Твердость металлов: в чем измеряется, шкала, определение, единицы измерения, таблица

• By: Семантика
• Без рубрики
• Comment: 0

Содержание статьи

1. Понятие
2. В каких единицах измеряется твердость металла
3. Насколько твердыми бывают основные металлы
4. Методы измерения
5. Как определить твердость металла по методике Бринелля: особенности
6. Как измерить твердость металла по методике Роквелла: особенности
7. Характеристики методики Виккерса
8. Способы перехода между шкалами
9. Требования к образцу

Все материалы, используемые во время машиностроения и изготовления прочих деталей, имеют определенные характеристики. Перед тем как взять в работу конкретный металлический сплав, специалист проверяет все параметры, так как от них зависит и металлообработка, и эксплуатация дальнейшего изделия. В статье расскажем про значение твердости поверхности различных металлов и что их характеризует: что это такое, что называется твердой сталью, а также в каких единицах измеряется показатель жесткости, и как происходит замер материалов.

Понятие

Данным термином в материаловедении называют механическое свойство, которое определяет устойчивость к разрушению под воздействием других, более плотных веществ. Иначе можно сказать так: это сопротивляемость деформациям от давления. При этом учитываются и пластичные, и упругие изменения. От характеристики зависит множество процессов и условий:

• Износостойкость – это есть то, насколько долго может быть использован элемент. В том числе срок износа, поскольку для каждой детали, например, автомобильной, наступает время, когда по естественным причинам ее нужно менять. Но чем тверже элемент, тем дольше он будет служить в определенных условиях.
• Возможность различных видов металлообработки – одни технологии применяются только к мягким сплавам, а другие могут быть использованы и для прочных.
• Сопротивление давлению и прочим усилиям характерно для вала или подшипника, на которые действуют силы центробежная и трения.
• Способность использовать материал в качестве инструмента для более податливой поверхности. Инструментальная сталь является настолько крепкой, что применяется для изготовления фрез для фрезерных станков, сверл и прочих изделий.

Это далеко не полный перечень того, на что влияет твердость металла после того, как мы дали ему определение. Не каждое используемое вещество берется с одинаковыми характеристиками. Что делается прежде всего для увеличения данного параметра? Сперва берем сырье, очищаем от примесей, а затем подвергаем химической и температурной обработке. А именно: в состав добавляем различные легирующие компоненты, повышающие это качество, например:

• Хром. Увеличивается прочность и устойчивость к коррозии, незначительно уменьшается пластичность и подверженность магнитным силам. Если более 13% хрома, то сплав называют нержавеющим.
• Вольфрам. Очень сильно повышается содержание твердых соединений – карбидов. Дополнительное свойство – снижение хрупкости после отпуска.
• Ванадий. Тоже возрастает сопротивление деформациям.
• Марганец. Чтобы увидеть эффект, вещества должно быть не менее 1%. Резко взлетает стойкость к ударным нагрузкам.

От чего зависит твердость металлов по этому классу:

• От наличия легирующих добавок, перечисленных выше.
• От естественных свойств сырья.
• От термообработки. С этой целью помогает закалка – материал нагревают сверх определенной критической точки, кристаллическая решетка меняется, и после охлаждения закаленная сталь становится очень надежной.
• От цементации – способом диффузии образец насыщается углеродом. Такому методу подвергаются только низкоуглеродистые или легированные части.
• От старения – оно может быть естественным или искусственным. В первом случае со временем протекают процессы, которые не затрагивают микроструктуру, но важны на общем уровне. Во втором применяется термообработка с целью химического и термального увеличения срока эксплуатации – состаривание.
• От наклепывания на поверхность. Это пластическое изменение структуры вещества, приводящее к повышению прочности.
• От обработки лазером. Лазерная установка наплавляет прочный слой.

Кроме того, некоторые этапы металлообработки (прокатка, ковка и закалка) с изменением формы заготовки также приводят к улучшению качества.

В каких единицах измеряется коэффициент твердости металла

Особенность данной характеристики в том, что в зависимости от метода, которым проводили замер, меняется и классическое обозначение. Так как параметр нельзя причислить к основным физическим шкалам, таким как расстояние, скорость, масса, сила, то и единого стандарта нет в так называемой системе СИ.

