Твердость сплавов металлов таблица

Выбирая инструмент для работы, мы сталкиваемся с такой его характеристикой как твердость, которая характеризует его качество.

Чем выше этот показатель, тем выше его способность сопротивляться пластической деформации и износу при воздействии на обрабатываемый материал.

Именно этот показатель определяет, согнется ли зуб пилы при распиловке заготовок, или какую проволоку смогут перекусить кусачки.

Метод Роквелла

Среди всех существующих методов определения твердости сталей и цветных металлов самым распространенным и наиболее точным является метод Роквелла.

Метод Роквелла — определение твердости металла

Проведение измерений и определение числа твердости по Роквеллу регламентируется соответствующими документами ГОСТа 9013-59.

Этот метод реализуется путем вдавливания в тестируемый материал инденторов – алмазного конуса или твердосплавного шарика.

Алмазные инденторы используются для тестирования закаленных сталей и твердых сплавов, а твердосплавные шарики – для менее твердых и относительно мягких металлов.  Измерения проводят на механических или электронных твердомерах.

Методом Роквелла предусматривается возможность применения целого ряда шкал твердости A, B, C, D, E, F, G, H (всего – 54), каждая из которых обеспечивает наибольшую точность только в своем, относительно узком диапазоне измерений.

Для измерения высоких значений твердости алмазным конусом чаще всего используются шкалы «А», «С». По ним тестируют образцы из закаленных инструментальных сталей и других твердых стальных сплавов. А сравнительно более мягкие материалы, такие как алюминий, медь, латунь, отожженные стали испытываются шариковыми инденторами по шкале «В».

Пример обозначения твердости по Роквеллу: 58 HRC или 42 HRB.

Впереди стоящие цифры обозначают число или условную единицу измерения. Две буквы после них – символ твердости по Роквеллу, третья буква – шкала, по которой проводились испытания.

(!) Два одинаковых значения от разных шкал – это не одно и то же, например, 58 HRC ≠ 58 HRA. Сопоставлять числовые значения по Роквеллу можно только в том случае, если они относятся к одной шкале.

Диапазоны шкал Роквелла по ГОСТ 8.064-94:

A	70-93 HR
B	25-100 HR
C	20-67 HR

Слесарный инструмент

Инструменты для ручной обработки металлов (рубка, резка, опиливание, клеймение, пробивка, разметка) изготавливают из углеродистых и легированных инструментальных сталей. Их рабочие части подвергают закаливанию до определенной твердости, которая должна находиться в пределах:

Ножовочные полотна, напильники	58 – 64 HRC
Зубила, крейцмессели, бородки, кернеры, чертилки	54 – 60 HRC
Молотки (боек, носок)	50 – 57 HRC

Монтажный инструмент

Сюда относятся различные гаечные ключи, отвертки, шарнирно-губцевый инструмент. Норму твердости для их рабочих частей устанавливают действующие стандарты. Это очень важный показатель, от которого зависит, насколько инструмент износостоек и способен сопротивляться смятию. Достаточные значения для некоторых инструментов приведены ниже:

Гаечные ключи с размером зева до 36 мм	45,5 – 51,5 HRC
Гаечные ключи с размером зева от 36 мм	40,5 – 46,5 HRC
Отвертки крестовые, шлицевые	47 – 52 HRC
Плоскогубцы, пассатижи, утконосы	44 – 50 HRC
Кусачки, бокорезы, ножницы по металлу	56 – 61 HRC

Металлорежущий инструмент

В эту категорию входит расходная оснастка для обработки металла резанием, используемая на станках или с ручными инструментами. Для ее изготовления используются быстрорежущие стали или твердые сплавы, которые сохраняют твердость в холодном и перегретом состоянии.

Метчики, плашки	61 – 64 HRC
Зенкеры, зенковки, цековки	61 – 65 HRC
Сверла по металлу	63 – 69 HRC
Сверла с покрытием нитрид-титана	до 80 HRC
Фрезы из HSS	62 – 66 HRC

Примечание: Некоторые производители фрез указывают в маркировке твердость не самой фрезы, а материала, который она может обрабатывать.

Крепежные изделия

Существует взаимосвязь между классом прочности крепежа и его твердостью. Для высокопрочных болтов, винтов, гаек эта взаимосвязь отражена в таблице:

Болты и винты	Гайки	Шайбы
Классы прочности	8.8	10.9	12.9	8	10	12	Ст.	Зак.ст.
d16 мм	d16 мм
Твердость по Роквеллу, HRC	min	23	23	32	39	11	19	26	29.2	20.3	28.5
max	34	34	39	44	30	36	36	36	23.1	40.8

Если для болтов и гаек главной механической характеристикой является класс прочности, то для таких крепежных изделий как стопорные гайки, шайбы, установочные винты, твердость не менее важна. 

