Измерение твердости вдавливанием конуса или шарика

(твердость по Роквеллу)

Принципиальное отличие измерения твердости по способу Роквелла от измерения по способу Бринелля состоит в том, что твердость определяют по глубине отпечатка, получаемого при вдавливании алмазного конуса или стального шарика, а не по площади отпечатка. По Роквеллу можно изменять нагрузку в широких пределах, без изменения значений твердости, так как при вдавливании конуса сохраняется закон подобия, а условия деформации под вершиной конуса с увеличением давления не изменяются.

Рис. 3.2. Схема прибора для измерения твердости вдавливанием алмазного конуса или стального шарика (измерение по Роквеллу):

1 – груз; 2 – масляный регулятор; 3 – рукоятка; 4 – индикатор; 5 – шток;

6 – столик; 7 - маховик

 

Твердость измеряют на приборе (рис. 3.2), в нижней части неподвижной станины, которого установлен столик 6. В верхней части станины укреплены индикатор 4, масляный регулятор 2 и шток 5, в котором устанавливается наконечник с алмазным конусом, имеющим угол в вершине 120^о, или со стальным шариком диаметром 1,59 мм. Индикатор 4 представляет собой циферблат, на котором нанесены две шкалы (черная и красная) и имеются две стрелки – большая (указатель твердости), вращающаяся по шкале, и маленькая для контроля величины предварительного нагружения, сообщаемого вращением маховика 7.

Образец для измерений должен иметь тщательно зашлифованную плоскую поверхность, в которую вдавливается конус или шарик, а противоположная параллельная поверхность также должна быть ровной, зачищенной. Поворотом маховика по часовой стрелке столик поднимают таким образом, чтобы наконечник мог вдавливаться в поверхность установленного образца; при дальнейшем подъеме столика начинают вращаться стрелки нациферблате. Подъем столика продолжают до тех пор, пока малая стрелка не примет вертикального положения, указываемого на циферблате красной точкой. Это означает, что наконечник вдавился в образец под действием определенной (предварительной) нагрузки, равной 10 кг.

Предварительное нагружение проводят для того, чтобы исключить влияние упругой деформации и различной степени шероховатости поверхности образца на результаты измерений.

Когда образец получает предварительную нагрузку 10 кг, большая стрелка на циферблате принимает вертикальное положение или близкое к нему. Для точности измерения необходимо, чтобы большая стрелка указывала на цифру 0 на черной шкале циферблата. Если положение большой стрелки не совпадает точно с цифрой 0, то, не меняя величины предварительного нагружения и, следовательно, не вращая маховик, поворачивают шкалу индикатора (круг циферблата) таким образом, чтобы цифра 0 на черной шкале циферблата переместилась и совпала с большой стрелкой, отклонение которой от вертикали допускается в пределах ± 5 единиц шкалы.

Затем освобождают рукоятку 3 и она плавно перемещается до упора. Такое перемещение рукоятки сообщает испытуемому образцу через рычаг основную нагрузку, определяемую грузом 1, привешенным к рычагу. Один груз на рычаге сообщает образцу дополнительную нагрузку 50 кг, следовательно, общая нагрузка составит 60 кг. Два груза сообщают дополнительную нагрузку 90 кг, что отвечает общей нагрузке 100 кг и, наконец, три груза сообщают нагрузку 1,4 кН, что соответствует общей нагрузке 150 кг. На приборе указана общая нагрузка, При этом нагружении большая стрелка перемещается по циферблату влево, против часовой стрелки. Время приложения основной нагрузки 5 – 7 с. Затем рукоятку прибора плавно переводят в исходное состояние и тем самым снимают дополнительную нагрузку, но оставляют предварительную. Большая стрелка перемещается по циферблату по часовой стрелке, Цифра, которую указывает на шкале циферблата большая стрелка, представляет число твердости по Роквеллу. Эту цифру записывают и, поворачивая маховик против часовой стрелки, опускают столик прибора с образцом, снимая тем самым предварительную нагрузку.

