Aby skutecznie wykorzystywać metale w różnych projektach, ważne jest, aby wiedzieć, jaka jest ich wytrzymałość. Twardość jest najczęściej obliczaną cechą jakościową metali i stopów. Istnieje kilka metod jego oznaczania: Brinella, Rockella, Super-Rockwella, Vickersa, Ludwika, Shora (Monotron), Martensa. Artykuł dotyczy metody braci Rockwell.
Jaka jest metoda
Metoda Rockwella to metoda badania materiałów pod kątem twardości. Dla badanego elementu obliczana jest głębokość penetracji twardej końcówki wskaźnika. W takim przypadku obciążenie pozostaje takie samo dla każdej skali twardości. Zwykle jest to 60, 100 lub 150 kgf.
Wskaźnik w badaniu to kulki z wytrzymałego materiału lub stożki diamentowe. Powinny mieć zaokrąglony, spiczasty koniec i kąt wierzchołkowy 120 stopni.
Ta metoda okazała się prosta i szybko powtarzalna. Co daje mu przewagę nad innymi metodami.
Historia
Wiedeński profesor naukowy Ludwig jako pierwszy zaproponował użycie wgłębnika do badańtwardość poprzez penetrację materiału i obliczenie względnej głębokości. Jego metoda jest opisana w pracy Die Kegelprobe z 1908 roku.
Ta metoda miała wady. Bracia Hugh i Stanley Rockwell zaproponowali nową technologię, która wyeliminowała błędy mechanicznej niedoskonałości układu pomiarowego (luzy i wady powierzchniowe, zanieczyszczenia materiałów i części). Profesorowie wynaleźli twardościomierz - urządzenie, które określa względną głębokość penetracji. Był używany do testowania stalowych łożysk kulkowych.
Oznaczanie twardości metali metodami Brinella i Rockwella zasłużyło na uwagę społeczności naukowej. Ale metoda Brinella była gorsza - była powolna i nie była stosowana do stali hartowanych. W związku z tym nie można jej uznać za nieniszczącą metodę testowania.
W lutym 1919 roku twardościomierz został opatentowany pod numerem 1294171. W tym czasie Rockwellowie pracowali dla firmy produkującej łożyska kulkowe.
We wrześniu 1919 Stanley Rockwell opuścił firmę i przeniósł się do stanu Nowy Jork. Tam złożył wniosek o ulepszenie urządzenia, który został przyjęty. Nowe urządzenie opatentowane i ulepszone do 1921 roku.
Pod koniec 1922 roku Rockwell założył zakład obróbki cieplnej, który nadal działa w Connecticut. Część Instron Corporation od 1993 roku.
Wady i zalety metody
Każda metoda obliczania twardości jest unikalna i ma zastosowanie w pewnym obszarze. Metody twardości Brinella i Rockwellasą podstawowe.
Istnieje wiele zalet tej metody:
- możliwość eksperymentów z wysoką twardością;
- drobne uszkodzenia powierzchni podczas testów;
- prosta metoda niewymagająca pomiaru średnicy wgłębienia;
- proces testowania jest wystarczająco szybki.
Wady:
- w porównaniu z twardościomierzami Brinella i Vickersa metoda Rockwella nie jest wystarczająco dokładna;
- należy dokładnie przygotować powierzchnię próbki.
Struktura skali Rockwella
Aby przetestować twardość metali metodą Rockwella, wyprowadzono tylko 11 skal. Ich różnica polega na stosunku końcówki do obciążenia. Końcówka może być nie tylko diamentowym stożkiem, ale także kulką ze stopu węglika i wolframu lub utwardzonej stali w formie kuli. Końcówka ustalona w instalacji nazywana jest identyfikatorem.
Wagi są zwykle oznaczane literami alfabetu łacińskiego: A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T.
