Твердость металлов
Машиностроительные детали и механизмы, а также инструменты, предназначенные для их обработки, обладают набором механических характеристик. Немалую роль среди характеристик играет твердость. Твердость металлов наглядно показывает:
На практике доказано, что большинство механических свойств металлов напрямую зависят от их твердости.
Понятие твердости
Твердость материала – это стойкость к разрушению при внедрении во внешний слой более твердого материала. Другими словами, способность к сопротивлению деформирующим усилиям (упругой или пластической деформации).
Определение твердости металлов производится посредством внедрения в образец твердого тела, именуемого индентором. Роль индентора выполняет: металлически шарик высокой твердости; алмазный конус или пирамида.
После воздействия индентора на поверхности испытуемого образца или детали остается отпечаток, по размеру которого определяется твердость. На практике используются кинематические, динамические, статические способы измерения твердости.
В основе кинематического метода лежит составление диаграммы на основе постоянно регистрирующихся показаний, которые изменяются по мере вдавливания инструмента в образец. Здесь прослеживается кинематика всего процесса, а не только конечного результата.
Динамический метод заключается в следующем. Измерительный инструмент воздействует на деталь. Обратная реакция позволяет рассчитать затраченную кинетическую энергию. Данный метод позволяет проводить испытание на твердость не только поверхности, но и некоторого объема металла.
Статические методы – это неразрушающие способы, позволяющие определить свойства металлов. Методы основаны на плавном вдавливании и последующей выдержке в течение некоторого времени. Параметры регламентируются методиками и стандартами.
Прилагаемая нагрузка может прилагаться:
Машиностроительные предприятия на данный момент для определения твердости материалов используют методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, а также метод микротвердости.
На основе проводимых испытаний составляется таблица, в которой указываются материалы, прилагаемые нагрузки и полученные результаты.
Единицы измерения твердости
Каждый способов измерения сопротивления металла к пластической деформации имеет свою методику его проведения, а также единицы измерения.
Измерение твердости мягких металлов производится методом Бринелля. Данному способу подвергаются цветные металлы (медь, алюминий, магний, свинец, олово) и сплавы на их основе, чугуны (за исключением белого) и отожженные стали.
Твердость по Бринеллю определяется вдавливанием закаленного, отполированного шарика из шарикоподшипниковой стали ШХ15. Окружность шарика зависит от испытуемого материала. Для твердых материалов – все виды сталей и чугунов – 10 мм, для более мягких – 1 – 2 — 2,5 — 5 мм. Необходимая нагрузка, прилагаемая к шарику:
Единица измерения твердости – это числовое значение и следующий за ними числовой индекс HB. Например, 200 НВ.
Твердость по Роквеллу определяется посредством разницы приложенных нагрузок к детали. Вначале прикладывается предварительная нагрузка, а затем общая, при которой происходит внедрение индентора в образец и выдержка.
В испытуемый образец внедряется пирамида (конус) из алмаза или шарик из карбида вольфрама (каленой стали). После снятия нагрузки производится замер глубины отпечатка.
Единица измерения твердости – это условные единицы. Принято считать, что единица — это величина осевого перемещения конуса, равная 2 мкм. Обозначение твердости маркируется тремя буквами HR (А, В, С) и числовым значением. Третья буква в маркировке обозначает шкалу.
Методика отображает тип индентора и прилагаемую к нему нагрузку.
| Тип шкалы | Инструмент | Прилагаемая нагрузка, кгс |
| А | Конус из алмаза, угол вершины которого 120° | 50-60 |
| В | Шарик 1/16 дюйма | 90-100 |
| С | Конус из алмаза, угол вершины которого 120° | 140-150 |
В основном, используются шкалы измерения А и С. Например, твердость стали HRC 26…32, HRB 25…29, HRA 70…75.
Измерению твердости по Виккерсу подвергаются изделия небольшой толщины или детали, имеющие тонкий, твердый поверхностный слой. В качестве клинка используется правильная четырехгранная пирамида угол при вершине, которой составляет 136°. Отображение значений твердости выглядит следующим образом: 220 HV.
Измерение твердости по методу Шора производится путем замера высоты отскока упавшего бойка. Обозначается цифрами и буквами, например, 90 HSD.
К определению микротвердости прибегают, когда необходимо получить значения мелких деталей, тонкого покрытия или отдельной структуры сплава. Измерение производят путем измерения отпечатка наконечника определенной формы. Обозначение значения выглядит следующим образом:
0,196 — нагрузка на наконечник, Н;
Твердость основных металлов и сплавов
Измерение значения твердости проводится на готовых деталях, отправляющихся на сборку. Контроль производится на соответствие чертежу и технологическому процессу. На все основные материалы уже составлены таблицы значений твердости как в исходном состоянии, так и после термической обработки.