Если исследователь применяет один из наиболее стандартных способов, предложенный Бриннелем, о котором мы подробнее расскажем ниже, то результат будет записан в кгс/мм2, то есть в килограмм-силах, деленных на квадратный миллиметр. По шкале измерения твердости металлов можно сказать о классических примерах и их показателях в соотношении друг с другом:

• железные сплавы – в среднем 30 кгс/мм2;
• медные и никелевые составы – 10 кгс/мм2;
• алюминий, магний и их производные – 5 кгс/мм2.

Так делаем вывод, что железо в 6 раз тверже, чем мягкое алюминиевое соединение. Второй популярный метод изобрел Роквелл. Согласно ему, одно условное значение (у.е.) равно перемещению конуса на 2 мкм. Если маркируется по данному варианту, то сперва проставляется индексация, затем одна из трех букв – А, В, С и цифровое значение. Если вы видите на заготовке твердость материала НВ, то это единицы измерения по Роквеллу. Также индексом могут быть отмечены детали под маркировкой HR, а после 1 из трех букв:

• A – свидетельствует о том, что испытания проводились с помощью конуса из алмаза с углом вершины в 120 градусов под прилагаемой нагрузкой в 50 – 60 кг.
• В – говорит о шарике в одну шестнадцатую дюйма, который направляют к поверхности под весом в 90 – 100 кг.
• С – используется аналогичный конус, как при маркировке А, но увеличенное воздействие в 140 – 150 кг.

Дальше идет цифра, которая уже указывает на то, какая вмятина образовалась. И еще один вариант того, в чем измеряется твердость стали, – цифры плюс буквы HV. Такое измерение предлагает Виккерс. В то время как по методике Шора можно увидеть такие записи – 90 HSD.

Насколько твердыми бывают основные металлы

Большинство материалов уже обладают определенными характеристиками, их давно измерили и записали в таблицы, при этом в сводках обозначены как исходные значения необработанного железа, так и после различных типов термо- и холодной металлообработки. Но при добавлении нестандартных и новых добавок, проведенных процедур необходимо заново измерять данный показатель. Но если вы сталкиваетесь со стандартными сплавами, то следует посмотреть в подготовленные списки.

Цветмет

Они более мягкие, чем черные, потому что в них нет твердых включений, а также их не подвергают закалке и прочим методам термообработки.

Титан составляет исключение. Приведем технологию, используемую Бриннелем:

Черные металлы

Это железо и стали, ферросплавы и чугуны. Иногда к этой категории относят ванадий, марганец. Общая характеристика:

• Способ получения – обработка железной руды.
• Увеличенная прочность.
• Невосприимчивость к механическим воздействиям.
• Высокая износостойкость.
• Хорошая свариваемость.
• Невысокая стоимость.

Поэтому железо активно применяют. Нецелесообразно приводить полный список всех марок, рассмотрим только основные:

• Чугун – 220 НВ.
• Инструментальные стальные сплавы – до 700 НВ, из нее делаются режущие инструменты.
• Нержавейка – до 250 НВ.

Методы измерения

Как мы упомянули, есть несколько эффективных технологий, по которым определяют данный показатель. Одни являются более точными, другие – наиболее просты в реализации. Объединяет их то, что в поверхность вдавливается предмет по структуре наиболее стойкий. Итогом становится то, как плоскость противостоит воздействию.

Как определить твердость металла по методике Бринелля: особенности

В качестве индентора, то есть самого элемента, который вдавливается в заготовку, используется идеальная сфера диаметром от 1 до 10 миллиметров. Он изготавливается из легированных соединений или из сплава карбида и вольфрама. Регламентируется производство таких шаров ГОСТом 3722 81. Время, в которое происходит статическое, то есть неподвижное вдавливание, – от 10 до 180 секунд. Этот параметр зависит от материала. Самые минимальные временные промежутки – для чугуна и стали, а более продолжительные – для цветных металлов.

Максимальная нагрузка, которая может быть измерена таким способом, – 450 или 650 НВ, в зависимости от того, из чего сделан шарик. На образец для правильной деформации подбирается воздействие, посмотрим по формулам в таблице, как можно их вычислить, учитывая, что D – это диаметр шара:

Алгоритм применения метода Бринелля

• Проверяется сам аппарат и тело для внедрения – шар.
• Определяется максимальное усилие.
• Твердомер запускается.
• Измеряется глубина вдавливания.
• Производятся математические вычисления.

Применяемая формула НВ=P/F, где:

• P – нагрузка;
• F – площадь отпечатка.

Следует отметить, что это самый распространенный способ.

