Твердость металлов

Машиностроительные детали и механизмы, а еще инструменты, предназначающиеся для их обработки, обладают набором механических параметров. Большую роль среди параметров играет твердость. Твердость металлов воочию показывает:

• устойчивость к износу металла;
• возможность обработки резанием, шлифованием;
• сопротивляемость местному давлению;
• способность разрезать иной материал и другие.

В работе доказали, что большинство механических параметров металлов напрямую зависят от их твердости.

Понятие твердости

Твердость материала – это устойчивость к разрушению при внедрении во слой находящийся с внешней стороны более твёрдого материала. Иначе говоря способность к сопротивлению деформирующим стараниям (упругой или пластической деформации).

Обозначение твердости металлов выполняется при помощи внедрения в образец твёрдого тела, именуемого индентором. Роль индентора делает: металлически шарик высокой твердости; алмазный конус или пирамида.

После влияния индентора на поверхности испытуемого образца или детали остается отпечаток, по размерам которого устанавливается твердость. В работе применяются кинематические, динамические, статические способы измерения твердости.

В основе кинематического метода лежит составление диаграммы на основе регулярно регистрирующихся показаний, которые изменяются по мере вдавливания инструмента в образец. Тут прослеживается кинематика всего процесса, а не только финального результата.

Динамический метод состоит в следующем. Инструмент для измерений действует на деталь. Обратная реакция позволяет высчитать затраченную кинетическую энергию. Этот способ дает возможность проводить тестирование на твердость не только поверхности, но и некоторого объема металла.

Статические методы – это неразрушающие способы, разрешающие определить свойства металлов. Методы базируются на плавном вдавливании и следующей выдержке в течение определенного времени. Параметры регламентируются методиками и стандартами.

Прилагаемая нагрузка может прилагаться:

• вдавливанием;
• царапанием;
• резанием;
• отскоком.

Машиностроительные предприятия сейчас для определения твердости материалов применяют методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, а еще метод микротвердости.

На основе проводимых испытаний составляется таблица, в которой указываются материалы, прилагаемые нагрузки и полученные результаты.

Единицы измерения твердости

Каждый вармантов измерения сопротивления металла к пластической деформации имеет собственную методику его проведения, а еще единицы измерения.

Измерение твердости мягких металлов выполняется методом Бринелля. Этому способу подвержены разноцветные металлы (медь, алюминий, магний, свинец, олово) и сплавы на их основе, чугуны (кроме белого) и отожженные стали.

Твердость по Бринеллю устанавливается вдавливанием закаленного, отполированного шарика из шарикоподшипниковой стали ШХ15. Окружность шарика зависит от испытуемого материала. Для твёрдых материалов – все разновидности сталей и чугунов – 10 мм, для более мягких – 1 – 2 — 2,5 — 5 мм. Достаточная нагрузка, прилагаемая к шарику:

• сплавы железа – 30 кгс/мм2;
• медь и никель – 10 кгс/мм2;
• алюминий и магний – 5 кгс/мм2.

Мерная единица твердости – это числовое значение и следующий за ними числовой индекс HB. К примеру, 200 НВ.

Твердость по Роквеллу устанавливается при помощи разницы приложенных нагрузок к детали. Сначала прикладывается подготовительная нагрузка, а потом общая, при которой происходит внедрение индентора в образец и выдержка.

В подопытный образец внедряется пирамида (конус) из алмаза или шарик из карбида вольфрама (каленой стали). После снятия нагрузки выполняется замер глубины отпечатка.

Мерная единица твердости – это условные единицы. В большинстве случаев считают, что единица — это величина осевого перемещения конуса, равная 2 мкм. Обозначение твердости отмечается тремя буквами HR (А, В, С) и числовым значением. Третья буква в маркировке означает шкалу.

Методика отображает вид индентора и прилагаемую к нему нагрузку.

Вид шкалы	Инструмент	Прилагаемая нагрузка, кгс
А	Конус из алмаза, угол вершины которого 120°	50-60
В	Шарик 1/16 дюйма	90-100
С	Конус из алмаза, угол вершины которого 120°	140-150

По большей части, применяются шкалы измерения Но и С. К примеру, твердость стали HRC 26…32, HRB 25…29, HRA 70…75.

Измерению твердости по Виккерсу подвержены изделия маленькой толщины или детали, имеющие тонкий, твёрдый верхний слой. В качестве клинка применяется правильная четырехгранная пирамида угол при вершине, которой составляет 136°. Отображение значений твердости выглядит так: 220 HV.

Измерение твердости по способу Шора происходит путем замера высоты отскока упавшего бойка. Отмечается числами и буквами, к примеру, 90 HSD.

