Понимание твёрдости металлов помогает определить, насколько хорошо эксплуатируемый материал будет противостоять различным видам деформаций и износа. Это знание позволяет сделать осознанный выбора типа металла для конкретного применения и обеспечения его долговечности. Понимание твёрдости дает возможность инженерам прогнозировать поведение металла под нагрузкой и его пригодность для различных целей — от повседневных инструментов до критически важных элементов конструкций. Например, при производстве двутавровых балок, используемых в строительстве несущих конструкций, твердость металла напрямую влияет на способность балки выдерживать высокие нагрузки без деформации. Как определяется твердость металлов, от чего зависит твердость металлов, каковы показатели твердости металлов? Ответы на эти и иные вопросы предоставляет данная статья.
Что такое твердость металла
Твердость металла – это характеристика, определяющая износ поверхности и её стойкость к истиранию. С твердостью (а также пластичностью) связана также способность материала противостоять вмятинам от ударной нагрузки.
Физическая природа твердости
Что такое твердость металла? Это его реакция на локализованную пластическую деформацию, которой он подвергается (при хрупком разрушении смысла определять твердость нет). Эта реакция на приложенную внешнюю силу проявляется в сдвиге части поверхности, появлении царапин, вмятин и прочих дефектов. Твердость — это не только то, что трудно поцарапать, это важный механический показатель, который указывает на способность металла выдерживать износ, истирание и деформацию.
Факторы, влияющие на твердость металла:
- Атомная структура. Расположение и соединение атомов внутри кристаллической структуры металла существенно влияют на его твердость. Более сильные межатомные связи обычно являются причиной и более высокой твердости.
- Легирование. Добавление других элементов в металл (легирование) может изменить его твердость. Так действуют углерод, кремний, вольфрам и другие элементы, имеющие более высокое значение предела прочности.
- Микроструктура: размер и распределение зерен, несовершенств кристаллической решетки и других микроструктурных особенностей в металле также влияют на его твердость.
- Поверхностная обработка. Например, дробеструйное поверхностное воздействие не только изменяет шероховатость, но и вызывает значительному увеличению твердости поверхности.
Пользоваться такими способами следует весьма осторожно, поскольку потому что последующая обрабатываемость такого металла ухудшается.
Способы управления и контроля твердости металлов
Во многих металлах могут быть достигнуты различные значения твердости. Для этого повышения твердости металлов предназначаются практически все процессы термической обработки (отпуск, закалка, старение, нормализация и др.), а также технологии пластического упрочнения с применением холоднокатаных и холоднодеформированных заготовок.
Механизм деформационного упрочнения проявляется в том, что, когда зернистая структура металла подвергается холодной штамповке, зерна растягиваются и видоизменяются. Поверхность становится более твердой, и устойчивой к контактным деформациям.
В процессах термообработки твердость варьируется за счёт изменения размеров зерна. Например, при закалке или отпуске происходит перекристаллизация зерен, интенсивность которой зависит от температуры изделия. Соответственно изменяются механические свойства (предел временного сопротивления, предел текучести, относительное удлинение при растяжении и ряд других).
Каждый из механизмов упрочнения искажает форму и размеры кристаллической решетки, внося изменения во всю кристаллическую структуру металла. Это затрудняет перемещение дислокаций, способствует образованию более твердой и менее пластичной поверхности.
Способы и единицы измерения твердости металла (обзор)
Способов измерения твердости металлов несколько, но стоит выделить основные: царапанием, по глубине/ширине вмятины и по величине отскока. В рамках каждого из этих классов измерений существуют индивидуальные шкалы.
В чем измеряется твердость металла? Границы применимости единиц твердости зависят от материала и метода его испытаний. Стойкость образца к деформации материала, вызванной постоянной сжимающей нагрузкой от острого предмета, оценивается твердостью вдавливания. Инженерное дело и металлургия — это две области, в которых больше всего используются испытания на такую разновидность твердости. Типичными шкалами являются шкалы Роквелла, Виккерса, Шора и Бринелля. Единица твёрдости – условное число, зависящее от условий нагружения испытуемого образца.
Относительная твердость металлов может измеряться царапанием, с применением шкалы Мооса. Шкала твердости MOHS измеряет твердость в условных единицах от 1 до 10 (индекс 1 присвоен тальку, а 10 - алмазу), и для металлов почти не применяется. Метод Мооса основан на принципе, что более жесткий материал может поцарапать более мягкий. Является более иллюстративным чем практическим, поскольку показывает на относительный порядок твердости, но не абсолютные различия в твердости между изделиями. Метод даёт лишь общее представление о твердости.
