Твердомеры - разновидности и принцип действия

Posted by   Tech Text
13/01/2022

Одним из важных показателей, от которого зависит срок службы произведенного оборудования, деталей, комплектующих, а также безопасность, например при эксплуатации транспортных средств, станочного оборудования, деталей машин, является твердость.

Чем тверже материал, тем он более устойчив к воздействию внешних факторов, возникающих рабочих нагрузок и пиковых перегрузок.

Это касается множества направлений. Мягкие диски автомобиля из дешевой стали или сплавов быстро погнутся, как и кузов автомобиля пострадает при аварии. Трубопровод должен выдерживать давление жидкости или газа и не деформироваться, как и станина многотонного пресса.
Также нужно тестировать на твердость и неметаллические материалы: резинотехнические изделия, пластик, дерево, чтобы понимать, как они себя поведут в той или иной ситуации, при необходимости внести изменения в техпроцесс или заменить материал на более твердый.
Чтобы измерить твердость, уже множество десятилетий разработан целый ряд специализированых приборов, объединенных общим названием – твердомер.

При выборе следует исходить из специфики производства, требований к материалам, месту измерения (в пределах помещениях или нужно портативное устройство), весу объекта, габаритов, конструктивных особенностей и т.д.

Что такое твердомер

Это прибор, производящий силовое воздействие на испытуемый объект (разрушающее или неразрушающее), в результате чего фиксируется показатель твердости, как результат от указанного воздействия в зависимости от методики и применяемой шкалы.

Но сначала дадим определение твердости.
Это способность материала сопротивляться в локальной области проникновению в него более твердого тела. Чем больше нужно усилия приложить к последнему, и чем больше потребуется для этого времени, тем выше твердость исследуемого вещества.

Устройство твердомера

  1. Корпус. Должен выдерживать нагрузки и не терять своих качеств со временем. Имеется в виду, что крепежные элементы не должны разбалтываться, элементы конструкции раскалываться, сварные швы не расходиться и т.д., поскольку прилагаемое давление составляет десятки килограммов. И так множество раз в день, в зависимости от загрузки соответствующей лаборатории. Хотя можно твердомер купить и в виде портативного инструмента.
  2. Наковальня. Это площадка для размещения исследуемой на твердость детали.
  3. Индентор. Эта главный рабочий компонент. Он может быть разной формы, в зависимости от метода измерения твердости, но должен иметь строго заданные параметры, чтобы погрешность  не выходила за заданные пределы.
  4. Датчик. Формирует аналоговую величину, пропорциональную твердости.
  5. Электронная схема управления. Переводит полученную от сенсора величину в цифру и выводит на дисплей.

В более дорогих твердомерах есть встроенная память и возможность передавать полученые данные на компьютер.

Вся конструкция должна размещаться на горизонтальной ровной поверхности.
Корпусные элементы, а также площадка для помещаемых образцов и все подвижные детали измерителя твердости изготовлены из высококачественной стали и прочной пластмассы.
Что касается эксплуатационных параметров переносных твердомеров, которые функционируют в непростых “полевых условиях”, к ним дополнительно предъявляются требования по герметичности и защиты от царапин, толчков и ударов.

Какие бывают твердометры

Методы и шкалы различные, но если говорить укрупненно, то все приборы для измерения твердости, работают по похожему принципу – это контакт тестируемой детали с индентором при строго заданных (нормированных) показателях нагрузки и временных интервалах.
Следует отметить, что в отличие от подавляющего большинства измерительных приборов, которые делятся на бытовые и профессиональные, для твердомеров такого разделения нет, поскольку в домашних условиях твердость практически не измеряют и сфера применения лежит исключительно в области производства, контроля качества, дефектоскопии и т.д.

Роквелл

Способ был предложен еще в начале XX века. Этот вид твердомеров назван по имени их создателей и получил широкое распространие в виду его простоты, высокой повторяемости и достаточно быстрой скорости. Первоначальная потребность в измерений была вызвана контролем твердости подшипников. В 1919 году Роквеллы получили патент на этот метод.
Используется 2 вида конденторов:

  • шарик из карбида вольфрама, что позволяет его использовать для большинства материалов, даже достаточно твердых, а также могут использоваться шарики из закаленной стали;
  • алмазный наконечник с окончанием в виде конуса.


