Твердомеры

Твердомеры представляют собой измерительные приборы, предназначенные для определения твердости разнообразных металлических изделий, выполненных из однородных материалов, а также неметаллических, в частности, полимерных. Достоинство твердомеров в том, что  они позволяют проводить контроль, не нарушая целостности объекта исследования и, следовательно, относятся к средствам проведения неразрушающего контроля. Интересно, что другое широко известное название этих измерительных приборов – дюрометры.

 

Твердость

Прежде чем перейти непосредственно к более подробному описанию областей применения твердомеров, приводить их разнообразные классификации и описывать все возможные принципы работы, рассмотрим кратко, что такое твердость и что понимается в общем случае под тем параметром, для измерения которого и предназначено множество разновидностей твердомеров.

Твердость представляет собой физический параметр, определяющий сопротивляемость материала внешнему воздействию. При проведении измерительных работ, используя разные методы оценки твердости, в общем случае данную величину рассчитывают как отношение величины, приложенного усилия к площади полученного на поверхности контролируемого изделия отпечатка.

Нужно отметить, что рассматриваемый параметр является одним из наиболее важных для любого материала, так как определяет сферу его использования, степень выносливости контролируемого объекта, характеризует его способность выдерживать нагрузки.

 

Области применения твердомеров

На производстве нередко возникают ситуации, связанные с необходимостью проведения точного и оперативного контроля твердости материалов. В связи с этим, неудивительно, что твердомеры находят широкое применение во многих областях промышленности РФ. Особенно стоит выделить предприятия, деятельность которых связана с машиностроением. Однако распространение твердомеров выходит далеко за их рамки и касается также научно-исследовательских институтов и лабораторий. Проведение контроля толщины просто необходимо там, где занимаются разработками новых конструкций, осуществляют входной контроль материалов. Твердомеры очень активно используются в областях энергетики, металлургии, химической промышленности.

 

Классификации твердомеров

Все твердомеры можно условно разделить на две большие группы приборов: портативные и стационарные. Использование измерителя, относящегося к той или иной группе, может быть обусловлено множеством факторов и зависеть от условий проведения измерительного процесса. В целом, как стационарные, так и портативные твердомеры имеют свои достоинства и недостатки, на которых стоит остановиться подробнее.

Итак, стационарные модели – это, прежде всего, крупногабаритные измерители твердости, отличающиеся своей традиционностью и хорошо зарекомендовавшие себя на рынке. Принцип проведения контроля очень прост и физически понятен фактически любому оператору. На поверхность образца контролируемого изделия осуществляется сильное внешнее механическое воздействие, по результату которого собственно и судят о твердости материала, из которого изготовлен объект контроля. Полученные таким образом результаты измерительного процесса подвергаются обязательному пересчету по известным шкалам твердости. Отметим, что именно стационарные модели твердомеров носят также название дюрометров.

Портативные модели твердомеров славятся оперативностью проведения измерений. Используя портативные устройства, можно измерять не только такой параметр как твердость, но и предел прочности материала или даже предел текучести. Такие модели измерителей позволяют проводить контроль в условиях непосредственной эксплуатации контролируемого объекта, что, несомненно, составляет их преимущество.

В общем случае, работа портативных твердомеров также может быть основана на механическом воздействии. Однако, в отличие от стационарных, портативные модели также используют ультразвуковой и динамические методы измерения твердости материалов. В связи с этим, возникает классификация портативных твердомеров по принципу их работы:

• динамические твердомеры;
• ультразвуковые твердомеры;
• комбинированные твердомеры.

При проведении измерительного процесса динамическим методом о том, насколько высока твердость исследуемого объекта судят по скорости отскока датчика, ударившегося о поверхность контролируемого изделия. Таким образом, можно сделать вывод, что действие твердомеров, работа которых основана на динамическом методе, обусловлено наличием связи между такими параметрами, как внутреннее сопротивление контролируемого материала и его твердость.

Еще одним, не менее распространенным, считается ультразвуковой метод измерения твердости изделия. Принцип этого метода также прост и заключается в измерении частоты колебаний датчика, введенного в объект контроля. По тому, с какой частотой колеблется датчик, делается вывод о твердости контролируемого изделия.

Подчеркнем, что для чистоты и точности проводимых измерений, необходимо проводить периодическую проверку показаний измерителя. Она должна осуществляться с использованием специальных образцов, которые могут быть включены в измерительный комплект по желанию оператора. Такие образцы называются мерами твердости и являются необходимыми для каждого пользователя, заинтересованного в проведении высококачественного, прецизионного контроля. Отметим, что каждый из эталонных образцов предназначен для проведения проверки измерений твердости вещества по определенной шкале твердости.

В целом, ультразвуковые толщиномеры имеют очевидное преимущество по сравнению с другими модели, так как позволяют проводить контроль твердости тонкостенных изделий, образцов, имеющих сложные физические конфигурации, и измерять твердость материала даже в самых удаленных и, казалось бы, труднодоступных местах.

