Метод Роквелла

Ме́тод Ро́квелла^[1] — метод неразрушающей проверки твёрдости материалов. Основан на измерении глубины проникновения твёрдого наконечника, называемого индентором, в исследуемый материал при приложении одинаковой для каждой шкалы твёрдости нагрузки. В зависимости от шкалы обычно 60, 100 и 150 кгс.

В качестве инденторов в методе применяются прочные шарики и алмазные конусы с углом при вершине 120° со скруглённым острым концом.

Из-за своей простоты, скорости по сравнению с другими методами и воспроизводимости результатов он является одним из наиболее распространённых методов испытаний материалов на твёрдость.

История

Измерение твёрдости по относительной глубине проникновения индентора было предложено в 1908 году венским профессором Людвигом (Ludwig) в книге «Die Kegelprobe» (дословно «испытание конусом»)^[2].

Метод определения относительной глубины проникновения индентора, предложенный Хью и Стэнли Роквеллами исключал ошибки, связанные с механическим несовершенствами измерительной системы, такими, как люфты, поверхностные дефекты и загрязнения поверхности испытуемых материалов и деталей.

Твердомер Роквелла, прибор для определения относительной глубины проникновения, был изобретён уроженцами штата Коннектикут Хью М. Роквеллом (1890—1957 гг.) и Стэнли П. Роквеллом (1886—1940 гг.). Потребность в этом устройстве была вызвана необходимостью оперативного определения результатов термообработки обойм стальных шарикоподшипников. Метод Бринелля, изобретённый в 1900 году в Швеции, был медленным, неприменимым для закалённых сталей, и оставлял слишком большой отпечаток, чтобы считать этот метод методом неразрушающего контроля.

Патентную заявку на новое устройство они подали 15 июля 1914 года; после её рассмотрения был выдан патент № 1294171 от 11 февраля 1919 года^[3].

Во время изобретения Хью и Стэнли Роквеллы (не были прямыми родственниками) работали в компании New Departure Manufacturing (Бристоль, Коннектикут). New Departure, бывшая крупным производителем шарикоподшипников, в 1916 году стала частью United Motors, а затем — корпорации General Motors.

После ухода из компании в Коннектикуте, Стэнли Роквелл переехал в Сиракьюс (штат Нью-Йорк) и 11 сентября 1919 года подал заявку на усовершенствование первоначального изобретения, которая была утверждена 18 ноября 1924 года. Новый прибор был также запатентован под № 1516207^[4]^[5]. В 1921 году Роквелл переехал в Западный Хартфорд, в Коннектикуте, где предложил дополнительные усовершенствования^[5].

В 1920 году Стэнли Роквелл начал сотрудничество с производителем инструментов Чарльзом Вильсоном (Charles H. Wilson) из компании Wilson-Mauelen с целью коммерциализации изобретения и разработки стандартизированных испытательных машин^[6].

Около 1923 года Стэнли Роквелл основал фирму по термообработке Stanley P. Rockwell company, которая существует до сих пор в Хартфорде, в Коннектикуте. Через несколько лет она, переименованная в Wilson Mechanical Instrument Company, сменила владельца. В 1993 году компанию приобрела корпорация Instron.

Шкалы твёрдости по Роквеллу

Циферблат прибора для проверки твёрдости по Роквеллу

Стандартами нормировано 11 шкал определения твёрдости по методу Роквелла (A; B; C; D; E; F; G; H; K; N; T), эти шкалы различаются типом индентора, испытательной нагрузкой и константами в формуле для вычисления твёрдости по результатам измерения^[7].

Наиболее широко используются два-три индентора: сферический в виде шарика из карбида вольфрама или инструментальной закалённой стали диаметром 1/16 дюйма (1,5875 мм) или шарик диаметром 1/8 дюйма и конический алмазный наконечник с углом при скруглённой вершине 120°. Стандарты предусматривают в зависимости от шкалы 3 фиксированные нагрузки при вдавливании индентора — 60, 100 и 150 кгс.

