какие твердомеры для измерения твердости металлов бывают принцип их работы чем они различаются
Как выбрать твердомер?
Сегодня я расскажу о том, что важно знать и учитывать при выборе твердомера. Эта статья для тех, кто осознал необходимость иметь твердомер, но не может понять, какой выбрать
Вопрос №1. Стационарный или переносной
Переносные твердомеры – в отличие от стационарных это небольшие, легкие и компактные приборы, измеряющие твердость сразу по нескольким шкалам твердости. Как правило, современный переносной твердомер позволяет измерять твердость по всем основным существующим шкалам. Портативным твердомером измерение проводится на самой детали, что является явным преимуществом таких приборов. Переносной твердомер – это электронное устройство, поэтому в нем обычно есть целый набор полезных функций – возможность сохранения замеров в память, формирование и редактирование протоколов контроля, передача замеров на компьютер для последующей обработки, печать результатов на принтер прямо с твердомера и так далее. Портативные твердомеры позволяют измерить твердость с точностью, не уступающей стационарным, при этом обладают рядом неоспоримых преимуществ. Однако, существуют некоторые специфические задачи измерения твердости, которые можно решить только классическим твердомером. Однако, таких задач очень немного и можно сказать, что в 99 случаях из 100 можно применять переносной прибор.
Итак, первое, что нужно понять – переносной или портативный твердомер нужен? Как правило, наиболее удачным и правильным решением будет остановить свой выбор на переносном приборе.
Вопрос №2. Ультразвуковой, динамический или комбинированный?
Переносные твердомеры в свою очередь можно тоже разделить на две больших группы. Даже три: а) динамические (Либа, отскока, удара); б) ультразвуковые (контактно-резонансные, контактно-импедансные); в) комбинированные
Динамические твердомеры работают по методу отскока. Датчик прибора устанавливается на изделие, твердость которого нужно измерить. В преобразователе (датчике) прибора находится боек, который ударяется об изделие и отскакивает от него. Прибор измеряет скорость бойка до удара и скорость отскока от изделия. Отношение этих скоростей, умноженное на 1000 называется числом Либа или твердостью Либа по фамилии автора, придумавшего такой метод измерения. Твердомеры такие очень удобные, простые в использовании, но имеют один существенный недостаток. Динамическими твердомерами нельзя измерить твердость изделий массой менее 5 кг или толщиной стенки в месте измерения менее 10мм. В некоторых случаях, твердость таких деталей можно будет измерить, притерев их к массивной плите через слой смазки. Но это только в том случае, если форма детали позволит это сделать.
Ультразвуковые твердомеры работают по методу ультразвукового контактного импеданса. Для измерения датчик устанавливается на изделие и просто прижимается к нему. На конце датчика находится алмазная пирамидка, которая на очень небольшую глубину (порядка 50 микрон) внедряется в изделие и таким образом определяется твердость. Метод измерения очень похож на классический метод Виккерса, но используются микронагрузки – 1 кг, 5 кг или 10 кг. В отличие от динамического твердомера такие приборы почти не имеют ограничений по массе и толщине стенки изделия. Но и у этих приборов есть свой недостаток – не всегда получается измерять твердость изделий с крупнозернистой структурой (некоторые чугуны, нержавеющие стали), а также могут быть сложности с измерение очень мягких металлов и справов (например, алюминия).
Комбинированный твердомер – это прибор, который может измерять твердость обоими метода – динамическим и ультразвуковым просто заменой датчика, который используется. Это самый функциональный вариант, если рассматривать переносные приборы. Твердомер практически не имеет ограничений по применению.
Итак, второе, что нужно понять – твердомер какого метода выбрать. Если позволяют финансовые возможности, то лучшим выбором будет комбинированный твердомер. Если бюджет ограничен и функциональность придется жертвовать – выбирать между ультразвуковым и динамическим, учитывая во внимание, твердость каких изделий нужно будет измерять чаще всего.
Вопрос №3. Тип – выбрали, метод – выбрали. Как выбрать конкретную модель прибора?
