Что такое твердомеры и как их подобрать?

Во многих современных сферах деятельности людей одним из важных моментов является точное определение твердости металлов и других материалов, а также резинотехнических изделий. Наиболее актуальны подобные показатели для производственных отраслей, поскольку позволяют оценить качество сырья и готовой продукции. Именно поэтому следует разобраться с тем, что такое твердомеры, как правильно их выбрать, а также использовать.

На данный момент такие образцы измерительного инструмента, как твердомеры, широко используются в самых разных отраслях. Помимо машиностроения и других производственных сфер, эти приборы используются специалистами научных центров. Принцип их функционирования базируется на фиксации показателей при воздействии на поверхность изучаемых предметов. Результаты таких измерений и позволяют определить твердость.

Выбор конкретного вида устройства зависит от таких параметров исследуемого изделия (детали), как:

• габариты;
• вес;
• свойства материала изготовления;
• конструктивные особенности.

Далеко не всегда имеется возможность применения более точных, стационарных моделей. В таких случаях на помощь приходят компактные, переносные твердомеры. С учетом характеристик вида описываемые инструменты состоят из нескольких элементов.

• Корпус.
• Наковальня (если имеется в виду стационарная конструкция), то есть площадка для установки детали.
• Датчик и индентор. Речь идет о рабочем элементе, отвечающем за воздействие на изучаемый материал и регистрацию его силы.
• Система управления.

Части корпуса, а также площадка для образцов и все подвижные детали оборудования выполняются из высококачественной стали и прочного пластика. Особого внимания заслуживают эксплуатационные характеристики аппаратов, предназначенных для использования в жестких полевых условиях. Одной из главных особенностей здесь является герметичность корпуса и надежная защита от механических повреждений.

Многие современные образцы описываемых аппаратов способны фиксировать результаты нескольких последних измерений. Имеется в виду оснащение устройств интегрированными модулями памяти, которые чаще всего являются энергонезависимыми.

При классификации современных твердомеров одним из ключевых моментов является то, как именно работает то или иное устройство. В частности, речь идет о методе проведения исследований. Исходя из этой особенности появились и соответствующие названия приборов. Прежде всего стоит рассмотреть, на какие разновидности делят стационарные модели.

Определение твердости подобным образом было предложено более 100 лет назад (в 1908 году) профессором Людвигом. Описан данный метод в книге, название которой дословно переводится как «Испытание конусом». Речь идет о неразрушающем поверхности материала исследовании его характеристик. Он базируется на фиксации глубины проникновения жесткого наконечника, который получил название индентор. Важная деталь заключается в том, что для всех шкал твердости применяется идентичная нагрузка. В зависимости от шкалы речь может идти о таких показателях, как 60, 100 и 150 кгс.

Функции упомянутых инденторов выполняют твердые шарики или же конусы со скругленной вершиной и углом при ней 120 градусов. Этот метод получил широкое распространение благодаря максимальной простоте и высокой скорости измерений, а также воспроизводимости получаемых данных. В процессе снятия показателей важно учитывать толщину образца, которая должна быть не менее десятикратной глубины погружения индентора.

Здесь речь идет о выполнении описываемых измерений на основе вдавливания в поверхность исследуемого материала индентора в виде шарика. Такой способ определения твердости более века назад предложил инженер Бринелль, в честь которого он и был назван. Одна из ключевых особенностей метода в том, что он был первым во всем мире стандартизован и получил самое широкое распространение. Обозначается измеряемая твердость, как «НВ».

Твердомеры, исследующие описываемый параметр материалов по этому методу, работают на основе вдавливания в поверхность индентора. Важно будет заметить, что последний выполнен в форме пирамиды. Данный способ исследований был предложен еще 100 лет назад инженерами компании Vickers Ltd. При измерениях используется обозначение «HV».

В данном случае подразумевается метод определения твердости, базирующийся на фиксации высоты, на которую отскакивает от исследуемой поверхности индентор. Общепринятым обозначением является «HS» с добавлением буквенного индекса, соответствующего одной из рабочих шкал. Основными при этом являются «C» и «D». Важно учитывать, что применение на практике этой методики довольно ограниченно, и приборы используются для анализа твердости преимущественно неметаллов.

Функционирование оборудования, относящегося к этой группе, основано на вдавливании индентора. Последний имеет форму усеченного конуса, вершина которого является плоской. Стоит заметить, что данную категорию твердомеров считают практически универсальной. Это обусловлено возможностью работы с большинством известных материалов.

Исходя из самого названия разновидности можно понять, что имеются в виду приборы, использующие при измерении твердости несколько существующих методов исследования. Стоит отметить, что применение описанных выше устройств является ограниченным в силу их эксплуатационных свойств и особенностей контролируемых материалов. Именно поэтому универсальные модели пользуются повышенным и в полной мере заслуженным спросом.

В зависимости от материалов, которые позволяют исследовать твердомеры, их делят на следующие разновидности:

• приборы для работы с металлами;
• склерометры (определение твердости камня, кирпича, бетона);
• дюрометры (пластмасса, резина);
• устройства для литейных форм.

Помимо этого, рассматриваемые аппараты бывают аналоговые и электронные. Стоит отметить, что на данный момент первый вариант встречается реже из-за сравнительно низкой точности измерений. Кстати, последняя напрямую будет зависеть от навыков и опыта оператора.