Твердость отскока, также называемая динамической твердостью, определяет, насколько высоко инструмент – молоток - с алмазным наконечником «отскочит» от материала после падения с заданной высоты. Эластичность и твердость такого рода связаны между собой. Замерять твердость по отскоку можно в двух вариантах - по Либу и по Беннетту.
Методы определения и измерения твердости металлов/сплавов
Описаны основные методы определения твердости металлов.
Измерение твердости по Бринеллю
При испытании на твердость данным способом определяется сопротивление материала вдавливанию, осуществляемое путем внедрения закаленного стального или твердосплавного шарика в поверхность материала под определенной нагрузкой. Диаметр полученного отпечатка измеряется и используется для расчета числа твердости по Бринеллю (НВ). Вот как обозначается твердость металлов по этому методу. Большие отпечатки соответствуют более мягким материалам, меньшие — более твердым.
Вдавливание происходит с нагрузкой от 500 до 3000 кгс, прикладываемой в течение 10…15 с, после чего нагрузка снимается, оставляя лунку на материале. Диаметр отпечатка измеряется с помощью микроскопа с соответствующим увеличением. Для предотвращения ошибок параллакса и обеспечения точности измерений требуется правильное освещение.
Число твердости по Бринеллю определяется либо по специальным таблицам, либо по формуле:
НВ = 2P / (πD * (D - √(D² - d²))), где:
Р - приложенная нагрузка в кг;
D - диаметр шарика индентора в мм;
d = диаметр отпечатка в мм.
Рассчитанное значение НВ показывает сопротивление материала вдавливанию. Более высокое значение соответствует более твёрдому металлу/сплаву. Тест Бринелля применяют для испытания относительно мягких металлов с крупнозернистой макроструктурой. Способ находит применение в автомобильной промышленности, где с его помощью оценивают твёрдость, например, блоков цилиндров, коленчатых валов, шестерен. Используется также для измерения твердости отливок и поковок.
Твердость по Роквеллу
Измерение твёрдости по Роквеллу — это метод определения стойкости материала к вдавливанию. Он включает приложение к индентору сначала малой, а затем большой нагрузки и измерение глубины образовавшегося отпечатка. Затем рассчитывается число твёрдости по Роквеллу (HR), которое обратно пропорционально глубине отпечатка. Различные шкалы (HRA, HRB, HRC и т. д.) используют разные инденторы и нагрузки, что делает этот метод пригодным для широкого спектра металлов.
Например, твердость арматуры по методу Роквелла измеряется именно с помощью использования шкалы HRC (Hardness Rockwell C), которая является наиболее распространенной для стали. Обозначение твердости по Роквеллу для арматуры имеет вид "ХХ HRC", где ХХ - числовое значение твердости. Чем выше число HRC, тем тверже арматура.
В качестве индентора используется закалённый стальной или алмазный конус (в зависимости от испытываемого материала). Начальная, относительно небольшая, нагрузка прикладывается для фиксации индентора и минимизации неровностей поверхности. Далее прикладывается большая нагрузка, что приводит к более глубокому вдавливанию.
Для определения числа твердости по Роквеллу измеряют разницу в глубине отпечатка между малой и большой нагрузками, которая используется для расчета. Чаще применяют шкалы HRC и HRB. Первая используется для испытания твердых материалов, например, закаленных сталей, а вторая шкала подходит для более мягких материалов, таких как латунь.
Преимущества данного метода определения твёрдости:
- Относительная простота и быстрота;
- Возможность прямого считывания результата;
- Отпечаток, как правило, небольшой и не повреждает материал.
Ограничение метода Роквелла – зависимость точности тестирования от качества поверхности, поэтому такое испытание проводят преимущественно для металлов средней и высокой твердости.
Твердость металла по Виккерсу
Измерение твердости металлов по Виккерсу производится путем измерения размера отпечатка, оставленного алмазным индентором под определенной нагрузкой. Для испытания по Виккерсу используется алмазный индентор в форме пирамиды с квадратным основанием. Этот индентор вдавливается в поверхность материала с контролируемым усилием. После снятия усилия диагонали отпечатка измеряются под микроскопом. Средняя длина этих диагоналей используется для расчета числа твердости по Виккерсу (HV). Результат получают либо из прилагаемых к испытательному прибору таблиц, либо делением приложенной силы на площадь поверхности отпечатка. Размерность твердости по Виккерсу HV – кг/мм2.
