Роквелла метод

Ме́тод Рокве́лла является методом проверки твёрдости материалов. Из-за своей простоты этот метод является наиболее распространённым способом проверки твёрдости материалов. Способ основан на проникновении твёрдого наконечника в материал и измерении глубины проникновения.

Цифровой прибор для измерения твёрдости по методу Роквелла

История

Измерение твердости по относительной глубине проникновения индентора было предложено в 1908г. венским профессором Людвигом (Ludwig) в книге Die Kegelprobe (дословно «испытание конусом»)^[1]. Метод определения относительной глубины исключал ошибки, связанные с механическими несовершенствами системы, такими как люфты и поверхностные дефекты.

Твердомер Роквелла, машина для определения относительной глубины проникновения, был изобретен уроженцами шт. Коннектикут Хью М. Роквеллом (1890-1957) и Стэнли П. Роквеллом (1886-1940). Потребность в этой машине была вызвана необходимостью быстрого определения эффектов термообработки на обоймах стальных подшипников. Метод Бринелля, изобретенный в 1900 г. в Швеции, был медленным, не применимым для закалённых сталей, и оставлял слишком большой отпечаток, чтобы рассматриваться как неразрушающий.

Патентную заявку на новое устройство подали 15.07.1914, и, после ее рассмотрения, был выдан патент № 1294171 от 11.02.1919^[2].

Во время изобретения Хью и Стэнли Роквеллы (не прямые родственники) работали в компании New Departure Manufacturing (г. Бристоль, шт. Коннектикут). New Departure, бывшая крупным производителем шарикоподшипников, в 1916 г. стала частью United Motors, а, вскоре, корпорации Дженерал Моторс (General Motors).

После ухода из компании в Коннектикуте, Стэнли Роквелл переехал в г. Сиракьюс (Syracuse), шт. Нью-Йорк, и 11.09.1919 подал заявку на усовершенствование первоначального изобретения, которая была утверждена 18.11.1924. Новый прибор имел патент № 1516207^[3][4]. В 1921 г. Роквелл переехал в Уэст-Хартфорд (West Hartford), шт. Коннектикут, где сделал дополнительные усовершенствования^[4].

В 1920 г. Стэнли сотрудничал с производителем инструментов Чарльзом Вильсоном (Charles H. Wilson) из компании Wilson-Mauelen, с целью коммерциализации изобретения и разработки стандартизированных испытательных машин^[5].

Около 1923 г. Стэнли основал фирму по термообработке Stanley P. Rockwell Company, которая всё еще существует в Хартфорде, шт. Коннектикут. Через несколько лет она, переименованная в Wilson Mechanical Instrument Company, сменила владельца. В 1993 г. компанию приобрела корпорация Instron.

Шкалы проверки твёрдости по Роквеллу

Существует несколько шкал для проверки твёрдости, основанных на комбинации «индентор (наконечник) — нагрузка». Используются три типа индентеров: шарик из карбида вольфрама диаметром 1/16 дюйма (1,5875 мм), такой же шарик из твёрдой стали (не рекомендуется) и конический алмазный наконечник с углом при вершине 120°. Возможные нагрузки — 60, 100 и 150 кгс. Величина твёрдости определяется как разница в глубине проникновения индентора при приложении основной и предварительной (10 кгс) нагрузки. Значения твёрдости по методу Роквелла предваряются буквой A, B или C.

ОСНОВНЫЕ ШКАЛЫ ТВЁРДОСТИ ПО РОКВЕЛЛУ

Шкала	Индентор	Нагрузка, кгс
А	Алмазный конус с углом 120° в вершине	60 кгс
В	Шарик диам. 1/16 дюйма из карбида вольфрама (или из твёрдой стали)	100 кгс
С	Алмазный конус с углом 120° в вершине	150 кгс

Формулы для определения твёрдости

Твёрдость по шкале С (HRC) определяется формулой:

$\mbox{HRC}=100-\frac{H-h}{0,002}$

Шкала С имеет 100 делений. Разность H − h представляет разность глубин погружения индентора после снятия основной нагрузки и до её приложения (при предварительном нагружении).

Твёрдость по шкале B (HRB) определяется формулой:

$\mbox{HRB}=130-\frac{H-h}{0,002}$

Шкала В имеет 130 делений, нулевая точка — та же, что и для шкалы С.