Стандартами установлены следующие минимальные / максимальные значения по Роквеллу:

Стопорные кольца до Ø 38 мм	47 – 52 HRC
Стопорные кольца Ø 38 -200 мм	44 – 49 HRC
Стопорные кольца от Ø 200 мм	41 – 46 HRC
Стопорные зубчатые шайбы	43.5 – 47.5 HRB
Шайбы пружинные стальные (гровер)	41.5 – 51 HRC
Шайбы пружинные бронзовые (гровер)	90 HRB
Установочные винты класса прочности 14Н и 22Н	75 – 105 HRB
Установочные винты класса прочности 33Н и 45Н	33 – 53 HRC

Относительное измерение твердости при помощи напильников

Стоимость стационарных и портативных твердомеров довольно высока, поэтому их приобретение оправдано только необходимостью частой эксплуатации. Многие мастеровые по мере надобности практикуют измерять твердость металлов и сплавов относительно, при помощи подручных средств.

Измерение твердости при помощи напильников

Опиливание образца напильником – один из самых доступных, однако далеко не самый объективный способ проверки твердости стальных деталей, инструмента, оснастки.

Напильник должен иметь не затупленную двойную насечку средней величины №3 или №4.

Сопротивление опиливанию и сопровождающий его скрежет позволяет даже при небольшом навыке отличить незакаленную сталь от умеренно (40 HRC) или твердо закаленной (55 HRC).

Для тестирования с большей точностью существуют наборы тарированных напильников, именуемые также царапающий твердомер. Они применяются для испытания зубьев пил, фрез, шестерен. Каждый такой напильник является носителем определенного значения по шкале Роквелла.

Твердость измеряется коротким царапанием металлической поверхности поочередно напильниками из набора. Затем выбираются два близко стоящие – более твердый, который оставил царапину и менее твердый, который не смог поцарапать поверхность.

Твердость тестируемого металла будет находиться между значениями твердости этих двух напильников.

Переводная таблица твердости

Для сопоставления чисел твердости Роквелла, Бринелля, Виккерса, а также для перевода показателей одного метода в другой существует справочная таблица:

Виккерс, HV	Бринелль, HB	Роквелл, HRB
100	100	52.4
105	105	57.5
110	110	60.9
115	115	64.1
120	120	67.0
125	125	69.8
130	130	72.4
135	135	74.7
140	140	76.6
145	145	78.3
150	150	79.9
155	155	81.4
160	160	82.8
165	165	84.2
170	170	85.6
175	175	87.0
180	180	88.3
185	185	89.5
190	190	90.6
195	195	91.7
200	200	92.8
205	205	93.8
210	210	94.8
215	215	95.7
220	220	96.6
225	225	97.5
230	230	98.4
235	235	99.2
240	240	100

Виккерс, HV	Бринелль, HB	Роквелл, HRC
245	245	21.2
250	250	22.1
255	255	23.0
260	260	23.9
265	265	24.8
270	270	25.6
275	275	26.4
280	280	27.2
285	285	28.0
290	290	28.8
295	295	29.5
300	300	30.2
310	310	31.6
320	319	33.0
330	328	34.2
340	336	35.3
350	344	36.3
360	352	37.2
370	360	38.1
380	368	38.9
390	376	39.7
400	384	40.5
410	392	41.3
420	400	42.1
430	408	42.9
440	416	43.7
450	425	44.5
460	434	45.3
470	443	46.1
490	—	47.5
500	—	48.2
520	—	49.6
540	—	50.8
560	—	52.0
580	—	53.1
600	—	54.2
620	—	55.4
640	—	56.5
660	—	57.5
680	—	58.4
700	—	59.3
720	—	60.2
740	—	61.1
760	—	62.0
780	—	62.8
800	—	63.6
820	—	64.3
840	—	65.1
860	—	65.8
880	—	66.4
900	—	67.0
1114	—	69.0
1120	—	72.0

Примечание: В таблице приведены приближенные соотношения чисел, полученные разными методами. Погрешность перевода значений HV в HB составляет ±20 единиц, а перевода  HV в HR (шкала C и B) до ±3 единиц.

При выборе инструмента желательно предпочесть модели известных производителей. Это дает уверенность в том, что приобретаемый продукт изготовлен с соблюдением технологий, а его твердость отвечает заявленным значениям.

Соотношение твердости по Роквеллу и Бринеллю различных изделий.

