Твердость по Роквеллу
Твердость материалов является интегрирующим показателем их механических свойств. Существует эмпирическое соответствие между значением твердости и рядом механических характеристик (например, предел прочности на сжатие, растяжение или изгиб).
С развитием машиностроения возникла необходимость иметь общие методики измерения твердости. В начале XX века профессором Людвигом была разработана теоретическая часть методики определения твердости алмазным конусом. В 1919 году Хью и Стэнли Роквеллы запатентовали гидромеханическую установку, которая получила имя — твердомер Роквелла.
Актуальность этого устройства вызвана необходимостью применения неразрушающих методов контроля твердости в подшипниковой промышленности. Существующий метод Бринелля (HB) основан на измерении площади отпечатка шарика диаметром 10 мм. Отпечаток формируется с помощью шарика из закаленной стали или карбида вольфрама, который вдавливается в образец с определенным усилием. Метод Бринелля применяется для определения твердости цветных металлов или низколегированных сталей и неприменим для образцов из закаленной стали. Это связано с тем, что рабочая нагрузка составляет 3000 кгс. Шарик деформируется, поэтому метод Бринелля не может считаться неразрушающим методом контроля.
Метод измерения твердости по Роквеллу
Твердость — характеристика материала, противоположная пластичности, способности материала «вытекать» из-под нагрузки. Методика измерения твердости по Роквеллу предназначена для неразрушающего контроля твердости наименее пластичных материалов — сталей и их сплавов. Универсальность метода заключается в наличии трех шкал твердости, которые проградуированы для измерения под одной из трех нагрузок (60, 100 и 150 кгс) для работы с одной из измерительных головок. В качестве рабочего органа измерительной головки применяют алмазный конус с углом 120° и радиусом при вершине 0,2 мм или закаленный шарик диаметром 1/16“ (1,588 мм).
Метод основан на фиксации прямого измерения глубины проникновения твердого тела измерительной головки (индентора) в материал образца. Глубина отпечатка характеризует способность материала сопротивляться внешнему воздействию без образования валика из вытесненного металла вокруг индентора.
Единица твердость по Роквеллу — безразмерная величина, которая выражается в условных единицах до 100. За единицу твердости приняли перемещение индентора на 0,002.
Твердость металла по Роквеллу: таблица
Таблица создана для наглядного сравнения методов Роквелла и Бриннеля.
Сравнительная таблица твердости. Перевод твердости по БРИНЕЛЛЮ, РОКВЕЛЛУ, ВИККЕРСУ и ШОРУ.
Для выпускников технических образовательных учреждений понятие «твёрдость материала» является понятием известным, хотя может быть и подзабытым. Поэтому в нескольких словах мы постараемся его конкретизировать.
Не секрет, что окружающие нас предметы имеют различную прочность и твёрдость. Так, палка сломается при ударе о камень, а камень в свою очередь, может быть расколот другим, более прочным булыжником. Именно путем определения прочности одного материала, относительно другого, были сформированы несколько методов определения твёрдости. Они известны и сегодня.
Первой шкалой для определения твёрдости стала шкала Мооса, имеющая несколько критериев. Помимо неё до наших дней дошли ещё 4 метода: по Бринеллю, по Виккерсу, по Шору и по Роквеллу. Все они основаны на принципе вдавливания эталонного образца – индентора, в поверхность металла. Основным отличием является форма и материал этого образца.
Наиболее простым и точным признан метод определения твердости по Роквеллу (именно этим методом мы пользуемся для оценки твердости Златоустовских ножей). В этом методе задействованы несколько шкал, имеющих следующие обозначения: A; B; C; D; E; F; G; H; K; N; T. Самой распространённой является шкала С (нагрузка 150 кгс, индентор — алмазный наконечник с углом в 120 градусов). Именно она и даёт величину этой таинственной характеристики – HRC.