Прибор измеряет глубину отпечатка алмазного конуса (стального шарика) или, точнее, разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной нагрузки и от вдавливания под предварительной нагрузкой. Каждое деление (единица шкалы) индикатора соответствует глубине вдавливания в 2 мкм. Однако стрелка индикатора отмечает не указанную величину глубины вдавливания h, а величину 100 – h по черной шкале при измерении алмазом и величину 130 – h по красной шкале при измерении шариком.

Поэтому чем тверже измеряемый материал и, следовательно, меньше h, тем больше должно быть число твердости. Наоборот, чем мягче измеряемый материал и больше величина h, тем меньше число твердости, т.е. числа твердости по Роквеллу возрастают с увеличением твердости материала, что позволяет сравнить числа Роквелла с числами Бринелля. Вместе с тем числа твердости по Роквеллу не имеют той размерности, которую имеют числа твердости по Бринеллю.

Однако числа твердости по Роквеллу можно пересчитать на числа твердости по Бринеллю с помощью таблицы.

Твердость на приборе Роквелла можно измерять:

алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кг в этом случае значения твердости характеризуются цифрой, указываемой стрелкой на черной шкале С циферблата, и обозначаются НRС. Например, 65 НRС означает, что твердость материала составляет 65 единиц по Роквеллу по шкале С с нагрузкой 150 кг;

алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кг. В этом случае значения твердости также характеризуются цифрой, указываемой стрелкой на черной шкале С циферблата, но обозначаются HRA. Числа HRA можно перевести на числа HRC по следующей формуле

 

HRC = 2HRA – 104;

 

стальным шариком с общей нагрузкой 100 кг в этом случае значения твердости характеризуются цифрой, указываемой стрелкой по красной шкале В циферблата, и обозначаются HRB.

Измерения алмазным конусом с нагрузкой 150 кг (HRC) проводят:

для закаленной или низкоотпущенной стали с твердостью более 4500 HB, т. е. в условиях, когда вдавливание стального шарика (по Бринеллю или Роквеллу по шкале В) в твердый материал может вызвать деформацию шарика и искажение результатов;

для материалов средней твердости (более 2300 HB ) как более быстрым способом определения, оставляющим, кроме того, меньший след на измеряемой поверхности, чем при испытании по Бринеллю;

для определения твердости тонких поверхностных слоев, но толщиной более 0,5 мм (например, цементованного слоя).

Измерения алмазным конусом с нагрузкой 60 кг (HRA) применяют для очень твердых материалов (HRC более 70), например твердых сплавов, когда вдавливание алмазного конуса с большой нагрузкой может вызвать выкрашивание алмаза, а также для измерения твердых поверхностных слоев (0,3 – 0,5 мм) или тонких образцов (пластинок). Стальным шариком с нагрузкой 100 кг твердость определяют для мягкой (отожженной) стали или отожженных цветных сплавов в деталях или образцах толщиной 0,8 – 2 мм, т. е. в условиях, когда измерение по Бринеллю, выполняемое шариком большого диаметра, может вызвать смятие образца. Условия для испытания по Роквеллу установлены ГОСТом (табл. 3.2).

Расстояние от центра отпечатка до края образца илидо центра другого отпечатка должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и не менее 4 мм при вдавливании шарика. Толщина образца должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка. Твердость следует измерять не менее чем в трех точках (особенно алмазным конусом), т. е. не менее чем три раза на одном образце. Для расчета лучше принимать среднее значение результатов второго и третьего измерений и не учитывать результата первого измерения. Измерение твердости по Роквеллу требует меньше времени (30 – 60 с), чем по Бринеллю, причем результат измерения виден на шкале (он указан стрелкой). Кроме того, измерение твердости по Роквеллу оставляет меньший отпечаток на поверхности детали.

 

Таблица 3.2