Твердость металлов

Машиностроительные детали и механизмы, а также инструменты, предназначенные для их обработки, обладают набором механических характеристик. Немалую роль среди характеристик играет твердость. Твердость металлов наглядно показывает:

• износостойкость металла;
• возможность обработки резанием, шлифованием;
• сопротивляемость местному давлению;
• способность резать другой материал и прочие.

Твердость металлов

На практике доказано, что большинство механических свойств металлов напрямую зависят от их твердости.

Понятие твердости

Твердость материала – это стойкость к разрушению при внедрении во внешний слой более твердого материала. Другими словами, способность к сопротивлению деформирующим усилиям (упругой или пластической деформации).

Определение твердости металлов производится посредством внедрения в образец твердого тела, именуемого индентором. Роль индентора выполняет: металлически шарик высокой твердости; алмазный конус или пирамида.

После воздействия индентора на поверхности испытуемого образца или детали остается отпечаток, по размеру которого определяется твердость. На практике используются кинематические, динамические, статические способы измерения твердости.

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

Динамический метод заключается в следующем. Измерительный инструмент воздействует на деталь. Обратная реакция позволяет рассчитать затраченную кинетическую энергию. Данный метод позволяет проводить испытание на твердость не только поверхности, но и некоторого объема металла.

Статические методы – это неразрушающие способы, позволяющие определить свойства металлов. Методы основаны на плавном вдавливании и последующей выдержке в течение некоторого времени. Параметры регламентируются методиками и стандартами.

Прилагаемая нагрузка может прилагаться:

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

Машиностроительные предприятия на данный момент для определения твердости материалов используют методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, а также метод микротвердости.

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

Единицы измерения твердости

Каждый способов измерения сопротивления металла к пластической деформации имеет свою методику его проведения, а также единицы измерения.

Измерение твердости мягких металлов производится методом Бринелля. Данному способу подвергаются цветные металлы (медь, алюминий, магний, свинец, олово) и сплавы на их основе, чугуны (за исключением белого) и отожженные стали.

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

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

Единица измерения твердости – это числовое значение и следующий за ними числовой индекс HB. Например, 200 НВ.

Твердость по Роквеллу определяется посредством разницы приложенных нагрузок к детали. Вначале прикладывается предварительная нагрузка, а затем общая, при которой происходит внедрение индентора в образец и выдержка.

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

Единица измерения твердости – это условные единицы. Принято считать, что единица — это величина осевого перемещения конуса, равная 2 мкм. Обозначение твердости маркируется тремя буквами HR (А, В, С) и числовым значением. Третья буква в маркировке обозначает шкалу.

Методика отображает тип индентора и прилагаемую к нему нагрузку.

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

В основном, используются шкалы измерения А и С. Например, твердость стали HRC 26…32, HRB 25…29, HRA 70…75.

Измерению твердости по Виккерсу подвергаются изделия небольшой толщины или детали, имеющие тонкий, твердый поверхностный слой. В качестве клинка используется правильная четырехгранная пирамида угол при вершине, которой составляет 136°. Отображение значений твердости выглядит следующим образом: 220 HV.

Измерение твердости по методу Шора производится путем замера высоты отскока упавшего бойка. Обозначается цифрами и буквами, например, 90 HSD.

К определению микротвердости прибегают, когда необходимо получить значения мелких деталей, тонкого покрытия или отдельной структуры сплава. Измерение производят путем измерения отпечатка наконечника определенной формы. Обозначение значения выглядит следующим образом:

• Н□ 0,195 = 2800, где
• □  — форма наконечника;
• 0,196  — нагрузка на наконечник, Н;
• 2800 – численное значение твердости, Н/мм2.

Твердость основных металлов и сплавов

Измерение значения твердости проводится на готовых деталях, отправляющихся на сборку. Контроль производится на соответствие чертежу и технологическому процессу. На все основные материалы уже составлены таблицы значений твердости как в исходном состоянии, так и после термической обработки.

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

Черные металлы

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

Для перевода из одной системы измерения в другую пользуются таблицами. Значения в них не являются истинными, потому что выведены империческим путем. Не полный объем представлен в таблице.

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

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

Методы измерения твердости

Все методы определения твердости металлов используют механическое воздействие на испытуемый образец – вдавливание индентора. Но при этом не происходит разрушение образца.

Метод определения твердости по Бринеллю был первым, стандартизованным в материаловедении. Принцип испытания образцов описан выше. На него действует ГОСТ 9012. Но можно вычислить значение по формуле, если точно измерить отпечаток на образце:

HB=2P/(πD*√(D2-d2),

• гдеР – прикладываемая нагрузка, кгс;
• D – окружность шарика, мм;
• d – окружность отпечатка, мм.Шарик подбирается относительно толщины образца. Нагрузку высчитывают предварительно из принятых норм для соответствующих материалов:сплавы из железа — 30D2;медь и ее сплавы — 10D2;баббиты, свинцовые бронзы — 2,5D2.

