Твердомер: виды, характеристики и выбор

Твердомер — это специальный прибор, который позволяет измерить твердость изделия, не разрушая структуру материала.

В некоторых сферах деятельности необходимо применять контроль твердости материалов – твердометрия, которую возможно произвести только твердомером.

Твердомеры используются и для проверки твердости входящих на производство заготовок, и для контроля качества уже готовой продукции, в лабораторных исследованиях конструкций и материалов, при их разработке, в машиностроительной и железнодорожной промышленности, исследовательских центрах и институтах, энергетических отраслях.

Устройство и характеристики

Принцип работы твердомера состоит в измерении различных показателей (в зависимости от вида прибора) при механическом воздействии на материал.

По результатам этих измерений и проводится оценка твердости материала.

В зависимости от различных параметров заготовки, например, размеров, конструкции, свойств материала, для контроля твердости могут быть использованы стационарные или портативные твердомеры.

Их конструкция отличается, в зависимости от используемого метода исследования.

Портативные модели используют в тех случаях, когда невозможно применение стационарных вариантов, например, если детали заготовки слишком велики, либо же из-за их большой массы, когда объект исследования невозможно транспортировать в лабораторию.

Твердомеры состоят из нескольких основных элементов:

• Корпус с вычислительной электроникой. На нем имеется элементы управления, дисплей для вывода результата измерений и отображения настроек. На стационарных вариантах может быть вмонтирован микроскоп.
• Наковальня (для стационарных вариантов) – площадка, на которую устанавливается исследуемый образец.
• Датчик с индентором – элемент механического воздействия на образец с регистратором силы этого воздействия.

В портативных вариантах соединен с корпусом гибким проводом, либо же жестко.

Существуют беспроводные модели.

Материал

Корпус, наковальня и все подвижные элементы стационарного прибора изготавливаются, как правило, из металла или прочного пластика.

Портативные устройства практически все пластиковые с герметичным корпусом.

Модели, рассчитанные на использование в полевых условиях, водонепроницаемы, и имеют резиновые накладки, защищающие прибор от ударов.

Размеры и вес

Вес некоторых стационарных твердомеров превышает 200кг, а их высота и длинна доходят до 1 м и более.

Подразумевается, что эти измерительные приборы будут установлены неподвижно, так что их размеры и масса не имеют какого-либо влияния на удобство использования.

Для портативных приборов, кроме точности замеров, важными показателями являются габариты и вес.

Переносные модели весят, как правило, 150 – 200 г (около 500 г в металлическом корпусе).

Их габаритные размеры сравнимы с рацией, инженерным калькулятором или портативным радиоприемником.

Для транспортировки используется ударопрочный кейс.

Память

Хороший портативный твердомер способен хранить показатели одновременно нескольких предыдущих замеров прибора.

Для этого он оборудован встроенной памятью.

Для переноса показателей из памяти прибора на компьютер, он может быть оснащен стандартным USB-интерфейсом.

Как правило, память для хранения показателей твердомера энергонезависима.

Иными словами, сохраненные данные не теряются при полной разрядке аккумулятора или его отсутствии.

Кроме того, некоторые модели позволяют сохранять не только показатели замеров, но и его настройки.

Это удобно, так как нет необходимости перенастраивать прибор после каждого отключения.

Виды твердомеров, назначение и методы измерения твердости

Размеры этих измерительных инструментов оказывают непосредственное влияние на их классификацию, так для измерения твердости материалов приборы делятся на:

Стационарные

Имеют большие габариты и вес, используются в лабораториях для проведения измерений с минимальными погрешностями.

Опционально оборудованы интерфейсом для подключения к компьютеру, микроскопу и принтеру для распечатки результатов исследования.

Источник питания – бытовая сеть.

Имеют клавиатуру для ввода параметров измерения, результаты отображаются на встроенных дисплеях.

Портативные (переносные) твердомеры

Приборы с небольшой массой и габаритами.

Большинство из них помещаются в карман.

Несмотря на свои размеры, некоторые малогабаритные твердомеры имеют внушительный функционал.

Это и графический дисплей, и детальная настройка параметров измерений, и фотокамера, и наличие съемной карты памяти для хранения калибровок и результатов исследований.

Измерения могут проводится по нескольким шкалам одновременно, включая пользовательские варианты, выполнять пересчет между шкалами.

Ручной прибор питается от обыкновенных батареек или от встроенных или съемных аккумуляторов.

Классификация методов измерения твердости материалов, которые лежат в основе работы твердомеров:

• Статические — группа методов, демонстрирующих сопротивление пластической деформации.