К определению микротвердости прибегают, когда нужно получить значения небольших деталей, тонкого покрытия или индивидуальной структуры сплава. Измерение делают путем измерения отпечатка наконечника конкретной формы. Обозначение значения выглядит так:

_0,196 — нагрузка на наконечник, Н;

2800 – численное значение твердости, Н/мм 2 .

Твердость ключевых металлов и сплавов

Измерение значения твердости проходит на готовых деталях, отправляющихся на сборку. Контроль изготавливается на соответствие чертежу и процессу технологии. На все главные материалы уже составлены таблицы значений твердости как в исходном состоянии, так и после термообработки.

Разноцветные металлы

Твердость меди по Бринеллю составляет 35 НВ, значения латуни равны 42-60 НВ единиц в зависимости от ее марки. У алюминия твердость находится в диапазоне 15-20 НВ, а у дюралюминия уже 70НВ.

Черные металлы

Твердость по Роквеллу чугуна СЧ20 HRC 22, что отвечает 220 НВ. Сталь: инструментальная – 640-700 НВ, нержавеющая – 250НВ.

Для перевода из одной системы измерения в иную пользуются таблицами. Значения в них не считаются истинными, так как выведены империческим путем. Не полный объем предоставлен в таблице.

HB	HV	HRC	HRA	HSD
228	240	20	60.7	36
260	275	24	62.5	40
280	295	29	65	44
320	340	34.5	67.5	49
360	380	39	70	54
415	440	44.5	73	61
450	480	47	74.5	64
480	520	50	76	68
500	540	52	77	73
535	580	54	78	78

Значения твердости, даже в том случае, если они производятся одним и тем же методом, зависят от прилагаемой нагрузки. Чем нагрузка меньше, тем выше показания.

Методы измерения твердости

Все методы определения твердости металлов применяют влияние механики на подопытный образец – вдавливание индентора. Но одновременно не происходит разрушение образца.

Метод определения твердости по Бринеллю был первым, стандартизованным в материаловедении. Принцип проверки образцов описан выше. На него действует ГОСТ 9012. Однако можно определить значение по формуле, если точно померять отпечаток на образце:

HB=2P/(?D*v(D 2 -d 2 ),

• где
  Р – прикладываемая нагрузка, кгс;
• D – окружность шарика, мм;
• d – окружность отпечатка, мм.
  Шарик выбирается относительно толщины образца. Нагрузку высчитуют заранее из принятых норм для соответствующих материалов:
  сплавы из железа — 30D 2 ;
  медь и ее сплавы — 10D 2 ;
  баббиты, свинцовые бронзы — 2,5D 2 .

Относительное изображение принципа проверки

Схематически метод исследования по Роквеллу изображается так согласно ГОСТ 9013.

Метод измерения твердости по которой

Итоговая приложенная нагрузка равна сумме начальной и нужной для проверки. Указатель прибора показывает разницу глубины проникновения между начальной нагрузкой и испытуемой h –h_0.

Метод Виккерса регламентирован ГОСТом 2999. Схематически он изображается так.

Математическая формула для расчета:
HV=0.189*P/d 2 МПа
HV=1,854*P/d 2 кгс/мм 2
Прикладываемая нагрузка может меняться от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Значения определяются по таблицам относительно измеренного отпечатка d.

Метод считается эмпирическим и имеет очень приличный разброс показаний. Но прибор имеет обычную конструкцию и он может применяться при измерении больших и криволинейных деталей.

Померять твердость по Моосу металлов и сплавов можно царапанием. Моос в свое время предложил делать царапины более твёрдым минералом по поверхности предмета. Он разложил знаменитые минералы по твердости на 10 позиций. Первую занимает тальк, а последнюю алмаз.

После измерения по одной методике перевод в иную систему очень условен. Четкие значения есть только по соотношению твердости по Бринеллю и Роквеллу, так как машиностроительные предприятия их широко используют. Зависимость можно проследить при изменении диаметра шарика.

d, мм	HB	HRA	HRC	HRB
2,3	712	85,1	66,4	—
2,5	601	81,1	59,3	—
3,0	415	72,6	43,8	—
3,5	302	66,7	32,5	—
4,0	229	61,8	22	98,2
5,0	143	—	—	77,4
5,2	131	—	—	72,4

Как видно из таблицы, увеличение диаметра шарика существенно уменьшает показания прибора. По этому на машиностроительных фирмах предпочитают пользоваться приборами для измерений с однотипным размером индентора.

Если вы нашли погрешность, пожалуйста, выдилите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.