Наиболее популярные охотничьи ножи из Златоуста:
Ножи серии Бекас — от 2780 рублей
Базовая сталь — 95Х18
Возможные варианты стали — 100Х13М, 110Х18МШД, Elmax, Дамаск марок ZD0803 (ржавеющий) и ZD1016 (нержавеющий)
Варианты рукояти — орех, карельская береза, наборная береста или кожа,
Метод измерения твердости по Роквеллу
Твердость — характеристика материала, противоположная пластичности, способности материала «вытекать» из-под нагрузки. Методика измерения твердости по Роквеллу предназначена для неразрушающего контроля твердости наименее пластичных материалов — сталей и их сплавов. Универсальность метода заключается в наличии трех шкал твердости, которые проградуированы для измерения под одной из трех нагрузок (60, 100 и 150 кгс) для работы с одной из измерительных головок. В качестве рабочего органа измерительной головки применяют алмазный конус с углом 120° и радиусом при вершине 0,2 мм или закаленный шарик диаметром 1/16“ (1,588 мм).
Метод основан на фиксации прямого измерения глубины проникновения твердого тела измерительной головки (индентора) в материал образца. Глубина отпечатка характеризует способность материала сопротивляться внешнему воздействию без образования валика из вытесненного металла вокруг индентора.
Единица твердость по Роквеллу — безразмерная величина, которая выражается в условных единицах до 100. За единицу твердости приняли перемещение индентора на 0,002.
Сравнительная таблица твердости. Перевод твердости по БРИНЕЛЛЮ, РОКВЕЛЛУ, ВИККЕРСУ и ШОРУ.
Благодаря данной таблице Вы с легкостью сможете перевести значения из величин например hb в другие, к примеру hrc. Твердостью называют свойство материала сопротивляться проникновению в него другого тела.
| d10, мм | По БРИНЕЛЛЮ | |||
| 2,3 | 712 | 66,4 | 1016 | 98,3 |
| 2,4 | 653 | 62,9 | 866 | 92,9 |
| 2,5 | 601 | 59,3 | 750 | 86,5 |
| 2,6 | 555 | 55,8 | 658 | 80,0 |
| 2,7 | 514 | 52,5 | 586 | 73,7 |
| 2,8 | 477 | 49,4 | 528 | 68,1 |
| 2,9 | 444 | 46,5 | 481 | 63,2 |
| 3,0 | 415 | 43,8 | 441 | 58,9 |
| 3,1 | 388 | 41,4 | 408 | 55,1 |
| 3,2 | 363 | 39,1 | 378 | 51,7 |
| 3,3 | 341 | 36,9 | 352 | 48,6 |
| 3,4 | 321 | 34,7 | 328 | 45,8 |
| 3,5 | 302 | 32,5 | 307 | 43,2 |
| 3,6 | 285 | 30,3 | 288 | 40,7 |
| 3,7 | 269 | 28,1 | 271 | 38,4 |
| 3,8 | 255 | 26,0 | 256 | 36,2 |
| 3,9 | 241 | 24,0 | 242 | 34,2 |
| 4,0 | 229 | 22,0 | 229 | 32,5 |
| 4,1 | 217 | 20,1 | 217 | 30,9 |
| 4,2 | 206 | 17,9 | 206 | 29,4 |
| 4,3 | 197 | — | 196 | 28,1 |
| 4,4 | 187 | — | 186 | 26,9 |
| 4,5 | 179 | — | 177 | 25,7 |
| 4,6 | 170 | — | 169 | 24,5 |
| 4,7 | 163 | — | 162 | 23,2 |
| 4,8 | 156 | — | 155 | 22,0 |
| 4,9 | 149 | — | 149 | 21,0 |
| 5,0 | 143 | — | 143 | 20,6 |
Способы определения твердости:
Способ БРИНЕЛЛЯ — испытание твердости с помощью стального шарика, методом вдавливания в испытываемую поверхность. Стальные шарики бывают диаметрами 2,5; 5 или 10 мм. Числом твердости по Бринеллю (HB) называют отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка.
Способ Роквелла — испытание твердости с помощью алмазного конуса с углом 120* или стального закаленного шарика, методом вдавливания в испытываемую поверхность.
Способ Виккерса — испытание твердости с помощью алмазного наконечника в форме правильной четырехгранной пирамиды с углом между гранями 136*, методом вдавливания в испытываемую поверхность.Число твердости по Виккерсу это отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка.
