Средства измерений

3. Твердомеры металлов - советы и помощь в выборе

Измерение твёрдости является самым массовым, высокопроизводительным наиболее простым и легко осуществимым на практике методом определения механических свойств материалов. В большинстве случаев величина, называемая “твёрдостью”, не является характеристикой определённых свойств материалов, а представляет собой результат некоторых операций с материалом, произведённых с определёнными приборами. Существуют сотни приборов и разработаны десятки методов измерения твёрдости, что свидетельствует об отсутствии единого взгляда на твёрдость и лишь затрудняет работу исследователя и производственника. Словом “твёрдость” обозначают разные физические свойства, а твёрдость, определённая разными методами, имеет различную размерность. По этой причине термин “твёрдость” без указания метода и условий измерений почти не имеет смысла.  

Методы измерения твёрдости имеют весьма важную и общую для всех особенность: с их помощью всегда получается величина, характеризующая свойства слоя, близкого к поверхности изучаемого тела. Многообразие методов и приборов для измерения твёрдости наглядно демонстрирует невозможность выбора ОСНОВНОГО, который можно было бы принять в качестве единого и универсального. Наиболее удобными с практической точки зрения оказались способы Бринелля, Роквелла, Виккерса, Либа и Ультразвук (UCI-метод). Эти способы утверждены в качестве стандартных в большинстве стран мира. Между тем, ни один из них не имеет, строго говоря, достаточно надёжного теоретического обоснования и не может считаться ОСНОВНЫМ способом измерения твёрдости.  

  • Метод Бринелля (HB), предложен в 1900г шведским инженером Юханом Августом Бринеллем и стал первым, широко используемым и стандартизированным методом определения твёрдости в материаловедении.  Для измерения твёрдости используется метод вдавливания индентора в форме шарика. Для обозначения твёрдости по Бринеллю используется символ HB (англ. Hardness Brinell – Твёрдость по Бринеллю).
  • Метод Роквелла (HR), предложен в 1908г венским профессором Паулом Людвигом, однако машину для определения твёрдости создали в США Хью М. Роквелл и Стэнли П. Роквелл, подавшие патентную заявку в 1914г.  Для измерения твёрдости используется метод вдавливания индентора в форме конуса. Существует 11 шкал определения твёрдости по методу Роквелла (A; B; C; D; E; F; G; H; K; N; T), основанных на комбинации «индентор (наконечник) — нагрузка». Для обозначения твёрдости, определённой по методу Роквелла, используется символ HR (англ. Hardness Rockwell – Твёрдость по Роквеллу), к которому добавляется буква, указывающая на шкалу по которой проводились испытания: HRA, HRB, HRC и т.д.
  • Метод Виккерса (HV), предложен в 1921г британскими инженерами Робертом Л. Смитом и Георгом Е. Сандландом, работавшими в компании Vickers Ltd.  Для измерения твёрдости используется метод вдавливания индентора в форме пирамиды. Для обозначения твёрдости, определённой по методу Виккерса, используется символ HV (англ. Hardness Vickers – Твёрдость по Виккерсу).
  • Метод Шора (HS), предложен в 1906г в США промышленником Альбертом Ф. Шором. Для обозначения твёрдости, определённой по методу Шора, используется символ HS (англ. Hardness Shore – Твёрдость по Шору). Для измерения твёрдости используется метод отскока бойка (измеряется высота отскока), основные шкалы C и D, которые добавляются к методу измерения, напр. HSD (англ. Hardness Shore D – Твёрдость по Шору тип D). Фактически не имеет практического применения и встречается только в научной литературе.
  • Метод Либа (HL), предложен в 1975г швейцарским инженером Дитмаром Либом(Mr. Dietmar Leeb), работавшим в компании Proceq SA.  Для измерения твёрдости используется метод отскока бойка (измеряется соотношение скоростей бойка до и после удара). Для обозначения твёрдости, определённой по методу Либа, используется символ HL (англ. Hardness Leeb – Твёрдость по Либу). Существуют ударные датчики различных типов (напр. C, D, DC, DL, E, G, S), поэтому всегда необходимо указывать тип использованного при измерении ударного датчика, напр. HLD или HLG.
  • Метод Ультразвукового Контактного Импеданса (UCI - Ultrasonic Contact Impedance), предложен в 1961г Клаусом Клесател (Claus Kleesattel).

Первые 4 метода измерения твёрдости металлов (HB, HR, HV и HS) были стандартизированы в СССР, поэтому с применением их на территории постсоветского пространства сложностей не возникает. Методы Либа (HL) и Ультразвукового контактного импеданса (UCI), по необъяснимым причинам, не стандартизированы в России до сих пор и такая работа даже не планируется. Есть надежда, что после принятия международного стандарта ISO/DIS 16859 “Metallic materials -- Leeb hardness test” нашей стране, как участнице ИСО, придётся автоматически стандартизировать метод Либа. По этой причине считаем необходимым пояснить существенные моменты данного метода измерения твёрдости.

Динамические твердомеры.