Testy wytrzymałościowe są przeprowadzane na skalach głównych - A, B, C:
- Skala A: badanie ze stożkiem diamentowym z obciążeniem 60 kgf. Oznaczenie - HRA. Takie testy są przeprowadzane dla cienkich twardych materiałów (0,3-0,5 mm);
- Skala B: test kuli stalowej 100 kgf. Oznaczenie - HRB. Testy są przeprowadzane na wyżarzanej miękkiej stali i stopach metali nieżelaznych;
- Skala C: test stożka 150 kgf. Oznaczenie - HRC. Badania przeprowadzane są dla metali średniotwardych, stali hartowanej i odpuszczanej lub warstw o grubości nie większej niż 0,5 mm.
Twardość według metodyRockwell jest zwykle oznaczany jako HR trzecią literą skali (na przykład HRA, HRC).
Formuła do obliczeń
Twardość materiału wpływa na głębokość penetracji końcówki. Im twardszy obiekt testowy, tym mniejsza będzie penetracja.
W celu liczbowego określenia twardości materiału potrzebny jest wzór. Jego współczynniki zależą od skali. Aby zmniejszyć błąd pomiaru, należy przyjąć względną różnicę głębokości penetracji wgłębnika w momencie przyłożenia obciążenia głównego i wstępnego (10 kgf).
Metoda pomiaru twardości Rockwella polega na wykorzystaniu wzoru: HR=N-(H-h)/s, gdzie różnica H-h oznacza względną głębokość penetracji wgłębnika pod obciążeniem (wstępnym i głównym), wartość wynosi obliczona w mm. N, s są stałymi, zależą od konkretnej skali.
Twardościomierz Rockwell
Twardościomierz to urządzenie do określania twardości metali i stopów metodą Rockwella. Jest to urządzenie ze stożkiem diamentowym (lub kulką) i materiałem, w który stożek musi wejść. Dołączony jest również ciężarek do regulacji siły uderzenia.
Wyświetla się wskaźnik czasu. Proces przebiega w dwóch etapach: najpierw prasowanie odbywa się z siłą 10 kgf, a następnie mocniejsze. Dla większego nacisku stosuje się stożek, za mniej kulkę.
Materiał testowy jest umieszczany poziomo. Diament opuszcza się na niego za pomocą dźwigni. Dla płynnego zejścia urządzenie wykorzystuje uchwyt z olejowym amortyzatorem.
Główny czas ładowania to zwyklewynosi od 3 do 6 sekund, w zależności od materiału. Napięcie wstępne musi być utrzymywane aż do uzyskania wyników testu.
Duża strzałka wskaźnika porusza się zgodnie z ruchem wskazówek zegara i odzwierciedla wynik eksperymentu.
Najbardziej popularne w praktyce są takie modele twardościomierzy Rockwella:
- Urządzenia stacjonarne „Metrotest” model „ITR”, na przykład „ITR-60/150-M”.
- Qness GmbH model Q150R.
- Stacjonarne urządzenie automatyczne TIME Group Inc model TH300.
Metodologia testów
Badania wymagają starannego przygotowania. Przy określaniu twardości metali metodą Rockwella powierzchnia próbki musi być czysta, bez pęknięć i łusek. Ważne jest, aby stale sprawdzać, czy obciążenie jest przykładane prostopadle do powierzchni materiału i czy jest stabilne na stole.
Odcisk podczas wciskania stożka powinien wynosić co najmniej 1,5 mm, a podczas wciskania kulki – więcej niż 4 mm. Aby obliczenia były efektywne, próbka musi być 10 razy grubsza niż głębokość penetracji wgłębnika po usunięciu głównego obciążenia. Należy również przeprowadzić co najmniej 3 testy jednej próbki, po czym wyniki należy uśrednić.
Kroki testowe
Aby eksperyment miał pozytywny wynik i mały błąd, należy postępować zgodnie z kolejnością jego przebiegu.
Etapy eksperymentu nad metodą określania twardości metodąRockwell:
- Określ wybór wagi.
- Zainstaluj wymagany wcinak i załaduj.
- Wykonaj dwa wydruki testowe (nieuwzględnione w wynikach), aby poprawić instalację urządzenia i próbki.
- Umieść blok odniesienia na stole z instrumentami.
- Sprawdź obciążenie wstępne (10 kgf) i zresetuj wagę.