Выбор конкретной модели прибора будет напрямую влиять на удобство использования твердомера. В зависимости от выбранной модели твердомера, будет сильно отличатся набор функциональных возможностей прибора. Также будут отличаться условия эксплуатации прибора. Вес, размер прибора, размер дисплея и клавиатуры, наличии функций по связи с компьютером, возможность сохранения калибровок, результатов замеров и настроек прибора, возможность печати на принтер, режим фотографирования объекта контроля с привязкой твердости к конкретным точкам на объекте контроля – все это нужно учитывать при выборе прибора!
Если бюджет сильно ограничен и стоит задача купить твердомер самый-самый-самый дешевый, при этом не обращая внимания на функциональные возможности, то выбирать нужно твердомер серии 1
Если бюджет сильно ограничен и стоит задача купить твердомер самый-самый-самый дешевый, при этом не обращая внимания на функциональные возможности, то выбирать нужно твердомер серии 1Приборы первой серии максимально простые. Нет памяти, нет связи с ПК, никаких функциональны дополнительных возможностей, обычный температурный диапазон. Упрощение функциональное не касается измерительной части – точность прибора не страдает. Твердомер имеет базовые шкалы Роквелла, Бринелля и Виккерса, а также имеет возможность калибровки всех шкал + создания пользовательских шкал твердости.
Если в прибор первой серии добавить уже ставшие обязательными для современных приборов функции, такие как память и связь с компьютером, увеличить дисплей, расширить температурный диапазон применения прибора, то получится прибор второй серии:Твердомер второй серии – это приборы среднего уровня по функциональным возможностям. Среднего уровня по нашей классификации. Потому, что если сравнить эти приборы с твердомерами других производителей, то их функциональные возможности будут на уровне самых дорогих моделей. При этом твердомеры второй серии будет значительно дешевле аналогов конкурентов, превосходя их технически и функционально. Такой твердомер будет хорошим выбором для пользователя со средним уровнем требований к прибору.
Для пользователей, предъявляющих к твердомеру высокие требования к функциональным и эксплуатационным возможностям, наличию современных и инновационных функций – свой выбор следует остановить на твердомерах третьей серии:
Что же в них такого особенного:
Методы измерения твердости металлов
Существует довольно большое количество различных механических характеристик металла, которые учитываются при производстве различных деталей. Многие из них зависят от химического состава материала, другие от особенностей эксплуатации. Измерение твердости металла проводится чаще других испытаний, так как это качество во многом определяет особенности эксплуатации материала. Рассмотрим особенности определения твердости подробнее.
Понятие твердости
Твердость – свойство материалов, характеризующее способность проникновения одного, более твердого, тела в другое. Также эта характеристика определяет устойчивость к пластической деформации или разрушению поверхностных слоев при оказании сильного давления.
Измеряется показатель в самых различных единицах в зависимости от применяемого метода.
Все методы определения твердости материалов можно разделить на несколько основных групп:
Измерение твердости инструмента
Кроме этого, классификация методов определения твердости проводится по принципу приложенной нагрузки. Выделяют следующие способы испытания образца:
Как правило, в твердомерах есть деталь, которая оказывает воздействие на испытываемую заготовку. Примером можно назвать стальные шарики различного диаметра и алмазные наконечники с формой пирамиды. Некоторые из применяемых на сегодняшний день методов рассмотрим подробнее.
Измерение твердости по Бринеллю
Чаще всего проводится измерение твердости по Бринеллю. Этот метод регламентирован ГОСТ 9012. К особенностям испытания металлов и сплавов подобным методом можно отнести следующие моменты:
Измерение по методу Бринеллю
Стоит учитывать, что по Бринеллю не рекомендуется тестировать стали и сплавы, твердость которых превышает значение 450HB. Цветные металлы должны обладать показателем ниже 200 HB.
