Твердость металлов

Автор: Волков Семён

Дата публикации: 25.04.2024

Едва ли можно указать область деятельности, где бы не применялись металлы и/или их сплавы. Данный эластичный материал, устоящий перед переменами температур и агрессивными химикатами, используется в производстве различных деталей, корпусов и компонентов, которые подвергаются сильным динамическим и статическим нагрузкам.

Характеристикой металла, отражающей его способность устоять перед изменением формы при контакте с более твердым объектом, является твердость.

Специалисты отмечают твердость как один из ключевых физических параметров металла. Для определения стойкости к деформациям применяют различные методы - от измерения глубины выемки, полученной при прессовании в материал алмазного или твердосплавного конуса, до определения высоты до которой отбрасывается стальной шар при упадении на испытуемый объект.

В соответствии с приемом воздействия на объект исследования, метод классифицируется как статический или динамический. К статическим подходам можно отнести диаграммы Бринелля, Викерса, Роквелла. Особенности направленного давления на материалы, его интенсивность и другие параметры, применяемые при анализе, подробно представлены в соответствующем ГОСТе.

  • Стандарт 1497-84 представляет собой регулятивный документ, описывающий процесс определения растяжимости металлических изделий. Согласно рекомендациям этого документа, контрольные образцы следует создавать на станках для металлообработки, при это, геометрические параметры должны быть сведены к минимуму.
  • ГОСТ 25503-97 был утвержден в качестве замены ГОСТ 25503-80 для проверки разрушаемости при сжатии.
  • Исследование металлических заготовок на изгиб осуществляется в соответствии со стандартом 14019-80.

Ученые Альберт Шор и Николай Бауман, а также другие исследователи, создали методы динамического тестирования. Научно-исследовательские лаборатории и производственные предприятия используют эти подходы для определения твердости металла до начала массового производства или создания единичных образцов.

Рекламный перерыв №1

В этой статье подробно рассматриваются методики испытаний на твердость, среди которых наиболее часто применяется динамический метод, придуманный Альбертом Шором.

Есть метод, который был разработан Юханом Августовичем Бринеллем, шведским специалистом в области металлургии, для определения твердости металлов и сплавов с помощью статической нагрузки. Для этого используется специальная установка, способная выдержать давление на бланк не меньше 30 кН. Для тестирования устойчивости материала используется индентор, который представляет собой шарик из твердого сплава.

Процедура установления свойств выглядит следующим образом:

  • Заготовку надежно закрепляют на операционной площадке стенда.
  • Головка пресса медленно опускается на шарик.
  • Для сталей давление применяется в течение промежутка времени от 10 до 15 минут.
  • Свойства анализируемого материала определяются по физическим показателям глубины впадины.

Определение твердости восстановленного отпечатка осуществляется путем вычисления соотношения приложенной силы к площади отпечатка, согласно следующей формуле:

 

где

 

  • F — это сила, которая действует на объект.
  • Индентор обладает диаметром, который обозначается как D.
  • d - это глубина впадины.

Иногда для проведения экспериментов используют шарики с диаметром 10 мм, однако в определенных ситуациях возможно использование инденторов с меньшими размерами - 1, 2, 25, 5 мм.

Расчет по нераспознанному отпечатку имеет некоторые особенности: он включает оценку соотношения нагрузки и объема оттиска части индентора, которая была внедрена в работу, используя следующую формулу:

 

глубина отметки, сделанной индентором, обозначается как h

 

Используя меру твердости по Бринеллю, можно указать, что показатель 550 HWB 10/3100/12 символизирует следующее:

550 - это цифровое значение в единицах измерения кгс/мм².

  • Диаметр шарика составляет 10.
  • При тестировании образца, 3100 обозначает мощность давления, выраженную в кгс.
  • 12 - это количество секунд, затраченных на тестирование.

