Твердомер это

Основные методы измерения твердости

В современной промышленности применяется несколько стандартизированных методов определения твердости. Каждый метод основан на определенном принципе механического воздействия на материал и имеет свою область применения, определяемую характером контролируемых изделий и требуемой точностью измерений.

Метод Бринелля — классический подход

Метод измерения твердости по Бринеллю регламентируется стандартом ГОСТ 9012-59 и является одним из старейших и наиболее распространенных способов определения твердости металлов. Сущность метода заключается во вдавливании стального закаленного или твердосплавного шарика в поверхность испытуемого материала под действием определенной нагрузки в течение установленного времени.

Диаметр шарика выбирается в зависимости от толщины и характера материала образца и может составлять от одного до десяти миллиметров. Для испытания закаленных сталей и твердых сплавов применяются шарики из твердого сплава, поскольку стальные шарики могут деформироваться при высоких нагрузках. После снятия нагрузки измеряют диаметр отпечатка, оставшегося на поверхности образца, и по специальным таблицам или расчетным формулам определяют число твердости.

Область применения и ограничения

Метод Бринелля наиболее эффективен для контроля относительно мягких материалов с твердостью до 650 единиц по шкале HB. Он широко применяется при испытании чугунов, цветных металлов и их сплавов, а также нормализованных и отожженных сталей. Основное преимущество метода заключается в том, что большой диаметр отпечатка обеспечивает усреднение свойств материала на значительной площади, что особенно важно при контроле неоднородных материалов.

Однако метод имеет определенные ограничения. Он не применим для измерения твердости очень тонких изделий, поскольку толщина образца должна не менее чем в восемь раз превышать глубину отпечатка. Кроме того, относительно большой размер отпечатка делает метод непригодным для контроля мелких деталей или поверхностных слоев малой толщины.

Метод Роквелла — быстрота и точность

Метод Роквелла, стандартизированный в ГОСТ 9013-59, отличается высокой производительностью и удобством выполнения измерений. Особенность метода состоит в том, что результат измерения определяется непосредственно по глубине проникновения индентора и отображается на шкале прибора, что исключает необходимость дополнительных измерений и расчетов.

Шкалы и инденторы

Существует несколько шкал Роквелла, каждая из которых соответствует определенному типу индентора и величине прилагаемой нагрузки. Наиболее распространены три основные шкалы. Шкала HRC используется для контроля закаленных сталей и твердых материалов с применением алмазного конусного наконечника с углом при вершине 120 градусов и радиусом закругления вершины 0,2 миллиметра под нагрузкой 150 килограмм-силы.

Шкала HRB предназначена для испытания отожженных и нормализованных сталей, а также цветных металлов средней твердости. В качестве индентора применяется стальной шарик диаметром 1,588 миллиметра под нагрузкой 100 килограмм-силы. Шкала HRA используется для особо твердых материалов, таких как твердые сплавы и тонкие поверхностно упрочненные слои, с применением алмазного конуса под нагрузкой 60 килограмм-силы.

Преимущества метода

Главным достоинством метода Роквелла является скорость выполнения измерений — весь цикл испытания занимает всего несколько секунд. Результат отображается непосредственно на циферблате или цифровом дисплее прибора, что исключает субъективные ошибки при считывании показаний. Метод обеспечивает высокую повторяемость результатов и требует минимальной подготовки поверхности образца по сравнению с другими методами.

Метод Виккерса — универсальность измерений

Метод Виккерса, регламентированный стандартом ГОСТ 2999-75, представляет собой один из наиболее универсальных способов определения твердости. В качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида с углом между противоположными гранями 136 градусов. Этот угол выбран таким образом, чтобы значения твердости по Виккерсу совпадали со значениями по Бринеллю в определенном диапазоне.

Процедура измерения

При проведении испытаний алмазная пирамида вдавливается в поверхность образца под действием нагрузки от 1 до 100 килограмм-силы в течение определенного времени выдержки. После снятия нагрузки с помощью микроскопа измеряют диагонали полученного отпечатка. Число твердости определяется как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка.

Метод Виккерса незаменим для контроля тонких деталей, поверхностных упрочненных слоев после термической обработки, гальванических покрытий и сварных соединений. Он обеспечивает точные результаты даже при малых нагрузках и позволяет определять микротвердость отдельных структурных составляющих материала. Однако метод требует тщательной подготовки поверхности с шероховатостью не более 0,16 микрометра.

Динамические методы измерения твердости

Динамические методы основаны на принципиально ином подходе к оценке твердости материалов. Вместо статического вдавливания индентора используется динамическое воздействие — удар бойка о поверхность образца. Наиболее распространенным является метод Либа, который реализован в большинстве современных портативных твердомеров.

