Цвёрдасць па Роквелу HRC, HRB і HRA - метад вымярэння, шкалы і прымяненне

Цвёрдасць па Роквелу — адзін з найбольш распаўсюджаных метадаў вымярэння цвёрдасці металаў у кантролі якасці, серыйнай вытворчасці і выпрабаваннях матэрыялаў. У адрозненне ад метадаў Брынеля і Вікерса, якія вымяраюць памеры ўвагнутасці, пакінутай індэнтарам, метад Роквелу выкарыстоўвае вымярэнне пастаяннай глыбіні пранікнення індэнтараГэта дазваляе счытваць вынік непасрэдна з цвёрдамеру, без правядзення аптычнага вымярэння ўціскання.
Найбольш распаўсюджаныя шкалы ўключаюць HRC, HRB і HRA, але сістэма Роквела таксама ўключае іншыя шкалы для розных матэрыялаў, дыяпазонаў цвёрдасці і таўшчыні кампанентаў. Выбар правільнай шкалы мае вырашальнае значэнне для атрымання дакладных і параўнальных вынікаў.

Што азначае цвёрдасць па Роквелу?

Метад Роквела вызначае цвёрдасць, зыходзячы з рознасці глыбіні пранікнення індэнтара пад дзеяннем двух узроўняў сілы: папярэдняй нагрузкі і поўнай нагрузкі.
У залежнасці ад выкарыстоўванай шкалы выкарыстоўваюцца наступныя:

• алмазны конус,
• карбідны шарык вальфрам.

Пазнака выніку змяшчае лікавае значэнне і сімвал шкалы, напрыклад:

• 62 HRC,
• 45 HRC,
• 85 HRBW,
• 75 HRA.

Не прыводзьце толькі лікавае значэнне без абазначэння шкалы. Напрыклад, значэнні 60 HRC і 60 HRA адлюстроўваюць вынікі, атрыманыя пры розных умовах вымярэння, і не з'яўляюцца непасрэдна эквівалентнымі.

Што такое метад Роквела?

Выпрабаванне пачынаецца з кантакту індэнтара з паверхняй узору. Затым прыкладваецца пачатковая сіла F₀, якая ўстанаўлівае апорнае становішча і абмяжоўвае ўплыў нязначных няроўнасцей паверхні і люфту ў вымяральнай сістэме.
Пасля стабілізацыі становішча індэнтара прыкладаецца дадатковая сіла, што прыводзіць да далейшага пранікнення матэрыялу. Сума пачатковай і дадатковай сіл складае агульную выпрабавальную сілу F.
Праз пэўны час дадатковая сіла здымаецца, але пачатковая сіла застаецца прыкладзенай. Адбываецца частковае пругкае аднаўленне дэфармацыі матэрыялу.
Цвёрдамер вымярае пастаянную розніцу ў глыбіні пранікнення і выкарыстоўвае яе для вызначэння значэння цвёрдасці па Роквелу.
Дызайн даследавання можна прадставіць наступным чынам:
кантакт з індэнтарам → папярэдні націск → усталяванне апорнай кропкі → агульная нагрузка → пранікненне ў матэрыял → зняцце дадатковай нагрузкі → вымярэнне пастаяннай глыбіні → вымярэнне цвёрдасці

Чаму Роквел вымярае глыбіню, а не дыяметр адбітка?

Гэта адно з найважнейшых адрозненняў паміж метадам Роквела і метадамі Брынеля і Вікерса.
Метад Брынеля вымярае дыяметр адбітка шарыка. Метад Вікерса вымярае дыяганалі адбітка алмазнай піраміды. Метад Роквела вымярае глыбіню непасрэдна ў вымяральнай сістэме цвёрдамеру.
Гэта дазваляе значна скараціць час даследавання і абмяжоўвае ўплыў аператара, звязаны з аптычным вызначэннем межаў адбітка.
Па гэтай прычыне метад Роквела асабліва карысны ў кіраванні серыйнай вытворчасцю.

