Твердомер must have для испытаний материалов
В основном твердомеры применяют при проведении аудита промышленной безопасности на опасных производственных площадках. Как разобраться в методах и какой прибор выбрать? Разберемся в этой статье.
Портативный твердомер - это прибор измеряющий твердость материалов и имеющий малый габарит. Существует 3 метода:
– динамический (Leeb/Либа),
– ультразвуковой (UCI)
– прямой статический (SPR) удобен для использования как на производственной площадке, так и на природном ландшафте.
Самые распространенные шкалы в твердометрии (единицы измерения):
– шкала Роквелла (HRC),
– шкала Бринелля (HB),
– шкала Виккерса (HV),
– шкала Шора (HSD).
В современных приборах доступна опция выбора и переключение между е.и.
Начнем с начала
Что такое “твердость” и почему ее так важно измерять?
Твёрдость это способность материала сохранять целостность структуры под воздействием различных нагрузок.
Такая информация дает возможность сделать вывод о стойкости угнетаемого материала к трению, устойчивости поверхностных слоев к разрушению, стойкости к износу, обрабатываемости, и пр. Это поможет рассчитать срок службы наблюдаемого объекта.
В чем отличия портативного твердомера от стационарной модели?
В портативных приборах реализованы иные методы измерения, нежели в стационарных. Описывать их не имеет смысла, так как каждый производитель добавляет что-то свое, однако принцип работы остается единым. Показатели по принятым в отрасли шкалам (HB, HRC, HL, HV) получаются конвертацией.
В стационарных моделях сразу работают по методам и в шкалах Бринелля, Виккерса, Роквелла.
Плюсы стационарных твердомеров:
– прямой метод контроля
– точность измерения выше
На этом все, зато минусов значительно больше:
– стоимость прибора выше
– имеют большие габариты
– сложные в управлении
– требуют оснащенную лабораторию для испытаний
– необходимо подготовить образцы (долго, требует остановки работающего оборудования при возможности, дорого).
Обратите внимание!
Переносной твердомер не то же самое, что портативный!
Переносной твердомер - это усовершенствованный стационарный аппарат. Он работает по методикам стационарного твердомера. И эти приборы так же относят к области разрушающего контроля.
Портативный твердомер так же оставляет отпечаток на проверяемой поверхности, но значительно меньших размеров, в связи с этим такие приборы принято условно считать представителями неразрушающего контроля (дефектоскопии).
Методы работы портативных твердомеров
- Ультразвуковой контактный импеданс (UCI).
Стержень с алмазным напылением на конусообразном наконечнике внедряется в поверхность исследуемого материала, и оставляет незначительное повреждение на проверяемой поверхности. При этом изменяется резонансная частота стержня. Величина затухания резонансной частоты коррелируется с твердостью объекта.
Этот метод капризен к шероховатостям на поверхности. При испытании датчик нужно стараться держать перпендикулярно к поверхности измеряемого объекта, допустимо отклонение на 15 градусов. Этот метод подходит для объектов с малой толщиной, так как метод оставляет незначительный след.
(Российских регламентов на UCI на 07. 2023 не существует)
- Динамический (ударный, Leeb).
Суть метода в измерении соотношения скорости падения бойка к скорости отскакивания. Если сравнить этот метод с ультразвуковым методом, динамический выигрывает в меньшей требовательности к шероховатости поверхности, а также воспроизводимостью показаний. Безусловно, он применяется в большинстве случаев на толстостенных объектах, так как след значительно больше чем при UCI и изделия с малой толщиной стенки более склонны к упругой деформации, что искажает результаты измерения.
Ударник может быть изготовлен из разных материалов: из победита/кубического нитрида бора/карбида вольфрама /поликристаллического алмаза/керамики/закалённой стали (и др) диаметром 1,5–5 миллиметров.
Этот метод работает по шкале Либа, который имеет госстандарт ГОСТ Р 8.969-2019 "Государственная система обеспечения единства измерений. Металлы и сплавы. Определение твёрдости по шкалам Либа. Часть 1. Метод измерений", от 1 марта 2020 года.
- Статический (SPR/Супер-Роквелла).
Принцип работы сродним с методом Роквелла (этот метод применяется в приборах стационарного типа). В твердомере, работающему по статическому методу есть индентор - это алмазный усечённый конус. Метод измеряет глубину прохождения индентора при подготовительной и рабочей нагрузке. Соотношение этих двух величин показателя пересчитывается в показатель твёрдости.
Последовательность действий:
- Снятие первичных показателей твёрдости поверхности объекта методом Супер-Роквелла (статическим).
- Калибровка датчиков (в зависимости от прибора ультразвуковых/динамических) согласно полученным данным первично снятых показателей твердости. Стоит отметить, что как правило требуется внесение поправок на влияние модуля плотности (упругости) материала.
- Контроль в классических шкалах HB, HRC, HV, HL.
Объединяет эти методы необходимость притирки изделий малой толщины к тяжеловесному основанию, при необходимости можно воспользоваться смазкой, к примеру "Консталин-1" / "Циатим-201”, для исключения вибраций и минимизации погрешностей.
Разновидности датчиков и их особенности
Для динамического метода, существуют несколько видов датчиков отличающихся следующими параметрами:
- Энергия удара.
Имеет два основных показателя – скорость бойка, с которой он упадет на проверяемую поверхность, и его масса. Чем глубже повреждения, тем выше “энергия удара”.
- Радиус индентора.
В основном он имеет размер 1,5 мм, но есть модели с индентором до 5 миллиметров.
- Разрешенная толщина объекта.
Изделия из особенно тонкого и хрупкого материала не предназначены к твердометрии.
- Разрешенная масса объекта.
У всех датчиков разные требования к минимальной массе ОК (объекта контроля), но предмет не может весить менее 1,5 килограммов.
- Требования к шероховатости.
Как правило, датчики допускают уровень шероховатости около Ra=3,2 мкм. Для поверхностей с шероховатостью превышающую Ra=3,2 мкм, производители приборов создали специализированные версии датчиков.
- Разновидность типов взведения ударника/бойка
Датчик оснащен телескопическим (автоматизированным) пуском или иметь ручной взвод бойка.
- Наличие настройки “для участков с трудным доступом”
- Наличие функции контроля угла наклона датчика.
Очень важная опция. Она поможет сократить испорченные замеры, так как зафиксирует и сообщит о наклоне преобразователя.
Отличие и разновидности ультразвуковых преобразователей
Стандартно есть 3 разновидности нагрузки преобразователя: 1, 5, 10 килограммов, это 10, 50, 100 Н – ньютонов. Чем нагрузка больше, тем глубже индентор проникает в ОК.
Это самый щадящий метод, он позволяет изучать объекты с гальваническим покрытием (9 мкм). Можно исследовать малые и тонкостенные объекты массой от 0,3 кг.
Датчик SPR – для статического метода
Индентор - это алмазный конус с углом заострения 100±0,5 мм. Предварительная нагрузка составляет 1 кг, основная – 4 кг (итого в сумме 5 кг или 50 Н).
Правовой статус портативных твердомеров
На конец 2023 года в России существует 1 стандарт по Leeb-методу. Ни одного стандарта по UCI-методу
Все нормативно-технические документы стандартизируют требования только к стационарным приборам. Тем не менее существуют аккредитованные портативные приборы, которые можно использовать в твердометрии.
Какой портативный твердомер выбрать?
Если есть регламентированные методики/инструкции/нормативные требования, то выбор скорее всего очевиден.
Если у вас ОК - это легкие изделия из тонкого материала, то стоит выбрать прибор с UCI-методом.
Так когда выбираем динамический метод?
- Приборы с динамическим методом выигрывают у ультразвуковых только поп параметру цена. Если вам не важен интерфейс, удобство, габариты твердомера, если вам не важен аккумулятор и наличие дистанционного управления, если у вас объект контроля попадает под параметры работы с динамическим методом, тогда стоит выбрать прибор с динамическим методом. В защиту серии стоит отметить, что точность прибора сопоставима с приборами ультразвуковыми.
Неочевидные детали
- Доступные датчики.
Каждый производитель разрабатывает уникальный датчик под себя. Это значит, что один датчик одного производителя точно не подойдет к прибору другого производителя.