Метод Виккерса можно применять к различным материалам, включая металлы, сплавы, керамику и тонкие пленки. Тест обеспечивает высокую точность, поэтому особенно полезен для испытания микротвердости небольших участков или тонких материалов.
Метод Шора
Твёрдость по Шору (HS), измеряемая специальным прибором - дюрометром, характеризует сопротивление материала деформациям. Обычно используется для оценки твердости резины и пластика. Испытание заключается в приложении к материалу стандартного усилия и измерению отклонения образовавшейся вмятины. Более высокое значение твёрдости по Шору указывает на более твёрдый материал. Шкала имеет диапазон от 0 до 100, при этом в различных типах материалов используются разные характеристики, например, HSА и HSD.
Для измерения значения HS дюрометр с подпружиненным индентором прижимается к поверхности материала, постепенно проникая в него, после чего определяют глубину углублений. Показания дюрометра указывают на устойчивость материала к деформациям: чем выше значение, тем выше твердость. Шкалы твердости по Шору:
- HSА - используется для мягкой резины, эластомеров и других гибких материалов;
- HSD - применяют для более твердых и полужестких материалов;
- HS00 - оценивает твердость очень мягких материалов, например, гелей.
В некоторых справочниках по металлам твердость по Шору употребляют в качестве сопоставляющего показателя.
Сравнительная характеристика методов измерения твердости металлов
Каждый из описанных выше методов испытания металлов на твёрдость - Бринелля, Роквелла и Виккерса, обладает уникальными возможностями. Более подробное сравнение приведено в таблице (см. табл. 1). Метод Кнупа, не используемый в России, не рассматривается.
Таблица 1
Метод |
Тип индентора |
Что определяют при замере твердости металла |
Область применения |
Преимущества |
Ограничения |
Твердость металла по Бринеллю |
Шариковый индентор из закалённой стали или карбида вольфрама |
Диаметр отпечатка |
Металлы, отливки и поковки с крупнозернистой или неоднородной структурой |
Обеспечивает относительно большое отпечаток, что делает его пригодным для материалов с переменной твёрдостью или дефектами поверхности |
Не подходит для очень твёрдых или тонких образцов и может оставлять видимые отпечатки на поверхности |
Твердость металла по Роквеллу |
Алмазный конус (по шкалам А и C) или закаленный стальной шарик (по шкале B) |
Глубина отпечатка |
Универсальный |
Быстрота и простота проведения, непосредственное измерение твердости |
Зависит от качества поверхности и может быть непригоден для очень твердых или тонких образцов |
Твердость/микротвердость по Виккерсу |
Алмазная пирамида с квадратным основанием |
Измеряются диагонали отпечатка, а твердость рассчитывается на основании площади отпечатка |
Тонкие покрытия, хрупкие материалы и небольшие образцы |
Обеспечивает высокую точность и подходит для определения микротвердости тонких слоев структуры |
Высокая трудоемкость подготовки и проведения испытаний |
Таким образом, выбор метода измерения твердости зависит от типа материала, его размера, требуемой точности и конкретных требований к применению.
Твердость основных металлов и сплавов
Для самого употребительного ассортимента проката в состоянии поставки диапазоны значений твердости различных металлов представлены в табл.2.
Таблица 2
Материал |
Единица измерения |
Диапазоны твердости черных металлов и твердости цветных металлов |
Углеродистая сталь ГОСТ 380 |
НВ |
105…120 |
Конструкционная нелегированная сталь ГОСТ 1050 |
НВ |
100…180 |
Конструкционная легированная сталь ГОСТ 4543 |
НВ |
180…210 |
Инструментальная углеродистая сталь ГОСТ 1435 |
HRC |
50…62 |
Инструментальная легированная сталь ГОСТ 5950 |
HRC |
56…64 |
Алюминий и его сплавы |
НВ |
30…50 |
Латунь |
НВ |
55…110 |
Бронза |
НВ |
50…140 |
Закалённые поверхностные слои качественных сталей |
HV |
600…850 |
Твердость по Виккерсу указана в кг/мм2, остальные значения приведены в условных единицах измерения твердости металлов.
Заключение
Твёрдость металлов — это важный параметр, который напрямую влияет на срок службы, прочность и устойчивость изделий к механическим воздействиям. Понимание сути этого свойства, факторов, которые на него влияют, а также методов измерения твердости позволяет точно подбирать материалы для конкретных производственных и инженерных задач. Особенно это актуально при выборе листового металла, металлических труб и фасонного металлопроката, где от твёрдости зависит их дальнейшая обработка и область применения.