Проведение испытания

Циферблат прибора для проверки твёрдости по Роквеллу

1. Выбрать подходящую для проверяемого материала шкалу (А, В или С)
2. Установить соответствующий индентор и нагрузку
3. Перед тем, как начать проверку, надо сделать два неучитываемых отпечатка, чтобы проверить правильность посадки наконечника и стола
4. Установить эталонный блок на столик прибора
5. Приложить предварительную нагрузку в 10 кгс, обнулить шкалу
6. Приложить основную нагрузку и дождаться до приложения максимального усилия
7. Освободить индентор
8. Прочесть на циферблате по соответствующей шкале значение твёрдости (цифровой прибор показывает на экране значение твёрдости)
9. Порядок действий при проверке твёрдости испытуемого образца такой же, как и на эталонном блоке. Допускается делать по одному измерению на образце при проверке массовой продукции

Факторы, влияющие на точность измерения

1. Важным фактором является толщина образца. Не допускается проверка образцов с толщиной менее десятикратной глубины проникновения наконечника
2. Ограничивается минимальное расстояние между отпечатками (3 диаметра между центрами ближайших отпечатков)
3. Недопущение параллакса при считывнии результатов с циферблата

Сравнение шкал твёрдости

Простота метода Роквелла (главным образом, отсутствие необходимости измерять диаметр отпечатка) привела к его широкому применению в промышленности для проверки твёрдости. Также не требуется высокая чистота измеряемой поверхности (например, методы Бринелля и Виккерса включают замер отпечатка с помощью микроскопа и требуют полировку поверхности). К недостатку метода Роквелла относится меньшая точность по сравнению с методами Бринелля и Виккерса. Существует корреляция между значениями твёрдости, замеренной разными методами (см. рисунок — перевод единиц твёрдости HRB в твёрдость по методу Бринелля для алюминиевых сплавов). Зависимость носит нелинейный характер. Имеются нормативные документы, где приведено сравнение значений твёрдости, измеренной разными методами (например, ASTM E-140).

Оценка механических свойств по испытаниям на твёрдость

Связь между результатами проверки на твёрдость и прочностными характеристиками материалов исследовались такими учёными-материаловедами, как Н. Н. Давиденков, М. П. Марковец и др. Используются методы определения предела текучести по результатам проверки на твёрдость вдавливанием. Такая связь была найдена, например, для высокохромистых нержавеющих сталей после различных режимов термообработки. Среднее отклонение для конического алмазного индентора составляло всего +0,9 %. Были проведены исследования по нахождению связи между значениями твёрдости и другими характеристиками, определяемыми при растяжении, как предел прочности (временное сопротивление, сужение в шейке и истинное сопротивление разрушению.

Ссылки

1. ↑ G.L. Kehl, The Principles of Metallographic Laboratory Practice, 3rd Ed., McGraw-Hill Book Co., 1949, p 229.
2. ↑ H.M. Rockwell & S.P. Rockwell, "Hardness-Tester," US Patent 1 294 171, Feb 1919.
3. ↑ S.P. Rockwell, "The Testing of Metals for Hardness, Transactions of the American Society for Steel Treating, Vol. II, No. 11, Aug 1922, p 1013-1033.
4. ↑ ^{1 2} S.P. Rockwell, "Hardness-Testing Machine," US Patent 1 516 207, Nov 1924.
5. ↑ V.E. Lysaght, Indentation Hardness Testing, Reinhold Publishing Corp., 1949, p 57-62.

Список литературы

• Я. Б. Фридман. Механические свойства металлов. Изд. 3, в 2-х частях. М., «Машиностроение», 1974
• М. Л. Бернштейн, В.А Займовский. Механические свойства металлов. Изд. второе, М., «Металлургия», 1979.

Нормативные документы

1. ГОСТ 9013-059 Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу
2. Стандарт ИЗО ISO 6508-1 : Metallic Materials — Rockwell Hardness Test
   Part 1: Test Method (Scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T)
3. Стандарт ASTM E-18 Standard Methods for Rockwell Hardness and Rockwell Superficial Hardness of Metallic Materials
4. Стандарт ASTM E-140 Standard Hardness Conversion Tables for Metals. Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, and Scleroscope Hardness

См. также

• Твёрдость по Бринеллю
• Твёрдость по Виккерсу
• Твёрдость по Шоору
• Твёрдость
• Шкала Мооса