Твердость примеры металлов: Твердость металлов и сплавов. На что она влияет? Как увеличить твердость материала?

alexxlab | 11.12.1980 | 0 | Разное

Содержание

Механические свойства металлических материалов и металлов

Содержание статьи:

Металлы и их сплавы являются одним из самых распространенных материалов для изготовления изделий различных видов. Но так как каждый из типов имеет определенные свойства – перед применением их следует детально изучить.

Зачем нужно знать механические свойства металлов

Основные виды чистых металлов

Металлы относятся к химическим элементам и веществам, которые характеризуются высоким показателем теплопроводности, в большинстве своем имеют жесткость. Под воздействием высоких температур повышается пластичность, обладают ковкостью. Эти характеристики материалов позволяют осуществлять их обработку различными способами.

Металлические материалы и их сплавы характеризуются рядом показателей: химическими, механическими, физическими и эксплуатационными. В совокупности они дают возможность определить фактические характеристики в полном объеме. Выделить наиболее важные из них невозможно. Но для решения определенных задач большее внимание уделяется конкретной группе свойств.

Механические свойства металлов необходимо знать для решения следующих вопросов:

производство изделия с определенными качествами;
выбор оптимального процесса обработки заготовки;
влияние механических характеристик металлических материалов на эксплуатационные свойства продукта.

Для определения конкретных механических свойств применяются различные методы. Испытания металлов и сплавов проводятся с помощью специальных приборов. Это делается в лабораторных условиях. Для достижения точных результатов рекомендуется использовать результаты исследований государственных метрологических организаций.

Механические свойства определяют показатель сопротивляемости того или иного материала на внешние силовые воздействия. Для каждого параметра существует определенные числовые показатели.

Твердость

Методика проверки металлов на твердость

При воздействии внешних факторов на металлические изделия происходит их деформация – пластическая или упругая. Твердость описывает сопротивление этим факторам, характеризует степень сохранения изначальной формы и свойств материала, изделия.

В зависимости от желаемых результатов проверка материала на твердость осуществляется тремя методами:

статический. На специальный индикатор, расположенный на поверхности металла, прикладывают механическую силу. Это делается постепенно и одновременно с этим фиксируется степень деформации;
динамический. Воздействие происходит для фиксации упругой отдачи или формирования отпечатка с определенной конфигурацией;
кинетический. Схож со статическим. Разница заключается в непрерывном воздействии для построения диаграммы изменения характеристик образца.

Измерение твердости зависит от выбранного метода — Бринелля (НВ), Роквелла (шкалы А, В и С) или Виккерса (НV). Все зависит от степени воздействия на материал, с помощью которых можно определить поверхностную, проекционную или объемную твердость.

Шкала Мосса применяется для вычисления показателя твердости редко. Ее суть состоит в вычислении характеристиках объекта методом царапания его поверхности.

Вязкость и хрупкость

Описание показателя вязкости

Эти характеристики указывают на возможность металла оказывать сопротивление при воздействии ударных нагрузок. Показателем является скорость деформации, т.е. изменение изначальной конфигурации заготовки при внешнем воздействии.

Знание показателя вязкости и хрупкости необходимо для расчета поглощаемой энергии воздействия, которая приводит к деформации металлического образца. В зависимости от необходимых данных различают следующие методы измерения и виды вязкости металлов:

статическая. Происходит медленное воздействие на материал до момента его разрушения;
циклическая. Образец подвергают многократным нагрузкам с одинаковым или изменяющимся показателем силы. При этом основной величиной циклической вязкости является количество работы, необходимой для разрушения образца;

ударная. Для ее расчета применяют маятниковый копер. Заготовку крепят на нижнем основании, маятник с рубящим конусом находится в верхней точке. После его опускания происходит взаимодействие металла и рубящей части. Степень деформации характеризуется вязкостью образца.

В зависимости от системы измерения существуют различные показатели вязкости:

СИ — м²/с;
СГС – стокс (СТ) или сантистокс (сСт)

Помимо метода испытания необходимо учитывать другие механические свойства металлов – температура на его поверхности и в структуре, влажность в помещении и т.д.

Хрупкость является обратным показателем вязкости. Она определяет, насколько быстро металл или сплав будет разрушаться под воздействием внешней силы.

Напряжение

Виды напряжений

Напряжением называется возникновение внутренних сил с различными векторами направленности при внешнем воздействии. Эта величина может быть внутренняя или поверхностная. Является обязательным для расчета при изготовлении несущих стальных конструкций или элементов оборудования, подвергающихся постоянным нагрузкам.

Главным условием для измерения этого показателя является равномерная нагрузка, действующая в определенном направлении. При этом возникает напряженное состояние образца, который подвергается воздействию уравновешенных сил. Помимо этого, воздействие может быть односекторным или много векторным.

Существуют следующие виды напряжения материалов и их сплавов:

остаточное. Формируется уже после окончания воздействия внешних факторов. К ним относятся не только механические силы, но и быстрый нагрев или охлаждение образца;
временные. Возникают только при внешних нагрузках. После их прекращения изделие приобретает изначальные характеристики;
внутреннее. Чаще всего происходит в результате неравномерного нагрева заготовок.

Напряжение является отношением силы воздействия на площадь, на которую она прилагается.

Кроме прямого давления на поверхность может наблюдаться касательное. Расчет этого параметра требует более сложных методик.

Выносливость и усталость

Пример деформации из-за усталости металла

При длительном приложении внешних сил в структуре образца выявляются деформации и дефекты. Они приводят к потере прочности образца и как следствие – к его разрушению. Это называется усталостью металла. Выносливость является обратной характеристикой.

Такое явление наступает в результате появления последовательных напряжений (внутренних или поверхностных) за определенный промежуток времени. Если структура не подвергается изменению – говорят о хорошем показателе выносливости. В противном случае происходит деформация.

В зависимости от точности расчета выполняют следующие испытания образца на выносливость для того, чтобы узнать механические свойства металлов:

чистый изгиб. Деталь закрепляется на концах и происходит ее вращение, в результате чего она деформируется;

поперечный изгиб. Дополнительно выполняется вращение образца;
изгиб в одной плоскости;
поперечный и продольный изгиб в одной плоскости;
неравномерное кручение с повторением цикла.

Эти испытания позволяют определить показатель выносливости и рассчитать время наступления усталости детали.

Для проведения испытаний необходимо руководствоваться принятыми методиками, которые изложены в ГОСТ-1497-84. Особое внимание уделяется отклонению свойств металла от нормы.

Ползучесть

Пример дефекта, возникшего из-за ползучести

Этот показатель определяет степень непрерывной пластической деформации при постоянном воздействии внешних и внутренних факторов. Вычисление этого параметра необходимы для определения жаропрочности металлов и их сплавов.

Для определения ползучести образец нагревают до определенной температуры. После этого наблюдают степень изменения его конфигурации с учетом приложенного напряжения. В зависимости от термического воздействия различают два вида испытаний на ползучесть:

низкотемпературное. Степень нагрева образца не превышает 0,4 от температуры его плавления;
высокотемпературная. Коэффициент нагрева больше 0,4 температуры нагрева.

Для проведения испытаний используют стандартные образцы прямоугольной или цилиндрической формы. При этом степень погрешности измерения не должна превышать 0,002 мм. В результате испытаний формируется кривая, характеризующая процесс ползучести.

В видеоматериале показан пример работы маятникового копера:

Таблица твердости металлов

Для того чтобы детали и механизмы служили длительно и надежно, материалы, из которых они изготовлены, должны соответствовать необходимым условиям работы. Именно поэтому важно контролировать допустимые значения их основных механических показателей. К механическим свойствам относятся твердость, прочность, ударная вязкость, пластичность. Твердость металлов – первичная конструкционная характеристика.

Понятие

Твердость металлов и сплавов – это свойство материала создавать сопротивление при проникновении в его поверхностные слои иного тела, которое не деформируется и не разрушается при сопутствующих нагрузках (индентора). Определяют с целью:

получения информации о допустимых конструкционных особенностях и о возможностях эксплуатации;
анализа состояния под действием времени;
контроля результатов температурной обработки.

От этого показателя частично зависят прочность и устойчивость поверхности к старению. Исследуют как исходный материал, так и уже готовые детали.

Варианты исследования

Показателем является величина, которая называется числом твердости. Существуют различные методы измерения твердости металлов. Наиболее точные исследования заключаются в использовании различных видов вычисления, инденторов и соответствующих твердомеров:

Бринелля: суть работы аппарата – вдавливание шарика в исследуемый металл или сплав, вычисление диаметра отпечатка и последующее математическое вычисление механического параметра.
Роквелла: используются шарик или алмазный конусный наконечник. Значение отображается на шкале или определяется расчётно.
Виккерса: наиболее точное измерение твердости металла с применением алмазного пирамидального наконечника.

Для определения параметрических соответствий между показателями разных способов измерения для одного и того же материала существуют специальные формулы и таблицы.

