Шкала Роквелла — это шкала твердости , основанная на твердости материала при вдавливании. Тест Роквелла измеряет глубину проникновения индентора под большой нагрузкой (основная нагрузка) по сравнению с проникновением, произведенным предварительной нагрузкой (второстепенная нагрузка). [1] Существуют различные шкалы, обозначенные одной буквой, которые используют различные нагрузки или инденторы. Результатом является безразмерное число, обозначенное как HRA, HRB, HRC и т. д., где последняя буква — соответствующая шкала Роквелла. Большие числа соответствуют более твердым материалам.
При испытании металлов твердость при вдавливании линейно коррелирует с прочностью на растяжение . [2]
Метод измерения твердости по дифференциальной глубине был предложен в 1908 году венским профессором Паулем Людвиком в его книге Die Kegelprobe (грубо говоря, «конусный тест»). [3] Метод дифференциальной глубины исключал ошибки, связанные с механическими несовершенствами системы, такими как люфт и поверхностные несовершенства. Метод испытания твердости по Бринеллю , изобретенный в Швеции, был разработан ранее — в 1900 году, — но он был медленным, бесполезен для полностью закаленной стали и оставлял слишком большой отпечаток, чтобы считаться неразрушающим .
Хью М. Роквелл (1890–1957) и Стэнли П. Роквелл (1886–1940) из Коннектикута в Соединенных Штатах совместно изобрели «твердомер Роквелла», машину с дифференциальной глубиной. Они подали заявку на патент 15 июля 1914 года. [4] Требованием к этому тестеру было быстрое определение эффектов термообработки на стальных дорожках подшипников. Заявка была впоследствии одобрена 11 февраля 1919 года и имеет патент США 1,294,171 . На момент изобретения и Хью, и Стэнли Роквелл работали в New Departure Manufacturing Co. из Бристоля, штат Коннектикут . [5] New Departure была крупным производителем шариковых подшипников, которая в 1916 году стала частью United Motors, а вскоре после этого — General Motors Corp.
Покинув компанию в Коннектикуте, Стэнли Роквелл, тогда работавший в Сиракузах, штат Нью-Йорк, 11 сентября 1919 года подал заявку на усовершенствование оригинального изобретения, которая была одобрена 18 ноября 1924 года. Новый тестер имеет патент США 1 516 207. [ 6] [7] Роквелл переехал в Уэст-Хартфорд, штат Коннектикут, и в 1921 году внес дополнительные усовершенствования. [7] В 1920 году Стэнли сотрудничал с производителем инструментов Чарльзом Х. Уилсоном из компании Wilson-Mauelen, чтобы коммерциализировать свое изобретение и разработать стандартизированные испытательные машины. [8] Стэнли основал фирму по термообработке примерно в 1923 году, Stanley P. Rockwell Company, которая просуществовала до 2012 года. [9] Здание, которое сохранилось до сих пор, пустовало в 2016 году. [10] Позднее названная Wilson Mechanical Instrument Company, с течением лет сменила владельца и была приобретена Instron Corp. в 1993 году. [11]
Испытание твердости по Роквеллу можно проводить на нескольких различных твердомерах. [12] [13] Однако все тестеры попадают в одну из трех категорий. Стендовые твердомеры могут быть как в цифровой, так и в аналоговой модели. Цифровые стендовые модели используют цифровой дисплей и, как правило, требуют больше технической подготовки для работы, в то время как аналоговые модели проще в эксплуатации, а также очень точны и отображают результаты на циферблате на передней панели машины. Все стендовые модели тестеров обычно находятся в мастерской или лаборатории. Другие тестеры являются портативными, и все портативные тестеры будут поставляться в цифровой модели, включая цифровой экран результатов, аналогичный экрану цифровой модели стенда. Портативные тестеры практичны и просты в использовании. [ необходима цитата ]
Определение твердости материала по Роквеллу включает приложение малой нагрузки, за которой следует большая нагрузка. Малая нагрузка устанавливает нулевое положение. Большая нагрузка прикладывается, затем снимается, при этом малая нагрузка сохраняется. Глубина проникновения от нулевой точки измеряется по шкале, на которой более твердый материал дает меньшую меру. То есть глубина проникновения и твердость обратно пропорциональны. Главным преимуществом твердости по Роквеллу является ее способность отображать значения твердости напрямую, что позволяет избежать утомительных расчетов, используемых в других методах измерения твердости.
Тест Роквелла очень экономически эффективен, поскольку он не использует никакого оптического оборудования для измерения твердости на основе небольшого сделанного отпечатка, а все расчеты производятся внутри машины для измерения отпечатка в образце, предоставляя четкий результат таким образом, который легко читать и понимать после получения. Это также предотвращает необходимость какой-либо повторной обработки или отделки образца как до, так и после испытания. Однако крайне важно дважды проверять образцы, поскольку даже самые маленькие отпечатки, сделанные в ходе испытания, могут потенциально привести к неправильным измерениям твердости, что приведет к катастрофе. Со временем индентор на шкале Роквелла также может стать неточным и его необходимо заменить, чтобы обеспечить точные и точные измерения твердости. [14]
Уравнение для определения твердости по Роквеллу имеет вид , где d — глубина в мм (от точки нулевой нагрузки), а N и h — масштабные коэффициенты, которые зависят от масштаба используемого испытания (см. следующий раздел).
Обычно используется в машиностроении и металлургии . Его коммерческая популярность обусловлена его скоростью, надежностью, прочностью, разрешением и малой площадью индентирования.
Этапы эксплуатации твердомеров по Роквеллу старого образца:
Для получения надежных показаний толщина образца должна быть не менее чем в 10 раз больше глубины отпечатка. [16] Кроме того, показания следует снимать с плоской перпендикулярной поверхности, поскольку выпуклые поверхности дают более низкие показания. Поправочный коэффициент можно использовать, если необходимо измерить твердость выпуклой поверхности. [17]
Существует несколько альтернативных шкал, наиболее часто используемые из которых — шкалы «B» и «C». Обе выражают твердость как произвольное безразмерное число .
Поверхностные шкалы Роквелла используют более низкие нагрузки и более мелкие отпечатки на хрупких и очень тонких материалах. Шкала 45N использует нагрузку 45 кгс на инденторе Brale в форме алмазного конуса и может использоваться на плотной керамике . Шкала 15T использует нагрузку 15 кгс на закаленный стальной шарик диаметром 1 ⁄ 16 дюйма (1,588 мм) и может использоваться на листовом металле .
Шкалы B и C перекрываются, поэтому показания ниже HRC 20 и выше HRB 100, которые обычно считаются ненадежными, не нужно принимать или указывать.
Типичные значения включают в себя:
Для специализированных приложений используются несколько других шкал, включая обширную шкалу А. Существуют специальные шкалы для измерения образцов, подвергнутых цементации .