Индентор представляет собой алмазный наконечник, либо же стальной шарик, который постепенно вдавливается в поверхность материала, после чего проводится анализ оставленного отпечатка.

• Динамические — группа методов, демонстрирующих как сопротивление деформации, так и упругость.

Анализируется результат удара индентора о поверхность материала.

• Косвенные – группа методов, позволяющие оценить смежные свойства материала, например, изменение частоты пропущенной звуковой волны.

Стационарные приборы по принципу работы делятся на:

Твердомер Бринелля

В основе лежит метод вдавливания шарикового индентора в поверхность, предложенный инженером Ю. Бринеллем более века назад.

Первый в мире метод, получивший стандартизацию и широкое распространение.

Обозначение твердости – HB.

Твердомер Роквелла

В основе лежит метод вдавливания конусного индентора в поверхность, предложенный профессором Людвигом.

Для этого метода разработано несколько шкал, которые соответствуют паре индентор – нагрузка.

Шкалы имеют буквенные обозначения: A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T.

Сам же метод обозначается, как HR, к которому добавляется буква шкалы.

Твердомер Супер-Роквелла

Особенностью этого прибора является усовершенствованный метод работы на основе метода Роквелла.

Заключается он в проведении двух последовательных измерений.

Подробнее можно прочесть в ГОСТ 22975.

Твердомер Виккерса

В основе лежит метод вдавливания пирамидального индентора в материал, предложенный инженерами компании Vickers Ltd. в 1921 году.

Обозначается символами HV.

Существуют модификации, способные производить замеры по Микро-Виккерсу.

Твердомер по Шору

В основе лежит метод измерения высоты отскока индентора от поверхности.

Обозначается, как HS с добавлением буквы одной из шкал, соответствующих этому методу (С и D – основные шкалы).

Практическое применение данного метода ограничено, а сегодня он используется для контроля твердости неметаллических материалов.

Твердомер по Барколу

В основе лежит метод вдавливания индентора, который выполнен в форме усеченного конуса с плоской вершиной.

Считается почти универсальным, так как позволяет определять твердость большинства материалов.

Твердомер по Либу

В основе лежит метод измерения скорости отскока индентора.

Обозначается буквами HL

При работе прибора используются различные типы датчиков, каждый из которых имеет свое буквенное обозначение, которое указывается после HL.

Универсальные

Эти приборы могут использовать несколько методов определения твердости материала.

Применение каждого из перечисленных приборов ограничено в силу свойств контролируемых материалов.

Методам определения твердости соответствует одноименная шкала.

Портативные приборы по принципу работы классифицируются на:

Динамические твердомеры

Работа основана на фиксации скорости индентора датчика до удара о поверхность образца, а затем после его отскока.

 

Ультразвуковые твердомеры

Работа основана на внедрение датчика в поверхность материала с последующим замером частоты колебаний индентора.

На основе степени изменения частоты колебаний и проводится расчет твердости.

Комбинированные твердомеры

Способны проводить измерения описанными выше способами одновременно.

Является лучшим методом экспресс-контроля, так как позволяет получать более точные данные.

Само название “твердомер” обобщает инструменты для измерения твердости материалов в подкласс по их назначению.

Наиболее распространенные:

Склерометр

Склерометр – инструмент предназначенный для замера плотности строительных материалов, таких как: шлакоблок, кирпич, бетон и других.

В работе используются принципы отскока индентора, ультразвукового прозвучивания, оценки ударных импульсов.

Часто используются твердомеры царапающего типа со шкалой Фридриха Маоса.

Твердомер карандашного типа

Твердомер карандашного типа – замеряет твердость лакокрасочных покрытий.

Твердомер по Бухгольцу

Твердомер по Бухгольцу. Оценка результата производится через микроскоп.

Дюрометр

Дюрометр – измеряет твердость материала по Шору.

Зажимной твердомер

Зажимной твердомер.

Плотность материала определяется путем его механического зажима.

Маятниковый твердомер

Маятниковый твердомер используется для контроля твердости по параметрам колебаний установленного на испытуемую пластину маятника в форме равнобедренного треугольника.

Применение ограничено в силу специфики прибора, так что он подходит только для контроля твердости лакокрасочного покрытия.

Универсальные твердомеры металлов стационарного типа – высокоточные аппараты с низкой погрешностью.

Способны выводить результат одновременно по нескольким шкалам.

Шариковый твердомер

Шариковые твердомеры – используют метод сопротивления вдавливанию индентора в виде шарика.

