Что такое твердость материала?

Твёрдость — сопротивление локальной деформации, например вдавливанию или царапанию; это не вязкость. Методы вдавливания, царапания и отскока измеряют разный отклик. Распространены Rockwell, Brinell, Vickers, царапание Mohs и дюрометр Shore. Всегда указывайте метод и шкалу.

Твёрдость измеряет сопротивление локальной деформации. Прочность материала выражается напряжением, например пределом текучести или прочности, а не общей нагрузкой детали; несущая способность зависит также от геометрии.

Вязкость — способность поглощать энергию и деформироваться без разрушения. Например, стекло очень твёрдое, но имеет низкую вязкость, поскольку легко разбивается.

Твёрдость полезна для выбора и контроля материала, но не предсказывает сама по себе ресурс износа и не гарантирует безопасности детали. Оценивайте долговечность по материалу, нагрузке, механизму износа и среде, с соответствующими испытаниями.

Распространены методы вдавливания, царапания и отскока. Каждый характеризует отклик, измеренный конкретным испытанием.

Измеряет сопротивление локальной остаточной деформации под индентором. Метод задаёт индентор, последовательность сил, нагрузку и выдержку.

Она описывает сопротивление поверхности движущемуся индентору в заданных условиях. Отличается от коэффициента трения и не задаёт напрямую общую скорость износа.

Она оценивает ответ на заданный удар. Измеряемая величина зависит от метода: Либ использует скорости удара и отскока, поэтому нельзя универсально описывать её как высоту отскока или поглощение энергии.

Единой единицы твёрдости, подобной метру или грамму, нет. Используются разные шкалы в зависимости от конкретного испытания по Виккерсу или метода Роквелла.

Роквелл измеряет остаточное увеличение глубины после снятия дополнительной силы при сохранении предварительной. Выбирайте индентор и нагрузку под шкалу. Для металлов и пластиков применяются разные методы; нельзя без разбора использовать HRA, HRB или HRC для пластиков.

Современный стандартный метод Бринелля использует шарик из композиционного карбида вольфрама. Для крупноструктурных материалов, например отливки, больший отпечаток охватывает больше микроструктуры. Диаметры шарика включают 1, 2.5, 5 и 10 мм; выбирайте диаметр и нагрузку под образец и метод.

Метод Виккерса использует алмазную пирамиду с углом 136° между противоположными гранями. Он охватывает широкий диапазон твёрдости при подходящих подготовке, толщине и нагрузке. Результат записывают как HV с требуемым обозначением испытательного усилия.

Оптически измерьте обе диагонали отпечатка и по среднему значению и силе рассчитайте HV. Подготовка образца и условия должны подходить; Виккерс широко применим, но не заменяет любой метод универсально.

Метод Кнупа создаёт вытянутый мелкий отпечаток, полезный для тонких слоёв и хрупких материалов. Осторожно выбирайте нагрузку и подготовку, учитывайте основу при покрытиях. Он не ограничен случаями невозможности Vickers.

Качественная шкала 1–10 первоначально помогала геологам определять минералы. Алмаз имеет 10, тальк — 1. Помните: она измеряет сопротивление царапанию, а не вдавливанию.

Метод Либа определяет твёрдость по отношению скорости отскока к скорости удара и подходит крупным металлическим деталям при соблюдении требований к массе, опоре, поверхности и направлению. Склероскопический отскок по Шору отличается от вдавливания дюрометром Шора для резин и пластиков.

Таблица должна задавать шкалу и состояние материала. Пересчёт Роквелла и Виккерса приблизителен и действует только для групп и диапазонов справочника. Шкала Мооса не является общим способом перевода в твёрдость вдавливания.

Источники: Испытания твёрдости Struers Ограничения пересчёта ASTM E140

Метод Vickers Struers Испытание Бринелля Struers Шкала Мооса USGS

Во многих поликристаллических металлах измельчение зерна повышает предел текучести и часто твёрдость в применимом диапазоне Холла—Петча. Границы препятствуют дислокациям. Связь не универсальна, а одно мелкое зерно не гарантирует однородной твёрдости.

