Методы контроля твердости металлопроката без разрушения образца: Бринелль, Роквелл, Виккерс

07.07.2025

При контроле состояния готовых изделий из проката часто используется безразрушительный способ оценки характеристик. Среди таких испытаний на первом месте находятся методы определения твердости.

На практике применяются стандартизированные методики с различным принципом измерения и областью точного применения. Метод Бринелля подходит для грубых заготовок и больших площадей поверхности, Роквелл дает результат быстро и точечно, Виккерс используется для тонких стенок и покрытий.

Каждый способ имеет нормативное обоснование и зависит от конфигурации, сплава, тепловой истории детали.

При проверке по Бринеллю используется шар из карбида вольфрама или стали. Его вдавливают в материал под нагрузкой от 500 до 3000 кгс в течение 10-30 секунд.

Величина отпечатка измеряется по диаметру, а значение твердости рассчитывается по формуле HB = 2P / (πD(D - √(D² - d²))), где D — диаметр шара, d — диаметр отпечатка, P — нагрузка. Метод строго регламентирован ГОСТ 9012-59.

В случае с прокатом, прошедшим горячую обработку, этот способ эффективен для образцов толщиной более 10 мм, так как менее массивные изделия дают значительную погрешность из-за упругих деформаций. Подходит для чугуна, бронзы, малоуглеродистой стали.

На закаленных сплавах шар часто деформируется или скользит, и результат становится недостоверным.

Для тонкостенных деталей, деталей с узкими поверхностями или небольшими зонами обработки метод Бринелля непригоден. В этих случаях берут способ Виккерса.

В отличие от сферы, здесь применяется алмазная четырехгранная пирамида с углом 136°. Нагрузка может варьироваться от 1 до 100 кгс, а глубина вдавливания минимальна.

Твердость по Виккерсу обозначается как HV и рассчитывается как HV = 1,854 * P / d², где d — среднее значение диагоналей отпечатка. В ГОСТ 2999-75 описан порядок проведения испытаний.

Он особенно применим при проверке азотированных слоев, при определении твердости на микроструктурных элементах, в случае многослойной прокатной продукции. Необходима полированная поверхность, любое загрязнение или след от обдирки создаёт сильный разброс значений. Контроль годен только в условиях лаборатории или специального поста.

Метод Роквелла удобен своей скоростью. В прибор загружается индентор — алмазный конус с углом 120° или стальной шарик диаметром 1,5875 мм.

Вначале прикладывается предварительное усилие — 10 кгс, затем основное усилие — 60, 100 или 150 кгс. После удержания основной нагрузки и снятия её, измеряется остаточная глубина отпечатка.

Это значение автоматически пересчитывается в число твердости по шкале A, B или C. ГОСТ 9013-59 регламентирует методику.

Метод незаменим при массовом контроле. Особенно эффективно применять для термообработанных сталей, закалённых поверхностей, деталей с радиусными участками. При этом тонкие изделия менее 2 мм часто деформируются, что искажает результат. Для них более приемлем способ Виккерса.

Выбор между тремя способами связан с конфигурацией детали, толщиной, типом сплава и степенью нагартовки. Так, для крупного фасонного проката из углеродистой стали предпочтительнее применять метод Бринелля.

В условиях серийного производства, где проверка ведётся на каждой детали с минимальными затратами времени, применим Роквелл. При контроле на сварных узлах или в зоне термического влияния соединения, где нужен точный локальный результат, лучше использовать Виккерс.

Точность измерений зависит от подготовки поверхности. В случае с Бринеллем или Роквеллом допускается шероховатость не выше Ra 2,5, для Виккерса — не выше Ra 0,4.

Если фактическая шероховатость выше, следует провести шлифование с соблюдением глубины снятия, не нарушая структуры проката. В случае применения способа Бринелля для поверхностей с окалиной — показания могут быть завышены на 10-15%.

Шлифовка убирает этот эффект, но при этом надо учитывать, что удаление даже 0,1 мм слоя может повлиять на результат в случае тонкостенного изделия.

При выполнении замеров важно соблюдать повторяемость. Метод Бринелля допускает расхождение не более ±10 единиц HB на партии.

Роквелл требует повторяемости в пределах ±5 единиц HRC. У метода Виккерса отклонения контролируются по диагонали и не должны превышать 3%.

Рекомендуется проводить не менее трех замеров в разных точках поверхности. Затем берется среднее значение.

Если один из результатов отклоняется более чем на 10% от остальных, его исключают. Это условие часто нарушается при неравномерном термообрабатывании, или при несоосной установке индентора.

Для алюминиевых прокатных полуфабрикатов и медных сплавов с малой прочностью метод Бринелля даёт завышенные данные, так как шар глубоко утапливается, вызывая пластические деформации. Метод Виккерса более точен, но из-за малой глубины отпечатка может быть сложен при неидеальной подготовке поверхности.

Метод Роквелла применим только при использовании шкал B и F, при этом точность зависит от стабильности базовой нагрузки. При колебаниях температур в помещении даже на 3-4 °С может появиться разброс до 3-4 единиц.

Выбор прибора зависит от условий эксплуатации. Настольные твердомеры Бринелля громоздки, требуют стабильного основания, питание от сети и наличие системы подачи усилия.

Мобильные приборы для Роквелла часто работают от аккумулятора и удобны в полевых условиях. Микротвердомеры по Виккерсу чаще всего стационарные, с оптической системой, требующей калибровки.

Контроль на готовом прокате предпочтительнее проводить переносным устройством Роквелла, особенно если необходимо быстрое заключение на складе. Для выявления отклонений по поверхности детали с переменной зоной закалки — более точен Виккерс.

В некоторых случаях для проверки одинаковых изделий, когда необходимо быстрое разделение по сортам или контролю поступившего металла, применяют комбинированные приборы, позволяющие поочередно измерять Роквелл и Бринелль без смены твердомера. Такие решения оправданы на металлобазах, где на одну позицию приходится несколько сотен единиц продукции.

При этом важно корректно выбрать шкалу — неправильная шкала приводит к пересчету, а это снижает скорость анализа. При выборе шкалы руководствуются стандартами ГОСТ 23677-79, в которых указаны рекомендованные диапазоны нагрузок и допустимые пределы.

Объединяя технические параметры и требования стандарта, практикующий специалист должен выбирать метод с учётом толщины изделия, состояния поверхности, предполагаемого точечного или интегрального контроля. Знание формул, нормативов и влияния геометрии образца на результат обеспечивает достоверность измерения и снижает риск брака на этапе приёмки.

Рассказать друзьям:

Комментарии

Пока нет комментариев