            Теперь остановимся подробнее на комбинированных твердомерах. Данный вид измерительных устройств отличается тем, что представляет собой в некотором роде гибрид ультразвуковой и динамической модели. Принцип работы комбинированного измерительного твердомера сочетает в себе метод контактного импеданса (ультразвуковой) и метод Лейба (более известный как метод отскока).

Как стационарные, так и портативные устройства можно также условно классифицировать по методу измерения твердости контролируемого объекта в зависимости от используемой при контроле школы:

• твердомер по Бринеллю (HB);
• твердомер по Роквеллу (HRC);
• твердомер по Супер-Роквеллу;
• твердомер по Виккерсу (HV);
• твердомер по Шору (HSD).

 

Твердомер Бринелля

Определение твердости контролируемого изделия с использование такого вида устройства осуществляется путем статического вдавливания в него шарика, изготовленного из специального вида стали. Вдавливание осуществляется под действием заранее определенной нагрузки и должно проводиться так, чтобы сохранялись строго фиксированные расстояния. Так, например, расстояние от центра отпечатка до края поверхности объекта контроля должно составлять не меньше 2,5 отпечатков. Необходимо подчеркнуть, что вся методика контроля, проводимого посредством твердомера Бринелля, прописана в ГОСТ 9012.

 

Твердомер Роквелла

В данном случае наблюдаемая величина определяется может определяться путем вдавливания в поверхность контролируемого изделия не только шарика, но и конуса, выполненного из алмаза. Угол при вершине такой фигуры должен составлять 120°.

При проведении измерительного контроля важно, чтобы расстояние между соседними отпечатками составляло больше 4 диаметров отпечатка. В целом, проведение измерения твердости по шкале Роквелла также должно полностью удовлетворять заранее заданным условиям, так как только в этом случае можно рассчитывать на качественный результат. Отметим, что вдавливание должно проходить последовательно и поэтапно.

 

Твердомер Супер-Роквелла

Представленный метод Супер-Роквелла является некоторой более расширенной модификацией метода, описанного выше. Метода измерения твердости контролируемого изделия однако остается той же и представляет собой процесс поэтапного вдавливания стального шарика или же алмазной призмы в поверхность интересующего изделия. После этого проводят наблюдение так называемого остаточного увеличения глубины, на которую прошел вдавленный наконечник. Проведение эксперимента по определению твердости материала с помощью твердомера Супер-Роквелла строго регламентируется ГОСТ 22975.

 

Твердомер Виккерса

Определение твердости по данному методу представляет собой простой для понимания оператора процесс, заключающийся также во вдавливании стороннего объекта в поверхность контролируемого изделия. Отличительной особенностью данного метода является то, что в качестве такого объекта выступает алмазная пирамида с углом раскрытия между соседними гранями, составляющим 136°. В течение всего измерительного процесса действует стационарная нагрузка. Затем происходит наблюдение диагоналей отпечатка. Преимуществом данного метода является возможность определения твердости небольших по размеру деталей, включая тонкие покрытия. Условия проведения измерения зафиксированы в ГОСТ 2999 (п.5).

 

Твердомер Шора

Методика проведения эксперимента по определению толщины посредством данного измерительного прибора крайне проста и физически понятна. В образец контролируемого объекта вдавливают индентор, а затем вынимают. По тому, насколько глубоко проник вдавленный индентор, судят о твердости исследуемого материала. Отличительной особенностью данного метода можно считать тот факт, что с его помощью проводят измерения твердости таких материалов, как пластмассы, каучук и прочих полимеров.

Отметим, что применение определенного метода во многом зависит от качества и физических свойств контролируемого материала. Для проведения контроля твердости по шкалам Шора или Бринелля идеально подойдут мягкие изделия. Для изделий средней степени жесткости обычно используют шкалу Роквелла. Если же возникла необходимость в определении твердости очень прочного и твердого материала, то в таких целях однозначно следует использовать шкалу Виккерса.

Подчеркнем, что правильный выбор измерительной шкалы крайне важен для проведения точного измерительного контроля и получения достоверных результатов. Поэтому, чтобы предотвратить возможность возникновения ошибки, советуют подбирать шкалы твердости в соответствии с конструкторской и другой технической документацией.

Твердомеры являются широко известными устройствами, предназначенными для проведения контроля твердости разного рода материалов. Большое разнообразие моделей измерительных устройств, оснащенных самыми разными методами проведения измерения, позволяют контролировать объекты самых разнообразных форм и любых габаритов, а широкий рабочий температурный диапазон измерителей позволяет работать в самых разнообразных климатических условиях: как в помещении, так и при полевых или неблагоприятных условиях.  Наличие широкого спектра шкал твердости обеспечивает проведение надежного, высокоточного контроля твердости изделий.