Условное изображение принципа испытания

Скачать ГОСТ 9012-59

Схематически метод исследования по Роквеллу изображается следующим образом согласно ГОСТ 9013.

Метод измерения твердости по Роквеллу

Итоговая приложенная нагрузка равна сумме первоначальной и необходимой для испытания. Индикатор прибора показывает разницу глубины проникновения между первоначальной нагрузкой и испытуемой h –h0.

Скачать ГОСТ 9013-59

Метод Виккерса регламентирован ГОСТом 2999. Схематически он изображается следующим образом.

Метод Виккерса

Математическая формула для расчета:HV=0.189*P/d2 МПаHV=1,854*P/d2 кгс/мм2Прикладываемая нагрузка варьируется от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Значения определяются по таблицам относительно измеренного отпечатка d.

Метод Шора

Метод считается эмпирическим и имеет большой разброс показаний. Но прибор имеет простую конструкцию и его можно использовать при измерении крупногабаритных и криволинейных деталей.

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

После измерения по одной методике перевод в другую систему весьма условен. Четкие значения существуют только в соотношении твердости по Бринеллю и Роквеллу, так как машиностроительные предприятия их широко применяют. Зависимость можно проследить при изменении диаметра шарика.

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

Как видно из таблицы, увеличение диаметра шарика значительно снижает показания прибора. Поэтому на машиностроительных предприятиях предпочитают пользоваться измерительными приборами с однотипным размером индентора.

Соотношения между числами твердости

Твердостью металла называют его свойство оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии стандартного тела-наконечника на поверхностные слои материала.

Испытание на твердость — основной метод оценки качества термообработки изделия.

Определение твердости по методу Бринелля. Метод основан на том, что в плоскую поверхность под нагрузкой внедряют стальной шарик. Число твердости НВ определяется отношением нагрузки к сферической поверхности отпечатка.

Метод Роквелла (HR) основан на статическом вдавливании в испытываемую поверхность наконечника под определенной нагрузкой. В качестве наконечников для материалов с твердостью до 450 HR используют стальной шарик. В этом случае твердость обозначают как HRB. При использовании алмазного конуса твердость обозначают как HRA или HRC (в зависимости от нагрузки).

Твердость по методу Виккерса (HV) определяют путем статического вдавливания в испытуемую поверхность алмазной четырехгранной пирамиды. При испытании измеряют отпечаток с точностью до 0,001 мм при помощи микроскопа, который является составной частью прибора Виккерса.

Метод Шора. Сущность данного метода состоит в определении твердости материала образца по высоте отскакивания бойка, падающего на поверхность испытуемого тела с определенной высоты. Твердость оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка.

Числа твердости HRC для некоторых деталей и инструментов

Детали и инструменты Число твердости HRC

Головки откидных болтов, гайки шестигранные, рукоятки зажимные	33…38
Головки шарнирных винтов, концы и головки установочных винтов, оси шарниров, планки прижимные и съемные, головки винтов с внутренними шестигранными отверстиями, палец поводкового патрона	35…40
Шлицы круглых гаек	36…42
Зубчатые колеса, шпонки, прихваты, сухари к станочным пазам	40…45
Пружинные и стопорные кольца, клинья натяжные	45…50
Винты самонарезающие, центры токарные, эксцентрики, опоры грибковые и опорные платики, пальцы установочные, цанги	50…60
Гайки установочные, контргайки, сухари к станочным пазам, эксцентрики круговые, кулачки эксцентриковые, фиксаторы делительных устройств, губки сменные к тискам и патронам, зубчатые колеса	56…60
Рабочие поверхности калибров — пробок и скоб	56…64
Копиры, ролики копирные	58…63
Втулки кондукторные, втулки вращающиеся для расточных борштанг	60…64

Таблица соотношений между числами твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, Шору

По Роквеллу
По Бринеллю
По Виккерсу (HV)
По Шору
HRC
HRA
HRB
Диаметр отпечатка HB