Численная величина твёрдости определяется по формуле, коэффициенты в которой зависят от шкалы. Для снижения ошибки измерения от состояния испытуемой поверхности принимается относительная разница в глубине проникновения индентора при приложении основной и предварительной (10 кгс) нагрузки (см. рисунок).

Для обозначения твёрдости, определённой по методу Роквелла, используется сокращение HR, с 3-й буквой, указывающая на шкалу, по которой проводились испытания (HRA, HRB, HRC и т. д. до HRT). Например, HRC 64.

Наиболее широко используемые шкалы твёрдости по Роквеллу
Шкала	Индентор	Нагрузка, кгс
А	Алмазный конус с углом 120° при вершине	60
В	Шарик диаметром 1/16 дюйма из карбида вольфрама (или закалённой стали)	100
С	Алмазный конус с углом 120° при вершине	150

Формулы для определения твёрдости

Чем твёрже материал, тем меньше будет глубина проникновения наконечника в него. Чтобы при большей твёрдости материала не получалось меньшее число твёрдости по Роквеллу, твёрдость определяют по формуле:

HR=N-{\frac {H-h}{s}}

где разность

H-h

— представляет разность глубин погружения индентора после снятия основной нагрузки и до её приложения (при предварительном нагружении) в мм,

N,

s

— константы, зависящие от конкретной шкалы Роквелла (см. таблицу).

Таким образом, твёрдость по Роквеллу является безразмерной величиной.

Наиболее часто используемые шкалы Роквелла^[8]
Шкала	Сокращённое обозначение	Испытательная нагрузка	Тип индентора	Область применения	N	s
A	HRA	60 кгс	120° алмазный сфероконический^*	Карбид вольфрама	100	0,002 мм
B	HRB	100 кгс	Диаметр 1⁄16 дюйма (1,588 мм) стальной, сферический	Алюминиевые сплавы, бронза, мягкие стали	130	0,002 мм
C	HRC	150 кгс	120° алмазный, сфероконический	Твёрдые стали с HRB > 100	100	0,002 мм
D	HRD	100 кгс	120° алмазный, сфероконический		100	0,002 мм
E	HRE	100 кгс	Диаметр 1⁄8 дюйма (3,175 мм) стальной, сферический		130	0,002 мм
F	HRF	60 кгс	Диаметр 1⁄16 дюйма (1,588 мм) стальной, сферический		130	0,002 мм
G	HRG	150 кгс	Диаметр 1⁄16 дюйма (1,588 мм) стальной, сферический		130	0,002 мм
^*Радиус сферического скругления вершины конуса 0,2 мм

Методика проведения испытания промышленным твердомером Роквелла

Метод Роквелла.

Выбрать подходящую для проверяемого материала шкалу (А, В или С).
Установить соответствующий индентор и нагрузку.
Перед окончательным измерением надо сделать два пробных неучитываемых отпечатка, чтобы проверить правильность установки индентора и стола.
Установить эталонный блок на столик прибора.
Приложить предварительную нагрузку в 10 кгс, обнулить шкалу.
Приложить основную нагрузку и дождаться достижения максимального усилия.
Снять нагрузку.
Прочесть на циферблате по соответствующей шкале значение твёрдости (цифровой прибор показывает на экране значение твёрдости).
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

Важным фактором является толщина образца. Не допускается проверка образцов с толщиной менее десятикратной глубины проникновения наконечника.
Ограничивается минимальное расстояние между отпечатками (3 диаметра между центрами ближайших отпечатков).
Параллакс при считывании результатов с циферблата стрелочных приборов.

Сравнение шкал твёрдости

Перевод единиц твёрдости HRB в единицы твёрдости по методу Бринелля HB (нагрузка 3000 кгс, диаметр шарика 10 мм)

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, недостаток методов Бринелля и Виккерса — необходимость измерения размеров отпечатка с помощью микроскопа и требуют полировки поверхности.