Впервые описанная в книге венского ученого Людвига "Die Kegelprobe", что в переводе означает "испытание конусом", методика была разработана Хью и Стэнли Роквеллами. Они изобрели прибор с индентором из стали или алмаза, для быстрой оценки состояния термообработки материала в производстве подшипников. Роквеллы искали методику, позволяющую провести быстрый анализ стали в очень узкие сроки.

 /><p>Процесс измерения прочности стали и других сплавов в соответствии с данным методом предполагает классификацию по одиннадцати градациям, которые именуются с помощью латинских букв от A до T. В исследованиях активно используются сферические инденторы из инструментальной стали или вольфрамового карбида, а также алмазные конические наконечники с округлой вершиной, формированной под углом 120 градусов. Формула для вычислений:</p> 
<p> </p><p>Стандартные нагрузки для шкал Роквелла составляют 60, 100 или 150 кгс. Чем мягче исследуемый сплав, тем ниже давление, применяемое к образцу. Обозначение твердости по шкале Роквелла представлено символом HS, к которому добавляется третья латинская буква в соответствии с применяемой шкалой. Например, обозначение HSA присваивается материалу, испытуемому на шкале A под нагрузкой 60 кгс с использованием алмазного сфероконического наконечника. В то время как шкалы HRC и HRG используются для образцов, тестирование которых производится при максимальных нагрузках, составляющих 150 кгс.</p><p> </p><h2 id=Определение твердости металла по Виккерсу

Правила, прописанные в ГОСТ 2999-75 СТ СЭВ 470-77 и ISO 6507, устанавливают методику проведения испытаний материалов, где используется алмазная пирамида с углом 136 градусов в роли индентора. Характеристика такого метода исследования обозначается как HV, и вычисляется путем деления нагрузки на площадь пирамидального впадины.

Виккерсовы твердомеры применяются для анализа азотированных и/или цементированных материалов, а также тонкостенных изделий. При этом продолжительность нагрузки, которой подвергается изделие, составляет не менее 5 секунд.

Метод анализа материала, придуманный Альбертом Ф. Шором, обозначается как динамический из-за особенностей его проведения: над поверхностью образца выпускают стальной шар или стержень. С помощью специального устройства - дюрометра, определяют твердость объекта исследования, исходя из высоты отскока.

Документ, который определяет правила проведения испытаний, это международный стандарт ISO 868. Твердость сплавов оценивают на двух шкалах согласно этому документу - А и D. Дюрометры других видов могут относить сплавы к шкалам A, B, C, D, O и OO. Прибор имеет несколько элементов:

  • основания стоек площадью не менее 100 квадратных метров;
  • индентора;
  • шкалы-индикатора;
  • Пружины для приложения усилия к шарику или стержню.

Сравнительная характеристика твердости по методикам Бринелля, Роквелла, Виккерса и Шора.

