Твердость – главный показатель качества инструмента

Метод Роквелла

Среди всех существующих методов определения твердости сталей и цветных металлов самым распространенным и наиболее точным является метод Роквелла.

Метод Роквелла — определение твердости металла

Проведение измерений и определение числа твердости по Роквеллу регламентируется соответствующими документами ГОСТа 9013-59

. Этот метод реализуется путем вдавливания в тестируемый материал инденторов – алмазного конуса или твердосплавного шарика. Алмазные инденторы используются для тестирования закаленных сталей и твердых сплавов, а твердосплавные шарики – для менее твердых и относительно мягких металлов. Измерения проводят на механических или электронных твердомерах.

Методом Роквелла предусматривается возможность применения целого ряда шкал твердости A, B, C, D, E, F, G, H (всего – 54), каждая из которых обеспечивает наибольшую точность только в своем, относительно узком диапазоне измерений.

Для измерения высоких значений твердости алмазным конусом чаще всего используются шкалы «А», «С». По ним тестируют образцы из закаленных инструментальных сталей и других твердых стальных сплавов. А сравнительно более мягкие материалы, такие как алюминий, медь, латунь, отожженные стали испытываются шариковыми инденторами по шкале «В».

Пример обозначения твердости по Роквеллу: 58 HRC или 42 HRB.

Впереди стоящие цифры обозначают число или условную единицу измерения. Две буквы после них – символ твердости по Роквеллу, третья буква – шкала, по которой проводились испытания.

(!)

Два одинаковых значения от разных шкал – это не одно и то же, например, 58 HRC ≠ 58 HRA. Сопоставлять числовые значения по Роквеллу можно только в том случае, если они относятся к одной шкале.

Диапазоны шкал Роквелла по ГОСТ 8.064-94:

Слесарный инструмент

Инструменты для ручной обработки металлов (рубка, резка, опиливание, клеймение, пробивка, разметка) изготавливают из углеродистых и легированных инструментальных сталей. Их рабочие части подвергают закаливанию до определенной твердости, которая должна находиться в пределах:

Монтажный инструмент

Сюда относятся различные гаечные ключи, отвертки, шарнирно-губцевый инструмент. Норму твердости для их рабочих частей устанавливают действующие стандарты. Это очень важный показатель, от которого зависит, насколько инструмент износостоек и способен сопротивляться смятию. Достаточные значения для некоторых инструментов приведены ниже:

Металлорежущий инструмент

В эту категорию входит расходная оснастка для обработки металла резанием, используемая на станках или с ручными инструментами. Для ее изготовления используются быстрорежущие стали или твердые сплавы, которые сохраняют твердость в холодном и перегретом состоянии.

Примечание:

Некоторые производители фрез указывают в маркировке твердость не самой фрезы, а материала, который она может обрабатывать.

Крепежные изделия

Существует взаимосвязь между классом прочности крепежа и его твердостью. Для высокопрочных болтов, винтов, гаек эта взаимосвязь отражена в таблице:

Если для болтов и гаек главной механической характеристикой является класс прочности, то для таких крепежных изделий как стопорные гайки, шайбы, установочные винты, твердость не менее важна.

Стандартами установлены следующие минимальные / максимальные значения по Роквеллу:

Перевод единиц твердости hb в hrc

Таблица соответствия H B – HRC (Перевод значений твёрдости)

(соотношение твёрдости по Бриннелю твёрдости по Роквеллу, определяемых методами в соответствии с ГОСТ 8.064-79)

Твёрдость – это сопротивление тела внедрению индентора – другого твёрдого тела. Способы испытания твёрдости подразделяются на статические и динамические.

К статическим относятся способы измерения твёрдости по Бринеллю, Викерсу, Роквеллу, Кнупу; к динамическим – способы измерения твёрдости по Шору, Шварцу, Бауману, Польди, Морину, Граве.

Измерения твёрдости осуществляют при 20±10°С.

Измерение твёрдости по Бринеллю

Бринелля метод

Бринелля метод [по имени шведского инженера Ю.А.Бринелля (J.A.Brinell)] – способ определения твёрдости материалов вдавливанием в испытываемую поверхность стального закалённого шарика диаметром 2,5; 5 и 10 мм пр нагрузке P от 625 H до 30 кН. Число твёрдости по Бринеллю HB – отношение нагрузки (кгс) к площади (мм 2 ) поверхности отпечатка. Для получения сопоставимых результатов относительной твёрдости материалы (HB свыше 130) испытывают при отношении P:D 2 =30, материалы средней твёрдости (HB 30-130) – при P:D 2 =10, мягкие (HB 2 =2,5. Испытания по методу Бринелля проводят на стационарных твердомерах – прессах Бринелля, обеспечивающих плавное приложение заданной нагрузки к шарику и постоянство её при выдержке в течение установленного времени (обычно 30 секунд).