При наличии международной стандартизации метода Либа (ASTM A956, DIN 50156 и др.) в РФ отсутсвуют ГОСТ по этому методу и по этому используются расплывчатые названия такие как динамический метод/метод отскока/электронные твердомеры и др. При этом Росстандарт  десятилетиями утверждает динамические типы твердомеров (при отсутсвии ГОСТ на метод) и вносит их в госреестр Средств Измерений  Суть метода:

Ударный боёк (внутри которого размещён магнит, а на конце расположен твёрдосплавный шарик) ударяется о контролируемую поверхность и отскакивает. Перемещаясь внутри катушки индуктивности боёк своим магнитным полем наводит в ней ЭДС индукции, величина которой пропорциональна скорости бойка. Изобретатель этого метода Дитмар Либ определил свою собственную величину твёрдости (HL). В отличие от статических методов измерения твёрдости, в результатах динамического содержится дополнительная информация об ответном поведении материалов, например, об эластичных свойствах материала.  

Твердомер ЛЮБОГО производителя, который использует испытания по указанному методу отскока, измеряет величину твёрдости в числах Либа. Однако отечественные производители практически никогда не указывают это в технических характеристиках твердомеров. Тем более забавна ситуация, когда РОССТАНДАРТ осуществляет утверждение типа Средства Измерений (твердомеров) с внесением их Госреестр СИ в то время, когда сам метод Либа в стране не стандартизирован и ГОСТы отсутствуют! Как следствие – при проведении сравнительных испытаний отечественных твердомеров выявляется факт абсолютной несопоставимости результатов измерений одного и того же изделия твердомерами разных производителей (УДК620.178 “Сравнение характеристик малогабаритных твердомеров”, Струтынский А.В., Худяков С.А., 2011г.). Твердомеры производителей, в т.ч. Восток-7, изготовляемые в соответствии с международными стандартами метода Либа (ASTM A956), лишены подобных казусов и результаты измерений твердомеров различных производителей сопоставимы. Для перевода единиц твёрдости Либа к другим шкалам твёрдости (HB, HR, HV и HSD) используют таблицы перевода, сохранённые в твердомерах. 

ВЫБОР ТВЕРДОМЕРА МЕТАЛЛОВ ДИНАМИЧЕСКОГО.

Все ударные бойки ТВердомеров Металлов (серия ТВМ) оснащены твёрдосплавным шариком производства швейцарской фирмы Saphirwerk Industrieprodukt AG - поставщиком таких же шариков для наилучших твердомеров в мире швейцарской компании PROCEQ, инженером которой Дитмаром Либом был изобретён и стандартизирован метод измерения твёрдости по Либу. Ударный боёк-индентор является определяющим элементом для точности при измерении твёрдости и по этой причине мы выбрали наилучшего и проверенного мирового производителя.

  • ТВМ 1500 Эта модель твердомера была задумана как твердомер с самой МИНИМАЛЬНОЙ ценой на рынке. В нём имеются все стандартизированные шкалы твёрдости металлов, однако электронное меню и система взвода максимально упрощены: матричный индикатор с электронной схемой управления и взвод бойка при помощи специального шомпола, привязанного к корпусу твердомера. При использовании шомпола среднее время одного измерения твёрдости составляет около 4-7 секунд и требует дополнительных ручных манипуляций, что не критично при малом количестве измерений, однако если Вы производите более 100 измерений твёрдости за смену, то рекомендуем обратить внимание на более совершенные и дорогие модели твердомеров.
  • ТВМ 1800 Эта полнофункциональная модель твердомера с логичным электронным меню и дисплеем (аналогично мобильному телефону), благодаря телескопической конструкции датчика взвод бойка осуществляется автоматически. Такая конструкция позволяет произвести большее количество изменений за единицу времени (в сравнении с ТВМ 1500) - время одного измерения твёрдости составляет 1-2 секунды.  Уникальная функция быстрой замены базового бойка типа D на боёк типа DL (дополнительная комплектация) позволяет использовать прибор для контроля твёрдости и снижения риска образования широких отметин (лунок от удара бойка типа D) на  углублениях, соединениях и краях сложных объектов: зубья шестерён, металл с зеркальной поверхностью, технологические углубления (отверстия, пазы и шлицы, недоступные для базового датчика типа D). Твердомер можно заряжать не только от сети переменного тока, но и от любого компьютера или автомобильного прикуривателя через кабель USB, входящий в комплектацию.        

Ультразвуковые твердомеры.

Как и с нестандартизированным в РФ методом Либа с ультразвуковым методом сложилась та же анекдотичная ситуация: существуют международные стандарты (ASTM A1038 и др.), но отсутсвуют российские ГОСТ, при этом Росстандарт десятилетиями утверждает ультразвуковые типы твердомеров (при отсутсвии ГОСТ на метод) и вносит их в госреестр Средств Измерений.   

Метод Ультразвукового Контактного Импеданса (UCI - Ultrasonic Contact Impedance): алмазная пирамидка для измерений по Виккерсу (угол между гранями 136º) закреплена на конце металлического стержня, который под действием пьезоэлектрического устройства колеблется на определенной частоте. Когда под действием фиксированной нагрузки алмазная пирамидка внедряется в материал, то металлический стержень меняет резонансную частоту. Глубина внедрения зависит от твёрдости материала, при этом изменение резонансной частоты возрастает с увеличением площади контакта. Так как эта площадь контакта является мерой для оценки твердости, то существует прямая связь между изменением частоты и твердостью материала. 

ВЫБОР ТВЕРДОМЕРА МЕТАЛЛОВ УЛЬТРАЗВУКОВОГО.

Пока твердомеры металлов ультразвукового типа находятся в стадии разработки Восток-7, мы рекомендуем приобретать твердомеры производства компании МАШПРОЕКТ, как наиболее качественные по нашей экспертной оценке.



← Назад к списку материалов