Шкала HRC – Rockwell C

маштаб HRC — гэта найбольш распаўсюджаная шкала Роквела і адзін з асноўных метадаў ацэнкі цвёрдасці загартаваных сталей.
Выкарыстоўваецца шкала HRC алмазны конусПачатковая сіла прыблізна роўная 98,07 N, у той час як агульная магутнасць даследавання складае прыблізна 1471 N, што гістарычна эквівалентна 150 кгс.
Шкала HRC выкарыстоўваецца, сярод іншага, для вывучэння:

• загартаваныя сталі,
• інструментальныя сталі,
• мартэнсітныя сталі,
• элементы пасля цеплавое паляпшэнне,
• падшыпнікі,
• валы і элементы машын высокай цвёрдасці,
• інструменты,
• некаторыя мартэнсітныя нержавеючыя сталі i ападкаў, зацвярдзелых.

Згодна з ISO 6508-1:2023, тыповы дыяпазон прымянення шкалы C складае 20–70 HRC.

Як працуе алмазны індэнтар па шкале HRC?

Індэнтар, які выкарыстоўваецца ў шкалах HRC, HRA і HRD, мае форму алмазнага конуса з адпаведнай формай наканечніка.
Алмаз выкарыстоўваецца з-за яго вельмі высокай цвёрдасці і ўстойлівасці да рэшткавай дэфармацыі.
Гэта асабліва важна пры выпрабаванні загартаваных сталей, цвёрдасць якіх была б занадта высокай для належнага выкарыстання сферычнага індэнтара на многіх шкалах Роквела.
Стан індэнтара непасрэдна ўплывае на дакладнасць вымярэнняў. Пашкоджанне, знос або няправільная геаметрыя наканечніка могуць выклікаць сістэматычныя памылкі ў выніках.

Шкала HRB і сучаснае абазначэнне HRBW

Шкала B прызначана ў першую чаргу для матэрыялаў з меншай цвёрдасцю, чым тыповыя загартаваныя сталі.
У гэтай шкале выкарыстоўваецца шарык дыяметрам 1,5875 мм або 1/16 цалі. Сучасны стандарт ISO для шарыка з карбіду вальфраму выкарыстоўвае пазначэнне HRBW.
Пачатковая сіла прыблізна 98,07 N, а агульная колькасць даследчыкаў складае прыблізна 980,7 N, г.зн. гістарычна 100 кгс.
Шкала B можа выкарыстоўвацца, сярод іншага, для:

• мяккія сталі,
• сталь у адпаленым стане,
• сплавы медзь,
• латунь,
• карычневыя,
• некаторыя сплавы алюміній,
• іншыя матэрыялы з цвёрдасцю ніжэйшай за тыповы дыяпазон HRC.

У тэхнічнай практыцы абрэвіятура HRB усё яшчэ вельмі распаўсюджаная , асабліва ў старых дакументах, табліцах і картках матэрыялаў.

Шкала HRA – Роквел А

маштаб HRA выкарыстоўвае алмазны конус, падобны да HRC, але агульная выпрабавальная сіла ніжэйшая і складае прыблізна 588,4 N, што гістарычна адпавядае 60 кгс.
HRA можа выкарыстоўвацца, сярод іншага, для:

• вельмі цвёрдыя матэрыялы,
• цвёрдых сплаваў,
• некаторыя тонкія элементы,
• матэрыялы, для якіх больш высокая сіла, прыкладзеная ў HRC, была б нявыгаднай.

Згодна з ISO 6508-1:2023, дыяпазон прымянення шкалы А складае 20–95 HRA.

Параўнанне HRA, HRBW і HRC

Іншыя шкалы Роквела

HRA, HRBW і HRC — гэта не адзіныя шкалы Роквела. Стандарт ISO 6508-1 таксама ўключае шкалы. D, E, F, G, H і K.
Яны адрозніваюцца тыпам індэнтара, дыяметрам шарыка і велічынёй агульнай выпрабавальнай сілы.

Як разлічваецца цвёрдасць па Роквелу?