Применение – измерение твердости полимерных покрытий и материалов.

Также все твердомеры можно разделить на цифровые и аналоговые.

Последний вариант встречается достаточно редко из-за относительно низкой точности измерений, которая зависит от навыков оператора.

Как правило, используется для контроля мягких материалов.

Для вывода результата имеют шкалу в виде циферблата со стрелкой, в то время, как электронные приборы оснащены цифровым экраном.

Выбор шкалы, по которой проводятся измерения, напрямую зависит от твердости испытуемого образца.

Так, шкалы Бринелля и Шора отлично подходят для контроля твердости пластика, дерева, резины и других материалов, обладающих низкой твердостью.

Шкалу Роквелла используют для материала, обладающего средней твердостью.

Шкала Виккерса подходит для очень твердых образцов.

Особенности твердомеров

Инденторы для твердомеров изготавливают в большинстве случаев из твердых сплавов.

Особенно это актуально для приборов, работающих по методу упругого отскока.

В ультразвуковых приборах на основе метода контактного импеданса индентором служит призма, изготовленная из алмаза.

Этот материал обладает одним из самых высоких модулей упругости, что позволяет получать достаточно точные результаты измерений.

Кроме того, он имеет высокий показатель износостойкости.

Что нужно знать о твердомерах

Твердомер, являясь высокоточным измерительным прибором, нуждается в периодической проверке на исправность.

Кроме того, регулярно проводится его калибровка.

Следует знать, что для каждого метода определения твердости существует свой стандарт калибровки.

Например, для стационарных твердомеров Бринелля, Виккерса и Роквелла – ГОСТ 23677-79.

В этом же ГОСТе указано, что у таких приборов средняя наработка на отказ должна составлять не менее 25 тыс. (12,5 тыс. для вариантов с вычислительными модулями) часов.

Этот параметр определяет продолжительность работы устройства до первого отказа.

При этом полный срок службы должен превышать 10 лет, в соответствие все тому же государственному стандарту.

В комплекте с каждым твердомером идет паспорт с инструкцией по его проверке и калибровке.

Первичная проверка осуществляется изготовителем.

Как выбрать твердомер?

Прежде чем приступить к выбору твердомера, необходимо определиться, с какими материалами предстоит работа.

От этого напрямую зависит метод контроля твердости.

Если важным требованием является точность замеров, а прибор будет использоваться в лаборатории предприятия, предпочтение отдается стационарным вариантам (в идеале — универсальным).

Для проведения замеров вне лабораторных условий, единственным верным решением будет покупка переносного твердомера.

Так как использование каждого метода ограничивается различными факторами, необходимо опираться на приведенные критерии.

Основные критерии выбора

• Метод определения твердости.

Лучше приобрести комбинированный прибор, так как динамический метод хорошо подходит для геометрически простых массивных деталей, а ультразвуковой – небольших образцов материала сложной формы.

• Корпус.

Современные портативные приборы имеют сложную электронику, чувствительную к внешним воздействиям.

Ее должен защищать ударопрочный влагостойкий (или вовсе водонепроницаемый) корпус с резиновыми накладками для удобства удержания.

• Связь с индентором.

Производители предлагают 3 варианта подключения датчика с индентором к регистрирующему оборудованию (основному модулю): встроенный, проводной или беспроводной (связь по Bluetooth).

От выбора зависит удобство использования.

• Наличие памяти.
• Тип датчика.
• Возможность комплектации дополнительными типами датчиков.
• Возможность подключения к ПК и внешнему принтеру напрямую.
• Возможность работать с несколькими шкалами и преобразование результатов между шкалами.

Производители твердомеров

Пользовательское меню практически всех зарубежных твердомеров не имеет русского языка.

Это приводит к неудобству их эксплуатации в русском сегменте пользователей.

При этом, отечественные производители выпускают приборы, которые ничем не уступают зарубежным аналогам.

Среди них:

• Восток-7,
• Импульс,
• Технотест,
• Интротест,
• Константа,
• Луч,
• МЕТ,
• Новотест,
• МИНЭТЭК.

Среди зарубежных производителей по качеству измерительных приборов следует отметить PCE, Mitutoyo, Smart Sensor, Proceq SA, Sinowon, Krautkramer – GE.

Заключение

Каждый твердомер очень быстро определяет твердость любого материала, с которым в дальнейшем можно производить необходимую обработку или использовать готовую деталь по назначению, если все ее характеристики соответствуют установленным нормам.