65	84,5	—	2,34	688	940	96
64	83,5	—	2,37	670	912	94
63	83	—	2,39	659	867	93
62	82,5	—	2,42	643	846	92
61	82	—	2,45	627	818	91
60	81,5	—	2,47	616	—	—
59	81	—	2,5	601	756	86
58	80,5	—	2,54	582	704	83
57	80	—	2,56	573	693	—
56	79	—	2,6	555	653	79,5
55	79	—	2,61	551	644	—
54	78,5	—	2,65	534	618	76,5
53	78	—	2,68	522	594	—
52	77,5	—	2,71	510	578	—
51	76	—	2,75	495	56	71
50	76	—	2,76	492	549	—
49	76	—	2,81	474	528	—
48	75	—	2,85	461	509	65,5
47	74	—	2,9	444	484	63,5
46	73,5	—	2,93	435	469	—
45	73	—	2,95	429	461	61,5
44	73	—	3	415	442	59,5
42	72	—	3,06	398	419	—
40	71	—	3,14	378	395	54
38	69	—	3,24	354	366	50
36	68	—	3,34	333	342	—
34	67	—	3,44	313	319	44
32	67	—	3,52	298	302	—
30	66	—	3,6	285	288	40,5
28	65	—	3,7	269	271	38,5
26	64	—	3,8	255	256	36,5
24	63	100	3,9	241	242	34,5
22	62	98	4	229	229	32,5
20	61	97	4,1	217	217	31
18	60	95	4,2	207	206	29,5
—	59	93	4,26	200	199	—
—	58	—	4,34	193	192	27,5
—	57	91	4,4	187	186	27
—	56	89	4,48	180	179	25

Определение твердости металлов и сплавов

ГОСТ 9012 – 59

• Данный метод заключается во вдавливании шарика, который изготавливается из стали или твёрдого сплава, в испытуемый объект с некоторой силой направленной перпендикулярно, и последующего измерения полученного диаметра отпечатка.
• Твердость по Бринеллю имеет своё символьное обозначение:
• НВ – наносится в случае использования стального шарика;
• HBW – в данном случае применяется шарик из твёрдого сплава.
• Перед буквенным обозначением указывается цифровое значение твёрдости, а после него диаметр шарика, значение силы воздействия и время выдержки, если она отлична от 10 до 15 секунд.
• Примеры обозначений:
• 250 НВ 5/750 – твердость по Бринеллю 250, использовался пяти миллиметровый стальной шарик, сила воздействия составляла 750 кгс (7355 Н). Продолжительность выдержки не указана, это означает, что она находится в пределах от 10 до 15 секунд;
• 575 HBW 2,5/187,5/30 – твердость по Бринеллю 575, используется твердосплавный шарик с диаметром 2,5 мм, приложенная сила равна 187,5 кгс (1839 Н) а выдержка составляет 30 секунд.
• При силе 3000 кгс (29420 Н) приложенной твердосплавным или стальным десятимиллиметровым шариком к поверхности образца или изделия с выдержкой от десяти до пятнадцати секунд указывают только твёрдость и символы.
• Пример: 190 НВ, 600 HBW.

ГОСТ 2999 – 75

1. Данным методом твёрдость измеряется по средствам вдавливания алмазного наконечника с геометрической формой правильной четырехгранной пирамиды в испытуемый объект и последующим замером диагоналей получившегося отпечатка после его выведения.
2. Твердость по Виккерсу обозначают цифрами в зависимости от величины твердости и буквами HV.
3. Пример обозначения:
4. 450 HV – твердость по Виккерсу соответствует значению 450, приложенная сила 30 кгс и время затраченное на выдержку 10 – 15 секунд.
5. 220 HV 10/40 – твердость по Виккерсу ровна значению 220, сила ровна 98,07 Н (10 кгс), выдержка 40 секунд.

Общего точного перевода чисел твердости, измеренных алмазной пирамидой (по Виккерсу), на числа твердости по другим шкалам или на прочность при растяжении не существует. Поэтому следует избегать таких переводов, за исключением частных случаев, когда благодаря сравнительным испытаниям имеются основания для перевода.

ГОСТ 9013 – 59

Данный метод основан на внедрение в поверхность тела алмазного конусного или стального сферического наконечника под действием двух последовательных сил с последующим определением глубины проникновения наконечника. Причём замер производится после отключения основной силы.

Обозначение твёрдости по Роквеллу наносится символами, HR перед которыми указывается цифровое значение твердости, а после символ принадлежности к определённой шкале.

Пример: 24,8 HRC – твердость по Роквеллу 24,8 единиц по шкале С.

Для унификации измерений был введён специальный эталон для шкал твердости Роквелла и Супер-Роквелла (ГОСТ 8.064 – 94), которые приведены в таблице ниже.

В последующих таблицах приводятся приближенные соотношения между значениями твердости, выявленные различными методами.

Твердость металлов: в чем измеряется, шкала, определение, единицы измерения, таблица

06Дек

Содержание статьи

Все материалы, используемые во время машиностроения и изготовления прочих деталей, имеют определенные характеристики.