Шкала Роквела звязана з глыбінёй пранікнення індэнтара пасля зняцця дадатковай выпрабавальнай сілы.
Для класічных шкал Роквела адзінка змены глыбіні адпавядае 0,002 мм.
У залежнасці ад тыпу шкалы выкарыстоўваецца адпаведная маштабная канстанта.
Для шкал з алмазным конусам, такіх як HRA, HRC і HRD, залежнасць выглядае наступным чынам:
ЧСС = 100 − г / 0,002
а для класічных вагаў з выкарыстаннем шарыка:
ЧСС = 130 − г / 0,002
дзе h азначае пастаянную глыбіню пранікнення, выражаную ў міліметрах.
Гэта азначае, што па меры павелічэння глыбіні пастаяннага адбітка значэнне цвёрдасці па Роквелу памяншаецца.

Чаму выкарыстоўваецца папярэдняя нагрузка?

Папярэдні нагрузак з'яўляецца характэрнай рысай метаду Роквела.
Яго галоўная задача:

• усталяванне арыенціра для вымярэння глыбіні,
• забеспячэнне належнага кантакту паміж індэнтарам і ўзорам,
• абмежаванне ўздзеяння дробных няроўнасцей паверхні,
• абмежаванне ўплыву механічнага люфту ў вымяральнай сістэме.

Толькі пасля таго, як пачатковая сіла была прыкладзена, прыкладаецца дадатковая сіла, якая выклікае істотнае пранікненне матэрыялу.

Дыяпазон шкалы HRC

Згодна з ISO 6508-1:2023 асноўная сфера прымянення шкалы HRC — 20–70 HRC.
Калі матэрыял занадта мяккі для належнага вымярэння цвёрдасці па шкале Роквела, варта выкарыстоўваць іншую шкалу Роквела або метад вымярэння цвёрдасці.
Шкалу HRC не варта лічыць універсальнай толькі таму, што яна найбольш вядомая.
Напрыклад, для нізкавугляродзістай канструкцыйнай сталі або аўстэнітнай сталі ў стане зацвярдзення на раствор можа спатрэбіцца іншая шкала або метад Брынеля ці Вікерса.

Што азначае 60 HRC?

Каштоўнасць 60 HRC азначае вынік 60 па шкале Роквела C, атрыманы з выкарыстаннем зададзенага індэнтара, уваходнай сілы і агульнай выпрабавальнай сілы.
На практыцы 60 HRC паказвае на матэрыял з высокай цвёрдасцю. Такія значэнні могуць сустракацца, напрыклад, у належным чынам загартаваных інструментальных або падшыпнікавых сталях.
Аднак, толькі значэнне цвёрдасці 60 HRC не вызначае марку сталі або ўсе яе механічныя ўласцівасці.
Дзве сталі з аднолькавай цвёрдасцю па HRC могуць адрознівацца:

• ударная глейкасць,
• устойлівасць да расколін,
• трываласць на стомленасць,
• зносаўстойлівасць,
• каразійная ўстойлівасць,
• стабільнасць пры падвышаных тэмпературах.

HRC і тэрмічная апрацоўка сталі

Вымярэнне HRC асабліва карысна для кантролю тэрмічнай апрацоўкі сталі.
Загартоўка можа прывесці да ўтварэння цвёрдай мартэнсітнай структуры, у той час як наступны адпачынак змяняе цвёрдасць і іншыя механічныя ўласцівасці.
Вымярэнне HRC дазваляе хутка праверыць, ці дасягнуў кампанент патрэбнага дыяпазону цвёрдасці.
Ён выкарыстоўваецца, сярод іншага, для кантролю:

• інструменты,
• набярэжныя,
• шасцярні,
• падшыпнікі,
• матрыцы,
• штампы,
• элементы з інструментальнай сталі,
• мартэнсітныя нержавеючыя сталі.

Цвёрдасць нержавеючых сталей па Роквелу

Для нержавеючых сталей выбар акаліны залежыць ад групы матэрыялу і яго стану.
Аўстэнітныя нержавеючыя сталі, такія як 1.4301 / AISI 304, 1.4307 / 304L, 1.4401 / 316 Ораз 316L, не падвяргаюцца класічнаму цеплавому загартоўванню. Аднак іх цвёрдасць можна значна павялічыць шляхам халоднай апрацоўкі.
Мартэнсітныя сталі, такія як 1.4021, 1.4034 або 1.4112аднак яны могуць дасягнуць высокай цвёрдасці пасля загартоўкі і адпуску, таму шкала HRC мае для іх вялікае значэнне.
Асобную групу складаюць дысперсійна-гартуючыя сталі, такія як 1.4542 / 17-4PH, цвёрдасць якіх залежыць ад стану тэрмічнай апрацоўкі, напрыклад, H900, H1025, H1075, H1100 або H1150.