Цветные металлы
Твердость меди по Бринеллю составляет 35 НВ, значения латуни равны 42-60 НВ единиц в зависимости от ее марки. У алюминия твердость находится в диапазоне 15-20 НВ, а у дюралюминия уже 70НВ.
Черные металлы
Твердость по Роквеллу чугуна СЧ20 HRC 22, что соответствует 220 НВ. Сталь: инструментальная – 640-700 НВ, нержавеющая – 250НВ.
Для перевода из одной системы измерения в другую пользуются таблицами. Значения в них не являются истинными, потому что выведены империческим путем. Не полный объем представлен в таблице.
| HB | HV | HRC | HRA | HSD |
| 228 | 240 | 20 | 60.7 | 36 |
| 260 | 275 | 24 | 62.5 | 40 |
| 280 | 295 | 29 | 65 | 44 |
| 320 | 340 | 34.5 | 67.5 | 49 |
| 360 | 380 | 39 | 70 | 54 |
| 415 | 440 | 44.5 | 73 | 61 |
| 450 | 480 | 47 | 74.5 | 64 |
| 480 | 520 | 50 | 76 | 68 |
| 500 | 540 | 52 | 77 | 73 |
| 535 | 580 | 54 | 78 | 78 |
Значения твердости, даже если они производятся одним и тем же методом, зависят от прилагаемой нагрузки. Чем меньше нагрузка, тем выше показания.
Методы измерения твердости
Все методы определения твердости металлов используют механическое воздействие на испытуемый образец – вдавливание индентора. Но при этом не происходит разрушение образца.
Метод определения твердости по Бринеллю был первым, стандартизованным в материаловедении. Принцип испытания образцов описан выше. На него действует ГОСТ 9012. Но можно вычислить значение по формуле, если точно измерить отпечаток на образце:
Условное изображение принципа испытания
Схематически метод исследования по Роквеллу изображается следующим образом согласно ГОСТ 9013.
Метод измерения твердости по Роквеллу
Итоговая приложенная нагрузка равна сумме первоначальной и необходимой для испытания. Индикатор прибора показывает разницу глубины проникновения между первоначальной нагрузкой и испытуемой h –h0.
Метод Виккерса регламентирован ГОСТом 2999. Схематически он изображается следующим образом.
Математическая формула для расчета:
HV=0.189*P/d 2 МПа
HV=1,854*P/d 2 кгс/мм 2
Прикладываемая нагрузка варьируется от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Значения определяются по таблицам относительно измеренного отпечатка d.
Метод считается эмпирическим и имеет большой разброс показаний. Но прибор имеет простую конструкцию и его можно использовать при измерении крупногабаритных и криволинейных деталей.
Измерить твердость по Моосу металлов и сплавов можно царапанием. Моос в свое время предложил делать царапины более твердым минералом по поверхности предмета. Он разложил известные минералы по твердости на 10 позиций. Первую занимает тальк, а последнюю алмаз.
После измерения по одной методике перевод в другую систему весьма условен. Четкие значения существуют только в соотношении твердости по Бринеллю и Роквеллу, так как машиностроительные предприятия их широко применяют. Зависимость можно проследить при изменении диаметра шарика.
| d, мм | HB | HRA | HRC | HRB |
| 2,3 | 712 | 85,1 | 66,4 | — |
| 2,5 | 601 | 81,1 | 59,3 | — |
| 3,0 | 415 | 72,6 | 43,8 | — |
| 3,5 | 302 | 66,7 | 32,5 | — |
| 4,0 | 229 | 61,8 | 22 | 98,2 |
| 5,0 | 143 | — | — | 77,4 |
| 5,2 | 131 | — | — | 72,4 |
Как видно из таблицы, увеличение диаметра шарика значительно снижает показания прибора. Поэтому на машиностроительных предприятиях предпочитают пользоваться измерительными приборами с однотипным размером индентора.
Что такое твердость и как ее измерить?
Понятие твердости
Твердостью называют свойство материала сопротивляться внедрению в его поверхность индентора.
В чем измеряется твердость?
Существуют два основных способа отображения твердости материалов:
По каким методам можно измерять твердость?
В настоящее время разработано много способов определения твердости металлов, таких как:
Среди всех этих способов наибольшую популярность получил способ внедрения индентора под действием статической нагрузки. Основными методами для измерения твердости являются: Бринелль, Роквелл, Виккерс, Шора.