Способ Шора — определение твердости по высоте отскакивания бойка падающего на поверхность испытываемого тела с определенной высоты.
| Роквелл | Бринелль | Виккерс | Шор | На разрыв | ||
| HRA | HRC | HB (3000H) | Диаметр отпечатка, мм | HV | HSD | Н/мм² |
| 89 | 72 | 782 | 2.20 | 1220 | ||
| 86.5 | 70 | 1076 | 101 | |||
| 86 | 69 | 744 | 2.25 | 1004 | 99 | |
| 85.5 | 68 | 942 | 97 | |||
| 85 | 67 | 713 | 2.30 | 894 | 95 | |
| 84.5 | 66 | 854 | 92 | |||
| 84 | 65 | 683 | 2.35 | 820 | 91 | |
| 83.5 | 64 | 789 | 88 | |||
| 83 | 63 | 652 | 2.40 | 763 | 87 | |
| 82.5 | 62 | 739 | 85 | |||
| 81.5 | 61 | 627 | 2.45 | 715 | 83 | |
| 81 | 60 | 695 | 81 | 2206 | ||
| 80.5 | 59 | 600 | 2.50 | 675 | 80 | 2137 |
| 80 | 58 | 2.55 | 655 | 78 | 2069 | |
| 79.5 | 57 | 578 | 636 | 76 | 2000 | |
| 79 | 56 | 2.60 | 617 | 75 | 1944 | |
| 78.5 | 55 | 555 | 598 | 74 | 1889 | |
| 78 | 54 | 2.65 | 580 | 72 | 1834 | |
| 77.5 | 53 | 532 | 562 | 71 | 1772 | |
| 77 | 52 | 512 | 2.70 | 545 | 69 | 1689 |
| 76.5 | 51 | 495 | 2.75 | 528 | 68 | 1648 |
| 76 | 50 | 513 | 67 | 1607 | ||
| 75.5 | 49 | 477 | 2.80 | 498 | 66 | 1565 |
| 74.5 | 48 | 460 | 2.85 | 485 | 64 | 1524 |
| 74 | 47 | 448 | 2.89 | 471 | 63 | 1496 |
| 73.5 | 46 | 437 | 2.92 | 458 | 62 | 1462 |
| 73 | 45 | 426 | 2.96 | 446 | 60 | 1420 |
| 72.5 | 44 | 415 | 3.00 | 435 | 58 | 1379 |
| 71.5 | 42 | 393 | 3.08 | 413 | 56 | 1317 |
| 70.5 | 40 | 372 | 3.16 | 393 | 54 | 1255 |
| 38 | 352 | 3.25 | 373 | 51 | 1193 | |
| 36 | 332 | 3.34 | 353 | 49 | 1138 | |
| 34 | 313 | 3.44 | 334 | 47 | 1076 | |
| 32 | 297 | 3.53 | 317 | 44 | 1014 | |
| 30 | 283 | 3.61 | 301 | 42 | 965 | |
| 28 | 270 | 3.69 | 285 | 41 | 917 | |
| 26 | 260 | 3.76 | 271 | 39 | 869 | |
| 24 | 250 | 3.83 | 257 | 37 | 834 | |
| 22 | 240 | 3.91 | 246 | 35 | 793 | |
| 20 | 230 | 3.99 | 236 | 34 | 75 | |
Как устроена шкала твердости по Роквеллу?
Разработано 11 шкал для определения твердости (A…H, K, N, T), которые предназначены для работы в различных комбинациях «интендор – нагрузка». Например, шкалы В, F и G используют для измерения шарик Ø 1,588 с нагрузкой по шкалам В, F — 60 кгс и по шкале G — 150 кгс. Для шкал Е, Н и К применяется шарик Ø 3,175 мм с разными нагрузками.
Распространены такие шкалы:
Предварительная нагрузка, которая позволяет выбрать зазоры твердомера и разрушить окисную пленку на образце, одинакова для измерений с использованием любых шкал.
В качестве индикатора используют устройство часового типа, которое позволяет регистрировать перемещение индентора на 0,002 мм с учетом перемещения рычагов. Максимальное перемещение измерительной головки при рабочей нагрузке — 0,2 мм. На индикаторе расположены шкала, содержащая 100 делений для каждого способа измерения (например, ТК 2 или NOVOTEST ТС-Р).
Диапазоны измерений для шкал (материалы):
Шкалы А и С объединены, шкала В выделена цветом или вынесена отдельно.
Комплектность
Комплектность мер приведена в таблице 3.