Анализируя особенности существующих на данный момент твердомеров, важно уделить внимание выбору шкал. Он напрямую зависит от характеристик исследуемого материала. Например, шкалы Шора и Бринелля будут оптимальным вариантом для дерева, пластика, резины и других материалов со сравнительно низкими показателями твердости. Шкалы Роквелла и Виккерса – более подходящие для средней и повышенной твердости. Еще один важный момент – это деление всех перечисленных аппаратов на:

• автоматические, имеющие сервопривод, управляемый микропроцессором;
• полуавтоматические;
• полностью механические, в которых применение и снятие нагрузки на материал осуществляется непосредственно оператором в ручном режиме.

Оборудование, относящееся к этой категории, имеет довольно крупные габариты и соответствующую массу. Вес некоторых моделей достигает рекордной отметки в 200 кг, а их высота и длина могут составлять до 1 метра и более. Эти параметры не играют определяющую роль с точки зрения удобства эксплуатации техники, поскольку она должна устанавливаться неподвижно на одном конкретном месте. Такие приборы используются преимущественно в условиях лабораторий, а также на предприятиях. Их главное конкурентное преимущество – максимальная точность измерений и минимальная погрешность.

Приборы оснащены клавиатурой для ввода параметров, а также дисплеями, на которых отображаются результаты исследований. Опционально стационарные твердомеры могут иметь интерфейс для сопряжения с персональными компьютерами. А также в перечень подключаемых устройств входят микроскопы и принтеры, предназначенные для распечатки получаемых данных. Источником питания для аппаратов является бытовая электросеть.

Переносные, то есть сравнительно компактные твердомеры с учетом методов определения характеристик материалов делят на три основные группы. Речь идет о динамических, ультразвуковых, а также комбинированных приборах. Последняя разновидность во многом напоминает универсальные образцы стационарного оборудования. Такие аппараты могут определять параметры и демонстрировать результаты измерений по нескольким шкалам. Это, в свою очередь, многократно расширяет сферу применения твердомеров.

Особенности указанных типов портативных устройств выглядят следующим образом.

• Динамические – отличаются высокой скоростью выполнения измерений. При этом используется сетка твердости, являющаяся стандартизованной на территории Российской Федерации для полевых, а также лабораторных и производственных условий эксплуатации. Речь идет о твердомерах Роквелла, Шора, Бринелля и Виккерса.

• Ультразвуковые – приборы, метод функционирования которых позволяет исследовать более широкий перечень материалов. В него входят листы из стали, мелкие детали, а также зеркальные поверхности. Помимо всего прочего, они используются для определения механической прочности.

• Комбинированные – модели, которые выполняют описываемые операции с применением двух датчиков. Эти сменные конструктивные элементы способны контролировать колебания показателей твердости практически любых изделий из металла. По большому счету комбинированные приборы – это гибрид ультразвуковых и динамических методов исследования.

В соответствующем сегменте современного рынка измерительного инструмента и оборудования на данный момент свою продукцию представляют многие отечественные и зарубежные производители. В модельных рядах представлен довольно широкий ассортимент как портативных, так и стационарных приборов. Все эти модели отличаются друг от друга эксплуатационными характеристиками и, конечно же, стоимостью. При выборе опытные специалисты предсказуемо отдают предпочтение известным брендам.

В список наиболее популярных российских марок можно включить:

• «Интротест»;
• «Восток-7»;
• «Новотест»;
• «Константа»;
• «Минэтэк»;
• «Импульс»;
• «Луч».

Перед приобретением конкретной модели описываемого измерительного инструмента или оборудования следует четко определиться с требуемой разновидностью. К примеру, для исследований сравнительно мягких металлов и сплавов потребуются приборы, функционирующие на основе метода Бринелля. При работе с материалами средней и повышенной твердости актуальными будут устройства Роквелла и Виккерса соответственно. Если речь идет о контроле состояния разнообразных изделий, то, естественно, следует рассматривать универсальные модели.

Помимо этого, при подборе наиболее подходящего оборудования настоятельно рекомендуется акцентировать внимание на нескольких важных моментах.

• Способ взаимодействия между индентором (интегрированным, проводным и беспроводным) и датчиком.
• Качество исполнения и прочность нагрузочной ячейки.
• Диапазон рабочих нагрузок устройства.
• Возможность интеграции прибора с персональным компьютером и внешним принтером.
• Воспроизводимость результатов измерений.
• Наличие и объем встроенной памяти.
• Присутствие в комплекте дополнительных датчиков.
• Возможность одновременной работы на нескольких шкалах и конвертация получаемых показателей.

Следующий важный шаг – это определение перечня материалов, с которыми предполагается работать. А также следует акцентироваться на требуемой точности выполняемых измерений. Если во главе угла ставится максимальный показатель, то стоит рассматривать стационарные и лучше всего универсальные образцы оборудования. Если замеры будут производиться не в лабораторных условиях, то оптимальным выбором станут компактные, переносные модели. Параллельно важно помнить, что каждый из применяемых методов определения твердости того или иного материала ограничивается конкретными факторами. Есть смысл сравнить аппараты, относящиеся к категории динамических и ультразвуковых. Стоит заметить, что первый вариант наиболее актуален для простых с геометрической точки зрения и массивных изделий.

Ультразвуковые модели – это идеальное решение в ситуациях, когда работать предполагается с небольшими по размерам образцами материала, имеющими сложную форму. Помимо способа проведения исследований, а также уже упомянутых особенностей связи основного модуля с индентором, требуется уделить внимание корпусу устройства.