Таўшчыня ўзору і вымярэнне па Роквелу

Адной з найважнейшых умоў правільнага вымярэння з'яўляецца адпаведная таўшчыня праверанага элемента.
Калі ўзор занадта тонкі, зона дэфармацыі пад індэнтарам можа ўзаемадзейнічаць з процілеглай паверхняй або апорай.
Гэта можа прывесці да ілжывага выніку.
На процілеглым баку ўзору не павінна быць бачных прыкмет дэфармацыі, выкліканай вымярэннем.
Для тонкіх элементаў варта выкарыстоўваць павярхоўныя шкалы Роквела або іншы метад, напрыклад, Вікерса, з адпаведна падабранай сілай.

Павярхоўныя шкалы Роквела

Для больш тонкіх элементаў і больш павярхоўных слаёў, Павярхоўныя шкалы Роквела.
Сярод іх:

• HR15N,
• HR30N,
• HR45N,
• HR15T,
• HR30T,
• HR45T.

На паверхневых маштабах выкарыстоўваюцца меншыя сілы, чым на класічных маштабах Роквела.
Шалі з літарай N выкарыстоўвайце алмазны індэнтар, у той час як шкалы з літарай T яны выкарыстоўваюць сферычны індэнтар.
Яны карысныя, сярод іншага, для выпрабаванняў тонкіх элементаў, дробных дэталяў і пэўных паверхневых слаёў, дзе класічная нагрузка Роквела прывяла б да занадта глыбокага пранікнення.

Падрыхтоўка паверхні для выпрабаванняў па Роквелу

Паверхня ўзору павінна быць чыстай, стабільнай і належным чынам падрыхтаванай.
Варта выдаліць наступнае:

• маштаб,
• сыпкія прадукты карозія,
• забруджванне,
• тоўстыя пласты аксідаў,
• іншыя пласты, якія могуць паўплываць на пранікненне індэнтара.

Паверхня павінна быць дастаткова гладкай, каб няроўнасці не ўплывалі істотна на вымярэнне глыбіні.
Адначасова падрыхтоўка паверхні не павінна выклікаць перагрэву, умацавання або іншых змен павярхоўнага пласта.

Важнасць належнай падтрымкі ўзору

Правераны элемент павінен быць стабільна замацаваны.
Любы рух узору падчас прыкладання сілы можа інтэрпрэтавацца вымяральнай сістэмай як дадатковае пранікненне індэнтара.
Асаблівую ўвагу варта звярнуць на:

• цыліндрычныя элементы,
• ролікі,
• трубы,
• элементы няправільнай формы,
• тонкія ўзоры.

Для цыліндрычных элементаў выкарыстоўваюцца адпаведныя апоры, у тым ліку V-вобразныя прызмы.

Вымярэнне па Роквелу на цыліндрычных паверхнях

Крывуля паверхні ўплывае на геаметрыю кантакту індэнтара з матэрыялам і можа выклікаць розніцу паміж паказанай і фактычнай цвёрдасцю.
Стандарты прадугледжваюць карэкціроўку вынікаў для выпуклых паверхняў з вядомым радыусам у пэўных выпадках.
Чым меншы дыяметр вала або цыліндрычнага элемента, які правяраецца, тым большы можа быць уплыў крывізны на вынік.
Такім чынам, пры праверцы ролікаў неапрацаваныя паказанні HRC або HRB нельга некрытычна інтэрпрэтаваць як эквівалентныя вымярэнню, зробленаму на плоскай паверхні.

Адлегласць ад краю і паміж адбіткамі

Кожнае вымярэнне выклікае лакальную пластычную дэфармацыю матэрыялу.
Наступны адбітак нельга рабіць занадта блізка да папярэдняга, бо зоны дэфармацыі могуць уплываць адна на адну.
Таксама варта падтрымліваць адпаведную адлегласць ад краю ўзору.
Дакладныя мінімальныя адлегласці павінны быць выбраны ў адпаведнасці з патрабаваннямі адпаведнага стандарту і выкарыстоўванага маштабу.