Нагрузки на измеряемый объект составляют 60, 100 и 150 кгс. Но сначала прилагается малая нагрузка – 10 кгс. Жесткий наконечник проникает на разную глубину в зависимости от твердости образца. Как определяется результат ? Как относительная величина – разница между предварительной и основной нагрузкой.

Существуют 2 важных требования:
Во-первых, чтобы деталь не раскололась: ее толщина должна быть в десять и более раз больше, чем глубина проникновения в нее индентора.
Во-вторых, расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно должно превышать 3 их диаметра, поскольку пластическая деформация после первого измерения может влиять на последующие замеры.

В зависимости от применяемого материала шарика, конуса и выбранной загрузки, различаются шкалы твердомеров: HRA, HRB, HRC, и далее вплоть до HRT.

Чем еще хороши измерители твердости Роквелла, так это отсутствием необходимости измерять диаметр отпечатка, что следует делать очень точно, это требует оптических инструментов и значительно увеличивает время для анализа.

Бринель

Метод основан на вдавливании высокотвердого шарика-индентора с образованием следа (отпечатка), а значит относится к разрушающим. Назван по имени создателя – инженера Бринеля и был разработан первым в мире.

Подходит для цветных металлов, мягких сплавов (кроме закаленной стали), дерева, меди, алюминия, дюрали, нержавейки, то есть для широкого спектра метариалов, применяемых в строительстве и промышленности. Отпечатки получаются с достаточно высокой степенью повторяемости и воспроизводимости.
Перед началом теста необходимо определиться как с прилагаемой нагрузкой, так и диаметром шарика, в зависимости от исследуемых материалов. Также большое значение играет время анализа.
Существует ряд ограничений при измерениях твердомерами по методу Бринеля, причем их перечень больше, чем по Роквеллу:

  • диаметры полученных отпечатков должны находиться в границах 0,2D<d<0,6D, где D-диаметр шарика;
  • толщина образца не должна быть меньше чем 10-кратная глубина отпечатка;
  • расстояние между центрами ближайших отпечатков или краем исследуемого предмета не должны быть меньше чем 4D;
  • время выдержки после приложения нагружки: для сплавов и цветных металлов: 10-180с, для черных металлов (сталь, чугун): 10-15 сек;
  • поверхность должна быть ровной и очищенной, без окалины, сколов, трещин;
  • предельная величина твердости не должна быть больше 450 НВ.

Виккерс

Также используется для испытаний металлов и сплавов, и востребован в металлургической промышленности, при проведении расследований и испытаний, когда есть сомнения, что твердость не отвечает заданным значениям.
В этом варианте индентор выполнен в виде пирамиды, где углы между гранями составляют 136°. Пирамида вдавливается в анализируемый образец.


Поскольку отпечаток здесь не круглый, а ромбовидный, результат рассчитывается по следующей формуле: HV (обозначение измерения твердости по Виккерсу) = 1.854∙F/d2, где d- диагональ ромба, а F- величина силы.
Поскольку следы могут быть очень мелкими, для точного опредлеления размеров отпечатка, потребуется микроскоп - играет роль каждая сотая или даже тысячная доля миллиметра.
Твердомеры виккерса хороши своей универсальностью и широким пределом измерения и очень удобны например для анализа заготовок с тонким слоем напыления, которое отличается по твердости от основы, например для азотированных, анодированных деталей, обработанных методом гальванизации.
Но существуют у измерителей твердости по Викерсу и недостатики:

  • высокие требования к качеству поверхности. Причем чем на меньшую глубину проникает индентор, чем больше погрешность, если например пирамида попадет на скрытую микрораковину (пустоту - например если при выплавке остался пузырек газа), поскольку размеры дефекта соизмеримы с размерами отпечатка;
  • Зависимость между прилагаемым усилием и полученным значением твердости.

Шор

Здесь применена другая методика, отличная от выше перечисленнях. Падающий с высоты боек при контакте с деталью, отскакивает обратно, вверх. Величина отскока пропорциональна твердости, поскольку в момент соприкосновения происходит локальная упругая пластическая леформация, материал снова распрямляется, принимая исходную форму и выталкивает индентор.
Это неразрушающий метод и используется для резины, каучука и других неметаллов.
Метод не отличается восокой точностью, поскольку высота отскока определяется кроме твердости и другими параметрами: ровностью поверхности, толщиной, зернистостью, шероховатостью.
Обозначение твердости по Шору “HS”.