Перед тем как взять в работу конкретный металлический сплав, специалист проверяет все параметры, так как от них зависит и металлообработка, и эксплуатация дальнейшего изделия.

В статье расскажем про значение твердости поверхности различных металлов и что их характеризует: что это такое, что называется твердой сталью, а также в каких единицах измеряется показатель жесткости, и как происходит замер материалов.

Понятие

Данным термином в материаловедении называют механическое свойство, которое определяет устойчивость к разрушению под воздействием других, более плотных веществ. Иначе можно сказать так: это сопротивляемость деформациям от давления. При этом учитываются и пластичные, и упругие изменения. От характеристики зависит множество процессов и условий:

• Износостойкость – это есть то, насколько долго может быть использован элемент. В том числе срок износа, поскольку для каждой детали, например, автомобильной, наступает время, когда по естественным причинам ее нужно менять. Но чем тверже элемент, тем дольше он будет служить в определенных условиях.
• Возможность различных видов металлообработки – одни технологии применяются только к мягким сплавам, а другие могут быть использованы и для прочных.
• Сопротивление давлению и прочим усилиям характерно для вала или подшипника, на которые действуют силы центробежная и трения.
• Способность использовать материал в качестве инструмента для более податливой поверхности. Инструментальная сталь является настолько крепкой, что применяется для изготовления фрез для фрезерных станков, сверл и прочих изделий.

Это далеко не полный перечень того, на что влияет твердость металла после того, как мы дали ему определение. Не каждое используемое вещество берется с одинаковыми характеристиками.

Что делается прежде всего для увеличения данного параметра? Сперва берем сырье, очищаем от примесей, а затем подвергаем химической и температурной обработке.

А именно: в состав добавляем различные легирующие компоненты, повышающие это качество, например:

• Хром. Увеличивается прочность и устойчивость к коррозии, незначительно уменьшается пластичность и подверженность магнитным силам. Если более 13% хрома, то сплав называют нержавеющим.
• Вольфрам. Очень сильно повышается содержание твердых соединений – карбидов. Дополнительное свойство – снижение хрупкости после отпуска.
• Ванадий. Тоже возрастает сопротивление деформациям.
• Марганец. Чтобы увидеть эффект, вещества должно быть не менее 1%. Резко взлетает стойкость к ударным нагрузкам.

От чего зависит твердость металлов по этому классу:

• От наличия легирующих добавок, перечисленных выше.
• От естественных свойств сырья.
• От термообработки. С этой целью помогает закалка – материал нагревают сверх определенной критической точки, кристаллическая решетка меняется, и после охлаждения закаленная сталь становится очень надежной.
• От цементации – способом диффузии образец насыщается углеродом. Такому методу подвергаются только низкоуглеродистые или легированные части.
• От старения – оно может быть естественным или искусственным. В первом случае со временем протекают процессы, которые не затрагивают микроструктуру, но важны на общем уровне. Во втором применяется термообработка с целью химического и термального увеличения срока эксплуатации – состаривание.
• От наклепывания на поверхность. Это пластическое изменение структуры вещества, приводящее к повышению прочности.
• От обработки лазером. Лазерная установка наплавляет прочный слой.

Кроме того, некоторые этапы металлообработки (прокатка, ковка и закалка) с изменением формы заготовки также приводят к улучшению качества.

В каких единицах измеряется коэффициент твердости металла

Особенность данной характеристики в том, что в зависимости от метода, которым проводили замер, меняется и классическое обозначение. Так как параметр нельзя причислить к основным физическим шкалам, таким как расстояние, скорость, масса, сила, то и единого стандарта нет в так называемой системе СИ.

Если исследователь применяет один из наиболее стандартных способов, предложенный Бриннелем, о котором мы подробнее расскажем ниже, то результат будет записан в кгс/мм2, то есть в килограмм-силах, деленных на квадратный миллиметр. По шкале измерения твердости металлов можно сказать о классических примерах и их показателях в соотношении друг с другом:

• железные сплавы – в среднем 30 кгс/мм2;
• медные и никелевые составы – 10 кгс/мм2;
• алюминий, магний и их производные – 5 кгс/мм2.

Так делаем вывод, что железо в 6 раз тверже, чем мягкое алюминиевое соединение. Второй популярный метод изобрел Роквелл. Согласно ему, одно условное значение (у.е.) равно перемещению конуса на 2 мкм.

Если маркируется по данному варианту, то сперва проставляется индексация, затем одна из трех букв – А, В, С и цифровое значение. Если вы видите на заготовке твердость материала НВ, то это единицы измерения по Роквеллу.

