Метод измерения твердости вдавливанием

конуса или шарика (твердость по Роквеллу).

Принципиальное отличие данного способа от рассмотренного выше измерения по Бринеллю состоит в том, что твердость определяют по глубине отпечатка, получаемого при вдавливании алмазного конуса или стального шарика, а не по площади отпечатка.

Образец для измерений должен иметь тщательно зашлифованную плоскую поверхность, в которую вдавливается шарик или конус, а противоположная параллельная поверхность тоже должна быть ровной, зачищенной. Поворотом маховика по часовой стрелке столик поднимают таким образом, чтобы наконечник мог вдавливаться в поверхность испытуемого образца; при дальнейшем подъеме столика начинают вращаться стрелки на циферблате. 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 100Н. Предварительное проводят для того, чтобы исключить влияние упругой деформации и различной степени шероховатости поверхности образца на результаты измерений.

Когда образец получает предварительную нагрузку 100Н, большая стрелка 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 нажимают на педаль, при этом образцу через рычаг сообщается основная нагрузка. При этом нагружении большая стрелка перемещается по циферблату влево, против часовой стрелки. Время приложения основной нагрузки 5–7 с. Затем основная нагрузка снимается, но остается предварительная. Большая стрелка перемещается по циферблату по часовой стрелке. Цифра, которую укажет остановившаяся большая стрелка, представляет число твердости по Роквеллу.

Прибор измеряет глубину отпечатка алмазного конуса (стального шарика) или, точнее, разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания 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 глубину 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 размерности и физического смысла, которые имеют числа твердости по Бринеллю. Однако числа твердости по Роквеллу можно пересчитать на числа твердости по Бринеллю с помощью таблиц, построенных на основании многочисленных экспериментальных данных.

Рисунок 3

Схема испытания на твердость по Роквеллу

Обозначение твердости и значения нагрузок вдавливания

для измерений методом Роквелла

Шкала	Обозначение твердости	Индентор	Нагрузка, Н
B (красная)	HRB	Стальной шарик Æ 1,588 мм
C (черная)	HRC	Алмазный конус
A (черная)	HRA	Алмазный конус

Твердость на приборе Роквелла можно измерять:

1. Алмазным конусом с общей нагрузкой 1500Н. В этом случае значения твердости характеризуются цифрой, указываемой стрелкой на черной шкале С циферблата, и обозначаются HRC.

2. Алмазным конусом с общей нагрузкой 600Н. 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.

3. Стальным шариком с общей нагрузкой 1000Н, в этом случае значения твердости характеризуются цифрой, указываемой стрелкой на красной шкале В циферблата, и обозначается HRB.

Измерения алмазным конусом с нагрузкой 1500 (HRC) проводят:

– для закаленной или низкоотпущенной стали (с твердостью более НВ 450), 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 НВ 230) как более быстрым способом определения, оставляющим, кроме того, меньший след на измеряемой поверхности, чем при испытаний по Бринеллю.

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

Измерения алмазным конусом с нагрузкой 600Н (HRA) применяют для очень твердых металлов (более HRC 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) или тонких образцов (пластинок).

Стальным шариком с нагрузкой 1000Н (HRB) твердость определяют для мягкой (отожженной) стали или отожженных цветных сплавов деталях или образцах толщиной 0,8–2 мм, т.е. в условиях, когда измерения по Бринеллю, выполняемое шариком большого диаметра, может вызвать смятие образца.

Метод измерения твердости вдавливанием алмазной пирамиды

(твердость по Виккерсу).

По этому способы в металл вдавливается четырехгранная пирамида с углом в вершине 136° и твердость характеризует площадь получаемого отпечатка.

При вдавливании пирамиды соотношение между диагоналями получаемого отпечатка при изменении нагрузки остается постоянным, что позволяет в широких пределах в зависимости от целей исследования увеличивать или уменьшать нагрузку. Применяются нагрузки в 10, 30, 50, 100, 200, 300, 500, 1000 и 1200Н. Чем больше выбираемая нагрузка, тем глубже проникает алмазная пирамида в испытуемый материал. Поэтому для измерения твердости тонких слоев применяют меньшие нагрузки: 50 или 100Н. Однако необходимо учитывать, что при небольшой нагрузке отпечаток пирамиды может быть недостаточно отчетливым, что вызовет ошибку в определении длины диагонали. С помощью этого способа можно определять твердость образцов толщиной до 0,3–0,5 мм или поверхностных слоев толщиной до 0,03–0,05 мм.

Твердость по Виккерсу HV, так же как и по Бринеллю HB, определяется как усилие, приходящееся на единицу поверхности отпечатка:

,

где Р – нагрузка на пирамиду, Н;

a – угол между противоположными гранями пирамиды (136°);

d – среднее арифметическое длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм.

Рисунок 4

Схема испытания на твердость по Виккерсу

Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю имеют одинаковую размерность и для материалов твердостью до НВ 450 практически совпадают. Вместе с тем измерения пирамидой дают более точные значения для металлов с высокой твердостью, чем измерения шариком или конусом. Алмазная пирамида имеет большой угол в вершине (136°) и диагональ ее отпечатка примерно в семь раз больше глубины отпечатка, что повышает точность измерения отпечатка даже при проникновении на небольшую глубину и делает этот способ особенно пригодным для определения твердости тонких образцов или твердых сплавов.