Твердость металлов. Таблица твердости металлов

Понятие

Твердость металлов и сплавов – это свойство материала создавать сопротивление при проникновении в его поверхностные слои иного тела, которое не деформируется и не разрушается при сопутствующих нагрузках (индентора). Определяют с целью:

  • получения информации о допустимых конструкционных особенностях и о возможностях эксплуатации;
  • анализа состояния под действием времени;
  • контроля результатов температурной обработки.

От этого показателя частично зависят прочность и устойчивость поверхности к старению. Исследуют как исходный материал, так и уже готовые детали.

Что представляет собой твердость?

Твердость любого материала является его важной характеристикой, поскольку от этого зависит стойкость и долговечность изготавливаемых конструкций. А так как четкого определения нет, то сам термин можно «расшифровать» так – это свойство материала оказывать сопротивление проникновению в него другого тела (инструмента). Эта характеристика позволяет оценить качество многих объектов:

  • металла (сплавы);
  • керамики;
  • древесины;
  • пластика;
  • камня;
  • графита.

Помимо этого, твердость влияет на степень обработки того или иного материала. То есть чем он тверже, тем труднее с ним работать. Справедливо и обратное. Поэтому с деревом приятно иметь дело при изготовлении различных поделок.

У разных специалистов свое понятие твердости. К примеру, в области минералогии под этим определением понимается сопротивление одного материала к появлению царапин при воздействии другого объекта.

В металлургии несколько иначе понимают, что такое твердость – сопротивляемость пластической деформации. Но основное определение, на которое ссылается большинство специалистов любой профессии, уже приведено в самом начале раздела.

Тем не менее твердость может проявляться по-разному:

  • жесткость;
  • сопротивляемость:
    • царапанию;
    • истиранию;
    • резанию;
  • деформация:
    • изгиб;
    • излом;
    • изменение формы.

Чем выше величина твердости, тем большая степень сопротивляемости у материала. Исходя из такого многообразия проявления такого свойства, существуют разные способы по его измерению.

Способы измерения твердости

Что характерно, испытание на твердость проводится чаще, чем определение всех остальных свойств материалов – прочности, относительного удлинения и прочих. Способов узнать, насколько тверда сталь или любой другой минерал, несколько. Но все они основываются на общем принципе: на испытываемый образец воздействуют другим объектом, прилагая определенное давление. Это может быть шарик, пирамида, пуансон.

Определение твердости производится по глубине внедрения и показателям давления. Минимальные усилия и большая глубина говорят о низких свойствах материала. Равносильно и наоборот, большие усилия и малая глубина – твердость высокая.

https://www.youtube.com/watch?v=ytcopyrighten-GB

При этом испытания могут быть двух основных видов:

  • Статические.
  • Динамические.

Если контакт исследуемого образца и объекта происходит в течение определенного промежутка времени, то испытание носит статичный характер. В ином случае речь идет о динамичном способе определения твердости.

В настоящее время для определения твердости материалов применяют:

  • Метод Виккерса (ГОСТ 2999-75).
  • Метод Бринелля (ГОСТ 9012-59).
  • Метод Роквелла (ГОСТ 9013-59).
  • Метод Шора.
  • Метод Мооса.

Выбор того или иного испытания зависит от специфики применения деталей, необходимой точности результата, а также способности воспроизвести исследования при различных условиях.

Показателем является величина, которая называется числом твердости. Существуют различные методы измерения твердости металлов. Наиболее точные исследования заключаются в использовании различных видов вычисления, инденторов и соответствующих твердомеров:

  1. Бринелля: суть работы аппарата – вдавливание шарика в исследуемый металл или сплав, вычисление диаметра отпечатка и последующее математическое вычисление механического параметра.
  2. Роквелла: используются шарик или алмазный конусный наконечник. Значение отображается на шкале или определяется расчётно.
  3. Виккерса: наиболее точное измерение твердости металла с применением алмазного пирамидального наконечника.

Для определения параметрических соответствий между показателями разных способов измерения для одного и того же материала существуют специальные формулы и таблицы.

В лабораторных условиях, при наличии необходимого ассортимента оборудования, выбор способа исследования осуществляется в зависимости от определенных характеристик заготовки.