Измерение твердости по Виккерсу
Также выделяют метод измерения твердости по Виккерсу, который регламентирован ГОСТ 2999. Получил он распространение при определении твердости деталей и заготовок, который имеют небольшую толщину. Кроме этого, он может применяться для измерения твердости деталей, имеющих поверхностный твердый слой.
К особенностям этого способа тестирования образца можно отнести нижеприведенные моменты:
В некоторых случаях после полученного значения указывается время выдержки и величина прилагаемой нагрузки, что позволяет с большей точностью определить значение твердости.
Измерение твердости по Роквеллу
Данный метод регламентируется ГОСТ 9013. Для его проведения используется специальный прибор для измерения твердости, который позволяет создать две последовательные нагрузки, прилагаемые к поверхности образца. К особенностям проведения подобного теста можно отнести:
Принцип измерения твердости по Роквеллу
В качестве индикатора могут использоваться стальной шарик и два алмазных конуса различного размера. Этот метод измерения твердости закаленных деталей проводится только при применении алмазного конуса меньшего размера, предварительная оказываемая нагрузка составляет 10 кгс, основная 50 кгс. За счет предварительной нагрузки исключается вероятность того, что из-за упругости материала полученные значения будут менее точными. Кроме этого, предварительная нагрузка позволяет проводить измерение твердости металлов и сплавов, которые прошли предварительную термическую обработку.
Измерение твердости по Шору
Метод определения твердости по Шору применяется для тестирования прокатных валиков на момент их изготовления. Кроме этого, проверка рассматриваемого показателя может проводиться при эксплуатации валиков на прокатных станках, так как из-за оказываемого воздействия структура металла может изменяться, ухудшая эксплуатационные качества. Регламентирован метод Шора ГОСТ 23273.
Шкала твердости по Шору
Рассматривая измерение твердости по Шору, следует отметить следующие моменты:
Сегодня этот способ измерения твердости применяется довольно редко из-за высокой погрешности и сложности замера высоты отскока байка от тестируемой поверхности.
Как ранее было отмечено, существует довольно большое количество методов измерения рассматриваемого показателя. Однако из-за сложности проведения тестов и большой погрешности многие уже не применяются.
В некоторых случаях проводится тестирование на микротвердость. Для измерения этого показателя прилагается статическая нагрузка к телу с формой пирамиды, и оно входит в испытуемые образец. Время выдержки может варьироваться в большом диапазоне. Показатель вычисляется примерно так же, как при методе Виккерса.
Соотношение значений твердости
При выборе метода измерения твердости поверхности следует учитывать, что между полученными данными нет никакой связи. Другими словами, выполнить точный перевод одной единицы измерения в другую нельзя. Применяемые таблицы зависимости не имеют физического смысла, так как они эмпирические. Отсутствие зависимости также можно связать с тем, что при тестировании применяется разная нагрузка, различные формы наконечников.
Существующие таблицы следует применять с большой осторожностью, так как они дают только приблизительные результаты. В некоторых случаях рассматриваемый перевод может оказаться весьма точным, что связано с близкими физико-механическими свойствами испытуемых металлов.
В заключение отметим, что значение твердости связано со многими другими механическими свойствами, к примеру, прочностью, упругостью и пластичностью. Поэтому для определения основных свойств металла довольно часто проводят измерение именно твердости. Однако прямой зависимости между всеми механическими свойствами металлов и сплавов нет, что следует учитывать при проведении измерений.
Твердомер: виды, характеристики и выбор
В некоторых сферах деятельности необходимо применять контроль твердости материалов – твердометрия. Для ее проведения используется специальный прибор – твердомер, который позволяет измерить твердость изделия, не разрушая структуру материала.
Твердомеры используются и для проверки твердости входящих на производство заготовок, и для контроля качества уже готовой продукции, в лабораторных исследованиях конструкций и материалов, при их разработке, в машиностроительной и железнодорожной промышленности, исследовательских центрах и институтах, энергетических отраслях.
Устройство и характеристики
Принцип работы твердомера состоит в измерении различных показателей (в зависимости от вида прибора) при механическом воздействии на материал.
