Метод Роквелла

Метод Роквелла — это метод измерения твёрдости материалов путём вдавливания индентора (наконечника) в поверхность образца под действием двух последовательно приложенных нагрузок: предварительной (10 кгс) и основной. Относится к классу статических методов определения твёрдости по глубине проникновения индентора. Широко применяется в металлургии, машиностроении, приборостроении и контроле качества для быстрой оценки твёрдости металлов, сплавов, пластмасс и других твёрдых тел.

История

Метод разработан американским металлургом Хью М. Роквеллом (Hugh M. Rockwell) и его братом Стэнли П. Роквеллом (Stanley P. Rockwell) в 1914 году. Первоначально метод предназначался для контроля твёрдости шарикоподшипников. В 1919 году братья Роквелл запатентовали конструкцию первого прибора — твердомера Роквелла. В 1920-х годах метод получил распространение в промышленности США, а затем и в других странах. В СССР стандартизация метода началась в 1930-х годах. В настоящее время метод регламентируется международными стандартами (ISO 6508, ASTM E18) и национальными стандартами, в том числе ГОСТ 9013-59 (Россия).

Принцип измерения

Метод основан на измерении разности глубин проникновения индентора под действием предварительной и полной нагрузки. Процесс измерения состоит из трёх этапов:

1. Приложение предварительной нагрузки (10 кгс) — индентор вдавливается в поверхность образца, фиксируется начальное положение.
2. Приложение основной нагрузки (дополнительной к предварительной) — индентор углубляется в материал.
3. Снятие основной нагрузки — индентор возвращается, но остаётся под действием предварительной нагрузки. Измеряется остаточная глубина вдавливания.

Твёрдость по Роквеллу (HR) вычисляется как разность между глубиной проникновения под предварительной нагрузкой и глубиной после снятия основной нагрузки. Значение выражается в условных единицах на шкале прибора. Чем меньше глубина остаточного вдавливания, тем выше твёрдость.

Шкалы и инденторы

В зависимости от материала и ожидаемой твёрдости применяются различные шкалы, обозначаемые буквами (A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T и др.). Наиболее распространённые:

Для измерения твёрдости тонких слоёв (например, после азотирования) применяются поверхностные шкалы (N и T) с меньшими нагрузками (15, 30, 45 кгс).

Твердомеры

Приборы для измерения твёрдости по Роквеллу называются твердомерами Роквелла. Конструктивно они включают:

• Нагружающий механизм (рычажный или пружинный) для создания предварительной и основной нагрузки.
• Индентор (алмазный конус или стальной шарик).
• Измерительную головку с индикатором часового типа или цифровым датчиком.
• Опорный столик для установки образца.

Современные твердомеры оснащаются цифровыми дисплеями, автоматическим циклом нагружения и возможностью передачи данных на компьютер. Калибровка приборов проводится по эталонным образцам твёрдости.

Области применения

Метод Роквелла используется в следующих областях:

• Металлургия и машиностроение — контроль твёрдости заготовок, деталей после термообработки (закалка, отпуск, цементация), готовых изделий (валы, шестерни, подшипники, режущий инструмент).
• Авиа- и ракетостроение — проверка твёрдости конструкционных сплавов, лопаток турбин, деталей двигателей.
• Автомобильная промышленность — контроль качества коленчатых валов, поршней, шатунов, пружин.
• Приборостроение — измерение твёрдости мелких деталей, корпусов, шестерёнок.
• Производство пластмасс и композитов — оценка твёрдости полимерных материалов (по шкалам R, L, M, E).
• Научные исследования — изучение механических свойств новых материалов, влияние легирования и термообработки на твёрдость.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Быстрота измерения (несколько секунд).
• Простота процедуры и оборудования.
• Возможность измерения на готовых деталях без их разрушения.
• Непосредственное считывание значения твёрдости со шкалы прибора.
• Малый размер отпечатка (не портит поверхность детали).

Недостатки

• Зависимость результата от состояния поверхности (шероховатость, загрязнения, окалина).
• Необходимость строгой перпендикулярности индентора к поверхности.
• Ограниченный диапазон твёрдости для каждой шкалы (например, HRC применим только для твёрдых сталей).
• Влияние толщины образца — при малой толщине возможно прогибание и искажение результата.
• Невозможность измерения на очень тонких покрытиях (менее 0,5 мм) без специальных шкал.

Сравнение с другими методами

Метод Роквелла отличается от других методов измерения твёрдости:

• Метод Бринелля — использует шарик большого диаметра (10 мм) и большие нагрузки (до 3000 кгс). Даёт больший отпечаток, но менее чувствителен к неоднородностям. Применяется для грубых измерений на крупных деталях.
• Метод Виккерса — использует алмазную пирамиду с квадратным основанием. Измеряет твёрдость по площади отпечатка. Более точен для тонких слоёв и малых образцов, но требует измерения отпечатка под микроскопом.
• Метод Шора — основан на отскоке бойка от поверхности. Даёт косвенную оценку твёрдости, используется для крупных изделий (прокатные валки, рельсы).

Метод Роквелла занимает промежуточное положение по точности и скорости между методом Бринелля и методом Виккерса.

Интересные факты

• Шкала HRC (алмазный конус, нагрузка 150 кгс) является наиболее распространённой в мире для оценки твёрдости закалённых сталей. Например, твёрдость инструментальной стали после закалки обычно составляет 58–64 HRC.
• Твёрдость по Роквеллу не является физической константой материала — она зависит от условий измерения (нагрузка, тип индентора, состояние поверхности).
• В СССР и России метод Роквелла стандартизирован ГОСТ 9013-59, который действует до сих пор с изменениями.
• Для измерения твёрдости пластмасс и резин применяются специальные шкалы (например, HRR — резина по Роквеллу), но чаще используется метод Шора.

Источники

1. ГОСТ 9013-59 «Металлы. Метод измерения твёрдости по Роквеллу».
2. ISO 6508-1:2016 «Metallic materials — Rockwell hardness test — Part 1: Test method».
3. ASTM E18-20 «Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials».
4. Хью М. Роквелл, патент США № 1,294,171 (1919).
5. Справочник по металловедению и термической обработке / Под ред. М. Л. Бернштейна. — М.: Металлургия, 1983.
6. Твердость металлов: методы измерения и практическое применение / В. А. Гольдштейн, В. А. Морозов. — М.: Машиностроение, 2005.