Твердомер Руководство: объяснение методов Роквелла и Виккерса
A твердомер измеряет сопротивление материала локализованной пластической деформации, обычно путем вдавливания закаленного индентора в поверхность материала под контролируемой нагрузкой и оценки глубины или размера полученного отпечатка. Испытание на твердость является одним из наиболее широко используемых методов контроля качества в металлообработке, термообработке и технологии материалов, поскольку твердость тесно коррелирует с износостойкостью, прочностью на разрыв и обрабатываемостью, что дает производителям быстрый и практически неразрушающий способ проверить соответствие детали спецификациям материала.
Несмотря на то, что существуют десятки методов и шкал измерения твердости, Роквелл и Виккерс остаются двумя наиболее широко используемыми в промышленных и лабораторных условиях, каждый из которых подходит для различных типов материалов, геометрии деталей и требований к точности. В этом руководстве рассказывается, как работает твердомер в целом, как шаг за шагом использовать твердомер Роквелла и что отличает твердомер Виккерса от других методов тестирования.
Как работает твердомер
Каждый твердомер, независимо от метода, работает по одному и тому же основному принципу: приложить известную силу через индентор определенной формы и материала, затем измерить результирующую деформацию и получить значение твердости. Методы испытаний отличаются друг от друга геометрией индентора, приложенной нагрузкой и тем, основано ли измерение на глубине отпечатка, измеряемой непосредственно машиной, или на размере отпечатка, измеренном оптически после снятия нагрузки.
При испытании по Роквеллу глубина отпечатка измеряется напрямую с использованием либо алмазного конуса, либо шарика из закаленной стали, в зависимости от конкретной используемой шкалы, и практически мгновенно дает показания твердости, поскольку машина автоматически рассчитывает значение на основе разницы глубины между приложением незначительной и большой нагрузки. Испытания по Виккерсу и Бринеллю, напротив, основаны на измерении физических размеров отпечатка, оставленного на поверхности материала, обычно под микроскопом или с помощью интегрированной оптической измерительной системы, и расчете твердости на основе этой измеренной площади отпечатка.
Выбор подходящего твердомера и шкалы для данного материала и применения зависит от таких факторов, как ожидаемый диапазон твердости материала, толщина и качество поверхности испытуемого образца, а также от того, требует ли применение быстрой проверки на производстве или точных измерений лабораторного уровня. Стандарты испытаний, такие как ASTM E18 для Роквелл и ASTM E92 для Викерс, определяют точные процедуры, нагрузки и требования к калибровке, которым производители и лаборатории должны следовать для получения отслеживаемых и повторяемых результатов.
Как пользоваться твердомером Роквелла
Правильное использование твердомера Роквелла начинается с подготовки образца: испытуемая поверхность должна быть чистой, ровной, без окалины, окисления или неровностей поверхности, которые могут исказить показания, поскольку даже незначительное загрязнение поверхности может существенно исказить результаты. Испытательный образец помещается на наковальню машины, и соответствующий индентор: либо алмазный конус для более твердых материалов, либо стальной шарик для более мягких, а также правильная нагрузка для конкретной шкалы выбирается в зависимости от типа испытуемого материала и ожидаемого диапазона твердости.
Сам процесс испытания состоит из двухэтапной последовательности нагружения: сначала прикладывается незначительная нагрузка, чтобы плотно прижать индентор к поверхности материала и установить стабильную опорную точку, после чего прикладывается основная нагрузка и удерживается в течение определенного времени, чтобы материал мог полностью отреагировать на приложенную силу. После того, как основная нагрузка удалена, а незначительная нагрузка остается, машина измеряет разницу в глубине вдавливания между двумя стадиями нагрузки, и эта разница глубины преобразуется непосредственно в значение твердости по Роквеллу, отображаемое на циферблате тестера или на цифровом индикаторе.
Для получения последовательных и точных результатов операторам следует снимать несколько показаний в разных точках испытуемого образца, а не полагаться на одно измерение, поскольку незначительные несоответствия материалов или изменения поверхности могут привести к изменению отдельных показаний. Размещение контрольных точек на достаточном расстоянии друг от друга, чтобы избежать влияния поля напряжений, создаваемого соседними углублениями, а также поддержание калибровки прибора посредством регулярной проверки с использованием сертифицированных испытательных образцов — это важные методы для получения надежных данных о твердости по Роквеллу с течением времени.
Твердомер по Виккерсу: чем он отличается
A Твердомер по Виккерсу использует алмазный индентор точной формы в виде пирамиды с квадратным основанием, вдавливаемый в поверхность материала под выбранной нагрузкой, и в отличие от испытаний по Роквеллу, значение твердости рассчитывается на основе измеренной диагональной длины оставшегося отпечатка, а не глубины отпечатка, измеренной во время самого испытания. Этот подход к оптическим измерениям требует встроенного микроскопа или системы камер, способных измерять диагонали отпечатков с высокой точностью, поскольку даже небольшие ошибки измерения напрямую приводят к неточности значения твердости.
Одним из ключевых преимуществ испытания по Виккерсу является его чрезвычайно широкий применимый диапазон твердости и его способность испытывать широкий спектр материалов, от очень мягких металлов до чрезвычайно твердых, хрупких материалов, используя одну и ту же геометрию индентора, чего нельзя сказать о тестировании по Роквеллу, где для разных масштабов требуются разные инденторы и нагрузки для разных диапазонов твердости. Такая универсальность делает тестеры Vickers особенно ценными в исследовательских целях и в сфере контроля качества, когда они работают с широким спектром типов материалов и уровней твердости без необходимости переключения конфигурации оборудования.
Современные твердомеры Виккерса все чаще включают в себя автоматизированное программное обеспечение для оптических измерений, которое фиксирует изображение отпечатка и автоматически рассчитывает диагональные измерения и результирующее значение твердости, что значительно снижает субъективность оператора, которая исторически была ограничением ручных измерений с помощью микроскопа. Эта автоматизация сделала тестирование по Виккерсу значительно более быстрым и последовательным, чем предыдущие подходы к ручным измерениям, сохраняя при этом высокую точность и широкую применимость материалов, что делает тестирование по Виккерсу предпочтительным методом для испытаний на микротвердость тонких покрытий, небольших деталей и поверхностно-закаленных слоев.
Сравнение распространенных методов измерения твердости по типу индентора, основе измерения и типичному применению.
