Методы испытаний на твердость: методы Роквелла и Бринелля

Цель

После изучения данного раздела вы сможете:

• Выполнить испытание по Роквеллу.
• Выполнить испытание по Бринеллю.

Помимо проверки нашей термической обработки, измерение твердости иногда нужно и для производственных работ. Даже при плохом планировании иногда поступает заказ из неизвестного сплава или известного состава, но неизвестной твердости. Можно грубо проверить обрабатываемость напильником, но лучший способ подобрать резец, скорость и подачу — точное измерение твердости.

Метод Бринелля: определение твердости по диаметру отпечатка шароидального вдавливателя.

Метод Роквелла: определение твердости по глубине вдавливания конусоидального вдавливателя.

Испытание по Роквеллу

Метод Роквелла широко принят для мягких и твердых металлов. Система оценивает вязкость, измеряя глубину проникновения конусоидального алмазного вдавливателя известной формы и размера под точно заданной нагрузкой. Благодаря широкому диапазону это самый популярный тест в инструментальном производстве, мелкосерийном производстве и учебных лабораториях.

Шкалы Роквелла

Существует несколько шкал. Мы используем шкалу C (HRC), предназначенную для закаленной стали. Шкала C начинается от 0 (отожженная сталь) до 68 (тверже быстрорежущей стали, близко к твердосплавам). Обозначается HRC.

Двухступенчатый тест Роквелла

Шаг 1. Предварительная нагрузка (Minor load)

Образец устанавливают на нижнюю наковальню устойчиво. Конусоидальный алмазный вдавливатель прижимается к поверхности и вдавливается под нагрузкой 10 кг (20 фунтов) до глубины 0,076–0,15 мм (0,003–0,006 дюйма). Это предварительная нагрузка. В этот момент большой индикатор устанавливают на ноль.

Шаг 2. Основная нагрузка (Major load)

С сохранением предварительной нагрузки и индикатора на нуле добавляют дополнительную нагрузку (итого 150 кг для шкалы C). Алмаз входит глубже. Добавленная глубина передается на индикатор в обратной зависимости: чем глубже вдавливатель, тем мягче металл — ниже показание. Наоборот, твердый металл сопротивляется — выше показание.

Метод Роквелла (стандартная процедура)

1. Подготовка образца.
2. Установка образца на наковальню.
3. Приложение предварительной нагрузки (preload/minor load) алмазным вдавливателем.
4. Эта нагрузка задает нулевую (референсную) позицию, пробивая поверхность для исключения влияния шероховатости. После предварительной нагрузки подается дополнительная нагрузка (major load) до полной испытательной нагрузки.
5. Нагрузка удерживается заданное время (dwell time: 10–15 с) для эластического восстановления.
6. Основная нагрузка снимается, оставляя предварительную. Конечная позиция измеряется относительно позиции от предварительной нагрузки — разница глубин преобразуется в число твердости.

Испытание по Бринеллю

Метод Бринелля похож на Роквелл: вдавливатель вдавливается в образец, но измеряется диаметр отпечатка от твердой стальной шарика известного диаметра. Закаленные стальные шарики используют для мягких материалов, твердосплавные шарики — для твердых металлов.

Из-за верхнего предела твердости шарика Бринелля метод корректно применяется для мягких и среднетвердых металлов.

Шкала Бринелля

Диапазон: от 160 HB (отожженная сталь) до ~700 HB (очень твердая сталь).

Процедура испытания по Бринеллю

1. Подготовка образца.
2. Установка на наковальню.
3. Позиционирование вдавливателя на поверхности.
4. Приложение малой нагрузки, установка нулевой референсной позиции.
5. Приложение основной нагрузки на заданное время (10–15 с) сверх нуля.
6. Снятие основной нагрузки, малая остается.
7. Определение твердости по Бринеллю для алюминиевого образца:
   1. Вдавливание вдавливателя под точно контролируемой силой.
   2. Удержание силы заданное время (обычно 10–15 с).
   3. После выдержки извлечение вдавливателя, остается круглый отпечаток.
   4. Размер отпечатка определяется оптически: измеряют две диагонали круглого отпечатка переносным микроскопом или встроенным.
   5. Число твердости по Бринеллю (HB) = сила испытания / площадь кривой поверхности отпечатка. Отпечаток считается сферическим с радиусом, равным половине диаметра шарика. Используется среднее арифметическое двух диагоналей в формуле:

HB = 2F / (πD(D - √(D² - d²)))

где F — сила нагрузки, D — диаметр шарика, d — средний диаметр отпечатка.

Тест по разделу

1. Перечислите пять мер безопасности при термической обработке.
2. Что первое нужно знать при термической обработке стали?
3. Какое время выдержки для толщины 1–2 дюйма?
4. Объясните понятие «выдержка (soak time)».
5. Какой следующий шаг после завершения выдержки?
6. При какой температуре отпускается деталь после закалки?
7. Объясните процесс «Остенитизация и закалка».
8. Что такое «Охлаждение на воздухе (Air-cool)»?
9. Объясните метод Роквелла.
10. Объясните метод Бринелля.

Информация об источнике

Материал основан на следующих источниках:

• Термическая обработка — из «Термическая обработка углебистых и низколегированных сталей» Массачусетского технологического института, CC:BY-NC-SA 4.0.
• Уравнение твердости по Бринеллю — из «Твердость по Бринеллю» CORE-Materials Resource Finder, CC:BY.