Диаметр отпечатка в миллиметрах для d10Согласно методу БринелляHBОтносительно РоквеллаОсновываясь на ВиккерсеHVО ШореHSD
ммHBHRAHRCHRBHVHSD
2,3071285,166,4101698,3
2,3170684,966,099997,8
2,3270084,765,798397,4
2,3369484,565,396796,9
2,3468884,365,095196,3
2,3568284,164,693695,8
2,3667683,964,392295,3
2,3767083,663,990794,7
2,3866583,463,689394,1
2,3965983,263,288093,5
2,4065383,062,986692,9
2,4164882,862,585392,3
2,4264382,662,184191,7
2,4363782,461,882891,1
2,4463282,261,481690,4
2,4562782,061,180489,8
2,4662181,860,779389,1
2,4761681,660,478288,5
2,4861181,460,077187,8
2,4960681,359,776087,2
2,5060181,159,375086,5
2,5159780,959,073985,9
2,5259280,758,673085,2
2,5358780,558,372084,5
2,5458280,357,971083,9
2,5557880,157,670183,2
2,5657279,957,269282,6
2,5756979,756,968381,9
2,5856479,656,567581,3
2,5956079,456,266680,6
2,6055579,255,865880,0
2,6155179,055,565079,3
2,6254778,855,164378,7
2,6354278,654,863578,0
2,6453878,554,562777,4
2,6553478,354,162076,8
2,6653078,153,861376,2
2,6752677,953,560675,6
2,6852277,753,159974,9
2,6951877,652,859374,3
2,7051477,452,558673,7
2,7151077,252,158073,2
2,7250677,051,857472,6
2,7350376,951,556872,0
2,7449976,751,256271,4
2,7549576,550,955670,9
2,7649276,450,655070,3
2,7748876,250,354469,8
2,7848476,050,053969,2
2,7948175,8 49,753468,7
2,8047775,749,452868,1
2,8147475,549,152367,6
2,8247075,448,851867,1
2,8346775,248,551366,6
2,8446475,048,250866,1
2,8546074,947,950465,6
2,8645774,747,649965,1
2,8745474,647,349464,6
2,8845174,447,049064,1
2,8944774,246,848563,7
2,9044474,146,548163,2
2,9144173,946,247762,7
2,9243873,845,947362,3
2,9343573,645,746861,8
2,9443273,545,446461,4
2,9542973,345,146061,0
2,9642673,244,945660,5
2,9742373,044,645360,1
2,9842072,944,444959,7
2,9941772,744,144559,3
3,0041572,643,844158,9
3,0141272,443,643858,5
3,0240972,343,343458,1
3,0340672,243,143157,7
3,0440372,042,942757,3
3,0540171,942,642456,9
3,0639871,842,442056,5
3,0739571,642,141756,2
3,0839371,541,941455,8
3,0939071,341,741155,4
3,1038871,241,440855,1
3,1138571,141,240454,7
3,1238371,040,940154,4
3,1338070,840,739854,0
3,1437870,740,539553,7
3,1537570,640,339253,3
3,1637370,440,038953,0
3,1737070,339,838652,7
3,1836870,239,638452,3
3,1936670,139,338152,0
3,2036370,039,137851,7
3,2136169,838,937551,4
3,2235969,738,737251,1
3,2335669,638,537050,8
3,2435469,538,236750,4
3,2535269,438,036450,1
3,2635069,237,836249,8
3,2734769,137,635949,5
3,2834569,037,435749,2
3,2934368,937,135448,9
3,3034168,836,935248,6
3,3133968,736,734948,4
3,3233768,636,534748,1
3,3333568,536,334447,8
3,3433368,436,034247,5
3,3533168,235,834047,2
3,3632968,135,633746,9
3,3732768,035,433546,6
3,3832567,935,233346,4
3,3932367,834,933146,1
3,4032167,734,732845,8
3,4131967,634,532645,5
3,4231767,534,332445,3
3,4331567,434,132245,0
3,4431367,333,832044,7
3,4531167,233,631744,5
3,4630967,133,431544,2
3,4730767,033,231344,0
3,4830666,933,031143,7
3,4930466,832,730943,4