- Zastosuj główny ładunek, poczekaj na maksymalne wyniki.
- Usuń obciążenie i odczytaj otrzymaną wartość na tarczy.
Regulamin umożliwia testowanie jednej próbki podczas testowania produktów masowych.
Co wpłynie na dokładność
Podczas przeprowadzania dowolnego testu należy wziąć pod uwagę wiele czynników. Wykrywanie twardości Rockwella ma również swoje własne cechy.
Czynniki, na które należy zwrócić uwagę:
- Grubość badanego elementu. Zasady eksperymentu zabraniają używania próbki, która jest mniejsza niż dziesięciokrotna głębokość penetracji końcówki. Oznacza to, że jeśli głębokość penetracji wynosi 0,2 mm, materiał musi mieć co najmniej 2 cm grubości.
- Pomiędzy wydrukami na próbce musi być odległość. Są to trzy średnice między środkami bliskich odcisków.
- Należy wziąć pod uwagę możliwą zmianę wyników eksperymentu na tarczy, w zależności od pozycji badacza. Oznacza to, że odczytanie wyniku powinno odbywać się z jednego punktu widzenia.
Właściwości mechaniczne w testachsiła
Powiąż i zbadaj charakterystyki wytrzymałościowe materiałów, a wyniki badań twardości metodą Rockwella zostały uzyskane przez takich materiałoznawców jak Davidenkov N. N., Markovets M. P. i inni.
Zgodnie z wynikami badania twardości metodą wgniatania stosuje się metody obliczania granicy plastyczności. Ta zależność jest obliczana dla stali nierdzewnych o wysokiej zawartości chromu, które zostały poddane wielokrotnej obróbce cieplnej. Średnia wartość odchylenia przy użyciu wgłębnika diamentowego wyniosła tylko +0,9%.
Prowadzone są również badania mające na celu określenie innych właściwości mechanicznych materiałów związanych z twardością. Na przykład wytrzymałość na rozciąganie (lub wytrzymałość na rozciąganie), rzeczywista odporność na pękanie i względny skurcz.
Alternatywne metody określania twardości
Pomiar twardości jest możliwy nie tylko metodą Rockwella. Rozważ główne punkty każdej metody i ich różnice. Test obciążenia statycznego:
- Próbki do badań. Metody Rockella i Vickersa umożliwiają badanie materiałów stosunkowo miękkich io dużej wytrzymałości. Metoda Brinella jest przeznaczona do badania miękkich metali o twardości do 650 HBW. Metoda Super-Rockwell umożliwia badanie twardości przy niskich obciążeniach.
- GOSTs. Metoda Rockwella jest zgodna z GOST 9013-59, metoda Brinella - 9012-59, metoda Vickersa - 2999-75, metoda Shora - GOST 263-75, 24622-91, 24621-91, ASTM D2240, ISO 868-85.
- Durometry. Urządzenia badaczy Rockwella i Shore'a są prostezastosowanie i mały rozmiar. Sprzęt Vickersa umożliwia testowanie na bardzo cienkich i małych próbkach.
Eksperymenty pod ciśnieniem dynamicznym przeprowadzono zgodnie z metodą Martel, Poldi, przy użyciu pionowego udaru Nikolaeva, urządzenia sprężynowego Schoppera i Baumana oraz innych.
Twardość można również zmierzyć poprzez zadrapanie. Takie testy zostały przeprowadzone przy użyciu pliku Barb, Monters, Hankins, mikrocharakteryzatora Birbaum i innych.
Pomimo swoich wad, metoda Rockwella jest szeroko stosowana do badania twardości w przemyśle. Jest łatwy w wykonaniu, głównie ze względu na to, że nie trzeba mierzyć nadruku pod mikroskopem i polerować powierzchni. Ale jednocześnie metoda nie jest tak dokładna, jak proponowane badania Brinella i Vickersa. Twardość, mierzona różnymi sposobami, ma zależność. Oznacza to, że efektywne jednostki Rockwella można zamienić na jednostki Brinella. Na poziomie legislacyjnym istnieją przepisy, takie jak ASTM E-140, które porównują wartości twardości.