Таблица 3 — Комплектность мер
| Наименование | Количество, | Примечание |
| Меры твёрдости МТР-МЕТ или МТСР-МЕТ | 1 | модификация в соответствии с заказом |
| Упаковочная коробка | 1 | |
| Паспорт MТР-МЕТ-01ПС | 1 |
Твердомер по Роквеллу: что это такое и как работает?
Стационарный твердомер представляет собой цельнолитую жесткую П-образную конструкцию (положенную на бок) и состоящую из 2 блоков:
Твердомеры могут иметь двигатель перемещения, электронную систему измерения с дисплеем и другие усовершенствования, не влияющие на методику измерения.
Измерения проводятся при нормальных условиях (температура — 18…23° С, влажность 70…80%).
Требования к образцу:
На партию деталей изготавливают образец, который проходит термическую обработку вместе с деталями.
Современные твердомеры Роквелла, оборудованные цифровыми измерительными системами, имеют устройства автоматического подвода, предварительного нагружения, контроля величины усилия и времени рабочей нагрузки. Все усовершенствования должны обеспечивать соответствие требованиям ГОСТ 23677-79.
Поверка
осуществляется по ГОСТ 8.335-2004 «Меры твёрдости эталонные. Методика поверки». Основные средства поверки:
— эталонные меры твёрдости по шкалам Роквелла и Супер-Роквелла с метрологическими характеристиками 1 разряда по ГОСТ 9031-75;
— Государственный первичный специальный эталон единиц твёрдости по шкалам Роквелла и Супер-Роквелла (ГЭТ 30-94).
Допускается применение аналогичных средств поверки, обеспечивающих определение метрологических характеристик поверяемых СИ с требуемой точностью.
Знак поверки наносится на рабочую поверхность меры в виде оттиска поверительного клейма и на свидетельство о поверке в виде наклейки или оттиска поверительного клейма.
Плюсы и минусы метода
Главным достоинством метода измерения твердости по Роквеллу является его универсальность. Измерения проводят с тремя изменяемыми параметрами, что позволяет расширить сферу его применения.
Другие достоинства метода:
К недостаткам относят менее высокую точность и повторяемость измерений по сравнению с методами Бринелля и Виккерса. Однако недостатки сполна компенсируются преимуществами.
Технические характеристики
Значения чисел твёрдости мер и размах этих значений приведены в таблице 1.
Таблица 1 — Метрологические характеристики мер
| Шкалы твердости | Нагрузка, H | Значение твёрдости меры, HR | Размах значений чисел твёрдости, HR, не более | |
| 1 разряд | 2 разряд | |||
| Шкала Роквелла | ||||
| ША | 588,4 | От 20 до 86 | 0,4 | 0,6 |
| hrb, hrbw | 980,7 | От 20 до 100 | 0,5 | 1,2 |
| НЯС | 1471 | 25±5 | 0,5 | 1,1 |
| 45±10 | 0,4 | 0,8 | ||
| 65±5 | 0,3 | 0,5 | ||
| Шкалы твердости | Нагрузка, H | Значение твёрдости меры, KR | Размах значений чисел твёрдости, KR, не более | |
| 1 разряд | 2 разряд | |||
| Шкала Супер-Роквелла | ||||
| rnj5N | 147,1 | От 70 до 94 | 0,4 | 0,6 |
| HR30N | 294,2 | От 76 до 86 | 0,4 | 0,6 |
| От 40 до 76 | 0,6 | 1,1 | ||
| HR45N | 441,3 | От 20 до 77 | 0,6 | 1,1 |
| ШЛ5Т | 147,1 | От 83 до 93 | 0,7 | 1,2 |
| От 67 до 83 | 1,2 | 1,8 | ||
| Ш30Т | 294,2 | От 70 до 82 | 0,7 | 1,2 |
| От 29 до 70 | 1,2 | 1,8 | ||
| Щ.45Т | 441,3 | От 50 до 72 | 0,7 | 1,2 |
| От 10 до 50 | 1,2 | 1,8 | ||
Технические характеристики мер приведены в таблице 2.