При выборе прибора вам нужно обратить внимание на: размер датчика, гарантию на комплектующие, эргономичность ручки, надежность, расположение и разновидность разъемов, доступность самостоятельной замены кабеля и пр.
- Возможности статистической обработки данных.
При выборе стоит помнить, что некоторые модели автоматизированы и способны самостоятельно исключать из испытаний данные некорректно проведенных замеров, могут вычислять максимальное, минимальное и среднее значение и среднеквадратичное отклонение. Это очень поможет сотруднику и сэкономит много времени.
- Шкалы и калибровки к ним.
Если у вас на контроле сплавы меди или алюминия, вам потребуются не только штатные шкалы, но и программируемые, это тоже нужно учесть при выборе прибора.
- Объём памяти и возможность подключения ПК через USB.
В современных приборах можно сохранять огромное количество данных: результаты измерений, показатели по группам, создание и сохранение отчетов, приложения для мобильных телефонов с дистанционным получением результатов контроля, защита шкал и калибровок и многое другое.
- Полезные опции
Защита от сколов и падений - будет точно не лишним у портативного прибора! Или к примеру размер экрана, который поместит не только текущие значения, но и информацию по прошлым замерам.
- Питание.
К подбору аккумулятора стоит так же уделить время и решить для себя что удобнее: подзарядить аккумулятор, или просто заменить батарейки.
Обобщённые правила
Вы все правильно делаете если:
- Однородный материал при неизменной температуре демонстрирует неизменный показатель твердости и это никак не зависит от усилия прилагаемого к материалу и энергии, потраченной на это усилие
- Помните! У каждого метода свои требования к подготовке поверхности материала. Не игнорируйте эти требования и ваши измерения будут точными.
- При измерении любое смещение объекта приведет к искажению показателей, поэтому фиксировать объект контроля нужно крепко.
Каждый прибор допускает погрешность, для того, чтобы минимизировать её, нужно тщательно выполнять требования по подготовке поверхности объекта контроля. Не игнорируйте инструкцию по эксплуатации.
Таблица методов
Метод | Принцип вычисления твердости | Шероховатость поверхности образца, Ra | Индентор | Нагрузка | Шкала | Применение |
---|---|---|---|---|---|---|
Бринелля |
По диаметру отпечатка -- как приложенная нагрузка, деленная на площадь поверхности отпечатка (кгс/мм²) |
1,25 - 2,5 |
Твердосплавный шарик диаметром 1; 2; 2,5; 5 и 10 мм |
1 кгс (9,8Н) - 3000 кгс (29420Н) |
HB |
Закаленные и незакаленные стали, мягкие металлы и сплавы (свинец, олово), титан, медь, алюминий, чугун, высокопрочные сплавы (на основе никеля, кобальта и др.), подшипниковые сплавы |
Роквелла |
По глубине вдавливания -- как относительная разница в глубине вдавливания индентора при приложении основной и предварительной (10 кгс) нагрузки |
0,38 - 2,5 |
Алмазный конус с углом при вершине 120° |
60 кгс (588Н) |
HRA |
Коррозионностойкие и жаропрочные стали |
Твердосплавный шарик диаметром 1/16 дюйма (1,588 мм) |
100 кгс (980Н) |
HRB |
Сплавы меди, алюминиевые сплавы, бронза, ковкий чугун, низкоуглеродистые стали |
|||
Алмазный конус с углом при вершине 120° |
150 кгс (1471Н) |
HRC |
Высокоуглеродистые стали после термической или химико-термической обработки |
|||
Супер-Роквелла |
0,08 - 0,16 |
Алмазный конус с углом при вершине 120° или твердосплавный шарик диаметром 1/16 дюйма (1,588 мм) |
15 кгс (147,1Н) 30 кгс (294,2Н) 45 кгс (441,3Н) |
HRN, HRT |
Алюминиевые сплавы, детали с упрочненными поверхностными слоями, тонкие малогабаритные образцы |
|
Виккерса |
Производится деление нагрузки на площадь боковой поверхности полученного отпечатка |
0,02 - 0,04 |
Алмазный индентор в форме правильной четырехгранной пирамиды с углом 136° между противоположными гранями |
1 кгс (9,8Н) - 100 кгс (980Н) |
HV |
|