  1. Ориентировочное значение механического параметра. Для конструкционных сталей и материалов с небольшой твердостью до 450-650 НВ применяют метод Бринелля; для инструментальных, легированных сталей и других сплавов – Роквелла; для твердосплавов – Виккерса.
  2. Размеры испытуемого образца. Особо маленькие и тонкие детали обследуются с помощью твердомера Виккерса.
  3. Толщина металла в месте замера, в частности, цементированного или азотированного слоя.
Предлагаем ознакомиться  Можно ли штукатурить деревянный дом снаружи?

Все требования и соответствия задокументированы ГОСТом.

Шкала Мооса

Определив диаметр отпечатка с помощью специального оборудования, можно с помощью таблиц определить твердость. Таблица твердости металлов – проверенный помощник в вычислении данного механического параметра. Так, если известно значение по Бринеллю, можно легко определить соответствующее число Виккерса или Роквелла.

Диаметр отпечатка,

мм

Метод исследования

Бринелля

Роквелла

Виккерса

A

C

B

3,90

241

62,8

24,0

99,8

242

4,09

218

60,8

20,3

96,7

218

4,20

206

59,6

17,9

94,6

206

4,99

143

49,8

77,6

143

Таблица твердости металлов составлена на основе экспериментальных данных и имеет высокую точность. Также существуют графические зависимости твердости по Бринеллю от содержания углерода в железоуглеродистом сплаве. Так, в соответствии с такими зависимостями, для стали с количеством карбона в составе равному 0,2% она составляет 130 НВ.

Немецкий ученый Фридрих Моос еще в далеком 1811 году предложил свой способ определения твердости разных материалов. При этом его шкала содержит значения от 1 до 10, что соответствует самым распространенным минералам, начиная с талька (самый мягкий камень) и заканчивая алмазом (самый твердый).

Сама методика очень проста и основывается на сопротивляемости исследуемого образца царапанию. К примеру, объект B может поцарапать тело C, но никак не воздействует на деталь A. Или, напротив, материал A только слегка царапает деталь B, но может сильно повредить объект C.

Твердость металлов. Таблица твердости металлов

Несмотря на то что способ определения твердости по шкале Мооса был предложен чуть более двух веков назад, он успешно применяется по сей день. Только полученный результат дает далеко не полную информацию, поскольку здесь нет абсолютных значений и невозможно определить соотношение по твердости. Иными словами, нельзя сказать, во сколько раз один из материалов тверже либо мягче другого.

В качестве эталона по определению твердости по методу Мооса берутся эти 10 минералов (далее в скобках будет указан присвоенноезначение):

  1. Тальк.
  2. Гипс.
  3. Кальцит.
  4. Флюорит.
  5. Апатит.
  6. Ортоклаз.
  7. Кварц.
  8. Топаз.
  9. Корунд.
  10. Алмаз.

Что же представляют собой эти минералы? Опишем их все вкратце ниже.

Особенности методики Бринелля

Испытания на твердость металлов и сплавов с помощью твердомера Бринелля проводятся со следующими особенностями:

  1. Индентор – шарик из легированной стали или из карбидо-вольфрамового сплава диаметром 1, 2, 2,5, 5 или 10 мм (гост 3722-81).
  2. Продолжительность статического вдавливания: для чугуна и стали – 10-15 с., для цветных сплавов – 30, также возможна длительность в 60 с., а в некоторых случаях – 120 и 180 с.
  3. Граничное значение механического параметра: 450 НВ при измерении стальным шариком; 650 НВ при использовании твердосплава.
  4. Возможные нагрузки. С помощью входящих в комплект грузов корректируется фактическая сила деформации на испытуемый образец. Их минимальные допустимые значения: 153,2, 187,5, 250 Н; максимальные – 9807, 14710, 29420 Н (гост 23677-79).

С помощью формул, в зависимости от диаметра выбранного шарика и от испытуемого материала, можно вычислить соответствующее допустимое усилие вдавливания.

Тип сплава

Математическое вычисление нагрузки

Сталь, сплавы никеля и титана

30D2

Чугун

10D2, 30D2

Медь и медные сплавы

5D2, 10D2, 30D2

Легкие металлы и сплавы

2,5D2, 5D2, 10D2, 15D2

Свинец, олово

1D2

https://www.youtube.com/watch?v=ytcreatorsen-GB

400HB10/1500/20, где 400HB – твердость металла по Бринеллю; 10 – диаметр шарика, 10 мм; 1500 – статическая нагрузка, 1500 кгс; 20 – период осуществления вдавливания, 20 с.

Предлагаем ознакомиться  Посадка клубники под черный укрывной материал: технология, фото, отзывы

Для установления точных цифр рационально исследовать один и тот же образец в нескольких местах, а общий результат определять путем нахождения среднего значения из полученных.