Как измерить твердость металла по методике Роквелла: особенности

Если предыдущая технология называется классической, то данную можно именовать современной, поскольку она более автоматизированная. Точность намного выше и сфер применения тоже, поскольку можно работать даже с очень прочными материалами.

Характеристики метода:

• Изначальное давление в 10 кгс.
• Напряжение выдерживают от 10 секунд до 1 минуты.
• Результат не рассчитывается математически, он высвечивается на цифровом табло.
• Используются разные наконечники, в зависимости от этого ставится маркировка, которая начинается с букв А, В, С. Мы уже подробнее указывали расшифровку индексов, просто напомним, что в качестве индентора может выступать стальной шарик или алмазный конус.

Есть также менее известные и используемые шкалы Е, Н, К с шаром меньшего диаметра. На процедуру накладываются ограничения:

• Делать пробы на одной заготовке можно только на расстоянии по 3-4 у.е., равных размеру проверяющего объекта, друг от друга.
• Толщина не может быть меньше, чем умноженная на 10 глубина проникновения наконечника в сталь.

План исследования по методу Роквелла

Алгоритм проведения аналогичный и даже более упрощенный:

• Необходимо оценить деталь и проверить работоспособность станка.
• Вычислить максимальную нагрузку.
• Установить образец и применить первичное напряжение.
• Выдержать определенный промежуток времени.
• Зафиксировать результат, указанный на табло.

Посмотрим, как выглядит твердомер, а также как им пользоваться:

Характеристики методики Виккерса

Еще один очень простой способ, который отличается скоростью и точностью, но дороговизной оборудования. Перечислим особенности:

• Используется алмазная пирамидка с более тупым углом – 136 градусов в вершине.
• Не допускается деформация превышающая 100 кгс.
• Выдерживают время очень короткое – от 10 до 15 секунд.
• Измерять можно параметры любого материала, в том числе особенно прочного, а также сталей, которые прошли термическую обработку.

Последовательность исследования

Упрощенный алгоритм:

• Проверьте поверхностный слой детали, а также все оборудование.
• Рассчитайте допустимое усилие.
• Установите образец, закрепите его.
• Запустите аппарат и спустя 10-15 секунд проанализируйте итог.

Способы перехода между шкалами

Тот факт, что в лабораториях используются разные методы, а также то, что нет одного стандарта, то приходится конвертировать один показатель в другую систему счисления. Следует отметить, что во всех странах преимущественно выбирают единственную технологию. Но из-за активного товарооборота изготовители встречаются с непривычными маркировками. Итак, дадим таблицу с аналогичными результатами по отличающимся данным:

Можно отметить, что списки не обладают особо высокой точностью, поскольку в зависимости от измерений могли быть использованы разнообразные сплавы. Сводки будут верны только в том случае, если при всех пяти способах был апробирован одинаковый материал.

Требования к образцу

В начале каждого объяснения, как проходит алгоритм исследования, мы давали рекомендацию – проверить аппаратуру и заготовку. Если с первым все понятно, то есть работоспособность станка определить возможно, то со вторым необходимо объяснить. Особенности экспериментальных частей:

• Ровная поверхность определенной шероховатости без дефектов, микротрещин и любых повреждений. Следует предварительно прогнать верхний слой с помощью фрезерного станка или посредством шлифовальной обработки.
• Максимальная шлифовка и даже полировка. Чем выше шероховатость, тем больше будет неточностей результата, что очень негативно скажется на измерениях в целом.
• Также стоит предупредить наклеп. Это утолщение, упрочнение, которое образуется при заданной температуре (она ниже, чем точка рекристаллизации) и посредством пластических деформаций.
• Все параметры должны соответствовать нормам и прописанным ГОСТам.

Все перечисленные требования обязательны при проведении. Однако на настоящий момент часто это оказывается излишним, поскольку существуют сводные таблицы. Сделаем вывод. В статье мы рассказали про обозначение единиц измерения твердости металла, а также дали описание термину и перечислили все основные применяемые технологии. Это важная характеристика для стали, поэтому данная процедура имеет ценность для науки материаловедения и для заводов-производителей. При выборе металлообработки необходимо заранее определять все химические и механические свойства. Посмотрим подробный видеоролик:

После того как прочтете статью, можете ознакомиться с нашим ассортиментом ленточнопильных изделий. Компания «Рокта» уже 15 лет на российском рынке. За это время мы охватили практически все города страны.