Твердость металлов: как и зачем ее измерять

Твердость металлов по ГОСТу

Твердость металла – это способность кристаллической решетки данного материала противостоять разрушительному внедрению в его внешние слои более твердых тел. Иными словами, это присущая исключительно данному материалу характеристика сопротивляемости любым деформирующим воздействиям.

Твердость металла определяется с помощью воздействия на испытываемый образец другого твердого тела – индентора. В качестве последнего может выступать:

• шарик из материала очень высокой твердости,
• конус (пирамида), вырезанный из алмаза.

Воздействие индентора на испытываемый образец производится с определенным усилием, в результате чего на пробнике остается след/отпечаток, по глубине и прочим параметрам которого определяется твердость испытуемого материала. Но это не единственный способ ее определения. Часто применяются динамические, статические и кинематические методы выявления твердости:

1. Кинематический. Подразумевает составление диаграммы на базе предварительно полученных статистических данных. Статистика формируется согласно проведенным экспериментам по вдавливанию выбранного эталонного инструмента в образец. Здесь производится отслеживание кинематики процесса воздействия на всех этапах, а не только регистрация конечного результата.
2. Динамический. Здесь измеряющий инструмент оказывает воздействие на деталь со строго определенным усилием. Регистрируется обратная реакция материала детали и по ней специалисты рассчитывают объем затраченной кинетической энергии. Таким способом можно определить твердость не только поверхностных слоев материала, но и некоторого объема в глубине.
3. Статический. Это так называемый неразрушающий способ определения твердости. Здесь инструмент с малым эталонным объемом плавно вдавливается в исследуемый образец, а после выдерживается в течение определенного времени. Далее изучаются последствия таких внедрений. На основании полученных показателей и определенных параметров делаются выводы относительно твердости изучаемого пробника.

Во всех вышеуказанных случаях твердость и другие механические свойства металлов исследуются путем:

• вдавливания,
• царапания,
• резания,
• отскока.

От чего зависит твердость разных металлов

Большая часть известных человечеству материалов вообще и металлов в частности давно изучены на предмет физических характеристик и химических свойств. Все эти данные систематизированы и приведены в табличный вид, что упрощает пользование такой информацией. При этом указаны значения твердости металлов как до обработки, так и после различных воздействий на них (например, после термической или холодной обработки).

Однако после малейшего изменения состава сплава (к примеру, при смешении его с какой-либо легирующей добавкой) весь цикл измерений и испытаний, в том числе на твердость, производится сначала.

Цветные металлы

Твердость цветных металлов, как правило, всегда ниже, чем черных. В их структуре отсутствуют жесткие включения, кроме того, их весьма сложно подвергнуть упрочнению (например, закалке) или каким-нибудь другим способом повысить твердость. Исключением является титан.

Таблица твердости цветных металлов и их общих характеристик

Черные металлы

В эту категорию попадают сталь (как углеродистые, так и легированные типы), ферросплавы, а также чугун, для разных видов которого также разработано большое количество легирующих добавок, кардинально меняющих свойства углеродистого железа. Также к этому разряду относят ванадий и марганец. Среди черных металлов самая большая твердость у стали.

Оценим общие характеристики черных металлов:

• Способ получения – восстановление из железной руды посредством выплавки в доменных и иных печах.
• Повышенные прочностные показатели.
• Стойкость к направленным механическим воздействиям.
• Высокая износостойкость.
• Легкая свариваемость (в том числе нержавеющей стали).
• Относительно невысокая стоимость.

Единица измерения твердости металлов

Обозначение твердости металлов зависит от того, каким методом проводились данные измерения. Изменяется даже маркировка характеристики твердости. Более того, этот параметр не входит в общепринятую систему единиц, а поэтому не существует и единого стандарта в номенклатуре и обозначениях.

Как же проверяют твердость металлов? Например, метод Бриннеля предполагает выявление твердости в кгс/мм2. Твердость металлов – это относительная характеристика, то есть показатели правильно оценивать только в соотношении друг с другом:

• Железные сплавы по шкале Бриннеля имеют твердость (в среднем) в 30 кгс/мм2 – это высокий показатель.
• Медные и никелевые составы (в том числе легированные и высоколегированные типы стали) – не более 10 кгс/мм2. Это сплавы средней твердости.
• Алюминий, магний и их производные – 5 кгс/мм2 (мягкие металлы и сплавы).

Из приведенных примеров очевидно, что любое железо или его сплав является в 6 раз более твердым веществом, чем любое вещество со значительным процентом содержания алюминия.

Следующий способ, требующий более подробного рассмотрения, – метод Роквелла. В его шкале одно деление соответствует перемещению нормативного конуса вглубь исследуемого материала на 2 микрона (мкм). Маркировка предусматривает первоначальное проставление индекса, затем одной из букв (А, В или С) и далее – цифрового значения (если же на заготовке твердость металла отмечена, как НВ, то это единицы измерения по Роквеллу).