Найбольш распаўсюджаныя памылкі пры вымярэнні па Роквелу

Сярод распаўсюджаных крыніц памылак:

• выкарыстанне няправільнай шкалы,
• занадта тонкі ўзор,
• няўстойлівая падтрымка элемента,
• брудная або занадта шурпатая паверхня,
• ствараючы ўражанне занадта блізка да краю,
• рабіць наступныя ўражанні занадта блізка адно да аднаго,
• зношаны або пашкоджаны індэнтар,
• няправільная праверка цвёрдамеру,
• вібрацыі падчас выпрабаванняў,
• няправільнае размяшчэнне ўзору адносна восі індэнтара,
• неўлік крывізны праверанага элемента.

Перавагі метаду Роквела

Да найважнейшых пераваг адносяцца:

• вельмі хуткае вымярэнне,
• непасрэднае счытванне выніку,
• няма неабходнасці аптычнага вымярэння адбітка,
• вялікая карыснасць у кіраванні партыямі,
• шырокі выбар вагаў,
• магчымасць выпрабоўваць матэрыялы вельмі рознай цвёрдасці,
• адносна невялікае ўцісканне ў параўнанні з метадам Брынеля,
• вельмі шырокае прамысловае прымяненне.

Абмежаванні метаду Роквела

Метад Роквела таксама мае абмежаванні.
Вынік можа быць асабліва адчувальным да:

• няправільны выбар маштабу,
• малая таўшчыня элемента,
• шурпатасць паверхні,
• няўстойлівая падтрымка,
• крывізна ўзору,
• лакальная неаднароднасць мікраструктуры.

Уцісканне меншае, чым у метадзе Брынеля, таму вынік можа адлюстроўваць больш лакальныя ўласцівасці матэрыялу.
Для вельмі неаднародных матэрыялаў, такіх як некаторыя віды чыгуну або буйныя адліўкі, метад Брынеля можа даць больш рэпрэзентатыўнае сярэдняе ўяўленне аб мікраструктуре.

Роквел і Брынель

Роквел і Вікерс

Вікерс выкарыстоўвае алмазную піраміду і аптычнае вымярэнне дыяганаляў адбіткаў. Роквел, з іншага боку, вымярае глыбіню пранікнення.
Прыбор Віккерса вельмі універсальны і можа выкарыстоўвацца для вымярэння невялікіх плошчаў і мікрацвёрдасці. Прыбор Роквелла, наадварот, хутчэйшы і асабліва добра падыходзіць для кантролю вытворчасці.

Пераўтварэнне HRC у HBW і HV

На практыцы часта ўзнікае неабходнасць параўнаць значэнні HRC з вынікамі па Брынэлю або Вікерсу.
Такія пераўтварэнні з'яўляюцца прыблізны і залежаць ад тыпу матэрыялу, які тэстуецца.
HRC, HBW і HV не варта разглядаць як шкалы, звязаныя адной універсальнай матэматычнай суадносінамі.
Для тэхнічных пераўтварэнняў выкарыстоўвайце адпаведныя табліцы пераўтварэння для канкрэтнай групы матэрыялаў.
Патрабуецца асаблівая асцярожнасць:

• аўстэнітныя сталі,
• дуплексныя і супердуплексныя канстанты,
• дысперсійна-гартуючыя сталі,
• чыгун,
• нікелевыя сплавы,
• ногі алюміній.

Стандарты для вымярэння цвёрдасці па Роквелу

Асноўнай міжнароднай серыяй стандартаў для вымярэння цвёрдасці па Роквелу з'яўляецца ISO 6508.

У тэхнічнай дакументацыі варта звярнуць увагу на дакладнае выданне стандарту, указанае заказчыкам, спецыфікацыю матэрыялу або ўмовы прыёмкі.