Метод измерения твердости металлов по Бринеллю регламентирует ГОСТ 9012-59 «Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю«: Стандарт устанавливает метод измерения твердости по Бринеллю металлов с твердостью не более 650 единиц. Сущность метода заключается во вдавливании шарика (стального или из твердого сплава) в образец (изделие) под действием усилия, приложенного перпендикулярно к поверхности образца, в течение определенного времени, и измерении диаметра отпечатка после снятия усилия. ГОСТ 9012-59, в частности, определяет требования, предъявляемые к отбору образцов металла для измерения твёрдости по Бринеллю – размер образцов, шероховатость поверхности и др.

Измерение твёрдости по Роквеллу

материал предоставил СИДОРОВ Александр Владимирович

Твёрдость

– свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твёрдого тела – индентора.

Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения), наиболее распространёнными среди которых являются [1]:

• метод Бринелля
  (HB) – твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка. Размерность единиц твёрдости по Бринеллю – МПа. Метод не применяется для тонких материалов и материалов с большой твёрдостью;
• метод Роквелла
  (HRA, HRB, HRC) – твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость вычисляется по формуле [2]:
  HR = HRmax – (H – h) / 0,002
  , где
  HRmax
  – максимальная твёрдость по Роквеллу (по шкалам A и C составляет 100 единиц, а по шкале B – 130 единиц),
  (H – h)
  – разность глубин погружения индентора (в миллиметрах) после снятия основной нагрузки и до её приложения (при предварительном нагружении). Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной величиной. Метода Роквелла проще в реализации, но обладает меньшей точностью по сравнению с методами Бринелля и Виккерса. Не допускается проверка образцов с толщиной менее десятикратной глубины проникновения наконечника;
• метод Виккерса
  (HV) – твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение нагрузки, приложенной к пирамидке, к площади отпечатка. Размерность единиц твёрдости по Виккерсу – МПа. Позволяет определять твёрдость азотированных и цементированных поверхностей, а также тонких листовых материалов [3]:, но обладает пониженной точностью в нижнем диапазоне (для мягких материалов).

Читать также: Как уменьшить обороты электродвигателя шкивами
Результаты измерения твёрдости по методам Роквелла и Виккерса могут быть переведены с помощью таблиц в единицы твёрдости по методу Бринелля (таблица 1) [4]. Зная твёрдость по Бринеллю, можно рассчитать предел прочности и текучести материала, что важно для прикладных инженерных задач [5]:

для алюминиевых сплавов:

для медных сплавов:

где σв

– предел прочности, МПа;
σт
– предел текучести, МПа.

Таблица 1 – Перевод результатов измерения твёрдости

Читать также: Как проверить электрическую цепь

Перевод значений твёрдости следует использовать лишь в тех случаях, когда невозможно испытать материал при заданных условиях. Полученные переводные числа твёрдости являются лишь приближёнными и могут быть неточными для конкретных случаев. Строго говоря, такое сравнение чисел твёрдости, полученных разными методами и имеющих разную размерность, лишено всякого физического смысла, но, тем не менее, имеет вполне определённую практическую ценность.

Читать также: Шаблон универсальный кор 00316

Твердость по Роквеллу

Вдавливание алмазного конуса с углом 120° при вершине и замер относительной глубины погружения в исследуемый материал.

Шкала А – нагрузка 60 кгс, для карбида вольфрама (ВК)

Шкала С – нагрузка 150 кгс, для твердых сталей HRB>100

Преимущество – простота. Недостаток – низкая точность.

Твердость по Бринеллю

Диаметр отпечатка металлического шарика в материале.

Недостаток – твердость до 450HB.

Твердость по Виккерсу

Площадь отпечатка от алмазной пирамидки.

Твердость по Шору

Отскок шарика от поверхности в склероскопе (метод отскока). Очень простой и удобный метод.

Определение твердости материала является важной частью технологического процесса изготовления деталей любой сложности.

Различные методы поиска твердости металла связанны в первую очередь с отличием их структуры и формы. Поработать с обычной заготовкой в форме болванки не составит труда, вот для листового материала нужен особый подход, учитывая его небольшую толщину.

Лишь с помощью метода Виккерса удобнее всего искать твёрдость азотированных и цементированных поверхностей.

