Твердость металла: на что влияет и как рассчитать

О чем речь? Твердость металла – это характеристика, описывающая его сопротивление к разрушению при контакте с более твердым элементом. Данный параметр определяется посредством вдавливания стального шарика или алмазной пирамиды.

На что обратить внимание? Показатель твердости напрямую влияет на пригодность металла к использованию в различных средах и условиях, а также на выбор метода его обработки. В зависимости от полученных значений, выбирается и способ повышения твердости.

Что такое твердость металла

Механические характеристики изделий из металла (от деталей различных механизмов, устройств до инструментов) в значительной степени определяются свойствами материала, из которого они изготовлены. Одна из важнейших – твердость металла. От этого критерия зависят показатели:

• износостойкости;
• возможности обработки резанием, шлифованием, штамповкой и т. д.;
• сопротивляемости локальным нагрузкам;
• способности резать другие материалы и многие другие.

Практика применения изделий из металла показывает, что большая часть механических характеристик прямо зависит именно от твердости.

Твердостью материалов принято называть их способность выдерживать разрушающие воздействия при взаимодействии внешних слоев с более твердыми предметами. Иначе говоря, речь идет о сопротивляемости упругому и пластическому деформированию.

Твердость металлов и сплавов определяют, внедряя в опытные образцы твердые тела – так называемые инденторы, роль которых могут выполнять металлические шарики с определенными показателями твердости, алмазные конусы или пирамидки.

При внедрении инденторов в поверхностные слои испытуемых образцов на последних остаются отпечатки, размер которых позволяет определить твердость металла.

Обозначение твердости металла

В большинстве методик, которые применяют для установления твердости, основной единицей измерения служат кгс/мм2, но следует учитывать, что некоторые методы имеют собственные. Буквы для обозначения этого показателя также могут быть разными.

Общей во всех обозначениях твердости остается латинская H (от английского слова Hardness – твердость), а следующие за ней символы служат для указания метода определения. Среди наиболее часто применяемых:

• HB – метод Бринелля (вдавливание стальных шариков).
• HRA – метод Роквелла (вдавливание алмазных или стальных конусов), шкала А.
• HRB – метод Роквелла, шкала B.
• HRC – методу Роквелла, шкала C.
• HV – метод Виккерса (вдавливание алмазных пирамид).
• HSD – твердость по Шору (определение методом отскока) и т. д.

Методы определения твердости металла

Измерение твердости металла или сплава по Бринеллю

Метод назван по имени Юхана Августа Бриннеля – шведского металлурга, который предложил проводить испытания металлических образцов на твердость с помощью статических нагрузок. Для этой цели ученый разработал стенд, позволявший воздействовать на опытные образцы нагрузками от 30 кН и выше. Инденторами служат твердосплавные шарики диаметром 1/16 дюйма.

Для определения твердости металла по Бринеллю необходимо:

• закрепить образец на столе стенда, аккуратно выставив на него индентор;
• медленно опустить на шарик головку пресса;
• выдержать образец под нагрузкой в 450 или 650 НВ от 10 до 15 минут;
• снять нагрузку и изучить отпечаток – по его конфигурации и диаметру определяется искомый показатель;
• чтобы испытание было результативным, подбираются параметры, при которых оно будет неразрушающим.

Твердость металла по Роквеллу

Метод, разработанный Хью и Стэнли Роквеллами, является, по сути, развитием идеи австрийского ученого Людвига, описанного последним в труде «Die Kegelprobe» (буквально – «Испытание конусом»), опубликованном в 1908 году. Исследователь предложил использовать в качестве индентора стальные или алмазные конусы.

Роквеллы трудились над разработкой твердомера с такими инденторами для оперативного определения твердости заготовок перед термо- или механической обработкой при изготовлении стальных подшипников.

Для оценки результатов испытания данные заносятся в таблицу с одиннадцатью шкалами, обозначаемыми латинскими буквами от А до Т. В качестве инденторов применяются алмазы с головками, скругленными под углом 120 градусов, или шарики, изготовленные из инструментального стального сплава или карбида вольфрама.