К недостатку метода Роквелла относится меньшая точность по сравнению с методами Бринелля и Виккерса.

Существует корреляция между значениями твёрдости, измеренной разными методами (например, см. рисунок — перевод единиц твёрдости HRB в твёрдость по методу Бринелля для алюминиевых сплавов). Зависимость носит нелинейный характер. Существуют нормативные документы, где приведено сравнение значений твёрдости, измеренной разными методами (например, ASTM E-140).

Оценка механических свойств по испытаниям на твёрдость

Величина твёрдости по Роквеллу связана с другими прочностными характеристиками веществ. Эта связь исследовалась такими учёными-материаловедами, как Н. Н. Давиденков, М. П. Марковец и др.

Например, по результатам проверки на твёрдость вдавливанием можно определить предел текучести вещества. Для высокохромистых нержавеющих сталей после различных режимов термообработки отклонение результатов, полученных таким методом, от разрушающих методов составило всего +0,9 %^{[источник не указан 1864 дня]}.

Также исследовалась связь между значениями твёрдости и другими прочностными характеристиками определяемыми при растяжении, такими, как предел прочности (временное сопротивление разрушению), относительное сужение и истинное сопротивление разрушению.

См. также

Примечания

↑ Ударение в словосочетании "метод Роквелла" (рус.). Дата обращения: 28 сентября 2021. Архивировано 28 сентября 2021 года.
↑ Kehl G. L. The Principles of Metallographic Laboratory Practice, 3rd Ed., McGraw-Hill Book Co., 1949, p. 229.
↑ H. M. Rockwell & S. P. Rockwell Hardness-Tester, US Patent 1294171, Feb 1919.
↑ S. P. Rockwell The Testing of Metals for Hardness // Transactions of the American Society for Steel Treating, Vol. II, № 11, Aug 1922, p. 1013—1033.
↑ ¹ ² S. P. Rockwell Hardness-Testing Machine, US Patent 1516207, Nov 1924.
↑ Lysaght V. E. Indentation Hardness Testing, Reinhold Publishing Corp., 1949, p. 57-62.
↑ ISO 6508-1:2005. Metallic materials. Rockwell hardness test. Part 1: Test method (scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T)
↑ Smith, William F.; Hashemi, Javad (2001), Foundations of Material Science and Engineering (4th ed.), McGraw-Hill, p. 229, ISBN 0-07-295358-6

Литература

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

Нормативные документы

ГОСТ 9013-59. Металлы. Метод измерения твёрдости по Роквеллу
ISO 6508-1: Metallic Materials — Rockwell Hardness Test. Part 1: Test Method (Scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T)
ASTM E-18 Standard Methods for Rockwell Hardness and Rockwell Superficial Hardness of Metallic Materials
ASTM E-140 Standard Hardness Conversion Tables for Metals. Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, and Scleroscope Hardness

[1] Ударение в словосочетании "метод Роквелла" (рус.). Дата обращения: 28 сентября 2021. Архивировано 28 сентября 2021 года.

[2] Kehl G. L. The Principles of Metallographic Laboratory Practice, 3rd Ed., McGraw-Hill Book Co., 1949, p. 229.

[3] H. M. Rockwell & S. P. Rockwell Hardness-Tester, US Patent 1294171, Feb 1919.

[4] S. P. Rockwell The Testing of Metals for Hardness // Transactions of the American Society for Steel Treating, Vol. II, № 11, Aug 1922, p. 1013—1033.

[htm-5] ¹ ² S. P. Rockwell Hardness-Testing Machine, US Patent 1516207, Nov 1924.

[6] Lysaght V. E. Indentation Hardness Testing, Reinhold Publishing Corp., 1949, p. 57-62.

[7] ISO 6508-1:2005. Metallic materials. Rockwell hardness test. Part 1: Test method (scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T)

[8] Smith, William F.; Hashemi, Javad (2001), Foundations of Material Science and Engineering (4th ed.), McGraw-Hill, p. 229, ISBN 0-07-295358-6

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]