Требования к измерению твердости
К самому распространенному способу измерения твердости, предъявляются следующие требования:
Как рассчитать твердость материала?
Чем выше твердость, тем более высокая нагрузка нужна для определения его твердости. Чем точнее метод, тем выше требования к подготовке испытательной поверхности материала. Соответственно нам необходимо подобрать метод определения твердости, дающий минимальную погрешность при минимальном повреждении поверхности и минимальных затратах на подготовку поверхности к испытанию.
В чем измеряется твердость стали?
| Название прибора | Принцип действия и форма наконечника | Пример обозначения шкал | Формула вычисления твердости | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Индентор | Шкала | Обозначение | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Прибор Бринелля | Вдавливание стального закаленного шарика диаметром 1,25; 2,5; 5 или 10 мм и др., нагрузками в диапазоне от 1 до 62,5 кгс или от 62,5 до 3000 кгс в плоскую поверхность испытуемого тела | HB (w) | HB (w) 2,5/187,5 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Прибор Роквелла и Супер-Роквелла | Вдавливание алмазного конуса с углом заострения 120° или стальных шариков диаметром 1/2», 1/4», 1/8» или 1/16» стандартными нагрузками 150, 100 и 60 кгс (Роквелл) или 45, 30 и 15 кгс (Супер-Роквелл) | Вдавливание алмазной пирамиды с квадратным основанием и углом при вершине между гранями 136° c нагрузками от 0,01 до 50 кгс | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
, кгс/мм 2 | Название прибора, автор (год) | Принцип действия и форма наконечника | Измеряемый параметр, метод вычисления твердости и ее условная размерность |
|---|---|---|
| По методу Герца (1881) | Сдавливание полусферы и плоскости из испытуемого материала до появления следов пластической деформации или трещины | HГ = 6Р/πd 2 кр, кгс/мм 2 |
| Монотрон Шора (1900) | Вдавливание алмазного шарика диаметром 0,75 мм или стальных шариков диаметром 1/16″ и 2,5 мм на стандартную глубину 0,045 мм | Мерой твердости служит нагрузка (кгс), необходимая для вдавливания на стандартную глубину |
| По методу Лудвика (1907) | Вдавливание стального конуса с углом заострения 90° в плоскость испытуемого тела | Твердость вычисляется как нагрузка, деленная на площадь проекции |
| По методу М. С. Дрозда (1958) | Вдавливание шарика нагрузкой Р, измерение глубины восстановленного отпечатка h и критической нагрузки Рs, отвечающей переходу от упругого к остаточному опечатку | Н = (Р-Рs)/πDhвосст, кгс/мм 2 |
Методы динамического определения твердости
| Название прибора, автор (год) | Принцип действия и форма наконечника | Измеряемый параметр, метод вычисления твердости и ее условная размерность |
|---|---|---|
| По методу Мартеля (1895) | Удар стальной пирамидой, укрепленной на падающем бойке | По энергии удара и диагонали отпечатка определяется твердость H = Е1/V, кгс/мм 2 |
| Вертикальный копер Николаева | Удар бойка весом 3 кгс, падающего с высоты 530 мм, по стальному шарику 10 мм, прижатому к изделию | По диаметру отпечатка и тарировонным кривым определяется НВ, кгс/мм 2 |
| Пружинный прибор Шоппера | Удар стальным шариком диаметром 10 мм с помощью сжатой пружины | По глубине отпечатка определяется НВ, кгс/мм 2 |
| Пружинный прибор Баумана | Удар бойком со стальным шариком диаметром 5 или 10 мм с помощью сжатой пружины с запасом энергии 0,15 и 0,53 кгс·см | По диаметру динамического отпечатка и тарировочным кривым находится НВ, кгс/мм 2 |
| Прибор Польди | Удар молотком по бойку, под которым находится эталон и испытуемое тело с зажатым между ними закаленным стальным шариком диаметром 10 мм | По диаметрам отпечатков на образце и эталоне определяется твердость: HВобр = 2 НВэт*d 2 эт/d 2 обр, кгс/мм 2 |
| Маятниковый копер Вальцеля (1934) | Удар стальным шариком диаметром 5 или 10 мм, укрепленным на маятниковом копре | Угол отскока в условных единицах |
| Склероскоп Шора | Падение бойка весом 2,3 гс с коническим алмазным наконечником с высоты 254 мм | Число условных единиц высоты отскока бойка |
| Маятник Герберта | Качание маятника весом 2 или 3 кгс, опирающегося на поверхность испытуемого тела стальным или рубиновым шариком диаметром 1 мм | Бремя 10 односторонних качаний маятника в секунду или амплитуда одного качания в условных единицах |
| Маятниковый склерометр Кузнецова (1931) | Качание маятника весом 1 кгс, опирающегося двумя стальными наконечниками или шариками на испытуемое тело | Время затухания колебаний до заданной амплитуды |