Таблица 2 — Технические характеристики мер
| Наименование характеристики | Значение |
| характеристики | |
| Шероховатость Rа, мкм, не более: | |
| — рабочих поверхностей мер МТР-МЕТ | 0,32 |
| — рабочих поверхностей мер МТСР-МЕТ | 0,16 |
| — опорных поверхностей | 0,5 |
| Рабочие условия эксплуатации: | |
| — температура окружающего воздуха, °С | от +18 до +28 |
| — относительная влажность окружающего воздуха, не более, % | 80 |
| Габаритные размеры мер прямоугольной формы, мм: | |
| — длина | 60±1 |
| — ширина | 40±1 |
| — высота, не менее | 6 |
| Габаритные размеры мер круглой формы, мм: | |
| — диаметр, мм | 65±1 |
| — высота, мм, не менее | 6 |
| Масса, кг, не более | 0,3 |
Этапы проведения испытания
Чтобы опыт имел положительный результат и маленькую погрешность, следует придерживаться порядка его проведения.
Этапы проведения опыта по методу определения твердости по Роквеллу:
Правилами разрешено проводить испытание одного образца при тестировании массовой продукции.
Механические свойства в испытаниях прочности
Связать и исследовать прочностные характеристики материалов и результаты проверки твердости методом определения твердости по Роквеллу получилось у таких ученых-материаловедов, как Давиденков Н. Н., Марковец М. П. и других.
По результатам испытания твердости путем вдавливания применяются методы вычисления предела текучести. Данная связь вычислена для высокохромистых нержавеющих сталей, которые прошли множественную термообработку. Среднее значение отклонения, при применении алмазного индентора, составило всего +0,9 %.
Также проводятся исследования по определению и других механических свойств материалов, связанных с твердостью. Например, предел прочности (или временное сопротивление), истинное сопротивление разрушению и относительное сужение.
Соотношение значений твердости
При выборе метода измерения твердости поверхности следует учитывать, что между полученными данными нет никакой связи. Другими словами, выполнить точный перевод одной единицы измерения в другую нельзя. Применяемые таблицы зависимости не имеют физического смысла, так как они эмпирические. Отсутствие зависимости также можно связать с тем, что при тестировании применяется разная нагрузка, различные формы наконечников.
Существующие таблицы следует применять с большой осторожностью, так как они дают только приблизительные результаты. В некоторых случаях рассматриваемый перевод может оказаться весьма точным, что связано с близкими физико-механическими свойствами испытуемых металлов.
В заключение отметим, что значение твердости связано со многими другими механическими свойствами, к примеру, прочностью, упругостью и пластичностью. Поэтому для определения основных свойств металла довольно часто проводят измерение именно твердости. Однако прямой зависимости между всеми механическими свойствами металлов и сплавов нет, что следует учитывать при проведении измерений.
Методика проведения испытаний
Проведение исследования требует тщательной подготовки. При определении твердости металлов методом Роквелла поверхность образца должна быть чистой, без трещин и окалин. Важно постоянно контролировать перпендикулярно ли прилагается нагрузка на поверхность материала, а также устойчиво ли он располагается на столике.
Отпечаток при вдавливании конуса должен быть не меньше 1,5 мм, а при вдавливании шарика – более 4 мм. Для эффективных расчётов образец должен быть в 10 раз толще, чем глубина внедрения индентора после снятия основной нагрузки. Также следует проводить не меньше 3 испытаний одного образца, после чего усреднить результаты.
Альтернативные методы определения твердости
Измерять твердость можно не только методом Роквелла. Рассмотри основные моменты каждого метода и их отличия. Испытания под действием статистической нагрузки:
Опыты под динамическим давлением проводились по методу Мартеля, Польди, с помощью вертикального копера Николаева, пружинного прибора Шоппера и Баумана и других.
Твердость также может измеряться методом царапания. Такие испытания проводили с помощью напильника Барба, прибора Монтерса, Хенкинса, микрохарактеризатора Бирбаума и других.
Несмотря на недостатки, метод Роквелла широко применяется для испытаний твердости в промышленности. Он отличается простотой выполнения, главным образом, из-за того, что не нужно измерять отпечаток под микроскопом и полировать поверхность. Но при этом метод не такой точный как предложенные исследования Бринелля и Виккерса. Твердость, замеренная разными способами, имеет зависимость. То есть результативные единицы по Роквеллу могут быть переведены в единицы Бринелля. На законодательном уровне имеются нормативные документы, например ASTM E-140, в которых сравниваются значения твердости.