3,5030266,732,530743,2
3,5130066,632,330542,9
3,5229866,532,130342,7
3,5329766,431,930142,4
3,5429566,331,629942,2
3,5529366,231,429841,9
3,5629266,131,229641,7
3,5729066,031,029441,4
3,5828865,930,829241,2
3,5928765,830,529040,9
3,6028565,730,328840,7
3,6128365,630,128640,5
3,6228265,529,928540,2
3,6328065,529,728340,0
3,6427865,429,428139,7
3,6527765,329,228039,5
3,6627565,229,027839,3
3,6727465,128,827639,1
3,6827265,028,627438,8
3,6927164,928,327338,6
3,7026964,828,127138,4
3,7126864,727,927038,1
3,7226664,627,726837,9
3,7326564,527,526637,7
3,7426364,427,326537,5
3,7526264,327,126337,3
3,7626064,226,826237,1
3,7725964,126,626036,8
3,7825764,026,425936,6
3,7925663,926,225736,4
3,8025563,826,025636,2
3,8125363,725,825436,0
3,8225263,625,625335,8
3,8325163,525,425135,6
3,8424963,425,225035,4
3,8524863,325,024935,2
3,8624663,224,824735,0
3,8724563,124,624634,8
3,8824463,024,4100,0 24434,6
3,8924362,924,299,924334,4
3,9024162,824,099,824234,2
3,9124062,723,899,624034,1
3,9223962,623,699,523933,9
3,9323762,523,499,323833,7
3,9423662,423,299,223733,5
3,9523562,323,099,023533,3
3,9623462,222,898,923433,1
3,9723262,122,698,723333,0
3,9823162,022,498,623132,8
3,9923061,922,298,423032,6
4,0022961,822,098,222932,5
4,0122861,721,898,122832,3
4,0222661,621,697,922732,1
4,0322561,521,597,722532,0
4,0422461,421,397,622431,8
4,0522361,321,197,422331,6
4,0622261,120,997,222231,5
4,0722161,020,797,022131,3
4,0821960,920,596,921931,2
4,0921860,820,396,721831,0
4,1021760,720,196,521730,9
4,1121660,619,996,321630,7
4,1221560,519,796,121530,6
4,1321460,419,595,921430,4
4,1421360,319,295,721330,3
4,1521260,119,095,521230,1
4,1621160,018,895,4 21130,0
4,1721059,918,695,220929,8
4,1820959,818,395,020829,7
4,1920859,718,194,820729,6
4,2020659,617,994,620629,4
4,2120559,494,420529,3
4,2220459,394,220429,2
4,2320359,294,020329,0
4,2420259,193,820228,9
4,2520159,093,620128,8
4,2620058,893,420028,6
4,2719958,793,219928,5
4,2819858,693,019828,4
4,2919758,592,819728,3
4,3019758,492,619628,1
4,3119658,292,419528,0
4,3219558,192,219427,9
4,3319458,092,019327,8
4,3419357,991,819227,6
4,3519257,791,619127,5
4,3619157,691,319027,4
4,3719057,591,118927,3
4,3818957,490,918827,2
4,3918857,290,718727,0
4,4018757,190,518626,9
4,4118657,090,318526,8
4,4218556,990,118426,7
4,4318556,889,918326,6
4,4418456,689,718326,4
4,4518356,589,518226,3
4,4618256,489,318126,2
4,4718156,389,118026,1
4,4818056,188,817926,0
4,4917956,088,617825,8
4,5017955,988,417725,7
4,5117855,888,217625,6
4,5217755,688,017525,5
4,5317655,587,817525,3
4,5417555,487,617425,2
4,5517455,387,417325,1
4,5617455,187,117225,0
4,5717355,086,917124,9
4,5817254,986,717124,7
4,5917154,886,517024,6
4,6017054,686,316924,5
4,6117054,586,116824,4
4,6216954,485,916724,2
4,6316854,385,616724,1
4,6416754,185,416624,0
4,6516754,085,216523,9
4,6616653,985,016423,7
4,6716553,884,816423,6
4,6816453,684,616323,5
4,6916453,584,316223,4
4,7016353,484,116223,2