По результатам этих измерений и проводится оценка твердости материала.
В зависимости от различных параметров заготовки, например, размеров, конструкции, свойств материала, для контроля твердости могут быть использованы стационарные или портативные твердомеры.
Их конструкция отличается, в зависимости от используемого метода исследования.
Портативные модели используют в тех случаях, когда невозможно применение стационарных вариантов, например, если детали заготовки слишком велики, либо же из-за их большой массы, когда объект исследования невозможно транспортировать в лабораторию.
Твердомеры состоят из нескольких основных элементов:
• Корпус с вычислительной электроникой.
На нем имеется элементы управления, дисплей для вывода результата измерений и отображения настроек.
На стационарных вариантах может быть вмонтирован микроскоп.
• Наковальня (для стационарных вариантов) – площадка, на которую устанавливается исследуемый образец.
• Датчик с индентором – элемент механического воздействия на образец с регистратором силы этого воздействия.
В портативных вариантах соединен с корпусом гибким проводом, либо же жестко.
Существуют беспроводные модели.
Материал
Корпус, наковальня и все подвижные элементы стационарного прибора изготавливаются, как правило, из металла или прочного пластика.
Портативные устройства практически все пластиковые с герметичным корпусом.
Модели, рассчитанные на использование в полевых условиях, водонепроницаемы, и имеют резиновые накладки, защищающие прибор от ударов.
Размеры и вес
Вес некоторых стационарных твердомеров превышает 200кг, а их высота и длинна доходят до 1 м и более.
Подразумевается, что эти измерительные приборы будут установлены неподвижно, так что их размеры и масса не имеют какого-либо влияния на удобство использования.
Для портативных приборов, кроме точности замеров, важными показателями являются габариты и вес.
Переносные модели весят, как правило, 150 – 200 г (около 500 г в металлическом корпусе).
Их габаритные размеры сравнимы с рацией, инженерным калькулятором или портативным радиоприемником.
Для транспортировки используется ударопрочный кейс.
Память
Хороший портативный твердомер способен хранить показатели одновременно нескольких предыдущих замеров прибора.
Для этого он оборудован встроенной памятью.
Для переноса показателей из памяти прибора на компьютер, он может быть оснащен стандартным USB-интерфейсом.
Как правило, память для хранения показателей твердомера энергонезависима.
Иными словами, сохраненные данные не теряются при полной разрядке аккумулятора или его отсутствии.
Кром того, некоторые модели позволяют сохранять не только показатели замеров, но и его настройки.
Это удобно, так как нет необходимости перенастраивать прибор после каждого отключения.
Виды твердомеров, назначение и методы измерения твердости
Размеры этих измерительных инструментов оказывают непосредственное влияние на их классификацию, так для измерения твердости материалов приборы делятся на:
Стационарные
Имеют большие габариты и вес, используются в лабораториях для проведения измерений с минимальными погрешностями.
Опционально оборудованы интерфейсом для подключения к компьютеру, микроскопу и принтеру для распечатки результатов исследования.
Источник питания – бытовая сеть.
Имеют клавиатуру для ввода параметров измерения, результаты отображаются на встроенных дисплеях.
Портативные (переносные) твердомеры
Приборы с небольшой массой и габаритами.
Большинство из них помещаются в карман.
Несмотря на свои размеры, некоторые малогабаритные твердомеры имеют внушительный функционал.
Это и графический дисплей, и детальная настройка параметров измерений, и фотокамера, и наличие съемной карты памяти для хранения калибровок и результатов исследований.
Измерения могут проводится по нескольким шкалам одновременно, включая пользовательские варианты, выполнять пересчет между шкалами.
Ручной прибор питается от обыкновенных батареек, либо же встроенного аккумулятора.
Классификация методов измерения твердости материалов, которые лежат в основе работы твердомеров:
• Статические — группа методов, демонстрирующих сопротивление пластической деформации.
Индентор представляет собой алмазный наконечник, либо же стальной шарик, который постепенно вдавливается в поверхность материала, после чего проводится анализ оставленного отпечатка.