Этот способ измерения был изобретен в 20-х годах XX века, более автоматизирован, чем предыдущий. Применяется для более твердых материалов. Основные его характеристики (ГОСТ 9013-59; гост 23677-79):

  1. Наличие первичной нагрузки в 10 кгс.
  2. Период выдержки: 10-60 с.
  3. Граничные значения возможных показателей: HRA: 20-88; HRB: 20-100; HRC: 20-70.
  4. Число визуализируется на циферблате твердомера, также может рассчитываться арифметически.
  5. Шкалы и инденторы. Известно 11 различных шкал в зависимости от типа индентора и предельно-допустимой статической нагрузки. Наиболее распространённые в использовании: А, В и С.

А: алмазный конусный наконечник, угол при вершине 120˚, общая допустимая сила статического влияния – 60 кгс, HRA; исследуются тонкие изделия, в основном прокат.

С: также алмазный конус, рассчитанный на максимальное усилие 150 кгс, HRC, применим для твердых и закаленных материалов.

В: шарик размером 1,588 мм, изготовленный из закаленной стали или из твердого карбидо-вольфрамового сплава, нагрузка – 100 кгс, HRB, используется для оценки твердости отожжённых изделий.

Шарикообразный наконечник (1,588 мм) применим для шкал Роквелла B, F, G. Также существуют шкалы E, H, K, для которых используется шарик диаметром 3,175 мм (ГОСТ 9013-59).

Количество проб, проделанных с помощью твердомера Роквелла на одной площади, ограничивается размером детали. Допускается повторная проба на расстоянии 3-4 диаметра от предыдущего места деформации. Толщина испытуемого изделия также регламентируется. Она должна быть не меньше увеличенной в 10 раз глубины внедрения наконечника.

Твердость металлов. Таблица твердости металлов

50HRC – твердость металла по Роквеллу, измерена с помощью алмазного наконечника, ее число равно 50.

Определение твердости по методу Бринелля

Процесс исследования протекает в следующей последовательности:

  1. Проверка детали на соответствие требованиям (ГОСТ 9012-59, гост 2789).
  2. Проверка исправности аппарата.
  3. Выбор необходимого шарика, определение возможного усилия, установка грузов для его формирования, периода вдавливания.
  4. Запуск твердомера и деформация образца.
  5. Измерение диаметра углубления.
  6. Эмпирическое вычисление.

НВ=F/A,

где F – нагрузка, кгс или Н; A – площадь отпечатка, мм2.

НВ=(0,102*F)/(π*D*h),

где D – диаметр шарика, мм; h – глубина отпечатка, мм.

Твердость металлов, измеренная этим способом, имеет эмпирическую связь с вычислением параметров прочности. Метод точен, особенно для мягких сплавов. Является основополагающим в системах определения значений этого механического свойства.

Вторая пятерка

Тальк настолько мягок, что можно царапнуть ногтем. Такая же твердость у карандашей (точнее графита). По шкале соответствует единице. Многим людям он хорошо известен, так как из него изготавливается детская присыпка.

Следующий по твердости – это гипс (2), который тоже легко царапается и имеет особенное свойство. Стоит его измельчить в порошок и смешать с водой – получится пластинчатая масса, которой можно придать любую форму. Помимо белого цвета, есть оригинальные варианты желтого оттенка.

На третьем месте кальцит не случайно (3). Ногтем его уже не поцарапать, зато это можно сделать медной монетой. Такая же степень твердости у золота и серебра. Его второе название – биоминерал, и именно из него состоят раковины.

Флюорит по-другому именуется как плавиковый шпат и переводится как «текучий». Ни ногтем, ни монетой он не царапается, чего нельзя сказать про стекло или обычный нож. Его твердость, как можно понять, – 4.

На пятом месте располагается апатит (5), который еще поддается царапанию при помощи ножа или стекла (такой же характеристикой может похвастать лазурит). При помощи этого минерала добывается фосфор либо фосфорная кислота.

https://www.youtube.com/watch?v=ytpolicyandsafetyen-GB

Шестым в списке идет ортоклаз, который уже не берет стекло, но напильнику он противостоять не сможет. Для промышленности он ценен как источник для производства электрокерамики и фарфора. Аналогичная твердость у опала, только его нельзя использовать в качестве эталона, поскольку есть много его разновидностей и у всех свои прочностные характеристики.