Легирование меняет твёрдость, влияя на сопротивление движению дислокаций и микроструктуру. Возможны твердорастворное и дисперсионное упрочнение. Результат зависит от состава и обработки; добавка элемента не повышает твёрдость автоматически.

В подходящих сталях аустенитизация и достаточно быстрое охлаждение образуют мартенсит. Отпуск регулирует баланс твёрдости и вязкости. Это не универсальный механизм упрочнения всех металлов.

Отжиг смягчает подходящие материалы и снимает напряжения, но цикл нагрева и охлаждения зависит от сплава и цели. Он не является автоматически следующим этапом после закалки и отпуска.

Холодная пластическая деформация повышает твёрдость многих металлов за счёт размножения и взаимного торможения дислокаций. Один упругий изгиб не вызывает наклёпа. Итоговая твёрдость зависит от деформации и тепловой истории.

Если детали нужны твёрдая поверхность и вязкая сердцевина, полезно подходящее поверхностное упрочнение. Выбирайте его по марке стали, требованиям слоя и эксплуатации. Далее приведены примеры обработки поверхности.

Это распространённые процессы поверхностного упрочнения подходящих сталей. Цементация вводит углерод, азотирование — азот. Температуры, материалы и последующая обработка различаются, поэтому это не одинаковый цикл.

Цементованную сталь обычно затем закаливают и отпускают по требованиям. Обычное азотирование создаёт твёрдый слой диффузией азота и нитридами и не требует последующей закалки. Не назначайте одинаковую последующую обработку обоим процессам.

Твёрдое анодирование создаёт оксидный слой на подходящих алюминиевых сплавах. Толщину измеряют соответствующим методом, например вихретоковым или по подготовленному сечению. Микротвёрдость измеряет твёрдость, а не толщину; износостойкость оценивайте отдельно по спецификации.

Ведь вы не хотите установить деталь, потерявшую защитный слой уже через несколько недель трения.

Выбирайте толщину образца и силу по методу. На тонкий образец или покрытие влияет опора или основа ещё до физического достижения её индентором. Для Виккерса подготовьте поверхность для надёжного измерения обеих диагоналей.

Можно найти таблицы перевода Роквелла в Виккерса, но пользуйтесь осторожно: пересчёты часто приблизительны. Точное значение неизвестно без конкретного испытания, требуемого для материала.

Температура влияет на измерения твёрдости. Соблюдайте и указывайте условия метода. Если нужны данные горячей твёрдости, применяйте специальную высокотемпературную процедуру с контролем образца и индентора, а не просто испытывайте горячую деталь методом комнатной температуры.

Твёрдость описывает отклик материала в заданных условиях. При сравнении записывайте метод и условия. Выбирая материал, учитывайте твёрдость вместе с другими свойствами и требованиями службы; одна таблица не определяет идеальный выбор.

Твёрдость показывает сопротивление локальному вдавливанию или царапанию в заданном испытании. Сама по себе она не измеряет вязкость или сопротивление разрушению.

Значение 70 неполно без шкалы Шора. Например, 70 Shore A и 70 Shore D — разные испытания, их нельзя считать одинаковой твёрдостью. Указывайте шкалу и условия, а не общее ощущение резиноподобности.

Для стали 50 HRC выбирайте инструмент, проверенный для марки, операции и установки. Если рассматриваете концевую фрезу sundi S650, подтвердите у поставщика область применения и режимы. Твердосплавные концевые фрезы не взаимозаменяемы; результат определяют марка, покрытие, кромка, жёсткость и режимы.

Универсальной формулы твёрдости нет. Виккерс использует силу и измеренные диагонали, Роквелл — разность глубин. Рассчитывайте и указывайте результат по методу и шкале, а не делите вес на условный размер отверстия.