• Динамические — группа методов, демонстрирующих как сопротивление деформации, так и упругость.
Анализируется результат удара индентора о поверхность материала.
• Косвенные – группа методов, позволяющие оценить смежные свойства материала, например, изменение частоты пропущенной звуковой волны.
Стационарные приборы по принципу работы делятся на:
Твердомер Бринелля
В основе лежит метод вдавливания шарикового индентора в поверхность, предложенный инженером Ю. Бринеллем более века назад.
Первый в мире метод, получивший стандартизацию и широкое распространение.
Обозначение твердости – HB.
Твердомер Роквелла
В основе лежит метод вдавливания конусного индентора в поверхность, предложенный профессором Людвигом.
Для этого метода разработано несколько шкал, которые соответствуют паре индентор – нагрузка.
Шкалы имеют буквенные обозначения: A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T.
Сам же метод обозначается, как HR, к которому добавляется буква шкалы.
Твердомер Супер-Роквелла
Особенностью этого прибора является усовершенствованный метод работы на основе метода Роквелла.
Заключается он в проведении двух последовательных измерений.
Подробнее можно прочесть в ГОСТ 22975.
Твердомер Виккерса
В основе лежит метод вдавливания пирамидального индентора в материал, предложенный инженерами компании Vickers Ltd. в 1921 году.
Обозначается символами HV.
Существуют модификации, способные производить замеры по Микро-Виккерсу.
Твердомер по Шору
В основе лежит метод измерения высоты отскока индентора от поверхности.
Обозначается, как HS с добавлением буквы одной из шкал, соответствующих этому методу (С и D – основные шкалы).
Практическое применение данного метода ограничено, а сегодня он используется для контроля твердости неметаллических материалов.
Твердомер по Барколу
В основе лежит метод вдавливания индентора, который выполнен в форме усеченного конуса с плоской вершиной.
Считается почти универсальным, так как позволяет определять твердость большинства материалов.
Твердомер по Либу
В основе лежит метод измерения скорости отскока индентора.
Обозначается буквами HL
При работе прибора используются различные типы датчиков, каждый из которых имеет свое буквенное обозначение, которое указывается после HL.
Универсальные
Эти приборы могут использовать несколько методов определения твердости материала.
Применение каждого из перечисленных приборов ограничено в силу свойств контролируемых материалов.
Методам определения твердости соответствует одноименная шкала.
Портативные приборы по принципу работы классифицируются на:
Динамические твердомеры
Работа основана на фиксации скорости индентора датчика до удара о поверхность образца, а затем после его отскока.
Ультразвуковые твердомеры
Работа основана на внедрение датчика в поверхность материала с последующим замером частоты колебаний индентора.
На основе степени изменения частоты колебаний и проводится расчет твердости.
Комбинированные твердомеры
Способны проводить измерения описанными выше способами одновременно.
Является лучшим методом экспресс-контроля, так как позволяет получать более точные данные.
Само название “твердомер” обобщает инструменты для измерения твердости материалов в подкласс по их назначению.
• Склерометр – инструмент предназначенный для замера плотности строительных материалов, таких как: шлакоблок, кирпич, бетон и других.
В работе используются принципы отскока индентора, ультразвукового прозвучивания, оценки ударных импульсов.
Часто используются твердомеры царапающего типа со шкалой Фридриха Маоса.
• Карандашного типа – замеряет твердость лакокрасочных покрытий.
• Твердомер по Бухгольцу. Оценка результата производится через микроскоп.
• Дюрометр – измеряет твердость материала по Шору.
Плотность материала определяется путем его механического зажима.
Используется для контроля твердости по параметрам колебаний установленного на испытуемую пластину маятника в форме равнобедренного треугольника.
Применение ограничено в силу специфики прибора, так что он подходит только для контроля твердости лакокрасочного покрытия.
• Универсальные твердомеры металлов стационарного типа – высокоточные аппараты с низкой погрешностью.
Способны выводить результат одновременно по нескольким шкалам.