Расчет ресурса работы металлорежущего инструмента, его долговечность, всегда производится в первую очередь с учетом табличных показателей.

Именно благодаря повышенной твердости (около 71 HRC) твердосплавные сверла и фрезы из сплава ВК8 позволяют обрабатывать сверхтвердые материалы.

Относительное измерение твердости при помощи напильников

Стоимость стационарных и портативных твердомеров довольно высока, поэтому их приобретение оправдано только необходимостью частой эксплуатации. Многие мастеровые по мере надобности практикуют измерять твердость металлов и сплавов относительно, при помощи подручных средств.

Измерение твердости при помощи напильников

Опиливание образца напильником – один из самых доступных, однако далеко не самый объективный способ проверки твердости стальных деталей, инструмента, оснастки. Напильник должен иметь не затупленную двойную насечку средней величины №3 или №4. Сопротивление опиливанию и сопровождающий его скрежет позволяет даже при небольшом навыке отличить незакаленную сталь от умеренно (40 HRC) или твердо закаленной (55 HRC).

Для тестирования с большей точностью существуют наборы тарированных напильников, именуемые также царапающий твердомер. Они применяются для испытания зубьев пил, фрез, шестерен. Каждый такой напильник является носителем определенного значения по шкале Роквелла. Твердость измеряется коротким царапанием металлической поверхности поочередно напильниками из набора. Затем выбираются два близко стоящие – более твердый, который оставил царапину и менее твердый, который не смог поцарапать поверхность. Твердость тестируемого металла будет находиться между значениями твердости этих двух напильников.

Зачем нужны таблицы твердости?

Однако вернемся к поставленному вопросу: зачем нужны таблицы твердости?

Если отвечать кратко, они незаменимы, если используются различные методы измерения твердости. Понять о чем идет речь можно на конкретных примерах.

Пример: как измерить твердость волнистой пружины из стали 65Г

Вам нужно измерить твердость волнистой пружины из стали 65Г, но она очень тонкая, менее 0.5 мм толщиной и ее нельзя проверять на обычном аппарате Роквелла при нагрузке 150 кгс или 60 кгс, так как она продавится. Тем не менее, конечные значения нужно получить в HRC. Выйти из положения можно, если использовать аппарат Супер-Роквелл, например, на нагрузке 15 кгс (HR15N), в таком случае вы получите корректные значения твердости, которые сможете перевести в требуемые единицы с помощью таблицы.

Пример: как определить твердость бериллиевой бронзы БрБ2

Или следующий пример. Нужно определить твердость бериллиевой бронзы БрБ2, после дисперсионного старения она должна быть не менее 320 HV (по Виккерсу). Вы также можете «уколоть» ее на аппарате Супер-Роквелл, а потом полученные значения, например, в HR15N перевести в HV.

Метод Бринелля

При определении твердости цветных металлов используют метод Бринелля, который заключается во вдавливании металлического шарика в поверхность детали, последующем измерении диаметра отпечатка и перевода значений в HB (см. табл №2). Для проведения описанной манипуляции нужен специальный аппарат, однако за неимением оного можно использовать все тот же старый добрый Роквелл (индентор «Шарик», нагрузка 100кгс). Таким образом можно контролировать мягкие металлы: алюминий, медь, латунь, бронзу.

Современные твердомеры имеют продвинутый интерфейс и могут подключаться к компьютеру, переводить значения твердости из одного метода в другой автоматически. Такое оборудование удобное в использовании и не требует высокой квалификации оператора, только вот стоимость его не всегда доступна. К ультразвуковым твердомерам тоже есть претензии по поводу точности измерений. Приходишь к выводу, что лучше проверенное годами старое, чем сомнительное новое по заоблачным ценам. Если вам нужно точно контролировать твердость после термообработки приобретите в термичку Роквелл советского образца, они сделаны очень качественно и их ресурс практически неограничен. Такой Роквелл обеспечит точность и широту измерений. Более дешевый вариант (но безотказный), определение твердости с помощью набора тарированных напильников, хотя это уже совсем другая история.

Метод Виккерса

Метод Виккерса отличается малыми нагрузками и в отличие от других методов, где иногда достаточно грубой зачистки на шлифовальной шкурке или шлифовально-обдирочном станке, требует идеальной подготовки исследуемой поверхности (до зеркального состояния). Твердость определяется по диагонали отпечатка (пирамида), которая также переводится в HV по табл. №1. Виккерс незаменим при исследовании результатов химико-термической обработки. Например, твердость азотированного слоя, если он имеет малую глубину, можно определить только по Виккерсу, Супер-Роквелл в такой ситуации покажет неправильные результаты.