Твёрдость по Роквеллу

Твёрдость по Роквеллу — это метод измерения твёрдости материалов, основанный на определении глубины проникновения индентора (наконечника) в поверхность образца под действием статической нагрузки. Метод является одним из наиболее распространённых и стандартизированных способов оценки механических свойств металлов, сплавов, пластмасс и других твёрдых тел. В отличие от методов Бринелля и Виккерса, измерение по Роквеллу не требует измерения диаметра или диагонали отпечатка, а результат считывается непосредственно со шкалы прибора.

История

Метод был разработан американским металлургом Стэнли П. Роквеллом (Stanley P. Rockwell) в 1914 году. Первоначально он предназначался для быстрого контроля твёрдости подшипниковых сталей в производственных условиях. В 1919 году Роквелл совместно с компанией Wilson Mechanical Instrument Company (США) создал первый серийный прибор — дурометр. В 1921 году метод был запатентован, а к 1930-м годам получил международное признание.

В СССР метод Роквелла начал применяться с 1930-х годов, а в 1940 году был введён в государственный стандарт (ГОСТ 9013-59, впоследствии заменённый на ГОСТ 9013-2021). В настоящее время метод регламентируется международными стандартами ISO 6508-1, ASTM E18, а также российскими ГОСТами.

Принцип измерения

Измерение твёрдости по Роквеллу основано на вдавливании индентора в поверхность образца под действием двух последовательно приложенных нагрузок: предварительной (10 кгс) и основной (60, 100 или 150 кгс в зависимости от шкалы). Процесс состоит из трёх этапов:

1. Приложение предварительной нагрузки (10 кгс) для устранения влияния неровностей поверхности и упругих деформаций.
2. Приложение основной нагрузки, которая удерживается в течение заданного времени (обычно 2–8 секунд).
3. Снятие основной нагрузки при сохранении предварительной.

Глубина остаточного вдавливания (h) измеряется в условных единицах. Твёрдость по Роквеллу (HR) вычисляется по формуле:

\[ HR = K - \frac{h}{0,002} \]

где \(K\) — константа, зависящая от шкалы (100 для шкал A, C, D и 130 для шкал B, F, G, H, K), а \(h\) — глубина остаточного вдавливания в миллиметрах. Чем меньше глубина, тем выше твёрдость.

Шкалы и инденторы

Метод Роквелла включает несколько шкал, различающихся типом индентора и величиной основной нагрузки. Наиболее распространённые шкалы:

Шкала A (HRA)

• Индентор: алмазный конус с углом при вершине 120°.
• Основная нагрузка: 60 кгс.
• Применение: твёрдые сплавы, цементированные стали, тонкие листы, керамика.

Шкала B (HRB)

• Индентор: стальной шарик диаметром 1/16 дюйма (1,5875 мм).
• Основная нагрузка: 100 кгс.
• Применение: мягкие стали, цветные металлы (медь, алюминий), пластмассы.

Шкала C (HRC)

• Индентор: алмазный конус с углом при вершине 120°.
• Основная нагрузка: 150 кгс.
• Применение: закалённые и отпущенные стали, инструментальные сплавы, твёрдые материалы средней твёрдости.

Шкала D (HRD)

• Индентор: алмазный конус.
• Основная нагрузка: 100 кгс.
• Применение: цементированные стали, тонкие закалённые слои.

Шкалы E, F, G, H, K

• Индентор: стальные шарики диаметром от 1/8 до 1/2 дюйма.
• Основная нагрузка: от 100 до 150 кгс.
• Применение: мягкие металлы, подшипниковые сплавы, пластмассы.

Шкала N (поверхностная)

• Индентор: алмазный конус.
• Основная нагрузка: 15, 30 или 45 кгс.
• Применение: тонкие покрытия, фольга, поверхностно-упрочнённые слои.

Шкала T (поверхностная)

• Индентор: стальной шарик.
• Основная нагрузка: 15, 30 или 45 кгс.
• Применение: тонкие листы мягких материалов.