Также индексом могут быть отмечены детали под маркировкой HR, а после 1 из трех букв:

• A – свидетельствует о том, что испытания проводились с помощью конуса из алмаза с углом вершины в 120 градусов под прилагаемой нагрузкой в 50 – 60 кг.
• В – говорит о шарике в одну шестнадцатую дюйма, который направляют к поверхности под весом в 90 – 100 кг.
• С – используется аналогичный конус, как при маркировке А, но увеличенное воздействие в 140 – 150 кг.

Дальше идет цифра, которая уже указывает на то, какая вмятина образовалась. И еще один вариант того, в чем измеряется твердость стали, – цифры плюс буквы HV. Такое измерение предлагает Виккерс. В то время как по методике Шора можно увидеть такие записи – 90 HSD.

Насколько твердыми бывают основные металлы

Большинство материалов уже обладают определенными характеристиками, их давно измерили и записали в таблицы, при этом в сводках обозначены как исходные значения необработанного железа, так и после различных типов термо- и холодной металлообработки. Но при добавлении нестандартных и новых добавок, проведенных процедур необходимо заново измерять данный показатель. Но если вы сталкиваетесь со стандартными сплавами, то следует посмотреть в подготовленные списки.

Цветмет

Они более мягкие, чем черные, потому что в них нет твердых включений, а также их не подвергают закалке и прочим методам термообработки.

Титан составляет исключение. Приведем технологию, используемую Бриннелем:

Материал	Особенности	В нв
Медь	Имеет высокую пластичность и низкую прочность. Если добавляются специальные примеси, получаются новые марки, тогда показатель может увеличиваться	35
Латунь	Это двойной или многокомпонентный состав, который включает медь. Но она более надежная, дополнительно включены цинк или олово	42 – 60
Алюминий	Может быть мягким или твердым, с увеличенной или уменьшенной пластичностью	15 – 20
Дюралюминий	Современный, легкий, активно применяется в авиастроении. Есть добавки – медь, магний, марганец	70
Титан	Очень крепкий цветмет	160

Черные металлы

Это железо и стали, ферросплавы и чугуны. Иногда к этой категории относят ванадий, марганец. Общая характеристика:

• Способ получения – обработка железной руды.
• Увеличенная прочность.
• Невосприимчивость к механическим воздействиям.
• Высокая износостойкость.
• Хорошая свариваемость.
• Невысокая стоимость.

Поэтому железо активно применяют. Нецелесообразно приводить полный список всех марок, рассмотрим только основные:

• Чугун – 220 НВ.
• Инструментальные стальные сплавы – до 700 НВ, из нее делаются режущие инструменты.
• Нержавейка – до 250 НВ.

Методы измерения

Как мы упомянули, есть несколько эффективных технологий, по которым определяют данный показатель. Одни являются более точными, другие – наиболее просты в реализации. Объединяет их то, что в поверхность вдавливается предмет по структуре наиболее стойкий. Итогом становится то, как плоскость противостоит воздействию.

Как определить твердость металла по методике Бринелля: особенности

В качестве индентора, то есть самого элемента, который вдавливается в заготовку, используется идеальная сфера диаметром от 1 до 10 миллиметров. Он изготавливается из легированных соединений или из сплава карбида и вольфрама.

Регламентируется производство таких шаров ГОСТом 3722 81. Время, в которое происходит статическое, то есть неподвижное вдавливание, – от 10 до 180 секунд. Этот параметр зависит от материала.

Самые минимальные временные промежутки – для чугуна и стали, а более продолжительные – для цветных металлов.

Максимальная нагрузка, которая может быть измерена таким способом, – 450 или 650 НВ, в зависимости от того, из чего сделан шарик. На образец для правильной деформации подбирается воздействие, посмотрим по формулам в таблице, как можно их вычислить, учитывая, что D – это диаметр шара:

Проверяемый объект	Математически вычисленное изменение
Свинец или олово	1d^2
Стальные соединения, титан, никель	30d^2
Легкие сплавы	от 2,5d^2 до 15d^2
Чугун	10d^2 или 30d^2
Медь и составы с ее добавлением	5d^2, 10d^2, 30d^2

Алгоритм применения метода Бринелля

• Проверяется сам аппарат и тело для внедрения – шар.
• Определяется максимальное усилие.
• Твердомер запускается.
• Измеряется глубина вдавливания.
• Производятся математические вычисления.

Применяемая формула НВ=P/F, где:

• P – нагрузка;
• F – площадь отпечатка.

Следует отметить, что это самый распространенный способ.