• A – означает, что конус, использовавшийся при испытаниях, представлял собой алмаз с углом вершины в 120°, при этом прилагаемая нагрузка была в диапазоне 50–60 кг.
• В – означает, что воздействие осуществлялось шариком с диаметром в одну шестнадцатую дюйма, сила удара соответствовала 90–100 кг под прямым углом к поверхности.
• С – предполагает использование алмазного конуса, но сила воздействия при этом составляет 140–150 кг.

Определение твердости металлов и сплавов по Бринеллю

Юхан Августович Бриннель – шведский металлург, который выдвинул предложение о целесообразности проведения испытаний металлов под статической нагрузкой. Был сконструирован стенд для осуществления воздействия на исследуемый образец с нагрузкой, не менее чем 30 кН. В качестве индентора использовался шарик диаметром 1/16 дюйма, изготовленный из твердого сплава.

Процесс выявления характеристики твердости по Бриннелю выглядит следующим образом:

• Заготовка укрепляется на столе стенда, сверху аккуратно выставляется индентор.
• На индентор плавно опускается головка пресса.
• Пресс давит с нагрузкой в 450 или 650 НВ в течение 10–15 минут (это норматив для стали).
• Затем усилие снимают и исследуют образовавшееся углубление. Именно физические характеристики его конфигурации определяют твердость исследуемого материала.

Для того чтобы результат деформации удобно было исследовать, всегда подбирается воздействие, которое не приведет к разрушению образца. Это значение рассчитывается по формулам в нижеприведенной таблице (d – это диаметр шара):

Таблица расчета твердости металлов по Бринеллю:

Твердость металлов по методу Роквелла

Венский профессор Людвиг подробно описал этот метод в своей книге «Die Kegelprobe» (нем. – «Испытание конусом»). Наконечник прибора для измерения твердости металла в данном методе изготовлен из стали или алмаза.

Твердомер с таким индентором был изобретен Хью и Стэнли Роквеллами для того, чтобы перед термической или механической обработкой заготовки можно было оперативно оценить ее твердость. Роквеллы искали способ ускоренного определения твердости металлов для применения этих данных при изготовлении подшипников.

Нагрузки, применяемые при методе Роквелла, составляют 60, 100 или 150 кгс. Разумеется, нет никакого смысла сильно давить на мягкие металлы, поэтому общий принцип здесь таков: чем мягче образец, тем ниже давление.

Определение твердости металлов методом Виккерса

ГОСТ 2999-75 (СТ СЭВ 470-77) и ISO 6507 регламентирует способ испытания металлов и сплавов в РФ. Данные технические условия предполагают использование индентора в виде алмазной пирамиды с углом 136°. Обычное обозначение при таком методе исследования начинается с «HV». Далее следует числовое значение, которое получается путем деления величины нагрузки на площадь конусного отпечатка. Эта процедура соответствует методике Виккерса.

Твердость по методу Виккерса определяют для тонкостенных образцов, а также для материалов, прошедших процедуру азотирования или цементирования. Нагрузка при исследовании прикладывается на протяжении не менее 5 секунд.

Твердость металлов по Шору

Метод Альберта Ф. Шора называют динамическим по причине механики проведения исследования. Над поверхностью изучаемого образца отпускают находящийся на определенной высоте стальной шар или стержень со сферическим торцом (так, чтобы траектория его движения составляла с поверхностью заготовки прямой угол). Вывод о твердости материала делают по высоте отскока шарика или стержня. Для этого используют специальный прибор – дюрометр.

Международный стандарт ISO 868 регламентирует результаты данных испытаний. Оценка твердости обычно осуществляется по двум шкалам: А и D. Однако более чувствительные и точные дюрометры могут классифицировать твердость сразу по шести шкалам (A, B, C, D, O и OO).

Дюрометр состоит из следующих деталей:

• опоры площадью как минимум 100 см2,
• индентор (шарик или стержень),
• шкала-индикатор,
• пружина для придания ускорения движению шарика или стержня при испытаниях.

Способы перехода между шкалами

Разумеется, отсутствие единой системы измерений, а также множество различных методик оценки твердости материалов создает немалые трудности для проведения различных лабораторных исследований. Всегда приходится начинать с того, чтобы соотнести единицы измерения в разных стандартах. В каждой стране пользуются преимущественно какой-то одной методикой, однако в условиях интенсивного международного товарооборота встречаются необычные маркировки и оценочные значения.

Чаще всего используются методы Виккерса, Роквелла и Бринелля. Ниже представлена таблица с аналогами результатов при одинаковом воздействии.

Таблица твердости металлов с примерами соотнесения показателей:

Следует отметить, что данные табличные значения нельзя назвать идеально точными (скорее, приблизительными). Дело в том, что сам индентор может быть изготовлен из различных материалов, сталей и сплавов, прошедших различную обработку. Кроме того, нет гарантии, что при всех измерениях исследовались идентичные материалы.

Твердость металлов измеряется на всех уровнях промышленного производства, ведь это одна из фундаментальных характеристик, которая определяет возможность существования тех или иных технологий и даже уровень развития самого технического прогресса.

Поэтому определение твердости материалов (в частности, металлов) имеет столь большое значение и для прикладной науки, и для лабораторий промышленных предприятий, которым жизненно необходимо понимать, какими свойствами обладают входящие заготовки и полуфабрикаты.