металла по Роквеллу применяется в случае, когда нужно протестировать заготовку небольшой толщины. Кроме этого, подобным образом проверяется твердость поверхностного слоя изделия, к примеру, прошедшего закалку или процесс цементирования.
Проводится определение твердости металлов методом Роквелла следующим образом:
- Метод основан на вдавливании более твердого объекта в испытуемый. Для этого используется специальный алмазный наконечник, который имеет форму правильной пирамиды.
- Нагрузка прикладывается к наконечнику на протяжении определенного времени. При этом время выдержки и величина нагрузки могут существенно различаться. Согласно установленным стандартам в ГОСТ 9013-59, нагрузка может быть от 1 до 100 кгс. При этом уточняются конкретные значения из этого промежутка.
- Полученные отпечатки алмазного конуса измеряются. Наиболее важными показателями в этом случае можно назвать размер диагоналей оставшегося отпечатка.
Принцип измерения твердости по Роквеллу
Полученные данные сверяются с табличными значениями, в которых учитывается величина приложенной силы и время выдержки. Рассматриваемая методика позволяет получить показатель твердости в своих условных единицах.
Процесс измерения можно разделить на несколько этапов:
- Определяется тип шкалы.
- Устанавливается подходящий индикатор. Важно выбрать индикатор, который будет соответствовать типу установленной шкалы.
- Проводится два пробных теста, которые необходимы для корректирования работы применяемого оборудования.
- Прикладывается предварительная нагрузка, равная 10 кгс.
- Прикладывается основная нагрузка и выдерживается определенный период, который позволяет получить максимальное значение.
- Убирается нагрузка и считывается полученный результат.
Скачать ГОСТ 9013-59
Современное оборудование позволяет существенно упростить процесс и повысить точность получаемых результатов в ходе проводимых измерений.
Особенности твердомеров
Инденторы для твердомеров изготавливают в большинстве случаев из твердых сплавов.
Особенно это актуально для приборов, работающих по методу упругого отскока.
В ультразвуковых приборах на основе метода контактного импеданса индентором служит призма, изготовленная из алмаза.
Этот материал обладает одним из самых высоких модулей упругости, что позволяет получать достаточно точные результаты измерений.
Кроме того, он имеет высокий показатель износостойкости.
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:
- 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:
| Диаметр шарика, мм | Рекомендуемая нагрузка на индентор, кН в зависимости от материала изделия | ||||
| Стали, чугуны, высокопрочные сплавы | Большинство цветных металлов и сплавов | Алюминий | Подшипниковые сплавы | Свинец, олово, баббиты | |
| 10 | 29,42 | 9,8 | 4,9 | 2,45 | 1,225 |
| 5 | 7,335 | 2,45 | 1,225 | 0,613 | 0,307 |
| 2,5 | 1,84 | 0,613 | 0,307 | 0,153 | 0,077 |
| 1,25 | 0,459 | 0,153 | 0,076 | 0,038 | 0,019 |
| 1 | 0,294 | 0,098 | 0,049 | 0,0245 | 0,013 |
| Рекомендуе-мый диапазон измерения твёрдости НВ | 67…450 | 22…315 | 11…158 | 6…78 | 3…39 |
- Нельзя выполнять измерения твёрдости НВ одной и той же детали, используя различные типы твердомеров Бринелля.
- Соотношение прикладываемой к изделию нагрузки и площади отпечатка должны быть постоянными.
- При ссылке на установленную при замерах величину НВ необходимо указывать условия, при которых был получен результат.
- Деталь в месте измерения твёрдости должна иметь ровную и хорошо зашлифованную поверхность достаточной толщины (иначе с обратной стороны возможна деформация, ухудшающая точность результата).
- 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.
Что нужно знать о твердомерах
Твердомер, являясь высокоточным измерительным прибором, нуждается в периодической проверке на исправность.
Кроме того, регулярно проводится его калибровка.
Следует знать, что для каждого метода определения твердости существует свой стандарт калибровки.
Например, для стационарных твердомеров Бринелля, Виккерса и Роквелла – ГОСТ 23677-79.
В этом же ГОСТе указано, что у таких приборов средняя наработка на отказ должна составлять не менее 25 тыс. (12,5 тыс. для вариантов с вычислительными модулями) часов.
Этот параметр определяет продолжительность работы устройства до первого отказа.
При этом полный срок службы должен превышать 10 лет, в соответствие все тому же государственному стандарту.
В комплекте с каждым твердомером идет паспорт с инструкцией по его проверке и калибровке.
Первичная проверка осуществляется изготовителем.
Шкалы твердости
Мера твердости по Роквеллу обозначается HRC. За время проведения тестирования различных металлов было разработано 11 шкал, которые отличаются по соотношению геометрических размеров наконечника и прилагаемой нагрузки. Стоит учитывать, что сегодня в качестве вдавливаемого тела сегодня используются не только алмазные наконечники. Распространение получили:
- сферы, изготавливаемые из закаленной стали;
- шарики из сплава карбида и вольфрама.
Обозначение проводится с использованием заглавных букв латинского алфавита.
Шкалы для определения твердости по Роквеллу
Прочему так важно учитывать тип применяемой шкалы? Причин довольно много:
- От нее зависит вид вдавливаемого индикатора. При этом есть определенная связь между геометрической формой и размерами индикатора и получаемыми данными.
- У каждого типа вдавливаемого объекта есть свое ограничение по показателю максимальной нагрузки.
Получаемые результаты важны при изготовлении подшипников и прочих ответственных элементов, используемых при создании автомобилей или авиатехники. Размерность твердости, определяемой по Роквеллу, учитывается и при выборе изделий из закаленной стали.
Как выбрать твердомер?
Прежде чем приступить к выбору твердомера, необходимо определиться, с какими материалами предстоит работа.
От этого напрямую зависит метод контроля твердости.
Если важным требованием является точность замеров, а прибор будет использоваться в лаборатории предприятия, предпочтение отдается стационарным вариантам (в идеале — универсальным).
Для проведения замеров вне лабораторных условий, единственным верным решением будет покупка переносного твердомера.
Так как использование каждого метода ограничивается различными факторами, необходимо опираться на приведенные критерии.
Основные критерии
• Метод определения твердости.
Лучше приобрести комбинированный прибор, так как динамический метод хорошо подходит для геометрически простых массивных деталей, а ультразвуковой – небольших образцов материала сложной формы.
• Корпус.
Современные портативные приборы имеют сложную электронику, чувствительную к внешним воздействиям.
Ее должен защищать ударопрочный влагостойкий (или вовсе водонепроницаемый) корпус с резиновыми накладками для удобства удержания.
• Связь с индентором.
Производители предлагают 3 варианта подключения датчика с индентором к регистрирующему оборудованию (основному модулю): встроенный, проводной или беспроводной (связь по Bluetooth).
От выбора зависит удобство использования.
• Наличие памяти.
• Тип датчика.
• Возможность комплектации дополнительными типами датчиков.
• Возможность подключения к ПК и внешнему принтеру напрямую.
• Возможность работать с несколькими шкалами и преобразование результатов между шкалами.