ISO 6508-1 і ASTM E18

У стандартах ISO 6508-1 і ASTM E18 апісаны метады выпрабаванняў цвёрдасці па Роквелу, але для прыёмачных выпрабаванняў іх нельга разглядаць як аўтаматычна ўзаемазаменныя дакументы ва ўсіх дэталях.
Калі заказ, стандарт на прадукт або спецыфікацыя кліента патрабуюць выпрабаванняў у адпаведнасці з ASTM E18, вынік павінен быць атрыманы ў адпаведнасці з ASTM E18. Аналагічна, калі патрабуецца ISO 6508-1, павінны прымяняцца патрабаванні гэтага стандарту.
Гэта асабліва важна, калі:

• прыёмачныя выпрабаванні,
• кантроль за пастаўкамі матэрыялаў,
• падрыхтоўка лабараторных справаздач,
• сертыфікацыя,
• параўнанне вынікаў, атрыманых рознымі лабараторыямі.

Дзе выкарыстоўваюцца вымярэнні па Роквелу?

Метад Роквела звычайна выкарыстоўваецца ў:

• металургія,
• інструментальная прамысловасць,
• вытворчасць падшыпнікаў,
• вытворчасць шасцярняў і валаў,
• кантроль тэрмічнай апрацоўкі,
• аўтамабільная прамысловасць,
• вытворчасць дэталяў машын,
• лабараторыі матэрыялаў,
• серыйны кантроль якасці.

Хуткасць выпрабаванняў азначае, што адзін цвёрдамер можа быць выкарыстаны для праверкі вялікай колькасці вытворчых кампанентаў.

Ці вызначае HRC трываласць сталі?

Цвёрдасць можа карэляваць з некаторымі механічнымі ўласцівасцямі, але HRC не з'яўляецца прамым вымярэннем трываласці на расцяжэнне.
Не ўсе ўласцівасці матэрыялу павінны вызначацца толькі на аснове HRC.
Высокацвёрдая сталь таксама можа мець меншую пластычнасць або ўдарную глейкасць. З іншага боку, адпачынак можа знізіць цвёрдасць, але палепшыць глейкасць матэрыялу на разлом.
Такім чынам, вымярэнні па Роквелу варта інтэрпрэтаваць разам з інфармацыяй адносна:

• тып матэрыялу,
• мікраструктуры,
• волава тэрмічная апрацоўка,
• трываласць на расцяжэнне Rm,
• мяжа цякучасці Rp0,2,
• пашырэнне А,
• ударная вязкасць KV.

Метад Роквела — адзін з найважнейшых прамысловых метадаў вымярэння цвёрдасці металаў. Яго галоўная перавага заключаецца ў тым, што ён вызначае цвёрдасць на аснове глыбіня пранікнення індэнтара, таму вынік можна атрымаць хутка і без аптычнага вымярэння адбітка.
Найбольш вядомая шкала — HRC, выкарыстоўваецца ў асноўным для загартаваных сталей і іншых матэрыялаў з высокай цвёрдасцю. Акаліна HRBW выкарыстоўвае шарык і выкарыстоўваецца для матэрыялаў з меншай цвёрдасцю, у той час як HRA выкарыстоўвае алмазны індэнтар з меншай агульнай сілай, чым HRC.
Для правільнага вымярэння патрабуецца правільны выбар шкалы, адпаведная таўшчыня і падрыхтоўка ўзору, стабільная апора элемента і эфектыўны і належным чынам правераны цвёрдамер.
Асноўным міжнародным стандартам для гэтага метаду з'яўляецца ISO 6508-1: 2023, у той час як у сістэме ASTM выкарыстоўваецца ASTM E18.

Прымяненне – пераўтваральнік цвёрдасці па Брынэлю HB, Роквелу HRC, Вікерсу HV, Кнупу, Моосу

Цвёрдасць металаў і сталей — метады вымярэння, шкалы цвёрдасці і пераўтварэнне
Цвёрдасць па Роквелу HRC, HRB і HRA - метад вымярэння, шкалы і прымяненне
Цвёрдасць па Брынелю HBW - метад вымярэння, шкала, формула і прымяненне
Цвёрдасць па Вікерсу HV - метад вымярэння, формула і прымяненне
Цвёрдасць па Кнупу HK - метад вымярэння, мікрацвёрдасць і прымяненне
Шкала Мооса — табліца цвёрдасці мінералаў і матэрыялаў
Пераўтварэнне цвёрдасці HBW, HRC, HRB і HV — табліцы пераўтварэння