Твердость металла по Виккерсу

Согласно нормам ГОСТ 2999-75 (СТ СЭВ 470-77) и ISO 6507 в РФ для определения твердости металлов применяется процедура, соответствующая методу Виккерса. Индентором при испытаниях служат алмазные пирамиды с углом схождения граней 136 градусов. Твердость металла обозначается латинскими буквами «HV», за которыми следуют цифры, указывающие значение, полученное при делении величины нагрузки на площадь отпечатка.

Определение твердости металла по методу Виккерса применяется, когда необходимо исследовать тонкостенные образцы, а также азотированные и цементированные стальные сплавы. Время воздействия составляет не менее 5 секунд.

Твердость металла по Шору

Американский металлург Альберт Фердинанд Шор разработал методику измерения твердости материалов методом отскока и конструкцию специального прибора – дюрометра. В ходе испытаний на поверхность исследуемого образца строго под прямым углом и с определенной высоты падает шар или стержень с окончанием в форме полусферы, изготовленные из твердого стального сплава. Твердость оценивается в соответствии с высотой, на которую отскакивает индентор.

Для оценки результата испытания применяются две шкалы, которые принято обозначать латинскими буквами A и D. Методика исследований регламентируется международным стандартом ISO 868. В наиболее чувствительных дюрометрах твердость материала классифицируется по шести шкалам (A, B, C, D, O и OO).

Прибор для измерения твердости методом отскока состоит из:

• опоры, площадь которой составляет не менее 100 см2;
• индентора (шарика или стержня с полусферическим наконечником);
• шкалы-индикатора;
• пружины, придающей индентору требуемое ускорение.

Соотнесение результатов твердости разных методик

Не существует унифицированной методики, по которой должна осуществляться проверка твердости металла. Это приводит к необходимости конвертации показателей из одной системы в другую. Как правило, в каждой стране существует один, принятый к употреблению метод, но активный межгосударственный обмен товарами приводит к тому, что маркировка импортной стали может вызывать вопросы.

В приведенной ниже таблице приведены показатели твердости по основным общепринятым шкалам:

Необходимо учесть, что приведенные в примере значения верны только для одной марки стали. Для другого сплава цифры могут быть совершенно иными.

Косвенные методы определения твердости металла

Для исследования также пользуются косвенными методами – ультразвуковым или динамическим, которые разработаны исключительно для оценки твердости металлов и сплавов относительно прочих физических характеристик.

Определение твердости с применением косвенных методов выполняется с помощью соответствующих приборов – ультразвуковых или динамических. Для измерения пользуются наиболее широко применяемыми единицами (шкала Роквелла – С (HRC), Бринелля (НВ), Виккерса (HV) или реже –шкалы Роквелла А и В (HRA, HRB), Шора – D (HSD) и некоторые другие).

Измерение твердости металлов и сплавов ультразвуковым методом

Или с помощью ультразвукового контактного импеданса. Построено на регистрации частоты, с которой колеблются металлические стержни с алмазными инденторами на торце, внедряемые в поверхностные слои исследуемых образцов.

Глубокое внедрение наконечника в поверхностные слои мягких металлов увеличивает площадь контакта индентора с исследуемым материалом, что приводит к повышению степени затухания частоты колебаний.

С помощью данного метода можно измерять твердость образцов самой разной массы и размеров. Испытание оставляет на поверхности металла визуально незаметные отпечатки. Методика оптимальна для деталей сложной конфигурации – зубчатых колес, подшипников и метизов. Редко применяется для работы с изделиями из крупнозернистых материалов (чугуна и бронзы).

Определения твердости металла динамическим методом

Или называют также методом Либа. Вычисляется отношение скорости индентора в момент отскока от поверхности и в момент соударения с нею. Бойком при измерении служит шарик из карбида вольфрама с участками кобальтовой фазы (WC-Co).

С помощью этого метода обычно оценивают твердость массивных образцов, изделий с сильно шероховатой, упрочненной или закаленной поверхностью.

Преимущества способа: автономность портативных твердомеров, простота в применении, возможность исследования участков с затрудненным доступом и высокая скорость измерений.

Недостатки: относительно высокие погрешности измерений, необходимость дополнительной калибровки шкал.