Предлагаем ознакомиться  Материал для фасада дачного дома

На седьмом месте в нашем «рейтинге» свойств твердости располагается всем известный кварц, что соответствует его показателю – 7. Многие знают его как обычный песок. Однако он может быть и в прочих формах: в виде горного хрусталя, агата, аметиста.

Среди рассмотренных минералов самым твердым является топаз (8). Он с трудом поддается обработке, и в большинстве случаев для этого используется алмаз. Впервые он был обнаружен на острове Топазиос, что расположен в Красном море. Отсюда и пошло его название.

Корунд вроде бы идентичен по твердости алмазу, тем не менее при помощи других методик были определены его характеристики. И как итог – алмаз гораздо тверже корунда (в 90-180 раз). Рубины и сапфиры тоже приравниваются к этому минералу, а за счет своей твердости он идеально подходит для изготовления абразивных инструментов.

Замыкает всю десятку алмаз, которому из всех существующих минералов нет равных по части прочности, и его показатель по шкале твердости – заслуженная 10!

План исследования по методу Роквелла

Измерение твердости металла более упрощено, нежели для способа Бринелля.

  1. Оценка размеров и характеристик поверхности детали.
  2. Проверка исправности аппарата.
  3. Определение типа наконечника и допустимой нагрузки.
  4. Установка образца.
  5. Осуществление первичного усилия на материал, величиной в 10 кгс.
  6. Осуществление полного соответствующего усилия.
  7. Чтение полученного числа на шкале циферблата.

Также возможен математический расчет с целью точного определения механического параметра.

HR=100-((H-h)/0,002;

HR=130-((H-h)/0,002,

где h – глубина внедрения индентора при первичном усилии 10 кгс; H – глубина внедрения индентора при полной нагрузке; 0,002 – коэффициент, регламентирующий величину перемещения наконечника при изменении числа твердости на 1 единицу.

Метод Роквелла является простым, но недостаточно точным. В то же время он позволяет измерять показатели механического свойства для твердых металлов и сплавов.

Характеристики методики Виккерса

Определение твердости металлов по данному способу наиболее просто и точно. Работа твердомера основана на вдавливании в образец алмазного пирамидального наконечника.

Что такое твердость

Основные особенности:

  1. Индентор: алмазная пирамида с углом при вершине 136°.
  2. Предельно допустимая нагрузка: для легированного чугуна и стали – 5-100 кгс; для медных сплавов – 2,5-50 кгс; для алюминия и сплавов на его основе – 1-100 кгс.
  3. Период выдержки статической нагрузки: от 10 до 15 с.
  4. Испытуемые материалы: сталь и цветные металлы с твердостью более 450-500 НВ, в том числе изделия после химико-термической обработки.

700HV20/15,

где 700HV – число твердости по Виккерсу; 20 – нагрузка, 20 кгс; 15 – период статического усилия, 15 с.

Последовательность исследования Виккерса

Порядок действий предельно упрощен.

  1. Проверка образца и аппаратуры. Особое внимание уделяется поверхности детали.
  2. Выбор допустимого усилия.
  3. Установка испытуемого материала.
  4. Запуск твердомера в работу.
  5. Чтение результата на циферблате.

HV=1,8544*(F/d2),

где F – нагрузка, кгс; d – среднее значение длин диагоналей отпечатка, мм.

Он позволяет измерять высокую твердость металлов, тонких и небольших деталей, при этом предоставляя высокую точность результата.

Требования к образцу

В соответствии с требованиями ГОСТов, испытуемые детали должны соответствовать следующим характеристикам:

  1. Заготовка должна быть ровная, твердо лежать на столе твердомера, ее края должны быть гладкими или тщательно обработаны.
  2. Поверхность должна иметь минимальную шероховатость. Должна быть отшлифована и очищена, в том числе с помощью химических составов. Одновременно, во время процессов механической обработки, важно предупредить образование наклепа и повышения температуры обрабатываемого слоя.
  3. Деталь должна соответствовать выбранному методу определения твердости по параметрическим свойствам.

Обозначение твердостиhttps://www.youtube.com/watch?v=ytdeven-GB

Выполнение первичных требований – обязательное условие точности измерений.

Твердость металлов – важное основополагающее механическое свойство, определяющее их некоторые остальные механические и технологические особенности, результаты предыдущих процессов обработки, влияние временных факторов, возможные условия эксплуатации. Выбор методики исследования зависит от ориентировочных характеристик образца, его параметров и химического состава.

Оцените статью
Садоводство
Adblock detector