Принцип работы динамического твердомера

В основе метода Либа лежит измерение соотношения скоростей ударного бойка до и после соударения с поверхностью материала. Боек с твердосплавным наконечником под действием пружины или электромагнита разгоняется и ударяется о контролируемую поверхность. Внутри бойка размещен постоянный магнит, который при движении индуцирует электрический сигнал в катушке датчика.

Твердость материала определяется по формуле, которая представляет собой отношение скорости отскока к скорости удара, умноженное на 1000. Чем тверже материал, тем меньше энергии теряется при ударе и тем выше скорость отскока. Результат измерения выражается в единицах Либа (HL) и может автоматически пересчитываться в другие шкалы твердости — Бринелля, Роквелла, Виккерса.

Ультразвуковой метод контактного импеданса

Ультразвуковой метод UCI представляет собой еще один косвенный способ определения твердости. Датчик прибора содержит стержень с алмазным наконечником, который совершает колебания на ультразвуковой резонансной частоте. При вдавливании этого наконечника в материал под небольшой нагрузкой от 1,5 до 10 килограмм-силы изменяется частота его резонансных колебаний.

Для мягких материалов площадь контакта алмаза с поверхностью больше, что приводит к более значительному затуханию колебаний. Для твердых материалов площадь контакта меньше, и частота изменяется в меньшей степени. Электронный блок анализирует изменение частоты и вычисляет значение твердости по шкалам Роквелла, Бринелля, Виккерса или Шора. Преимущество ультразвукового метода заключается в отсутствии жестких требований к массе и толщине образца, а также в возможности контроля тонкостенных конструкций толщиной от 1 миллиметра.

Области применения твердомеров

Твердомеры находят широкое применение в различных отраслях промышленности, где требуется контроль механических свойств материалов и готовых изделий. Необходимость измерения твердости возникает практически на каждом этапе производственного цикла.

Машиностроение и металлургия

В машиностроительной отрасли твердомеры используются для контроля качества термической обработки деталей, проверки глубины цементации и закалки поверхностных слоев. На металлургических предприятиях приборы применяются для входного контроля заготовок, проката и листового металла. Измерение твердости позволяет выявлять дефекты термообработки и обеспечивать соответствие механических свойств материала техническим требованиям.

Энергетика и транспорт

В энергетической отрасли твердомеры необходимы для контроля износа критически важных компонентов турбин, котлов и трубопроводов в процессе эксплуатации. На железнодорожном транспорте приборы применяются для контроля твердости рельсов, колесных пар, осей и сцепок. В авиационной и аэрокосмической промышленности измерение твердости является обязательной процедурой при контроле качества ответственных деталей.

Автомобилестроение и судостроение

Производители автомобилей используют твердомеры для контроля деталей двигателей, трансмиссий и подвески. В судостроении приборы применяются для проверки сварных соединений корпусов судов и контроля материалов, работающих в условиях повышенных нагрузок и коррозионной среды. Портативные твердомеры особенно востребованы при ремонтных работах и техническом обслуживании.

Научные исследования и лаборатории

В исследовательских центрах и лабораториях твердомеры используются при разработке новых материалов, изучении влияния различных видов обработки на механические свойства и проведении фундаментальных исследований структуры металлов и сплавов. Микротвердомеры позволяют анализировать твердость отдельных фаз и структурных составляющих на микроуровне.

Преимущества и особенности эксплуатации

Современные твердомеры обладают рядом важных преимуществ, которые делают их незаменимыми инструментами контроля качества. Главным достоинством является неразрушающий характер испытаний — после измерения на поверхности остается лишь небольшой отпечаток, который не влияет на эксплуатационные свойства детали.

Быстрота выполнения измерений позволяет проводить массовый контроль продукции непосредственно в производственных условиях. Портативные модели обеспечивают возможность контроля крупногабаритных конструкций без их демонтажа или разрушения. Автоматизированные системы обработки данных позволяют сохранять результаты измерений, проводить статистический анализ и формировать отчеты.

Выбор подходящего типа твердомера

При выборе твердомера необходимо учитывать несколько ключевых факторов. Во-первых, следует определить диапазон твердости контролируемых материалов и выбрать соответствующий метод измерения. Для мягких материалов подходят методы Бринелля и Шора, для среднетвердых — Роквелла, для твердых — Виккерса.

Во-вторых, важно учесть габариты и массу контролируемых изделий. Для крупногабаритных конструкций необходим портативный прибор, для лабораторных исследований оптимальны стационарные модели. В-третьих, следует оценить требования к точности измерений и условия эксплуатации прибора. Для полевых условий требуются приборы в защищенном корпусе с высокой степенью пыле- и влагозащиты.

Современные универсальные модели объединяют несколько методов измерения и автоматически выполняют пересчет между различными шкалами твердости. Такие приборы обеспечивают максимальную гибкость применения и позволяют решать широкий спектр задач контроля качества.