Факторы, определяющие вариант измерения

В лабораторных условиях, при наличии необходимого ассортимента оборудования, выбор способа исследования осуществляется в зависимости от определенных характеристик заготовки.

Ориентировочное значение механического параметра. Для конструкционных сталей и материалов с небольшой твердостью до 450-650 НВ применяют метод Бринелля; для инструментальных, легированных сталей и других сплавов – Роквелла; для твердосплавов – Виккерса.
Размеры испытуемого образца. Особо маленькие и тонкие детали обследуются с помощью твердомера Виккерса.
Толщина металла в месте замера, в частности, цементированного или азотированного слоя.

Все требования и соответствия задокументированы ГОСТом.

Особенности методики Бринелля

Испытания на твердость металлов и сплавов с помощью твердомера Бринелля проводятся со следующими особенностями:

Индентор – шарик из легированной стали или из карбидо-вольфрамового сплава диаметром 1, 2, 2,5, 5 или 10 мм (гост 3722-81).
Продолжительность статического вдавливания: для чугуна и стали – 10-15 с., для цветных сплавов – 30, также возможна длительность в 60 с., а в некоторых случаях – 120 и 180 с.
Граничное значение механического параметра: 450 НВ при измерении стальным шариком; 650 НВ при использовании твердосплава.
Возможные нагрузки. С помощью входящих в комплект грузов корректируется фактическая сила деформации на испытуемый образец. Их минимальные допустимые значения: 153,2, 187,5, 250 Н; максимальные – 9807, 14710, 29420 Н (гост 23677-79).

С помощью формул, в зависимости от диаметра выбранного шарика и от испытуемого материала, можно вычислить соответствующее допустимое усилие вдавливания.

Тип сплава	Математическое вычисление нагрузки
Сталь, сплавы никеля и титана	30D²
Чугун	10D², 30D²
Медь и медные сплавы	5D², 10D², 30D²
Легкие металлы и сплавы	2,5D², 5D², 10D², 15D²
Свинец, олово	1D²

Пример обозначения:

400HB10/1500/20, где 400HB – твердость металла по Бринеллю; 10 – диаметр шарика, 10 мм; 1500 – статическая нагрузка, 1500 кгс; 20 – период осуществления вдавливания, 20 с.

Для установления точных цифр рационально исследовать один и тот же образец в нескольких местах, а общий результат определять путем нахождения среднего значения из полученных.

Определение твердости по методу Бринелля

Процесс исследования протекает в следующей последовательности:

Проверка детали на соответствие требованиям (ГОСТ 9012-59, гост 2789).
Проверка исправности аппарата.
Выбор необходимого шарика, определение возможного усилия, установка грузов для его формирования, периода вдавливания.
Запуск твердомера и деформация образца.
Измерение диаметра углубления.
Эмпирическое вычисление.

НВ=F/A,

где F – нагрузка, кгс или Н; A – площадь отпечатка, мм².

НВ=(0,102*F)/(π*D*h),

где D – диаметр шарика, мм; h – глубина отпечатка, мм.

Твердость металлов, измеренная этим способом, имеет эмпирическую связь с вычислением параметров прочности. Метод точен, особенно для мягких сплавов. Является основополагающим в системах определения значений этого механического свойства.

Особенности методики Роквелла

Этот способ измерения был изобретен в 20-х годах XX века, более автоматизирован, чем предыдущий. Применяется для более твердых материалов. Основные его характеристики (ГОСТ 9013-59; гост 23677-79):

Наличие первичной нагрузки в 10 кгс.
Период выдержки: 10-60 с.
Граничные значения возможных показателей: HRA: 20-88; HRB: 20-100; HRC: 20-70.
Число визуализируется на циферблате твердомера, также может рассчитываться арифметически.
Шкалы и инденторы. Известно 11 различных шкал в зависимости от типа индентора и предельно-допустимой статической нагрузки. Наиболее распространённые в использовании: А, В и С.

А: алмазный конусный наконечник, угол при вершине 120˚, общая допустимая сила статического влияния – 60 кгс, HRA; исследуются тонкие изделия, в основном прокат.

С: также алмазный конус, рассчитанный на максимальное усилие 150 кгс, HRC, применим для твердых и закаленных материалов.

В: шарик размером 1,588 мм, изготовленный из закаленной стали или из твердого карбидо-вольфрамового сплава, нагрузка – 100 кгс, HRB, используется для оценки твердости отожжённых изделий.

Шарикообразный наконечник (1,588 мм) применим для шкал Роквелла B, F, G. Также существуют шкалы E, H, K, для которых используется шарик диаметром 3,175 мм (ГОСТ 9013-59).

Количество проб, проделанных с помощью твердомера Роквелла на одной площади, ограничивается размером детали. Допускается повторная проба на расстоянии 3-4 диаметра от предыдущего места деформации. Толщина испытуемого изделия также регламентируется. Она должна быть не меньше увеличенной в 10 раз глубины внедрения наконечника.

Пример обозначения:

50HRC – твердость металла по Роквеллу, измерена с помощью алмазного наконечника, ее число равно 50.

План исследования по методу Роквелла

Измерение твердости металла более упрощено, нежели для способа Бринелля.

Оценка размеров и характеристик поверхности детали.
Проверка исправности аппарата.
Определение типа наконечника и допустимой нагрузки.
Установка образца.
Осуществление первичного усилия на материал, величиной в 10 кгс.
Осуществление полного соответствующего усилия.
Чтение полученного числа на шкале циферблата.

Также возможен математический расчет с целью точного определения механического параметра.

При условии использования алмазного конуса с нагрузкой 60 или 150 кгс:

HR=100-((H-h)/0,002;

при совершении испытания с помощью шарика под усилием 100 кгс:

HR=130-((H-h)/0,002,

где h – глубина внедрения индентора при первичном усилии 10 кгс; H – глубина внедрения индентора при полной нагрузке; 0,002 – коэффициент, регламентирующий величину перемещения наконечника при изменении числа твердости на 1 единицу.

Метод Роквелла является простым, но недостаточно точным. В то же время он позволяет измерять показатели механического свойства для твердых металлов и сплавов.

Характеристики методики Виккерса

Определение твердости металлов по данному способу наиболее просто и точно. Работа твердомера основана на вдавливании в образец алмазного пирамидального наконечника.

Основные особенности:

Индентор: алмазная пирамида с углом при вершине 136°.
Предельно допустимая нагрузка: для легированного чугуна и стали – 5-100 кгс; для медных сплавов – 2,5-50 кгс; для алюминия и сплавов на его основе – 1-100 кгс.
Период выдержки статической нагрузки: от 10 до 15 с.
Испытуемые материалы: сталь и цветные металлы с твердостью более 450-500 НВ, в том числе изделия после химико-термической обработки.

Пример обозначения:

700HV20/15,

где 700HV – число твердости по Виккерсу; 20 – нагрузка, 20 кгс; 15 – период статического усилия, 15 с.

Последовательность исследования Виккерса

Порядок действий предельно упрощен.

Проверка образца и аппаратуры. Особое внимание уделяется поверхности детали.
Выбор допустимого усилия.
Установка испытуемого материала.
Запуск твердомера в работу.
Чтение результата на циферблате.

Математический расчет по этому способу выглядит следующим образом:

HV=1,854 (F/d²),

где F – нагрузка, кгс; d – среднее значение длин диагоналей отпечатка, мм.

Он позволяет измерять высокую твердость металлов, тонких и небольших деталей, при этом предоставляя высокую точность результата.

Способы перехода между шкалами

Определив диаметр отпечатка с помощью специального оборудования, можно с помощью таблиц определить твердость. Таблица твердости металлов – проверенный помощник в вычислении данного механического параметра. Так, если известно значение по Бринеллю, можно легко определить соответствующее число Виккерса или Роквелла.

Пример некоторых значений соответствия:

Диаметр отпечатка, мм	Метод исследования
	Бринелля	Роквелла			Виккерса
	Бринелля	A	C	B	Виккерса
3,90	241	62,8	24,0	99,8	242
4,09	218	60,8	20,3	96,7	218
4,20	206	59,6	17,9	94,6	206
4,99	143	49,8	–	77,6	143

Таблица твердости металлов составлена на основе экспериментальных данных и имеет высокую точность. Также существуют графические зависимости твердости по Бринеллю от содержания углерода в железоуглеродистом сплаве. Так, в соответствии с такими зависимостями, для стали с количеством карбона в составе равному 0,2% она составляет 130 НВ.

Требования к образцу

В соответствии с требованиями ГОСТов, испытуемые детали должны соответствовать следующим характеристикам:

Заготовка должна быть ровная, твердо лежать на столе твердомера, ее края должны быть гладкими или тщательно обработаны.
Поверхность должна иметь минимальную шероховатость. Должна быть отшлифована и очищена, в том числе с помощью химических составов. Одновременно, во время процессов механической обработки, важно предупредить образование наклепа и повышения температуры обрабатываемого слоя.
Деталь должна соответствовать выбранному методу определения твердости по параметрическим свойствам.

Выполнение первичных требований – обязательное условие точности измерений.

Твердость металлов – важное основополагающее механическое свойство, определяющее их некоторые остальные механические и технологические особенности, результаты предыдущих процессов обработки, влияние временных факторов, возможные условия эксплуатации. Выбор методики исследования зависит от ориентировочных характеристик образца, его параметров и химического состава.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с методикой приготовления макрошлифов.

2. Изучить коллекцию макрошлифов. Зарисовать их.

3. Изучить и зарисовать основные виды изломов (вязкий, хрупкий, усталостный).

Контрольные вопросы.

Что такое макроанализ?
Что такое макрошлиф? Подготовка образцов.
Перечислите признаки хрупкого и вязкого разрушения на примере изломов.
Опишите механизм усталостного разрушения и назовите зоны этого разрушения.
Охарактеризуйте факторы, влияющие на переход металлов из вязкого состояния в хрупкое.
Объясните сущность ликвации.
Что такое красноломкость и хладноломкость?
Объясните сущность образования волокнистого строения металла в процессе пластического деформирования.
Приведите примеры рационального расположения волокон металла в зависимости от способа изготовления детали.
Перечислите дефекты сварных швов.
Назовите основные зоны стального слитка и дайте их характеристику.
Охарактеризуйте возможные дефекты отливок.

Лабораторная работа №2 Измерение твердости металлов

Цель работы:изучить устройство приборов для определения твердости металлов, научиться пользоваться приборами по измерению твердости металлов.

Приборы и оборудование:пресс Бринелля, пресс Роквелла, отсчетный микроскоп для определения диаметра отпечатка, образцы сталей, чугунов и цветных металлов.

Краткие сведения из теории

Определение твердости является широко распространенным способом испытаний для характеристики механических свойств металлов. В настоящее время существует несколько методов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника: метод вдавливания, метод отскакивания, метод царапания. Наибольшее применение получил метод вдавливания.

Под твердостью металла при вдавливании понимается его сопротивление местной пластической деформации при контактном приложении нагрузки.

Наиболее широкое распространение в машиностроительной промышленности получили методы Бринелля, Роквелла и Викерса, благодаря их простоте и возможности производить испытания деталей без разрушения.

Определение твердости по Бринеллю

Определение твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012-59, 22761-77) состоит в том, что при использовании специального пресса (пресса Бринелля) в испытуемый материал в течение определенного времени вдавливается нагрузкой Р стальной закаленный шарик диаметра D.

Схема испытания на твердость по Бринеллю дана на рис. 9.

В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка).

Диаметр отпечатка измеряют специальным отсчетным микроскопом МПБ-2, на окуляре которого нанесена шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра (рис. 10).

Отношение давления Р к поверхности полученного отпечатка (шарового сегмента) дает число твердости обозначаемое НВ(2):

, кгс/мм² (н/м²), (2)

где F=Dh.

Рис. 9. Схема определения твердости методом Бринелля

Рис. 10. Измерение диаметра отпечатка

Так как удобнее измерять не глубину отпечатка, а его диаметр, то, выражая глубину отпечатка через его диаметр d и диаметр шарика, получаем (3):

(3)

Подставив значение F получим (4):

, кгс/мм² (н/м²) (4)

Таким образом, зная диаметр шарика и нагрузку, замерив диаметр отпечатка, легко определить твердость.

Для получения одинаковых значений твердости металла при разных диаметрах шариков и различных нагрузках необходимо соблюдать закон подобия P/D² = const. В этом случае угол

 = const, где  – угол вдавливания. Поэтому при испытании по Бринеллю, учитывая закон подобия, а также то обстоятельство, что диаметр шарика подбирается в зависимости от толщины испытуемого образца металла, и что для металлов разных твердостей нужно прилагать разные нагрузки, применяют соотношения по ГОСТ 9012-59. Кроме того, продолжительность выдержки образца под нагрузкой должна быть строго определенной, чтобы деформация образца шариком полностью завершилась.

Перед испытанием поверхность образца, в которую будет вдавливаться шарик, обрабатывают наждачным камнем или напильником, чтобы она была ровной, гладкой и не было окалины и других дефектов. При обработке поверхности образец не должен нагреваться выше 100–150°С. Подготовка поверхности образца необходима для получения правильного отпечатка и отчетливой видимости его краев для измерения.

При выборе диаметра шарика D, нагрузки P, продолжительности выдержки под нагрузкой и минимальной толщины испытуемого образца следует руководствоваться нормами ГОСТа для испытаний по Бринеллю (табл. 2).

При указании твердости НВ иногда отмечают, при каких условиях измерялась твердость, например: НВ 140 (10/3000/10) означает, что испытание производилось шариком диаметром 10 мм под нагрузкой 3000 кгс (30000 Н) в течение 10 секунд.

При измерении твердости шариком определенного диаметра и с установленными нагрузками расчет числа твердости по формуле НВ=Р/F почти не выполняют, а пользуются заранее составленными таблицами, указывающими число НВ, в зависимости от диаметра отпечатка d и соотношения между нагрузкой Р и D²(согласно табл. 3).

Измерение твердости металлов – твердометрия («hardness testing»)

Способность материала сопротивляться вдавливанию в его поверхностные слои другого недеформирующегося при испытании тела, характеризует твердость материала.

Вдавливаемое тело называется индентором и, в зависимости от метода измерения твердости и самого материала, может иметь форму шара, конуса или пирамиды. В качестве материала для сферических инденторов применяется сталь или твердый сплав, а также алмаз для конических или пирамидальных инденторов.

Особенности измерения твердости

После вдавливания индентора, которое происходит с определенной нагрузкой в течение 5-15 секунд, на материале остается отпечаток, по площади которого рассчитывается значение твердости. В связи с этим к поверхности испытываемого образца предъявляются особые требования: минимальная шероховатость и отсутствие окислов, плоскопараллельность измеряемого сечения и основания образца, отсутствие термических воздействий и наклепа после пробоподготовки. В процессе вдавливания индентора металл деформируется, создавая вокруг точки приложения нагрузки зону повышенных напряжений, поэтому важно соблюдать минимально допустимую дистанцию между отпечатками во избежание ошибочных завышенных результатов. То же касается и измерений твердости у края образца, но результаты в этом случае могут быть ниже реальных.

Методы твердометрии

В основе множественных методов измерения твердости лежат одни и те же принципы, но, в зависимости от поставленной задачи и исследуемого материала, различаются по видам используемых инденторов.

Бриннеля. Индентором выступает стальной шарик диаметром от одного до десяти миллиметров. Метод обладает существенными недостатками – слишком большая площадь оттиска, невозможность применения на очень твердых металлах.
Роквелла. В качестве индентора используется шарик из стального твердого сплава либо алмаз конической формы с углом вершины 120 градусов. Метод Роквелла хорошо работает на образцах из закаленной стали, которые нельзя проверить по методу Бриннеля.
Виккерса. Индентором является алмазная пирамида, угол у вершины которой составляет 136 градусов. Отпечаток имеет квадратную форму. Способ оптимально подходит для анализа твердости закаленной стали, покрытий высокой прочности, а также швов сварки. Метод Виккерса применяют для определения микротвердости отдельных структурных составляющих на микроскопическом уровне при нагрузках от 10г.
Кнупа. Метод подобен методу Виккерса и отличается тем, что угол при вершине пирамиды составляет 172,5 градусов, а отпечаток имеет форму ромба. Применяется для измерения твердости узких деталей или поверхностных слоев.
Шора. В качестве индентора стальной шарик, но он не вдавливается, а падает на поверхность детали. По высоте отскока рассчитывается значение твердости. Метод применяют в основном для пластмассовых и резиновых изделий.
Мооса. Индентор в виде иглы, которой царапают поверхность материала. Исходя из глубины царапины, определяют твердость.

Нанесение отпечатка индентора на полированную поверхность образца

Измерение твердости как метод металлографического исследования

Определение твердости материала является не только одним из стандартных механических испытаний входного или сдаточного контроля металла, но и инструментом металлографического анализа.

Так по изменению микротвердости можно установить глубину упрочненного или обезуглероженного слоя, оценить структурную неоднородность по толщине листового проката. В случае сложных дисперсных структур после закалки значение твердости позволит установить была ли проведена процедура отпуска материала.

Оценка глубины слоя после цементации

Перепады микротвердости в зоне ликвационной полосы листового проката

Еще одной важной особенностью измерения твердости является прямая связь ее значений с прочностью металла. Поэтому этот метод испытаний широко применяется при оценке прочностных характеристик деталей и механизмов, находящихся в эксплуатации (например, участки действующих трубопроводов). Для этого созданы специальные портативные твердомеры ультразвукового или динамического принципа действия, требующие минимальной подготовки поверхности.

Твёрдость металла, резины, бетона и способы измерения твёрдости

26.01.2014

Твёрдость металла, резины, бетона и способы измерения твёрдости

Единого общепринятого определения термина «ТВЁРДОСТЬ» не существует поскольку методы определения этой метрологической величины настолько разнообразны, что нет возможности их объединить в одной фразе или описании. При этом даже для одного типа материала (напр. металлов) методов определения твердости существует более 5… Также именно по этой причине приборы для измерения твёрдости именуются не только твердомерами, но и другими названиями, указывающими на метод или материал измерения: дюрометр (для резин), склерометр (для минералов) и т.д.

Твёрдость минералов

Шкала твёрдости минералов Мооса (склерометры царапающие) – метод определения твёрдости минералов путём царапания одного минерала другим минералом для сравнительной диагностики твёрдости минералов между собой по системе мягче-твёрже. Испытываемый минерал либо не царапается другим минералом (эталоном Мооса или склерометром) и тогда его твёрдость по Моосу выше, либо царапается – и тогда его твёрдость по Моосу ниже.

минералы (природные и искусственные), в т.ч. измеряется твёрдость камней горных пород
бетон и другие строительные материалы: твёрдость искусственных камней, плитки, стекла и др.

Молотки Шмидта (склерометры-молотки) – метод определения твёрдости и прочности на сжатие без разрушения строительный материалов: бетона, кирпичей, строительного раствора и пр. Оценка материалов происходит по предварительно установленной градуировочной зависимости между прочностью эталонных образцов и значением отскока бойка молотка Шмидта от поверхности материала.

Типы исследуемых материалов:

бетон
кирпич
строительный раствор
природные камни и горные породы

Твёрдость металлов

Твёрдость металлов – наиболее глубоко изученное и стандартизированное международной практикой измерение твёрдости. Наиболее распространены следующие методы:

Измерение твёрдости металлов по Бринеллю (твердомеры)

Один из старейших методов, твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Обозначается HB, где H — Hardness (твёрдость, англ.), B — Brinell (Бринелль, англ.)

Измерение твёрдости металлов по Роквеллу (твердомеры)

Это самый распространённый из методов начала XX века, твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Обозначается HR, где H — Hardness (твёрдость, англ.), R — Rockwell (Роквелл, англ.), а 3-й буквой идёт обозначение типа шкалы, напр. HRA, HRB, HRC и т.д.

Измерение твёрдости металлов по Виккерсу (твердомеры и микротвердомеры)

Самая широкая по охвату шкала, твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Обозначается HV, где H — Hardness (твёрдость, англ.), V — Vickers (Виккерс, англ.)

Измерение твёрдости металлов по Шору (твердомеры и склероскопы)

Данный метод крайне редко используется, твёрдость определяется по высоте отскока бойка от поверхности. Обозначается HS, где H — Hardness (твёрдость, англ.), S — Shore (Шор, англ.), а 3-й буквой идёт обозначение типа шкалы, напр. HSD

Измерение твёрдости металлов по Либу (твердомеры)

Это самый широко применяемый на сегодня метод в мире, твёрдость определяется как отношение скоростей до и после отскока бойка от поверхности. Обозначается HL, где H — Hardness (твёрдость, англ.), L — Leeb (Либ, англ.), а 3-й буквой идёт обозначение типа датчика, напр. HLD, HLC и т.д.

Твёрдость резины

Определить твердость резины сегодня можно несколькими методами:

Измерение твёрдости резины по Шору (твердомеры и дюрометры)

Самый широко применяемый на сегодня метод в мире, твёрдость резины определяется по глубине проникновения в материал специальной закаленной стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины. Твёрдость резины обозначается в международной практике как H, где H — Hardness (твёрдость, англ.), а 2-й буквой идёт обозначение типа шкалы, напр. HA, HB, HC, HD и т.д., в практике России пишется как «твёрдость по Шору тип А» или «твёрдость по Шору тип D».

Измерение твёрдости по Аскеру (твердомеры и дюрометры)

Это национальный японский метод, сходный с методом измерения твёрдости резины по Шору, но отличающийся от него типом инденторов, пружин и пр. Твёрдость резины обозначается в международной практике как Asker (Аскер, англ.), а далее идёт обозначение типа шкалы, напр. Asker С, Asker D и т.д. В России не применяется.

Измерение твёрдости по Роквеллу (твердомеры)

В этом случае используется стандартный твердомер Роквелла для измерения твёрдости металлов, но вместо индентора-конуса используются инденторы со стальными шариками. Твёрдость резины обозначается HR, где H — Hardness (твёрдость, англ.), R — Rockwell (Роквелл, англ.), а 3-й буквой идёт обозначение типа шкалы, напр. HRP, HRL, HRM или HRE.

Виды металла: классификация и сферы применения

Металлы – обобщенное название химических элементов, объеденных по ряду признаков. В периодической таблице они занимают большую часть, однако до сих пор не существует документа, позволяющего разделить их на классы.

Отличаются металлы в первую очередь своими качественными характеристиками. Какие-то имеют высокую теплопроводимость, другие выдерживают высокие нагрузки на разрыв и растяжение. В зависимости от этих качеств определяется и сфера применения, но металлы в природном виде, даже очищенные, не обладают необходимыми показателями в достаточном виде, поэтому применяется технология сплавов, то есть соединения нескольких элементов в одну молекулярную решетку. Это позволяет существенно улучшить характеристики, и придать сплаву необходимые качества.

Простой пример: возьмем распространенный в промышленности сплав бронзу. Это соединение, где основным элементом выступает медь. В качестве легирующего, то есть улучшающего качество, компонента используется олово. В результате соединения получается новый металл, более твердый и упругий по сравнению с чистой медью, который часто используют для изготовления крепежа.

Основные виды классификации металлов

Существует несколько видов классификации металлов. Начнем с основного типа – деления на две большие группы: черные и цветные. Черные металлы отличает высокая температура плавления, плотность и повышенная твердость. Цветные металлы, в большинстве случаев, плавятся при более низких температурах и обладают повышенной электро и теплопроводимостью.

Такое разделение обусловлено распространением элементов в природе. На добычу черных элементов приходится более 90 процентов от всей массы добываемых металлов, в то время как на цветную группу приходится не более 5-10 процентов. Необходимо отметить, что виды классификации являются условными, и используются в зависимости от назначения конечного продукта, который производят из этих металлов. Так, для изготовления крепежа используется классификация по техническим характеристикам, а для изготовления сложных сплавов химическая и кристаллическая. Рассмотрим эти виды подробнее.

Химическая классификация металлов

Все элементы в периодической таблице делятся на четыре основных группы, маркируемые латинскими буквами:

S. Отмечены розовым цветом.
P. Желтые элементы.
D. Бирюзовый цвет.
F. Зеленые элементы в таблице.

Каждая группа содержит в себе металлы. Элементы из первых двух категорий (S и P) называют простым видом, а элементы из групп D и F переходным. Также каждая группа делится еще на несколько категорий. В группу S входят щелочные и щелочеземеленые металлы, а в группы D и F платиновые, урановые и редкоземельные. При этом в каждой группе существуют исключения, из чего можно сделать вывод, что деление металлов по химическим группам является условностью, и редко применяется в практических сферах. Такое деление интересно только для научных изысканий, и практически не применимо в промышленности и производстве. Например, изготовление крепежа отталкивается от технических аспектов, и лишь в малой степени от химических.

Классификация металлов по кристаллической решетке

Все элементы имеют, так называемую, кристаллическую решетку. Абстрактная структура, определяющая расположение атомов и электронов, а также их привязку к ядру. В аморфных материалах, таких как стекло, атомы расположены хаотично, и не имеют строгой конструкции. В отличие от металлов, которые в твердом виде обладают строго структурированной решеткой, с четким построением молекулярных элементов. Всего разделяют 4 вида кристаллических решеток, которые проще представить в виде таблицы:

Это наиболее распространенные типы кристаллических решеток, часто встречающиеся у металлов. В общей сложности система классификации насчитывает 14 конфигураций, но у металлов они или встречаются крайне редко, или не встречаются вообще. Также следует отметить, что правильное построение решетки возможно только при естественном затвердевании металла, без искусственных ускорений. Если процесс остывания был ускорен, форма решетки изменится. В производстве это называют закаливанием, в результате которого меняется не только молекулярная структура, но и технические свойства.

Также, при нарушении норм производства металлического проката, может наблюдаться замена в кристаллической решетке. Это ведет к полному изменению качеств готового изделия. Чтобы условия производства соблюдались, были разработаны нормы стандартизации, гарантирующие четкое соответствие готового проката техническому описанию его свойств.

Техническая классификация металлов

Наиболее полную систему классификации предложил профессор Гуляев, хотя современные ученые и не согласны с некоторыми ее аспектами, ничего нового пока предложено не было. Итак, черные металлы делят на 5 основных подгрупп:

Железные металлы. Сюда входят марганец, кобальт, никель, и конечно, железо. Наиболее распространенная в природе группа, используемая в сплавах как основной компонент.
Тугоплавкие. Элементы, имеющие высокую температуру расплавления. В качестве эталона принята мера в 1539 градусов по Цельсию.
Редкоземельные. Дорогостоящие в плане добычи и обработки элементы, к которым относят неодим, европий, самарий и другие металлы, используемые в качестве присадок к основному сплаву. Способны даже при небольшом проценте вмешательства существенно повысить или полностью изменить характеристики сплава.
Щелочные. Особая группа, практически не применяемая в чистом виде. Чаще всего используются в атомной энергетике. Сюда относят: литий, барий, радий и другие.
Урановые. Торий, уран, плутоний. Применяются исключительно в атомной энергетике.

Цветные металлы также делят на несколько подгрупп. Их три:

Легкие. Алюминий, магний, бериллий. Обладают низким удельным весом и часто применяются в авиастроении и прочих сферах, где необходим твердый, но в то же время легкий материал.
Легкоплавкие. Металлы с наиболее низкой температурой плавления: цинк, олово, свинец. Используются как в чистом виде, в качестве припоя и соединительного элемента, и как легирующие добавки, повышающие или изменяющие характеристики сплава.
Благородные или драгоценные металлы. Наиболее редкие элементы, к которым относят: золото, серебро, палладий, платину. Обладают максимальной устойчивостью к коррозии и окислению, благодаря чему получают широкое распространение в различных промышленных сферах.

Практически все металлы из двух групп поддаются смешению, то есть производству из них сплавов с необходимыми техническими характеристиками.

Классификатор металлов по ГОСТ

Если рассматривать метлы с точки зрения геологии и распространения в природе, их делят на две большие группы: черные и цветные. Об этом мы уже говорили выше. В химии деление происходит по 4 направлениям, но чтобы привести виды металлов к общему знаменателю, необходимо более точное разделение. Начнем с основного типа классификации: металлы и сплавы. Металлы – это материалы, используемые в чистом, или практически чистом виде. Здесь допускаются примеси, но в незначительной степени, то есть те, которые не способны оказать влияния и изменить технические характеристики. Сплавами называют соединения, с высоким содержанием двух и более элементов.

Для того чтобы сплав получил маркировку, в его составе должно быть не менее 50 процентов основного компонента. То есть, если мы берем бронзу, то понимаем, что в ее составе больше половины занимает медь, а остальное делится между другими металлическими компонентами. Чистые металлы, в свою очередь, делятся на стали и чугуны. Эти металлы имеют в составе углерод. Если его содержание не превышает 2,14 %, его называют сталью. Свыше этого значения уже чугун.

Классификация металлов

Чтобы привести все виды металлов к единому стандарту качества, необходимо разделить их на группы. Таких групп 3:

Стали,
Чугуны,
Сплавы на основе цветных металлов.

Каждая группа имеет деление на подгруппы. У стали это:

углеродистая,
легированная,
специальная.

Углеродистая сталь не имеют легирующих, то есть изменяющих структуру элементов. Допускаются примеси, но в незначительном количестве. Углеродистая сталь в свою очередь делится на инструментальную и конструкционную. Кардинальные различия заключаются в процентах содержания в составе углерода. Конструкционная сталь содержит не более 0,6%, а инструментальная от 0,7 до 1,5%. Далее конструкционная сталь делится на обычное качество и высокое. В обычном качестве допускаются примеси серы и фосфора, но в количестве, не превышающем 0,3 процента. Соответственно высококачественная сталь не предусматривает наличия этих элементов в составе, или их количество должно быть меньше установленной нормы.

Далее легированная сталь, то есть материал, имеющий в составе компонент, влияющий на качественные характеристики сплава. Список легирующих элементов довольно большой, и здесь его приводить не имеет смысла. Содержание легирующего элемента начинается от 2,5%. Такая сталь называется низколегированной. Если в составе от 2,5 до 10 процентов, это уже среднелегированная марка, а при содержании свыше 10 процентов, получается высоколегированная сталь.

Помимо этого легированные стали делятся по назначению. Здесь три группы:

инструментальная,
конструкционная,
специальная

В стандартизации каждый элемент имеет буквенное обозначение, а для причисления легированной стали к тому или иному классу используется отдельный список. Все легированные стали обозначаются сочетанием букв и цифр. Для примера рассмотрим такое соединение: 10Г2СД.

Первая цифра здесь – это количество углерода в сотых долях процента. Далее буква Г, в классификаторе означающая марганец. Следующая за буквой Г цифра 2 говорит нам о том, что марганец в этом составе присутствует в двухпроцентной доле. И последние две буквы – это дополнительные элементы, процентная доля которых менее 1,5%. В данном случае сюда добавлены медь и кремний.

Последний вид стали – специальный. Он делится на несколько групп:

строительная,
подшипниковая,
арматурная,
котельная,
автоматная.

Соответственно для каждой группы имеются свои стандарты.

Далее идут чугуны, делящиеся на три группы:

белый,
отбеленный,
и графитизированный.

У каждой группы также имеется свое разделения, но наибольший интерес представляет графитизированный чугун, который делится на:

серый,
вермикулярный,
ковкий
и высокопрочный.

Отношение к какой-либо группе определяется процентным соотношением углерода к металлу в составе, а также наличию примесей, допустимых стандартами, то есть ГОСТами.

И, наконец, последняя крупная группа – сплавы на основе цветных металлов. Здесь очень много разделений и видов классификации, поэтому остановимся на трех основных категориях, и представим их в виде таблиц:

Алюминиевые сплавы:

Медные сплавы:

Поиск сплава в классификаторе ГОСТ

Государственные стандарты четко определяют не только виды металлов и сплавов, но и качество производства заготовок для дальнейшей обработки и производства металлоизделий. Реестр очень большой, и первый пункт, который нам нужен – металлы и металлические изделия.

Далее переходим в необходимый раздел. Углеродистая и качественная сталь имеет маркировку В2 и В3 соответственно, а цветные металлы и их сплавы находятся в разделе В5. Также имеет смысл поискать в разделе В8, где перечислены стандарты литейных отливок.

Если мы говорим про изготовление крепежа, наибольший интерес представляет раздел В5, а внутри него подраздел В51.

Перед нами открывается список всех ГОСТов, связанных с этими определениями.

Он довольно большой, и не зная конкретного номера найти необходимую статью довольно сложно. Если же номер известен изначально, то на сайте ГосСтандарта есть готовый поиск, куда необходимо внести свой номер, чтобы сразу получить доступ к необходимому элементу.

Сферы применения основных металлов

Рассматривать радиоактивные и редкоземельные металлы не имеет смысла, так как в производстве крепежа они практически не принимают участия, как и в других сферах, не связанных с атомной энергетикой и некоторыми редкими видами промышленности. Нас интересуют основные металлы и сплавы рассмотренные выше.

Сферы их применения очень разнообразны:

строительство,
авиастроение,
машиностроение,
производство инструментов,
металлоконструкции,
станкостроение.

И так далее. Изготовление крепежа можно отнести нескольким категориям, но по сути, это металлоконструкции, называемые в народе Метизы. Для производства метизов используются десятки различных металлов и сплавов, от конструкционной стали и чугуна, до сложных сплавов на основе титана и меди.

Коротко по каждому виду, применяемому для изготовления крепежей

Перед тем как перейти к описанию конкретных видов металлов и сплавов, необходимо определиться, какие основные технические требования предъявляются к продуктам, попадающим под категорию «крепеж». Их несколько:

прочность учитывается прочность на разрыв и излом.
Пружинистость. Возможность металла возвращать изначальную форму после сжатия.
Устойчивость к коррозии и окислению. Актуально для всех видов крепежа.

И многое друге. Теперь поговорим о конкретных металлах и сплавах. Их список выглядит следующим образом:

Алюминий и сплавы на его основе,
Медь,
Латунь,
Бронза,
Инструментальная сталь,
Легированная сталь,
Ковкий чугун,
Сталь нержавеющая.

Начнем по порядку: первый пункт – это алюминий и сплавы на его основе. Он применяется при изготовлении клепок и различных зажимов. Также в клепках может быть использована медь для повышения качества метиза. Помимо этого из меди изготавливают гайки специального назначения. Они используются, в частности, при судостроении, так как медь при контакте с другими металлами не создает искру.

Латунь и бронза отличаются повышенной, по сравнению с медью, прочностью, поэтому из них изготавливают различные шпонки, элементы анкеров, а также болты, шурупы и винты. Еще одна особенность этих сплавов заключается в отсутствии скипания. То есть при электрическом замыкании, сталь сплавляется, а медь остается цельной и не разрушается.

Из легированной и конструкционной стали изготавливаются барашковые гайки, струбцины и прочие удерживающие элементы. Это обусловлено высокой прочностью этих марок. Нержавеющая сталь, в свою очередь применяется там, где необходима максимальная устойчивость к коррозии. Что касается чугуна, то он чаще всего применяется при производстве запорной арматуры, то есть вентилей и запоров.

Твердость, вязкость, усталость и другие свойства сталей

Сталь имеет уникальные механические свойства. В ней сочетаются вязкость с прочностью и гибкостью. Сталь может “уставать” – даже не специалисту известно такое явление, как “усталость металла”. Чтобы установить технические характеристики стали, ее подвергают тестам и испытаниям. Механические свойства стали можно оценить, имея показатели предела прочности, удлинения и предела текучести.

Прочность материала

У стали есть одно важное свойство – прочность. Чтобы установить прочность материала, производятся испытания. Стержень из стали выбранной марки растягивают, а потом проверяют, как изменился образец после прикладываемых усилий. По итогам испытаний составляют график, где указывают приложенное усилие (напряжение) и уровень деформации.

У металла есть такой важный параметр, как предел текучести. Обнаружить предел текучести образца можно в результате тестирования. Если к заготовке были приложены незначительные нагрузки, то ее форма будет восстановлена. Когда напряжение, прикладываемое к заготовке, перейдет за предел текучести, образец получит необратимые изменения.

Цель испытаний – определить максимальное напряжение, которое может выдержать образец. Поэтому тесты продолжаются до тех пор, пока образец не разорвется. При этом испытатели узнают, какова у стали прочность на растяжение.

Твердость изделия

Сталь обладает твердостью, которую измеряют с помощью индентора. Индентор – это материал, который внедряют в сталь до тех пор, пока не останется отпечаток. Разумеется, он должен быть прочнее и тверже стали. Лучший материал для такого инструмента – алмаз. Твердость измеряют по шкале Роквелла, также можно определить твердость заготовки по Бриннелю и Викерсу. Измеряя твердость по Роквеллу, устанавливают глубину следа от индентора на заготовке. Между твердостью и прочностью есть соотношение в закаленных сталях при правильном отпуске.

Пластичность металла

Сталь отличается пластичностью, это свойство нельзя недооценивать. Благодаря пластичности из стали можно создавать любые заготовки и изделия. Не все стали являются пластичными. Если материал не пластичен, то он хрупок, а хрупкие стали уязвимы. Изделия из таких материалов могут разрушиться в результате механических воздействий. Если пластичная сталь при механическом воздействии сгибается, то хрупкая – ломается.

Проверить пластичность (или хрупкость) можно путем уже описанного выше теста на растяжение. Пластичная заготовка после достижения предела текучести начнет хорошо растягиваться. Хрупкий образец просто сломается. Аналогичным образом можно испытать материал на сужение, прикладывая усилие в обратном направлении.

Вязкость стали

Вязкость – еще одно важное свойство стали, которое связано с пластичностью и хрупкостью. Вязкость можно наглядно продемонстрировать на примере ферритных сталей. У этих сталей есть один интересный недостаток: при низких температурах они теряют вязкость и пластичность, а при высоких становятся пластичными и обретают вязкость. В результате при низких температурах ферритные стали разрушаются, как хрупкие.

Усталость металлов

Усталость металлов – свойство, которым описывают разрушение сталей под влиянием циклических нагрузок. Усталостное разрушение происходит следующим образом. Для примера можно взять деталь, которая подвергается растягивающим нагрузкам в одной части и сжимающим – в другой. Происходит циклическое напряжение, однако оно ниже предела текучести. Деталь будет работать долго, пока на ее поверхности не появится точка концентрации напряжений. Это может быть незначительная царапина или задир.

После появления задира напряжение в точке концентрации будет превышать предел текучести. Это приведет к появлению трещин и более серьезных дефектов. В результате деталь разрушится. Аналогичные нагрузки испытывают валы, пружины, колесные оси. Они подвержены циклическим нагрузкам.

Усталость металла свойственна и тем деталям, которые постоянно испытывают вибрирующие нагрузки. Например, это происходит с деталями на крыльях самолетов. Предотвратить разрушение практически невозможно, единственный способ – регулярная проверка и профилактика. Если на детали есть повреждение, то безопаснее ее заменить. Подвергаются усталости стали клапаны в автомобильных двигателях. При малейших повреждениях производится замена комплектующих.

05 декабря 2017

Поделиться с друзьями:

твердость, ударная вязкость и прочность {инфографика} |

Многие из нас, недолго думая, будут взаимозаменяемо использовать слова «сильный», «жесткий» и «твердый». В повседневных разговорах это не имеет большого значения и часто зависит только от семантики. Однако в разговоре о металлическом изделии очень важно, какое слово вы выберете. В области металлографии и анализа металлов твердость, ударная вязкость и прочность – это три различных свойства, которые также имеют некоторое перекрытие.Вместе эти три свойства составляют то, что обычно называют «прочностью» металла. Вот как эти три свойства металла различаются и как они частично совпадают и работают вместе:

Твердость : Способность материала выдерживать трение, в основном сопротивление истиранию, называется твердостью. Алмазы относятся к числу самых твердых веществ, известных человеку, поцарапать алмаз невероятно сложно. Однако, хотя алмаз твердый, он не такой твердый. Если вы приложите молоток к алмазу, он разобьется, что демонстрирует, что не все твердые материалы также являются твердыми.В мире металлических инструментов сверла и шлифовальные диски должны быть чрезвычайно твердыми, чтобы выдерживать высокое трение.

Прочность: Сила, необходимая для деформации материала. Чем выше сила, необходимая для изменения формы материала, тем он прочнее. Сталь, как известно, трудно разобрать, поэтому она обладает высокой прочностью. Глупая замазка, с другой стороны, совсем не прочная, и для ее быстрой деформации во всевозможные формы требуется всего лишь прикосновение ребенка..

Вязкость: Насколько хорошо материал может сопротивляться разрушению при приложении силы. Вязкость требует прочности, а также пластичности, что позволяет материалу деформироваться перед разрушением. Считаете ли вы глупую замазку чем-то тяжелым? В соответствии с этими условиями, хотите верьте, хотите нет, на самом деле он относительно прочный, поскольку может растягиваться и деформироваться, а не ломаться.

Очень часто один материал имеет несколько из этих свойств. Эти три категории частично совпадают.Твердые сверла должны быть прочными и жесткими, чтобы они могли работать по мере необходимости. Наковальни очень жесткие и прочные, они должны выдерживать все злоупотребления, которые они принимают, но они не обязательно жесткие. С другой стороны, пуленепробиваемое стекло твердое и прочное, но не очень прочное.

Есть также способы улучшить эти свойства. Металлы, покрытые керамической отделкой, могут придать твердость металлу, который уже стал прочным и жестким. С другой стороны, углеродистая сталь может сохранять свойства стали в сердечнике, но приобретать некоторые свойства углерода по краям.

Итак, в следующий раз, когда вы услышите, как кто-то описывает материал как «сильный», «твердый» или «жесткий», подумайте, правильные ли это термины. Другими словами, думайте как материаловед.

Твердость металла | Захнер – Инновации и сотрудничество для достижения невероятного

Способы повышения твердости металла

Существует несколько способов упрочнения архитектурного металла на фрезерном стане или в процессе изготовления. Каждый из механизмов упрочнения вносит неоднородности кристаллической решетки в кристаллическую структуру металла, что затрудняет смещение структуры металла.В результате получается более твердая и менее пластичная металлическая поверхность.

Деформационное упрочнение означает деформацию или холодное упрочнение металлической поверхности. По мере того как металл подвергается повторному изгибу или деформации, пластичность металла снижается, он становится деформированным и менее пластичным. Обычно относится к деформационному упрочнению металла, когда он обрабатывается при комнатной температуре. Некоторые металлические сплавы, такие как никель-титан, не подвергаются деформационному упрочнению, но фактически обладают характеристикой снятия деформации, поскольку они возвращаются к исходной форме.

Упрочнение твердым раствором относится к металлу в процессе легирования, в котором легирующая составляющая вводится в твердый материал. Один или несколько элементарных компонентов могут переходить в нагретый, но твердый раствор. Затем металл быстро закаливают, чтобы захватить элемент в твердом растворе.

Старение – это процесс, который происходит быстро в первые несколько дней после литья, а затем намного медленнее в течение следующих нескольких недель. Этот процесс часто называют «естественным старением».Другой искусственный вариант этого процесса может быть использован путем кратковременного нагревания металла при высокой температуре. В результате он стабилизирует свойства, еще больше упрочняя сплав. Этот процесс известен как «искусственное старение» или дисперсионное твердение.

Анодирование , процесс, характерный для алюминия, имеет эффект упрочнения. Последний шаг в создании анодированного алюминия – это упрочнение и герметизация поверхности с помощью деионизированной кипящей воды или герметиков из металлических солей.Герметизация требуется для закрытия пор оксидной пленки и обеспечения однородности за исключением легирующих компонентов.

Цементная закалка – это процесс термической обработки поверхности, используемый для получения твердой, износостойкой поверхности металла. Методы цементации включают науглероживание, цианирование, азотирование, закалку пламенем и электроиндукционную закалку.

Закалка – это процесс термообработки холоднокатаных и холоднодеформированных металлов. По мере того как зернистая структура металла подвергается холодной деформации, зерна растягиваются и изменяются.Поверхность становится тверже, сопротивляясь деформации от контакта. При отпуске холодно обработанный металл нагревается до температур, при которых зерна начинают растворяться друг в друге. Доступны серии стандартных темпераментов. Эти характеристики и их доступность в конкретном сплаве различаются в зависимости от природы зерен по мере их рекристаллизации. Обозначение отпуска фактически определяется размером зерна, а не пределом текучести металла.

Обратная струйная очистка металлической поверхности – это способ выравнивания металла, который также имеет тенденцию к значительному увеличению твердости поверхности.Рекомендуется произвести обратную струйную очистку материала после операций формования, потому что после струйной обработки поверхности материал станет труднее обрабатывать и формировать.

Какой металл самый твердый?

Твердость – это относительный термин, относящийся к материалам, как металлическим, так и неметаллическим. Как правило, твердость включает в себя высокую температуру плавления, устойчивость к царапинам и высокую устойчивость к деформации под давлением. Хром является одним из самых твердых металлических элементов по сравнению с переходными металлами, такими как медь и железо, щелочными металлами, включая натрий, и постпереходными металлами, такими как свинец.Однако соединения и сплавы металлов и других элементов могут быть тверже, чем в чистом виде.

Шкала твердости

Твердость – это свойство, которое сначала кажется простым, но имеет сложные аспекты, требующие тщательного изучения. Чтобы оценить и сравнить твердость материалов, ученые разработали ряд тестов и измерительных шкал. Например, шкала Мооса – это относительная система оценки, которая сравнивает устойчивость материалов к царапинам. Таким образом, если материал A может поцарапать вещество B, то A должен быть тверже, чем B, и A имеет более высокое число Мооса.Самым твердым веществом по шкале Мооса является алмаз с оценкой 10, а самым мягким – тальк с рейтингом 1. По шкале Виккерса используется алмазный индентор в форме правой пирамиды, который затем вдавливается в исследуемый материал на 10 баллов. до 15 секунд и сообщается как число твердости по VHN или по Виккерсу.

Стальные сплавы

Сталь – это сплав железа, углерода и других материалов; ряд сталей обладает множеством различных свойств, включая твердость. Хром добавлен для повышения коррозионной и химической стойкости, а также для повышения прочности и прочности при высоких температурах.Бор, никель, молибден, ниобий и титан – все они могут повысить упрочняющие и упрочняющие свойства. Комбинация этих различных веществ может дать одни из самых твердых известных металлов.

Карбид вольфрама

Карбид вольфрама 857 состоит из 85,7% карбида вольфрама, 9,5% никеля, 1,8% тантала, 1,5% титана, 1% ниобия и 0,3% хрома. Эта форма карбида вольфрама имеет размер от 8 до 9 по шкале Мооса. Он в четыре раза тверже титана.

Хром

С рейтингом Мооса 8,5 хром является самым твердым чистым элементарным металлом; однако стали, в которых используется хром, тверже, чем сам элемент. Только следовые количества хрома необходимы для придания стали значительной твердости. Помимо использования в сплавах, хромирование добавляет тонкий слой металла к другим материалам, обеспечивая блестящую твердую внешнюю «оболочку», которая также противостоит коррозии.

Соединения металлов

При химическом соединении с другими элементами некоторые металлы могут образовывать чрезвычайно твердые вещества.Например, редкие металлы рений и осмий соединяются с бором, образуя соединения, которые намного тверже стали; на самом деле, диборид осмия, как известно, царапает алмаз, самое твердое вещество, которое встречается в природе.

Понимание твердости металлов

При проектировании металлических деталей важно указывать их твердость. Однако многие инженеры плохо понимают, что такое твердость на самом деле и как ее измерять.Для этого есть веские причины. Как мы увидим, твердость – это несколько шаткое понятие, и существует так много различных широко используемых методов измерения твердости, что легко запутаться. Цель этой статьи – помочь прояснить эту путаницу.

Во-первых, давайте поговорим о том, что твердостью не является. Жесткость не имеет ничего общего с жесткостью. Стальная деталь может иметь высокую или низкую твердость, но всегда будет иметь одинаковую жесткость. Титановая деталь может иметь ту же твердость, что и стальная деталь, но она всегда будет иметь примерно половину жесткости стали.Сама по себе твердость также не имеет никакого отношения к тому, является ли материал хрупким или пластичным. Из двух материалов с одинаковой твердостью один может быть хрупким, а другой – пластичным.

Что же такое твердость? Чтобы дать несколько круглое и не очень полезное определение, это мера того, как материал работает при испытании на твердость. Это подводит нас к вопросу испытаний на твердость.

Один из наиболее часто используемых в США тестов на твердость был разработан Хью Роквеллом и Стэнли Роквеллом в 1914 году.Хотя они не были братьями или даже родственниками, одна и та же фамилия значительно упростила задачу придумать имя для теста. В тесте Роквелла индентор вдавливается в металлическую поверхность с заданной силой. Твердость обратно пропорциональна глубине проникновения.

Существует множество шкал твердости по Роквеллу в зависимости от типа индентора и используемой нагрузки. Например, шкала Rockwell C использует конусообразный индентор с алмазным наконечником с нагрузкой 150 кг. В шкале Rockwell B используется шариковый индентор диаметром 1/16 дюйма с нагрузкой 100 кг.Шкала Роквелла C обычно обозначается аббревиатурой HRC (твердость по Роквеллу C), а шкала Роквелла B обозначается сокращенно HRB (твердость по Роквеллу B). Чем выше число, тем тверже материал, но только относительно других чисел в пределах данной шкалы. Например, чрезвычайно твердая сталь может иметь твердость 64 HRC, тогда как довольно мягкая сталь может иметь твердость 70 HRB.

Какую шкалу лучше использовать? Это зависит от того, что вы измеряете. Шкала Роквелла С хороша для измерения закаленной стали.Rockwell B лучше подходит для более мягкой стали или относительно твердого алюминия. Для более мягкого алюминия вам может потребоваться шкала Rockwell E (шар диаметром 1/8 дюйма с нагрузкой 100 кг) или шкала Rockwell F (шар диаметром 1/16 дюйма с нагрузкой 60 кг). Как правило, чем больше индентор или чем меньше нагрузка, тем лучше масштаб для мягких материалов.

Толщина материала тоже имеет значение. Если вы пытаетесь измерить твердость тонкой полоски материала, вам не нужно использовать нагрузку, которая будет проталкивать индентор насквозь через материал и вывести его с другой стороны.По этой причине существует серия поверхностных весов Роквелла, которые используют гораздо более низкие нагрузки. Например, весы Rockwell 15N используют 15-килограммовую нагрузку с коническим индентором с алмазным наконечником.

Твердость по сравнению с. Стойкость против. Strength

Мы все используем синонимы в повседневной жизни, обычно не задумываясь. «Маленький» и «крошечный» означают очень похожие вещи, если не одно и то же, и мы часто используем множество таких терминов как синонимы.Однако в мире металла и стали это может быть опасной практикой.

Компания Wasatch Steel предлагает широкий выбор стальных труб, пластин, стержней и других опций, из которых вы можете выбрать. Когда вы делаете свой выбор, важно понимать, что терминология в мире стали точна и конкретна – термины почти никогда не используются взаимозаменяемо, и вы должны быть точными. Одна из областей, где здесь часто допускаются ошибки? Когда речь идет о твердости, прочности и прочности данного металла, все они означают разные вещи.Давайте рассмотрим основы каждого из них.

Твердость

Твердость – это термин, который конкретно указывает на способность металла противостоять истиранию или, проще говоря, трению. При трении или контакте с другими материалами, насколько хорошо материал выдерживает? В металлообработке существует множество процессов, требующих высокого сопротивления трению и, следовательно, высоких значений твердости; подумайте о сверлах, шлифовальных кругах и многих других металлических инструментах, таких как отвертки или молотки, которые постоянно создают трение и должны выдерживать его.

Хорошим примером твердости является алмаз, который является одним из самых твердых веществ на планете. Из-за такой твердости поцарапать алмаз практически невозможно. Но если разбить тот же алмаз кувалдой, он разобьется – это потому, что он не прочный. Давайте теперь посмотрим на стойкость.

Прочность

Вязкость, с другой стороны, говорит о том, насколько хорошо материал справляется с сопротивлением разрушению при приложении к нему силы. Прочность, о которой мы поговорим чуть позже, играет роль в вязкости, как и пластичность – чем больше металл может деформироваться до разрушения, тем он прочнее.Глупая замазка – отличный пример того, как некоторые люди неправильно думают об этих терминах: вы бы не думали об этом как о «твердом» веществе, но если бы это был металл, он был бы очень жестким, потому что он может растягиваться до огромных размеров. градус до разрыва.

Прочность

Наконец, есть сила, которая относится к силе, необходимой для деформации материала. Чем больше силы нужно, тем выше сила. Например, известно, что сталь обладает очень высокой прочностью из-за того, как трудно ее разрывать.

Перекрытие

Важно отметить, что многие металлы обладают перекрывающимися характеристиками твердости, ударной вязкости и прочности. Металл может быть как твердым, так и прочным, например сверло. Он также может быть жестким и прочным, например наковальней. Или, в других случаях, материалы могут быть твердыми и прочными, но не стоит слишком беспокоиться о прочности – подумайте, например, о пуленепробиваемом стекле.

Кроме того, в данном металле можно улучшить эти качества. Распространенным форматом здесь являются керамические покрытия, которые повышают твердость металлов, в которых она отсутствует, но которые уже являются прочными и жесткими.

Чтобы узнать больше о твердости, прочности и прочности металлов, узнать о наших услугах по обработке стали или купить сталь в Интернете, поговорите с сотрудниками Wasatch Steel сегодня.

Измерение прочности металла (Часть 2) – Как измерить пластичность и твердость

В предыдущей статье о прочности металла мы рассмотрели измерение прочности на растяжение и ударную вязкость. Но есть два других очень важных механических свойства, которые необходимо учитывать при выборе металла для вашего следующего проекта.Эти свойства – пластичность и твердость.

Что такое пластичность?

Пластичность – это способность металла деформироваться без разрушения. Металлы, которые можно формовать или придавать другой форме без разрушения, считаются пластичными. Металлы, которые разрушаются, классифицируются как хрупкие (по сути, противоположные пластичным).

Пластичность играет важную роль в пластичности. Слишком хрупкие металлы не всегда удастся успешно сформировать. Например, если кусок металла растянут в тонкую проволоку, обязательно, чтобы он обладал некоторой пластичностью.Если металл слишком хрупкий, он сломается, как только металл начнет растягиваться. Пластичность также является важным фактором безопасности для строительных проектов. Пластичность позволяет конструкциям изгибаться и до некоторой степени деформироваться без разрушения при воздействии больших нагрузок.

Как измерить пластичность

Процентное удлинение и процентное уменьшение – два способа измерения пластичности:

Удлинение в процентах измеряет длину деформации металла в процентах от его первоначальной длины после того, как он был растянут до разрушения во время испытания на растяжение.
Процент обжатия измеряет самую узкую часть поперечного сечения металлического образца после разрыва, вызванного испытанием на растяжение.

Пластичность может зависеть от температуры, поэтому следует учитывать температуры, которым металл будет подвергаться при применении. Для большинства металлов есть диаграмма температур перехода из пластичного в хрупкое состояние, которая может помочь.

Какие металлы пластичны?

Есть много пластичных металлов, в том числе:

К хрупким металлам относятся чугун, хром и вольфрам.Примеры приложений, требующих высокой пластичности, включают металлические кабели, штамповки и несущие балки.

Что такое твердость?

Твердость – это мера способности металла сопротивляться вдавливанию. Когда металл должен выдерживать нагрузки без вдавливания или вмятин, следует искать металл с высокой твердостью.

Твердость

также может дать конечному пользователю представление об устойчивости металла к истиранию. Чем выше твердость металла, тем лучше он сопротивляется истиранию.Это очень важно для применений, где используемый металл подвергается воздействию сил и предметов, которые могут вызвать износ.

Как измерить твердость

Существует несколько запатентованных методов тестирования вдавливаний для измерения твердости. Самые популярные методы:

В каждом испытании на твердость очень твердый объект, например, промышленный алмаз, вдавливается в материал с использованием известной силы. Затем измеряется размер углубления, сделанного в исследуемом материале.Затем это измерение можно преобразовать в такое значение, как HRB (по Роквеллу) или HV (по Виккерсу).

Тест на твердость по Моосу используется для измерения устойчивости материалов к царапинам. В этом испытании используются различные материалы, которым присвоены номера твердости, чтобы попытаться поцарапать металлический образец для испытаний. Этому образцу присваивается материал с наименьшим номером, по которому создается царапина на образце, что придает ему относительную твердость.

Какие металлы самые твердые?

К металлам с относительно высокой твердостью относятся:

вольфрам
Высокоуглеродистая сталь
Чугун

Специальная обработка, такая как термообработка или наклеп, также может использоваться для дальнейшего повышения твердости данного металла.Твердость часто обратно пропорциональна пластичности, поэтому пластичные металлы, упомянутые выше, обычно имеют относительно низкую твердость. Области применения, требующие высокой твердости, включают валы, пальцы и шестерни.

Металлические Супермаркеты

Metal Supermarkets – крупнейший в мире поставщик мелкосерийного металла с более чем 100 магазинами в США, Канаде и Великобритании. Мы эксперты по металлу и обеспечиваем качественное обслуживание клиентов и продукцию с 1985 года.

В Metal Supermarkets мы поставляем широкий ассортимент металлов для различных областей применения. В нашем ассортименте: низкоуглеродистая сталь, нержавеющая сталь, алюминий, инструментальная сталь, легированная сталь, латунь, бронза и медь.

У нас в наличии широкий ассортимент форм, включая стержни, трубы, листы, пластины и многое другое. И мы можем разрезать металл в точном соответствии с вашими требованиями.

Посетите одно из наших 100+ офисов по всей Северной Америке сегодня.

Использование испытания на твердость по Роквеллу для металлических изделий

Размещено Роном Дельфини, , 28 ноября 2017 г., 14:44

Твердость металла указывает на его устойчивость к постоянным изменениям формы при приложении сжимающей силы.Естественно, это важная характеристика, и измерение твердости позволяет производителю выбрать подходящий материал для применения.

Существуют различные методы (например, по Роквеллу, Бринеллю и Виккерсу) для измерения твердости металла. Из них самым простым и наиболее экономичным является испытание на твердость по Роквеллу, которое включает приложение определенной нагрузки к материалу с помощью индентора и измерение глубины проникновения индентора.

Почему производители проводят испытания на твердость?

Производители используют испытания на твердость металла для определения прочности, эластичности и пластичности материала.

Эти факторы указывают на его устойчивость или подверженность механическому износу для различных применений.

Металлы часто должны выдерживать давление или экстремальные температуры во время использования, и испытание на твердость – идеальный способ определить, может ли компонент работать.

По этой причине определение твердости часто имеет решающее значение при контроле качества. Знание твердости материала также может помочь решить, требуются ли дополнительные меры по упрочнению, такие как термообработка.

Являясь наиболее экономичным методом, испытание на твердость по Роквеллу широко используется для измерения твердости на вдавливание.

Как это работает

В испытании на твердость по Роквеллу в качестве индентора используется алмаз конической формы или твердый стальной шарик. Первоначально к испытуемому металлу прилагается небольшая нагрузка. Эта сила позволяет индентору проникать в поверхность материала, тем самым устраняя любые ошибки, вызванные шероховатостью поверхности.

Затем на заданный период прикладывается дополнительная большая сила, а затем снижается до состояния малой нагрузки.Измеряется разница в положении индентора до и после приложения основной нагрузки. Это необратимая деформация, вызванная большой нагрузкой.

Шкала твердости по Роквеллу, которая сочетает в себе несколько испытательных нагрузок и типы индентора, позволяет пользователю судить о твердости материала по показаниям остаточной деформации.

Сценарии использования

Производители также могут использовать испытания на твердость для исключения вторичных процессов.

Один из примеров связан с клиентом ESI, у которого возникла проблема с металлической штампованной частью.Учитывая используемую мягкую сталь, деталь необходимо было подвергнуть термообработке и покрытию. Однако покрытие материала привело к запутыванию деталей во время упаковки и транспортировки.

Компания ESI применила метод Роквелла для определения новой нержавеющей стали соответствующей твердости, при которой можно было бы полностью исключить процесс отпуска и нанесения покрытия.

Эта замена позволила клиенту устранить проблемы, связанные с доставкой, и одновременно позволила сократить и оптимизировать производственный процесс.

ESI предоставляет таблицу преобразования для всех, кто использует методы Роквелла, Бринелля или Виккерса для оценки твердости материала. Эта таблица может сэкономить время инженера и помочь оценить такие качества материала, как твердость и приблизительную прочность на разрыв тестируемого материала.

Получите бесплатную копию таблицы преобразования твердости, нажав здесь или на ссылку ниже.

> ”/>

Теги: таблица преобразования твердости, измерения твердости, производители, испытание на твердость по Роквеллу