Как измерить твердость металла по методике Роквелла: особенности

Если предыдущая технология называется классической, то данную можно именовать современной, поскольку она более автоматизированная. Точность намного выше и сфер применения тоже, поскольку можно работать даже с очень прочными материалами.

Характеристики метода:

• Изначальное давление в 10 кгс.
• Напряжение выдерживают от 10 секунд до 1 минуты.
• Результат не рассчитывается математически, он высвечивается на цифровом табло.
• Используются разные наконечники, в зависимости от этого ставится маркировка, которая начинается с букв А, В, С. Мы уже подробнее указывали расшифровку индексов, просто напомним, что в качестве индентора может выступать стальной шарик или алмазный конус.

Есть также менее известные и используемые шкалы Е, Н, К с шаром меньшего диаметра. На процедуру накладываются ограничения:

• Делать пробы на одной заготовке можно только на расстоянии по 3-4 у.е., равных размеру проверяющего объекта, друг от друга.
• Толщина не может быть меньше, чем умноженная на 10 глубина проникновения наконечника в сталь.

План исследования по методу Роквелла

Алгоритм проведения аналогичный и даже более упрощенный:

• Необходимо оценить деталь и проверить работоспособность станка.
• Вычислить максимальную нагрузку.
• Установить образец и применить первичное напряжение.
• Выдержать определенный промежуток времени.
• Зафиксировать результат, указанный на табло.

Посмотрим, как выглядит твердомер, а также как им пользоваться:

Характеристики методики Виккерса

Еще один очень простой способ, который отличается скоростью и точностью, но дороговизной оборудования. Перечислим особенности:

• Используется алмазная пирамидка с более тупым углом – 136 градусов в вершине.
• Не допускается деформация превышающая 100 кгс.
• Выдерживают время очень короткое – от 10 до 15 секунд.
• Измерять можно параметры любого материала, в том числе особенно прочного, а также сталей, которые прошли термическую обработку.

Последовательность исследования

Упрощенный алгоритм:

• Проверьте поверхностный слой детали, а также все оборудование.
• Рассчитайте допустимое усилие.
• Установите образец, закрепите его.
• Запустите аппарат и спустя 10-15 секунд проанализируйте итог.

Способы перехода между шкалами

Тот факт, что в лабораториях используются разные методы, а также то, что нет одного стандарта, то приходится конвертировать один показатель в другую систему счисления.

Следует отметить, что во всех странах преимущественно выбирают единственную технологию. Но из-за активного товарооборота изготовители встречаются с непривычными маркировками.

Итак, дадим таблицу с аналогичными результатами по отличающимся данным:

Диаметр от вдавливания – в мм	По Бринеллю	По Роквеллу, категория А	В	С	По Виккерсу
3,9	241	62,8	99,8	24	242
4,08	217	60,7	96,6	20,2	217
4,2	206	59,6	94,6	17,9	206
5	144	49,9	77,7	–	144

Можно отметить, что списки не обладают особо высокой точностью, поскольку в зависимости от измерений могли быть использованы разнообразные сплавы. Сводки будут верны только в том случае, если при всех пяти способах был апробирован одинаковый материал.

Требования к образцу

В начале каждого объяснения, как проходит алгоритм исследования, мы давали рекомендацию – проверить аппаратуру и заготовку. Если с первым все понятно, то есть работоспособность станка определить возможно, то со вторым необходимо объяснить. Особенности экспериментальных частей:

• Ровная поверхность определенной шероховатости без дефектов, микротрещин и любых повреждений. Следует предварительно прогнать верхний слой с помощью фрезерного станка или посредством шлифовальной обработки.
• Максимальная шлифовка и даже полировка. Чем выше шероховатость, тем больше будет неточностей результата, что очень негативно скажется на измерениях в целом.
• Также стоит предупредить наклеп. Это утолщение, упрочнение, которое образуется при заданной температуре (она ниже, чем точка рекристаллизации) и посредством пластических деформаций.
• Все параметры должны соответствовать нормам и прописанным ГОСТам.

Все перечисленные требования обязательны при проведении. Однако на настоящий момент часто это оказывается излишним, поскольку существуют сводные таблицы. Сделаем вывод.

В статье мы рассказали про обозначение единиц измерения твердости металла, а также дали описание термину и перечислили все основные применяемые технологии. Это важная характеристика для стали, поэтому данная процедура имеет ценность для науки материаловедения и для заводов-производителей.

При выборе металлообработки необходимо заранее определять все химические и механические свойства. Посмотрим подробный видеоролик:

После того как прочтете статью, можете ознакомиться с нашим ассортиментом ленточнопильных изделий. Компания «Рокта» уже 15 лет на российском рынке. За это время мы охватили практически все города страны.