Общие правила проведения испытаний

• При любых значениях прилагаемой нагрузки или затраченной энергии твердость однородных тел при постоянной температуре должна быть одной и той же.
• Проведение испытаний требует предварительной подготовки поверхности образцов (требования могут меняться для разных методик).
• Для корректности измерений необходимо надежно фиксировать образцы, чтобы избежать их смещения относительно оси приложения усилия.
• Результаты измерений должны быть выражены в определенных единицах с соблюдением правильной размерности.
• Испытания должны быть неразрушающими – сила воздействия должна соответствовать характеристикам конкретных образцов и материалов.
• Погрешности при измерении тем ниже, чем лучше проведена подготовка образцов.

Часто задаваемые вопросы о твердости металла

Что такое твердость металлов и сплавов?

Твердостью называется способность материала сопротивляться деформации, царапинам и истиранию. Чем выше этот критерий, тем труднее изменить форму изделия или повредить его поверхность. Данный параметр обычно измеряется с помощью различных методов, таких как шкала твердости металлов Бринелля или Виккерса, и выражается в соответствующих единицах. Уровень твердости металла зависит от его химического состава, структуры и термической обработки.

Какие характеристики готовых изделий зависят от твердости металла?

В зависимости от условий эксплуатации и назначения изделия на первый план выходят те или иные свойства металлов. К примеру, ответственные элементы металлоконструкций или детали механизмов должны обладать высокой износостойкостью – сопротивляться истиранию, разрушению поверхностных слоев и как можно меньше изменяться в размере. Эта ключевая характеристика напрямую связана с твердостью сплавов.

Не менее важна обрабатываемость металлов – еще одна характеристика, тесно связанная с их твердостью, которая определяет способность конкретного материала поддаваться обработке.

Высокая твердость металла, из которого будут изготавливаться, к примеру, валы или подшипники, позволяет изготовленным из него изделиям сопротивляться высоким нагрузкам, ведь эти детали при работе подвергаются постоянному интенсивному трению и воздействию центробежных сил.

Данный показатель крайне важен для углеродистых (от 0,7 % и выше) инструментальных стальных сплавов, ведь от их твердости зависит способность инструментов работать с различными материалами. Такие виды стали используются для изготовления приспособлений, которые широко применяются как в промышленности или медицине, так и в бытовых условиях. Речь идет о различных сверлах, фрезах, ножах, молотках, пассатижах, круглогубцах, напильниках, хирургических ножницах, зажимах, скальпелях и огромном множестве других изделий.

Какие способы применяются для повышения твердости металлов?

Твердость металла или сплава можно повысить, воспользовавшись различными методами:

• термическими – различными видами закалки, рекристаллизацией и т. д.;
• химико-термическими – легированием, алитированием, хромированием, анодированием и т. п.;
• механическими – наклепом, нагартовкой, обкаткой и пр.

Выбор метода и режима обработки, призванной повысить прочность металла, зависит от назначения изделий, условий их эксплуатации и т.д.

Закалкой (как методом изменения механических характеристик металла) люди научились пользоваться еще в далекой древности, прибегая к ней при изготовлении оружия и различных орудий труда. Процедура в общих чертах заключается в нагревании заготовок до критической температуры с последующим быстрым охлаждением.

Закалке подвергаются детали и изделия из углеродистых стальных сплавов, условия эксплуатации которых связаны с интенсивными механическими нагрузками. Данный способ повышения твердости металлов отличается технологичностью и относительно низкой стоимостью, что и обусловило его популярность и повсеместное применение.

Прочностные характеристики стали также можно изменять, вводя в состав сплава различные легирующие элементы. К примеру, в рессорно-пружинные соединения при выплавке добавляют олово, азот и свинец, что существенно повышает способность готовых изделий выдерживать при эксплуатации интенсивные нагрузки.

Хром при легировании стальных сплавов значительно повышает не только их коррозионную стойкость, но и твердость. Нержавеющие типы стали содержат от 13% и выше этого элемента.

Поверхностную твердость и прочность стальных деталей часто кратно повышают нагартовкой. Если речь идет о нержавеющих сплавах с добавлением хрома и никеля, то данный метод не имеет альтернативы.

Различные металлы и их сплавы в виде разнообразных изделий и деталей окружают людей в повседневной жизни. Мы не можем представить свою жизнь без зданий, дорог, мостов, машин, кораблей, самолетов и огромного множества других конструкций и механизмов, что делает различные методы измерения прочности металла и способы ее увеличения крайне актуальными.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.