Методы статического определения твердости вдавливанием
| Название прибора и автор (год) | Принцип действия и форма наконечника | Вычисление твердости и ее условная размерность | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| По методу Лидса (1936) | Вдавливание пирамиды Виккерса 136° собственным весом индентора (35 г) и давлением воздуха на поршень | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Микротвердомер Цейсса— Ганеманна (1940) | Вдавливание пирамиды Виккерса нагрузкой 2—100 гс, создаваемой плоскими пружинами | То же | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ПМТ-2, ПМТ-3 (Хрущов, Беркович) | Вдавливание пирамиды Виккерса сменными нагрузками 2—500 гс | То же | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| По методу Кнупа, Петерса, Эмерсона (1939) | Вдавливание алмазного наконечника Кнупа (пирамида с основанием в виде сильно вытянутого ромба и углами между ребрами 130° и 172°30′) с нагрузкой 50—4909 гс | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| По методу Берковича | Вдавливание алмазной трехгранной пирамиды с углом между гранью и осью 65° | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| По методу Егорова и др. (1970) | Вдавливание алмазного лезвия, образованного двумя цилиндрами радиусом 2 мм, оси которых! пересекаются под углом 136° | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| По методу Калей, Хрущова, Скворцова, Алехина, Терновского, Шоршорова (1968-1973) | Вдавливание алмазной 136-градусной пирамиды с регистрацией нагрузки и глубины погружения индентора в процессе испытания |
| Материал | Особенности | В нв |
| Медь | Имеет высокую пластичность и низкую прочность. если добавляются специальные примеси, получаются новые марки, тогда показатель может увеличиваться. | 35 |
| Латунь | Это двойной или многокомпонентный состав, который включает медь. но она более надежная, дополнительно включены цинк или олово. | 42 – 60 |
| Алюминий | Может быть мягким или твердым, с увеличенной или уменьшенной пластичностью. | 15 – 20 |
| Дюралюминий | Современный, легкий, активно применяется в авиастроении. есть добавки – медь, магний, марганец. | 70 |
| Титан | Очень крепкий цветмет. | 160 |
Черные металлы
Это железо и стали, ферросплавы и чугуны. Иногда к этой категории относят ванадий, марганец. Общая характеристика:
Поэтому железо активно применяют. Нецелесообразно приводить полный список всех марок, поэтому только основные:
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 другой предмет по структуре более стойкий. Итогом измерений 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 идеальный шарик 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:
| Проверяемый объект | Математически вычисленное изменение |
| Свинец или олово | 1d^2 |
| Стальные соединения, титан, никель | 30d^2 |
| Легкие сплавы | от 2,5d^2 до 15d^2 |
| Чугун | 10d^2 или 30d^2 |
| Медь и составы с ее добавлением | 5d^2, 10d^2, 30d^2 |
Алгоритм применения метода Бринелля
Применяемая формула НВ=P/F, где:
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.
Есть также менее известные и используемые шкалы Е, Н, К с шаром меньшего диаметра. На процедуру накладываются ограничения:
План исследования по методу Роквелла
Алгоритм проведения аналогичный и даже более упрощенный:
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:
Последовательность исследования
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 одну технологию. Но из-за активного товарооборота изготовители встречаются с непривычными маркировками. Итак, дадим таблицу с аналогичными результатами по отличающимся данным:
| Диаметр от вдавливания – в мм | По Бринеллю | По Роквеллу, категория А | В | С | По Виккерсу |
| 3,9 | 241 | 62,8 | 99,8 | 24 | 242 |
| 4,08 | 217 | 60,7 | 96,6 | 20,2 | 217 |
| 4,2 | 206 | 59,6 | 94,6 | 17,9 | 206 |
| 5 | 144 | 49,9 | 77,7 | – | 144 |
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 первую рекомендацию – проверить аппаратуру и заготовку. Если с первым все понятно, то есть работоспособность станка определить возможно, то со вторым необходимо объяснить. Особенности экспериментальных частей:
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 ознакомитесь со статьей, можете ознакомиться с нашим ассортиментом ленточнопильных изделий. Компания «Рокта» уже 15 лет на российском рынке. За это время мы охватили практически все города страны.
