Контроль твердости - важнейший этап производства и эксплуатации деталей в машиностроении, металлургии и других отраслях. От показателя твердости напрямую зависят прочностные характеристики изделий. Самым распространенным способом оценки твердости металлов является метод Роквелла.
1. Принцип действия твердомера Роквелла
Сущность метода Роквелла заключается во внедрении в поверхность испытуемого образца алмазного или стального наконечника под действием прилагаемых нагрузок. Различают два вида нагрузок:
- Предварительная нагрузка 10 кгс
- Основная нагрузка 60, 100 или 150 кгс в зависимости от шкалы твердости
После снятия основной нагрузки измеряют глубину оставшегося отпечатка, по величине которой рассчитывают число твердости в единицах Роквелла.
Число твердости по Роквеллу (HRC, HRB и др.) является условной величиной и зависит от глубины отпечатка, типа используемого наконечника и величины нагрузки.
Существует 11 шкал твердости Роквелла, обозначаемых буквами от A до K. Наиболее распространены шкалы A, B и C.
2. Устройство современного твердомера Роквелла
Твердомер Роквелла выпускается в двух исполнениях: стационарном и портативном (мобильном).
Стационарный твердомер Роквелла представляет собой жесткую П-образную конструкцию, состоящую из двух блоков - измерительного и испытательного. В современных моделях используется электропривод и компьютерная регистрация результатов.
| Преимущества стационарного твердомера | Недостатки стационарного твердомера |
|
|
Портативный твердомер Роквелла имеет меньшие габариты и вес, может работать от батареек или аккумуляторов. Точность таких приборов несколько ниже, зато они более мобильны.
3. Порядок работы на твердомере Роквелла
Работа на твердомере Роквелла включает следующие основные этапы:
- Подготовка поверхности образца в соответствии с требованиями стандарта
- Установка образца на предметный стол твердомера
- Выбор режима и шкалы измерения твердости
- Автоматическое нагружение образца в два этапа
- Считывание и сохранение результата на дисплее прибора
Перед началом работы обязательно изучите подробную инструкцию для конкретной модели твердомера Роквелла. Также рекомендуется пройти обучение у опытного оператора.
В процессе эксплуатации твердомера Роквелла необходимо соблюдать правила хранения прибора, регулярно поверять его и следить за чистотой измерительного узла.
Портативные твердомеры Роквелла удобны тем, что позволяют проводить выездные замеры твердости на производстве, в полевых условиях. Цена на такие мобильные модели обычно ниже по сравнению со стационарными аналогами. Портативный твердомер стоит от 35 до 150 тысяч рублей в зависимости от точности и функционала. При этом цена стационарных приборов начинается от 300 тысяч рублей.
4. Требования к условиям эксплуатации твердомера Роквелла
Для нормальной работы твердомер Роквелла должен эксплуатироваться в следующих условиях:
- Температура окружающей среды 20-25°С
- Относительная влажность не более 80%
- Отсутствие вибраций, тряски, ударов
- Хорошее освещение рабочей зоны (не менее 300 люкс)
При длительном хранении или транспортировке прибор должен находиться в упаковке производителя при температуре от -20 до +40°С и влажности до 98%.
5. Поверка твердомера Роквелла
Согласно правилам, твердомер Роквелла подлежит обязательной периодической поверке через каждые 12 месяцев. Эту процедуру выполняют специализированные метрологические лаборатории.
В процессе поверки проверяется соответствие метрологических характеристик прибора заявленным нормам, вносятся поправки в его показания. Так поддерживается точность измерений твердомера на протяжении всего срока эксплуатации.
6. Плюсы и минусы твердомера Роквелла
К достоинствам твердомера Роквелла можно отнести:
- Высокая точность и воспроизводимость результатов
- Простота и наглядность метода
- Быстрота получения данных
- Возможность автоматизации процесса
Однако у этого метода есть и некоторые недостатки:
- Невозможность контроля мягких материалов
- Трудоемкость подготовки образцов
- Риск поломки хрупкого алмазного наконечника
7. Подготовка поверхности образца для испытаний на твердомере Роквелла
Перед проведением испытаний на твердомере Роквелла поверхность образца должна соответствовать определенным требованиям по шероховатости. Согласно ГОСТ 9013-59, шероховатость поверхности (параметр Ra) должна быть не ниже 2,5 мкм.
Для достижения необходимой шероховатости образцы подвергают предварительной механической обработке - шлифованию или полированию. Затем поверхность очищают от загрязнений спиртом или ацетоном.
8. Калибровка твердомера Роквелла
Помимо государственной поверки для поддержания метрологических характеристик твердомер Роквелла должен периодически калиброваться с помощью эталонных мер твердости.
Процедура калибровки заключается в проведении серии контрольных замеров эталонных образцов и корректировке показаний прибора. Такая калибровка позволяет учесть изменения в метрологических параметрах твердомера между поверками.
9. Способы предотвращения поломки алмазного наконечника
Алмазный наконечник является одним из самых хрупких и дорогостоящих компонентов твердомера Роквелла. Для предотвращения его поломки необходимо:
- Тщательно выверять положение образца относительно оси индентора
- Избегать превышения допустимых нагрузок на наконечник
- Не допускать ударов и резких нагрузок на индентор
- Регулярно осматривать состояние рабочих поверхностей
10. Расчет погрешности результатов испытаний на твердомере Роквелла
Как и любой измерительный прибор, твердомер Роквелла имеет инструментальную погрешность. Для оценки достоверности полученных результатов испытаний можно воспользоваться следующей формулой:
ΔHRC = √(ΔХРЦпр^2 + ΔHRCc^2)
где ΔHRC - суммарная погрешность;
ΔХРЦпр - приведенная погрешность, зависящая от класса точности твердомера; ΔHRCc - погрешность, обусловленная шероховатостью поверхности образца.
11. Влияние шероховатости поверхности на результаты испытаний твердости
Как уже отмечалось ранее, шероховатость поверхности образца оказывает существенное влияние на результаты испытаний твердости на твердомере Роквелла.
При Ra менее 0,4 мкм значительно возрастает вероятность скола хрупкого алмазного наконечника. А шероховатость выше 2,5 мкм приводит к росту погрешности измерений.
Таким образом, оптимальный диапазон шероховатости составляет Ra = 0,4-2,5 мкм. Это нужно учитывать при подготовке образцов, чтобы получить достоверные результаты.
12. Методики испытаний различных материалов на твердомере Роквелла
Хотя изначально твердомер Роквелла предназначался для металлов и сплавов, сегодня этот прибор активно применяется для контроля самых разных материалов.
Для испытания пластмасс используется ГОСТ 24622-81, графитов и металлографитов - ГОСТ 9013-59. Также разработан ряд отраслевых стандартов для древесины, керамики, резин и других материалов.
13. Перспективы развития метода и приборов Роквелла
В последние годы идет активная работа по расширению функциональных возможностей твердомеров Роквелла. Разрабатываются высокоточные измерительные комплексы для автоматического контроля с использованием искусственного интеллекта.
Также ведутся исследования новых областей применения этого метода, например для анализа биомедицинских материалов и наноструктур.
14. Обучение работе на твердомере Роквелла
Для полноценного и безопасного использования всех возможностей современного твердомера Роквелла оператору необходимо пройти специальное обучение.
Обучающие курсы и семинары по работе на твердомере Роквелла проводят ведущие производители этого оборудования, а также специализированные учебные центры.
