Тест на твердость по Роквеллу и влияние обработки на сталь

Определение твердости является простым и относительно недорогим испытанием. Более быстрое и менее разрушающее, чем испытание на растяжение, оно считается одним из наиболее универсальных механических испытаний, доступных инженерам.

Значения определения твердости являются эмпирическими, и все же результаты обеспечивают очень хорошую корреляцию с прочностью материала для широкого спектра материалов. Когда при испытании на твердость прикладывается известная сила, величина пластической деформации, которой подвергается материал, определяет значение твердости.

При испытаниях типа Роквелла нагруженные инденторы различных размеров и форм измеряют твердость. Для этого эксперимента мы будем измерять и сравнивать твердость необработанной и термически обработанной стали с помощью теста на твердость по Роквеллу.

Несколько распространенных методов измерения твердости металлов включают твердость по Бринеллю, Виккерсу, Кнупу и твердость по Роквеллу BNC. В каждом из этих методов используется пенетратор в форме сферы, конуса или алмазной пирамиды.

На поверхности металла делается углубление, и на дисплее отображаются показания твердости. Из этого списка тест на твердость по Роквеллу является самым популярным для конструкционных сталей. Стандартный ручной тестер Роквелла состоит из рычажной системы для приложения нагрузки и аналогового индикатора, показывающего число твердости.

В типичном испытании по Роквеллу нулевая точка устанавливается для учета изменений поверхности путем приложения предварительной нагрузки и измерения начальной глубины проникновения. Далее основная нагрузка прикладывается к индентору. Наконец, груз снимается и измеряется окончательная глубина проникновения. Циферблатный указатель на верхней части машины использует разницу между этими двумя значениями для отображения значения твердости по Роквеллу. Чем тверже материал, тем меньше индентор проникает, что приводит к более высокому значению твердости по Роквеллу. Таким образом, значения твердости по Роквеллу B и Роквеллу C основаны на глубине проплавления, и поэтому испытательные машины часто калибруются с использованием калибровочных испытательных блоков для определенных диапазонов твердости.

Испытание на твердость по Роквеллу может быть использовано для оценки того, как прочность материала изменяется в результате таких процессов, как термическая обработка или холодная прокатка. Холодная прокатка, как правило, приводит к получению более прочных и твердых материалов. Термическая обработка может привести к получению более мягких материалов за счет нагрева, но более твердых структур за счет закалки.

Например, в тесте Jominy End Quench Test цилиндрический образец нагревается равномерно. Затем один конец гасится струей воды. Изменения по длине образца от закаленного конца до незакаленного конца можно увидеть в значениях твердости, которые являются репрезентативными для изменений в микроструктуре.

В следующем разделе мы измерим твердость по длине стального образца Jominy End Quench Test, чтобы наблюдать за переходом от необработанной к термически обработанной стали с помощью теста на твердость по Роквеллу.

Прежде чем начать, ознакомьтесь с испытательной машиной. Наковальня, которая может подниматься или опускаться с помощью маховика кабестана, поддерживает образец под сменным индентором.

Тестовая нагрузка выбирается с помощью селектора сбоку машины и прикладывается путем поворота рычага нагрузки из положения разгрузки в положение загрузки. Правильная предварительная загрузка и окончательные измерения определяются с помощью стрелочного датчика на верхней части машины.

Перед установкой испытательного образца убедитесь, что установлен алмазный конус Rockwell C и испытательная нагрузка установлена на 150 килограммов. Закрепите образец в машине плоской поверхностью к наковальне. Для этой демонстрации мы будем использовать образец Jominy End Quenched, прошедший обработку водяным охлаждением.

Переместите загрузочный рычаг в положение разгрузки, а затем поднимите наковальню, чтобы приблизить образец к индентору. Отрегулируйте положение образца так, чтобы индентор находился на расстоянии одной шестнадцатой дюйма от конца. Когда положение будет правильным, снова закрепите образец, чтобы он не двигался во время испытания. Теперь снова поднимите образец до тех пор, пока стрелка на переднем циферблате не начнет слегка двигаться, указывая на то, что контакт с индентором установлен.

Приложите предварительную нагрузку, продолжая медленно поднимать образец, пока стрелка на циферблате не совершит три полных оборота. Остановитесь, когда игла завершит третий оборот. Отрегулируйте внешнее кольцо циферблатного прибора так, чтобы начальное показание было равно нулю. Затем переместите рычаг нагрузки в положение для приложения испытательной нагрузки. По мере приложения нагрузки игла будет устанавливаться на новое значение. Подождите, пока он перестанет двигаться, а затем верните рычаг нагрузки обратно в положение разгрузки.

Запишите твердость по шкале Роквелла C с помощью стрелочного датчика, а затем опустите наковальню, чтобы переместить образец в сторону от индентора. Повторите этот тест по длине образца. В рекомендациях ASTM-A255 указано, что показания должны сниматься с интервалом в одну шестнадцатую дюйма для первой половины дюйма и с интервалом в одну восьмую дюйма для следующей половины дюйма.

Нанесите график твердости образца по Роквеллу в зависимости от положения вдоль образца. Твердость явно уменьшается по мере увеличения расстояния от закаленного конца.

Тест на твердость по Роквеллу был использован, чтобы показать, что из-за скорости охлаждения изменение внутренней структуры материала повлияло на твердость материала, что, в свою очередь, указывает на прочность материала.

Теперь, когда вы оценили тест на твердость за простоту использования, давайте рассмотрим, как он применяется для обеспечения качества повседневных изделий.

Значения твердости можно легко преобразовать в значения прочности с помощью диаграмм, полученных из эмпирических уравнений. Как и ожидалось, более мягкие материалы имеют более низкие значения прочности, а более твердые материалы имеют более высокие значения прочности. Из-за этого значения твердости могут использоваться вместо более дорогостоящих испытаний на растяжение для прогнозирования прочности вещей, которые мы используем каждый день.

Просто взглянув на барбекю на заднем дворе, вы увидите много продуктов, которые считаются безопасными из-за испытаний на твердость. Металлические стулья для газона, решетки на гриле в широком диапазоне температур, ножи из закаленной стали, а также металлическая лестница для бассейна в водных условиях. Все они, вероятно, были протестированы на твердость для обеспечения безопасности потребителей.

Вы только что посмотрели введение JoVE в испытание на твердость по Роквеллу. Теперь вы должны понять, почему обычно используется определение твердости, как проводить определение твердости и как анализировать полученные результаты.

Спасибо за просмотр!