2. Метод измерения твердости по Роквеллу

Сущность метода: заключается во вдавливании наконечника с алмазным конусом или со стальным шариком в испытуемый образец (изделие) под действием последовательно прилагаемых предварительной и основной нагрузок, и в измерении остаточной глубины проникновения этого наконечника после снятия основной нагрузки (рис. 2.5).

а)

б)

Рис. 2.5. Схемы измерения твердости по Роквеллу:

при использовании алмазного (а) и шарикового (б) наконечников

При измерении твёрдости по Роквеллу применяют два типа стандартных наконечников:

а) для материалов с высокой твёрдостью (с твёрдостью по Бринеллю ) – алмазный наконечник, представляющий собой конус с углом ⁰ и радиусом закругления при вершине мм (рис. 2.5, б);

б) для материалов небольшой (средней) твёрдости – стальной шарик диаметром 1,588 мм (1/16 дюйма) (рис. 2.5, а).

При испытании по Роквеллу (рис. 2.5) сначала прикладывается малая (предварительная нагрузка) Н (10 кг) для надёжного прижатия наконечника к образцу. Затем дополнительно прикладывается ещё нагрузка , которая в сумме с предварительной нагрузкой составляют общую нагрузку , прикладываемую к испытуемому образцу ( ). При отсчёте числа твердости нагрузка снова уменьшается до .

Таким образом, твёрдость по Роквеллу характеризуется разницей между максимальной глубиной проникновения в материал наконечника (выраженной в делениях шкалы прибора) и остаточной глубиной его проникновения после снятия основной нагрузки (рис. 2.5).

При испытании по Бринеллю более твёрдому материалу соответствует и большее число твёрдости. Чтобы это условие выполнялось и при определении твёрдости по Роквеллу, вводят условную шкалу глубин, принимая за одно её деление глубину, равную 0,002 мм. При испытании алмазным конусом предельная глубина внедрения составляет 0,2 мм, или 0,2/0,002=100 делений (рис. 2.5, а), при испытании шариком – 0,26 мм, или 0,26/0,002=130 делений (рис. 2.5, б).

Замеры глубины проникновения осуществляют по шкале циферблата индикатора прибора. На циферблате нанесены числа твердости в условных единицах. Единица твёрдости по Роквеллу соответствует осевому перемещению наконечника на 0,002 мм (размерность при обозначении числа твёрдости опускается).

Прибор для измерения твёрдости по Роквеллу имеет шкалы , и . Отсчёт по шкалам и (на циферблате индикатора прибора эти шкалы имеют черный цвет) производится при вдавливании в испытуемый образец алмазного наконечника. Отсчёт по шкале (на циферблате индикатора эта шкала красного цвета) производится при вдавливании в образец стального шарика под действием соответствующих нагрузок, указанных в табл. 2.3.

Таблица 2.3. Значения нагрузок вдавливаемого шарика

Нагрузка	Испытание по Роквеллу
	Шкала		Шкала		Шкала
	Н	кг	Н	кг	Н	кг
Предварительная нагрузка ( )	98	10	98	10	98	10
Основная нагрузка ( )	1373	140	490	50	883	90
Общая нагрузка ( )	1471	150	588	60	981	100

Чем твёрже материал, тем меньше будет глубина проникновения наконечника в него. Чтобы при большей твёрдости материала получалось большее число твёрдости по Роквеллу, принято выражать его формулами:

а) при измерении по шкале и :

, (2.6) (рис. 2.5, а)

где – остаточная глубина проникновения наконечника;

б) при измерении по шкале :

. (2.7) (рис. 2.5, б)

Символ сопровождается буквой, указывающий на шкалу, по которой проводились испытания, например: , или .

Шкалу применяют для испытания твёрдых сплавов, тонкого листового материала и для определения твердости тонкого верхнего слоя поверхности.

Шкалу применяют для испытаний металлов средней твёрдости.

Шкала служит для определения твёрдости термически обработанной стали.

Предельные числа твёрдости для соответствующих шкал приведены в табл. 2.4. При твёрдости менее алмаз слишком глубоко проникает в образец, а при твердости более – в алмазном конусе создаётся слишком большое давление. Аналогично объясняются и пределы применимости шкал и .

Таблица 2.4. Предельные числа твёрдости

Обозначение		Нагрузка (кг), общая = (предварительная + основная)	Вид наконечника	Предел измерения твёрдости по Роквеллу	Примерная твёрдость по Бринеллю
шкалы	числа твёрдости
		100=(10+90)	шарик	25…100	60…230
		150=(10+140)	алмазный конус	20…67	230…700
		60=(10+50)	алмазный конус	78…85	свыше 700

Число твёрдости по Роквеллу можно перевести в число твёрдости по Бринеллю пользуясь табличными данными или эмпирическими формулами Петренко:

а) для чёрной шкалы

; (2.8)

а) для красной шкалы

. (2.9)

Но следует иметь в виду, что перевод чисел Роквелла в числа Бринелля не совсем точны.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Результаты измерений и вычислений внести в специальную форму (см. далее «Отчёт по работе»).

Измерение твердости по Бринеллю.

1. Получить у преподавателя образцы с отпечатками, полученные при измерении твердости материала по Бринеллю.

2. С помощью лупы-компаратора или измерительного микроскопа (рис. 2.2) измерить диаметр отпечатка, дважды по взаимно перпендикулярным направлениям с точность до сотых долей миллиметра и взять среднее из двух полученных измерений (разность измерений не должна превышать 2%). Измерения повторить для трёх разных отпечатков.

3. Рассчитать необходимый диаметр шарика для постановки опыта из соотношения . Выбрать диаметр шарика из следующего стандартного ряда: 1,0; 2,0; 2,5; 5,0 и 10 мм.

4. По таблице 2.1, в зависимости от марки материала (подписано на образце) выбрать значение коэффициента . По таблице 2.2, в зависимости от значения коэффициента и диаметра шарика , определить значение нагрузки .

5. Определить площадь поверхности сферического отпечатка по формуле (2.3).

6. Определить значение твердости по формуле (2.1) или (2.2).

7. Определить значение предела прочности, используя данные Приложения 7.2.

Вопросы для самопроверки

1. Что понимается под твердостью материалов?

2. В чём сущность метода измерения твердости по Бринеллю?

3. Чему численно равно твердость по Бринеллю?

4. Что такое угол вдавливания?

5. Какие диаметры шариков для измерения твердости по Бринеллю допускает ГОСТ?

6. Какое соотношение в расчетных формулах обозначается через ?

7. Какое значение может принимать величина , и от чего она зависит?

8. Как выбирается нагрузка ?

9. Как обозначается твердость по Бринеллю?

10. В каких пределах может находиться диаметр отпечатка?

11. В чём сущность метода измерения твердости по Роквеллу.

12. Какие типы наконечников применяют при измерении твердости по Роквеллу?

13. Последовательность приложения нагрузок и измерения твердости по Роквеллу.

14. По каким шкалам производится отсчет при вдавливании алмазного наконечника и стального шарика соответственно?

15. Почему меньшая глубина проникновения наконечника соответствует большей твердости материала?

16. Каковы величины предварительной и основной нагрузок для шкал , и ?

17. Как обозначается твердость по Роквеллу, замеренная по шкале , и ?