• Шариковые – используют метод сопротивления вдавливанию индентора в виде шарика.
Применение – измерение твердости полимерных покрытий и материалов.
Также все твердомеры можно разделить на цифровые и аналоговые.
Последний вариант встречается достаточно редко из-за относительно низкой точности измерений, которая зависит от навыков оператора.
Как правило, используется для контроля мягких материалов.
Для вывода результата имеют шкалу в виде циферблата со стрелкой, в то время, как электронные приборы оснащены цифровым экраном.
Выбор шкалы, по которой проводятся измерения, напрямую зависит от твердости испытуемого образца.
Так, шкалы Бринелля и Шора отлично подходят для контроля твердости пластика, дерева, резины и других материалов, обладающих низкой твердостью.
Шкалу Роквелла используют для материала, обладающего средней твердостью.
Шкала Виккерса подходит для очень твердых образцов.
Особенности твердомеров
Инденторы для твердомеров изготавливают в большинстве случаев из твердых сплавов.
Особенно это актуально для приборов, работающих по методу упругого отскока.
В ультразвуковых приборах на основе метода контактного импеданса индентором служит призма, изготовленная из алмаза.
Этот материал обладает одним из самых высоких модулей упругости, что позволяет получать достаточно точные результаты измерений.
Кроме того, он имеет высокий показатель износостойкости.
Что нужно знать о твердомерах
Твердомер, являясь высокоточным измерительным прибором, нуждается в периодической проверке на исправность.
Кроме того, регулярно проводится его калибровка.
Следует знать, что для каждого метода определения твердости существует свой стандарт калибровки.
Например, для стационарных твердомеров Бринелля, Виккерса и Роквелла – ГОСТ 23677-79.
В этом же ГОСТе указано, что у таких приборов средняя наработка на отказ должна составлять не менее 25 тыс. (12,5 тыс. для вариантов с вычислительными модулями) часов.
Этот параметр определяет продолжительность работы устройства до первого отказа.
При этом полный срок службы должен превышать 10 лет, в соответствие все тому же государственному стандарту.
Первичная проверка осуществляется изготовителем.
Как выбрать твердомер?
Прежде чем приступить к выбору твердомера, необходимо определиться, с какими материалами предстоит работа.
От этого напрямую зависит метод контроля твердости.
Если важным требованием является точность замеров, а прибор будет использоваться в лаборатории предприятия, предпочтение отдается стационарным вариантам (в идеале — универсальным).
Для проведения замеров вне лабораторных условий, единственным верным решением будет покупка переносного твердомера.
Так как использование каждого метода ограничивается различными факторами, необходимо опираться на приведенные критерии.
Основные критерии
• Метод определения твердости.
Лучше приобрести комбинированный прибор, так как динамический метод хорошо подходит для геометрически простых массивных деталей, а ультразвуковой – небольших образцов материала сложной формы.
Современные портативные приборы имеют сложную электронику, чувствительную к внешним воздействиям.
Ее должен защищать ударопрочный влагостойкий (или вовсе водонепроницаемый) корпус с резиновыми накладками для удобства удержания.
• Связь с индентором.
Производители предлагают 3 варианта подключения датчика с индентором к регистрирующему оборудованию (основному модулю): встроенный, проводной или беспроводной (связь по Bluetooth).
От выбора зависит удобство использования.
• Возможность комплектации дополнительными типами датчиков.
• Возможность подключения к ПК и внешнему принтеру напрямую.
• Возможность работать с несколькими шкалами и преобразование результатов между шкалами.
Производители твердомеров
Пользовательское меню практически всех зарубежных твердомеров не имеет русского языка.
Это приводит к неудобству их эксплуатации в русском сегменте пользователей.
При этом, отечественные производители выпускают приборы, которые ничем не уступают зарубежным аналогам.
Среди зарубежных производителей по качеству измерительных приборов следует отметить PCE, Mitutoyo, Smart Sensor, Proceq SA, Sinowon, Krautkramer – GE.