Оборудование

Прибор для измерения твёрдости по Роквеллу называется дурометром или твердомером Роквелла. Конструктивно он состоит из:

• Стойки с массивным основанием для обеспечения жёсткости.
• Индентора (алмазный конус или стальной шарик), закреплённого в шпинделе.
• Механизма нагружения (рычажного или гидравлического), обеспечивающего плавное приложение предварительной и основной нагрузок.
• Измерительного устройства (циферблатный индикатор или цифровой дисплей), отградуированного в единицах HR.

Современные твердомеры оснащаются электронными датчиками, автоматическим циклом измерения и возможностью передачи данных на компьютер. Приборы калибруются по эталонным образцам твёрдости, аттестованным в государственных метрологических службах.

Методика проведения испытания

Испытание проводится в соответствии с ГОСТ 9013-2021 или ISO 6508-1. Основные требования:

• Образец: толщина не менее 10-кратной глубины отпечатка; поверхность должна быть чистой, без окалины, масла или других загрязнений.
• Расстояние между отпечатками: не менее 4 диаметров отпечатка (для шарикового индентора) или 2,5 диаметра (для конического).
• Время выдержки: 2–8 секунд под основной нагрузкой (для большинства материалов — 4 секунды).
• Температура: 20 ± 5 °C.

Результат округляется до целого числа единиц HR. Для шкал A, C, D допустимый диапазон — 20–88 HRA, 20–70 HRC, 40–77 HRD. Для шкалы B — 20–100 HRB.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая скорость измерения (10–20 секунд на одно испытание).
• Простота процедуры — не требуется измерение отпечатка под микроскопом.
• Возможность оценки твёрдости на готовых изделиях без их разрушения.
• Широкий диапазон измеряемых материалов — от мягких пластмасс до твёрдых сплавов.

Недостатки

• Зависимость результатов от шероховатости поверхности (требуется подготовка образца).
• Влияние упругих свойств материала (для некоторых полимеров и эластомеров метод неприменим).
• Ограниченная точность при измерении очень твёрдых (более 70 HRC) или очень мягких (менее 20 HRB) материалов.
• Невозможность пересчёта между разными шкалами без эмпирических таблиц.

Применение

Метод Роквелла широко используется в:

• Металлургии и машиностроении — контроль качества закалки, отпуска, цементации, азотирования.
• Авиа- и автомобилестроении — проверка деталей двигателей, шасси, подшипников.
• Инструментальной промышленности — измерение твёрдости режущих кромок, штампов, пресс-форм.
• Пластмассовой промышленности — оценка твёрдости термопластов и реактопластов (по шкале R, L, M).
• Строительстве — контроль твёрдости бетона, керамики, каменных материалов (ограниченно).

Сравнение с другими методами

Метод Роквелла выигрывает в скорости и простоте, но уступает методам Бринелля и Виккерса в точности при измерении неоднородных материалов или тонких покрытий.

Интересные факты

• Единица твёрдости по Роквеллу (1 HR) соответствует глубине вдавливания 0,002 мм.
• Для измерения твёрдости алмазов и сверхтвёрдых материалов (например, кубического нитрида бора) метод Роквелла неприменим — используется метод Виккерса с нагрузкой до 120 кгс.
• В СССР и России долгое время использовалась шкала HRC как основная для инструментальных сталей; в США и Великобритании — шкала HRC и HRB.
• Существуют портативные твердомеры Роквелла, работающие от аккумулятора и позволяющие проводить измерения в полевых условиях.

Источники

1. ГОСТ 9013-2021 «Металлы. Метод измерения твёрдости по Роквеллу».
2. ISO 6508-1:2016 «Metallic materials — Rockwell hardness test — Part 1: Test method».
3. ASTM E18-22 «Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials».
4. ТУ 4271-001-27453200-2005 «Твердомеры для измерения твёрдости по Роквеллу».
5. Марочник сталей и сплавов / Под ред. В. Г. Сорокина. — М.: Машиностроение, 2019.
6. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1990.