4,7116253,383,916123,1
4,7216153,283,716023,0
4,7316153,083,516022,9
4,7416052,983,215922,7
4,7515952,883,015822,6
4,7615852,782,815822,5
4,7715852,682,615722,4
4,7815752,482,415622,3
4,7915652,382,115622,1
4,8015652,281,915522,0
4,8115552,181,715421,9
4,8215452,081,515421,8
4,8315451,881,315321,7
4,8415351,781,015321,6
4,8515251,680,815221,5
4,8615251,580,615121,4
4,8715151,380,415121,3
4,8815051,280,115021,2
4,8915051,179,915021,1
4,9014951,079,714921,0
4,9114850,979,514821,0
4,9214850,779,214820,9
4,9314750,679,014720,8
4,9414650,578,814620,8
4,9514650,478,614620,7
4,9614550,278,314520,7
4,9714450,178,114420,7
4,9814450,077,914420,6
4,9914349,877,614320,6
5,0014377,414320,6
5,0114277,2142
5,0214177,0141
5,0314176,7141
5,0414076,5140
5,0514076,3140
5,0613976,0139
5,0713875,8138
5,0813875,6138
5,0913775,3137
5,1013775,1137
5,1113674,8136
5,1213674,6136
5,1313574,4135
5,1413474,1134
5,1513473,9134
5,1613373,7133
5,1713373,4133
5,1813273,2132
5,1913272,9132
5,2013172,7131
5,2113172,4131
5,2213072,2130
5,2312972,0129
5,2412971,7129
5,2512871,5128
5,2612871,2128
5,2712771,0127
5,2812770,7127
5,2912670,5126
5,3012670,2126
5,3112570,0125
5,3212569,7125
5,3312469,5124
5,3412469,2124
5,3512369,0123
5,3612368,7123
5,3712268,5122
5,3812268,2122
5,3912168,0121
5,4012167,7121
5,4112067,5120
5,4212067,2120
5,4311967,0119
5,4411966,7119
5,4511866,4118
5,4611866,2118
5,4711765,9117
5,4811765,7117
5,4911665,4116
5,5011665,2116
5,5111564,9115
5,5211564,6115
5,5311564,4115
5,5411464,1114
5,5511463,9114
5,5611363,6113
5,5711363,3113
5,5811263,1112
5,5911262,8112
5,6011162,6111
5,6111162,3111
5,6211162,0111
5,6311061,8110
5,6411061,5110
5,6510961,2109
5,6610961,0109
5,6710860,7108
5,6810860,5108
5,6910860,2108
5,7010759,9107
5,7110759,7107
5,7210659,4106
5,7310659,1106
5,7410558,9105
5,7510558,6105
5,7610558,3105
5,7710458,1104
5,7810457,8104
5,7910357,5103
5,8010357,3103
5,8110357,0103
5,8210256,8102
5,8310256,5102
5,8410156,2101
5,8510156,0101
5,8610155,7100
5,8710055,4100
5,8810055,299
5,8910054,999
5,909954,6
5,919954,4
5,929854,1
5,939853,9
5,949853,6
5,959753,3
5,969753,0
5,979752,8
5,989652,5
5,999652,3
6,009552,0
6,019551,8
6,029551,5
6,039451,2
6,049451,0
6,059450,7
6,069350,5
6,079350,2
6,089350,0
6,099249,7
6,109249,4
6,119249,2
6,129148,9
6,139148,7
6,149148,4
6,159048,2
6,169047,9
6,179047,7
6,188947,4
6,198947,2
6,208946,9
6,218846,7
6,228846,4
6,238846,2
6,248745,9
6,258745,7
6,2687 45,4
6,278645,2
6,288644,9
6,298644,7
6,308544,4
6,318544,2
6,328543,9
6,338543,7
6,348443,5
6,358443,2
6,368443,0
6,378342,7
6,388342,5
6,398342,2
6,408242,0
6,418241,8
6,428241,5
6,438241,3
6,448141,0
6,458140,8
6,468140,6
6,478040,3
6,488040,1
6,498039,8
6,508039,6
6,517939,4
6,527939,1
6,537938,9
6,547938,6
6,557838,4
6,567838,1
6,577837,9
6,587837,7
6,597737,4
6,607737,2
6,617736,9
6,627736,7
6,637636,4
6,647636,2
6,657635,9
6,667635,7
6,677535,4
6,687535,2
6,697534,9
6,707534,7