179 подписчиков

Твердость металлов

4 минуты

14 прочтений

28 февраля 2022

Трудно назвать сферу жизнедеятельности, в которой не используют металлы и/или их сплавы. Пластичный материал, устойчивый к перепадам температур, агрессивным веществам, применяется для производства деталей, корпусов, узлов, подвергающихся высоким динамическим, статическим нагрузкам.

Твердость — свойство металла, которое характеризует способность сопротивляться изменению формы изделия при соприкосновении с другим, более твердым предметом.

Именно поэтому твердость специалисты называют одним из физических основных показателей металла. Для измерения устойчивости к деформации используют несколько методик — от глубины каверны, образованной при вдавливании в материал алмазного или твердосплавного конуса до высоты, на которую отскакивает стальной шарик при сбрасывании на испытуемое тело.

В зависимости от способа воздействия на испытуемый предмет метод называют статическим или динамическим. К первым относят таблицы Бринелля, Викерса, Роквелла. Виды нагрузок к материалам, сила и другие характеристики их приложения при испытаниях подробно описаны в ГОСТ:

1497-84 — госстандарт содержит методику определения сопротивляемости металлических предметов на растяжение. Документ рекомендует изготавливать контрольные образцы на металлорежущих станках с минимальными геометрическими параметрами;
25.503-97 — введен взамен ГОСТ 25.503-80 для проверки на разрушаемость при сжатии;
14019-80 — стандарт, который соблюдают при исследовании металлических заготовок на изгиб.

Динамические испытания изобретены учеными Альбертом Шором, Николаем Бауманом, другими испытателями. Научно-исследовательские лаборатории, предприятия применяют один или несколько методов определения твердости металла перед запуском изделия в массовое производство или изготовления штучного образца.

Среди динамических методов исследования наиболее часто используют способ, который изобрел Альберт Шор. Более подробно о методиках испытаний на твердость — в этой статье.

Определение твердости металла по Бринеллю

Метод изобретен Ю́ханом А́вгустовичем Брине́ллем — шведским металлургом, который предложил испытывать твердость металлов и сплавов статической нагрузкой. Для этого применяется стенд, способный оказывать давление на заготовку не менее, чем 30 кН. Индентор (предмет, который применяют для проверки прочности материала) — шарик из твердого сплава.

Процесс определения характеристики выглядит так:

на рабочей поверхности стенда укрепляют заготовку;
на шарик постепенно опускается головка пресса;
давление оказывается в течение 10-15 минут для сталей;
физические характеристики глубины углубления определяют свойства испытуемого материала.

Твердость по восстановленному отпечатку определяется как отношение приложенной нагрузке к площади отпечатка по формуле:

где

F — нагрузка;
D — диаметр индентора;
d — размер углубления

Для исследований используют шарики диаметром 10 мм, но в некоторых случаях допускается применение инденторов меньших размеров (1; 2; 2.5; 5 мм).

Определение по невосстановленному отпечатку немного отличается: для этого учитывают отношение нагрузки к объему оттиска (части индентора, вдавленной в заготовку) по формуле:

где под значением h понимают глубину отметки, оставленной индентора

Твердость металла по Бринеллю, например, такое, как 550 HWB 10/3100/12,обозначает:

550 — числовой показатель в кгс/мм²;

10 — диаметр шарика;
3100 — сила давления при испытании образца в кгс;
12 — число секунд, потраченных на испытание.

Определение твердости металла по Роквеллу

Метод впервые получил подробное описание в книге венского профессора Людвига «Die Kegelprobe», с нем «испытание конусом». Твердомер с индентором из стали или алмаза изобретен Хью и Стэнли Роквеллами как прибор, с помощью которого можно было в очень сжатые сроки оценивать состояние термообработки материала. Роквеллам потребовался способ быстрого анализа стали при производстве подшипников.

Твердость стали и других сплавов по описываемому методу разделена на одиннадцать шкал, которые обозначаются буквами латинского алфавита от A до T. Для исследований используются сферические инденторы (материал — инструментальная сталь или карбид вольфрама) и конический наконечник из алмаза со скругленной головкой под углом 120 градусов. Формула расчета:

Для шкал Роквелла используют стандартные нагрузки — 60, 100 или 150 кгс (чем мягче сплав, тем меньше давление на образец). Обозначение для твердости по Роквеллу — HS, третья латинская буква добавляется в зависимости от шкалы. Например, HSA — материал шкалы A, который испытывали под давлением 60 кгс с алмазным сфероконическим наконечником, HRC и HRG — шкалы для образцов, исследуемых при помощи максимальных нагрузок — 150 кгс.

Определение твердости металла по Виккерсу

Нормативы, содержащиеся в ГОСТ 2999-75 (СТ СЭВ 470-77) и ISO 6507, регламентирует способ испытания материалов, при котором используют алмазную пирамиду с углом 136 градусов в качестве индентора. Обозначение характеристики такого метода исследования — HV, она получается после деления нагрузки на площадь пирамидального отпечатка.

Твердомеры Виккерса используют для исследования тонкостенных заготовок, азотированных и/или цементированных материалов. Время нагрузки, которой подвергают деталь — не меньше 5 секунд.

Определение твердости металла по Шору

Способ проверки материала, который изобрел Альберт Ф. Шор, называют динамическим из-за механики исследования: над поверхностью заготовки отпускают стальной шарик или стержень. Твердость исследуемого предмета оценивают по высоте отскока специальным прибором — дюрометром.

Регламентирующий документ для испытаний — международный стандарт ISO 868. Степень твердости сплавов оценивают по двум шкалам в соответствии с этим документов — A и D. Дюрометры других типов могут классифицировать сплавы по шкалам A, B, C, D, O и OO. Прибор состоит из нескольких частей: