Твердость металлов
Твердость металлов это особенность металла сопротивляться пластическому деформированию при воздействии на его поверхностный слой.
Определение твердости по причине быстроты и легкости измерения, а также возможности определить не разрушающим методом контроля один из основных параметров качества литых заготовок и готовых деталей.
Твердость металлов, проверка методом Бринелля
Метод основан на вдавливании в поверхность испытуемой отливки или детали стального шарика (рис 1а), под постоянной нагрузкой, после чего на испытуемой поверхности образуется вмятина от шарика.
При выражении отпечатка шарика выражается через диаметр шарика D и b- отпечаток шарика в мм, можно высчитать твердость по формуле НВ =2Р/D(В-√D2-d2).
При проверке чугуна и стали используют D = 10 мм и Р = 30 000Н (Р=300D2),
при замерах меди и ее сплавов D = 10 мм и Р = 10 000 Н (Р = 100D2),
а при проверке малотвердых металлов (алюминий, баббиты и т.д.) D = 10 мм и Р = 2500 Н (Р = 25 D2).
При замере твердости по методу Бринелля выполняют замер диаметра отпечатка d и исходя от величины диаметра при помощи переводной таблицы выполняют перевод замеренного диаметра в твердость. При проверке металлов с твердостью выше 450 по НВ шарик может помяться, т.е. принять неправильную форму – получить деформацию. И при измерениях будут отклонения, поэтому при указанной выше твердости метод замера твердости шариком не рекомендуется.
Проверка твердости металла методом Роквелла
В этом способе твердость определяется по глубине следа от алмазного конуса или шарика. Алмазный конус с углом вершины 120ᴼ либо стальной закаленный шарик (D = 1.588 мм).
Алмазный конус используют при испытании твердых металлов, а стальной шарик применяют
для проверки более малотвердых металлов.
Алмазный конус и стальной шарик надавливаются двумя, следующими друг за другом нагрузками (рис 1 б): начальной Ро = 100 Н и общей Р=Ро + Р1 (где Р1 – основная нагрузка). Основная нагрузка при использовании стального шарика (шкала В) 900Н; алмазного конуса 1400 Н (шкала С) и 500 Н при исследовании более твердых и наиболее
тонких металлов (шкала А).
Твердость по методу Роквелла замеряют в условных единицах. За единицу твердости принимается величина
осевого перемещения наконечника на 0, 002 мм.
Твердость методом Роквелла HR считают по формулам:
HR = 100-e (при измерении по шкалам А и С);
HR = 130 –e ( при измерении по шкале В).
Величину e рассчитывают по формуле (см. рис 30 б) e =(h – h0)/0.002. где h – величина внедрения наконечника в проеряемую поверхность под воздействием общей нагрузки Р, измеренная после снятия основной нагрузки Р с оставлением предварительной
нагрузки Ро; hо – величина внедрения наконечника в испытуемую поверхность под действием нагрузки Ро.
Твердость по Роквеллу обозначается HRA (проверка алмазным конусом) при нагрузке 600 Н,
HRC при нагрузке 1500 Н и HRB (измерение стальным шариком) при нагрузке 1000Н; величина
твердости сразу считываются на шкале прибора.
Метод Роквелла широко используется в промышленности.
Определение твердости металла методом Виккерса
Определение величины твердости методом Виккерса проверяется путем вдавливания алмазной пирамиды. Метод применяется при определени величины твердости деталей небольшой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих большую твердость.
Твердость металла проверяют вдавливанием в испытуемую поверхность (шлифованную или полированную) четырех гранной алмазной пирамиды (рис 1 е).
Твердость по Виккерсу HV считают по формуле
HV = 1.8544 p/d2 ·10-6.
Где Р – нагрузка на пирамиду 50, 100, 200, 300, 500, 1000 и 1200 Н (обозначения твердости HV 5, HV 10, HV 20 и т.д.); 136̊ — угол между противоположными гранями пирамиды; d – среднее арифметическое двух диагоналей отпечатка, измеряемых после снятия нагрузки, м.
Чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка. Твердость по Виккерсу определяют при помощи специальных таблиц по измеренным значениям d в миллиметрах.
Микротвердость
Замер микротвердости также требуется для деталей мелких размеров и отдельных структурных составляющих
сплавов. Прибор для определения микротвердости состоит из механизма для вдавливания
алмазной пирамиды под небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа.
В измеряемую поверхность вдавливают алмазную пирамиду под нагрузкой 0,05 – 5 Н. Твердость Н считают по той же формуле, что и твердость по Виккерсу.
Образцы для определения твердости должны быть подготовлены так же, как микрошлифы.
Для чего измеряется твердость металлов
Параметр твердость напрямую влияет на основные свойства материалов, условия их
применения и т.д..
Это износостойкость. Она определяет длительность времени, в течение которого металл
может работать без износа, без изменения первичных характеристик. Например, чем выше твердость материала детали, тем более длительное время она служит и бесперебойно работает
в механизме.
Возможность различных методов обработки металлов, к примеру, штамповки, шлифовки,
резки, фрезеровки. Некоторые способы обработки применимы только к мягким металлам и
их сплавам.
Сопротивление локальным, направленным высоким нагрузкам. Особенно это требуется
для подшипников, валов, подвергающихся продолжительному воздействию трения, центробежной силы.
Возможность использования металла для разрезания или деформации других материалов.
Так, инструментальная крепкая сталь подходит для производства режущих элементов типа
ножей, фрез, свёрл.
Для определения долговечности, прочности, износостойкости и надёжности детали или
многокомпонентной конструкции, выполненной из проверяемого металла.
Измерения делают для входного контроля качества сырья, для проверки готовой продукции. Твердомеры
используют в разных сферах производства: энергетике, машино-, станко-, судо- и автомобилестроении, в металлургии, строительстве.
Какие существуют способы проверки твердости металлов
Условно все методы проверки твердости делятся на 3 группы:
1. Методы вдавливания (внедрения)
2. Методы царапания
3. Методы упругого отскока
Способы вдавливания (внедрения). Смысл способов заключается во вдавливании в исследуемую поверхность так называемого индентора – твердого элемента установленной формы (обычно стального шарика или алмазной пирамиды) с определенным
усилием. После вдавливания измеряется диаметр (для шарика) или глубина (для пирамиды)
полученного отпечатка.
В этом случае твердость считается как отношение уровня нагрузки к площади отпечатка после
вдавливания.
Широко используемыми считаются методы Бринеля (HB) и Роквелла (HRA, HRB, HRC).
Методы измерения вдавливанием:
1. Прибор Бринелль
2. Прибор Роквелл
3. Прибор Виккерс
4. МетодЛудвика
5. Метод Герца
6. Метод Дрозда
7. Монотрон Шора
8. Метод Берковича
9. Метод Егорова
10. Метод Хрущова
11. Метод Лидса
12. Микротвердомер Цейсса-Ганеманна
13. ПМТ-2, ПМТ3 (Хрущов, Беркович)
14. Метод Эмерсона, Кнупа, Петерса
Способ царапания
Наконечник, которым выполняется царапина, прочерчивает полосу на исследуемом металле,
то твердость металла ниже твердости наконечника. При этом твердость наконечника в начале известны (применяются корундовые, алмазные, гипсовые и др. наконечники).
Методы царапания:
1. Испытание по Моосу
2. Прибор Мартенса
3. Микрохарактеризатор Бирбаума
4. Испытание напильником, Барба
5. Прибор Хенкинса
6. ПМТ-3 (Беркович)
7. ПМТ-3 (Григорович)
8. Склерометр О’Нейля
Методы упругого отскока.
Применяется редко. На проверяемую поверхность с фиксированной высоты свободно падает боек. Под
воздействием упругой отдачи поверхности металла боек отпрыгивает на определенную высоту. Твердость материала прямо пропорциональна высоте отскока бойка. Наиболее известен способ Шора.
Методы упругого отскока:
1. Склероскоп Шора
2. Метод Мартеля
3. Вертикальный копер Николаева
4. Пружинный прибор Шоппера
5. Пружинный прибор Баумана
6. Прибор Польди
7. Маятниковый копер Вальцеля
8. Маятник Герберта
Маятниковый склерометр Кузнецова
Твердость металлов гальванических покрытий
В случае с гальваническими покрытиями нужно учитывать, что из-за их небольшой толщины большинство методов (особенно методы вдавливания) могут не подойти. Наиболее распространены методы
Мооса и Викерса.
Для определения твердости нужно нанести покрытие с минимальной толщиной в 2мкм. Если
нужна меньшая толщина – используйте ГОСТ 9013-59, ГОСТ 9012-59, ГОСТ 22761-77
Способ измерения такой же. После нанесения покрытия и его сушки в отделе контроля качества
производится замер и принимается решение – отгружать изделие или отправлять его на перепокрытие.
Особую роль здесь играет как электролит, в котором наносится покрытие, так и режим нанесения
покрытия (температура, плотность тока).
К примеру, в одном электролите хромирования можно получить хромовое покрытие с твердостью от 500 до
1100 кгс/мм2.
Если говорить про электролит – важнейшую роль играет количество и качество блескообразователей в нем. Матовое цинковое
покрытие будет значительно мягче, чем блестящее. Поэтому если Вы хотите суперблестящее
покрытие – имейте в виду, оно будет твердое, возникнет вероятность его растрескивания или отслоения при малейшем изгибе изделия.
Требования к образцу
Для измерения твердости металлов требуется иметь ровную поверхность с нужной шероховатостью, свободную от различных дефектов: микротрещин, пор, наклепов и других повреждений. Для этого необходимо предварительно обработать верхний слой с помощью фрезерного станка или шлифовальной обработки. Также необходимо избежать наклепа, который является утолщением и упрочнением, возникающим при определенной температуре и пластических деформациях. Все параметры должны соответствовать нормам и ГОСТам.
Все указанные требования обязательны при проведении исследования твердости.
Вывод
В статье представлен способ обозначения твердости металла и описывается объяснение термина,
а также перечисляются основные технологии, используемые в этом процессе. При отборе метода обработки металла необходимо заблаговременно учитывать все его химические и механические характеристики.
Имеются две главные категории способов измерить твёрдость металлов: динамические и статические. Для определения твёрдости с помощью специальных устройств, называемых твёрдомерами, применяются инструментальные способы. В соответствии от действия
на металл, методы определения твёрдости могут быть разрушающими или неразрушающими.
Существующие способы определения твёрдости не полностью показывают какое-либо одно основное свойство металла, поэтому нет прямой зависимости между разными шкалами и способами. Однако имеются приближенные таблицы, которые связывают шкалы различных методов для определенных групп и категорий металлов. Эти таблицы основаны только на результатах опытных исследований, и нет теорий, разрешающих переключиться от одного способа измерения твёрдости
к другому с помощью расчетов.
Для измерения твёрдости необходимо выбрать определённый метод, учитывая свойства металла, цели измерения, условия проведения и наличие требуемого оборудования.
