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

В чем измеряется и как обозначается твердость

Для большинства методов измерения твердости основная единица измерения — кгс/мм2

Однако следует понимать, есть методы со своей единицей.

Обозначение твердости так же зависит от метода.

Буквой «H» всегда обозначают «твердость (от англ. Hardness), а далее указывают буквы, обозначающие метод определения. Наиболее популярные обозначения:

• HB – по методу Бринеля (вдавливание шарика из стали)
• HRA – по методу Роквелла, шкале A (вдавливание алмазного или стального конуса)
• HRB – по методу Роквелла, шкале B
• HRC – по методу Роквелла, шкале C
• HV – по методу Викерса (вдавливание алмазной пирамиды)
• HSD – твердость по Шору и тп. (метод отскока)

Смотрите также

Какие требования предъявляются к изделию для измерения

Твердость прямопропорциональна нагрузке для ее определения. Высокая твердость – высокая нагрузка.

Чем точнее метод, тем выше требования к подготовке поверхности изделия. Поверхность изделия, на которой определяется твердость, должна отвечать ряду требований:

1. Толщина образца должна быть не менее чем в 10 раз превышать глубину внедрения наконечника после снятия основного усилия.
2. В месте контроля она должна быть зачищена до блеска, быть ровной и плоской, не должна иметь окалины, ржавчины, масложировых и лакокрасочных загрязнений, выбоин и царапин. Шероховатость Ra не более 2,5мкм по ГОСТ 2789, если нет других требований нормативно-технической документации.
3. Поверхность, которой образец «ложится» на предметный столик прибора также должна быть чистой и ровной. Обе поверхности должны быть параллельны друг другу.
4. Изделие необходимо надежно закрепить, исключая возможность смещения образца относительно оси приложения нагрузки.

Рекомендации

1. Вреденберг, Фредрик; П.Л. Ларссон (2009). «Царапины на металлах и полимерах: эксперименты и числа». Носить
   .
   266
   (1–2): 76. Дои:10.1016 / j.wear.2008.05.014.
2. Тестер твердости Hoffman Scratch Hardness В архиве 2014-03-23 ​​на Wayback Machine. byk.com
3. Аллен, Роберт (10 декабря 2006 г.). «Руководство по твердости отскока и склероскопическому тесту». Архивировано из оригинал на 2012-07-18. Получено 2008-09-08.
4. «Новотест».
5. Джандрон, Мишель (25 августа 2005 г.). «Бриллианты — не навсегда». Мир физики
   . В архиве из оригинала от 15.02.2009.
6. Сан-Мигель, А .; Blase, P .; Blase, X .; Mélinon, P .; Perez, A .; Itié, J .; Polian, A .; Reny, E .; и другие. (1999-05-19). «Поведение клатратов кремния при высоком давлении: новый класс материалов с низкой сжимаемостью». Физический обзор
   .
   83
   (25): 5290. Bibcode:1999ПхРвЛ..83.5290С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.83.5290.
7. ^ аб
   Хаасен, П. (1978). Металлургия металлов. Кембридж [англ.]; Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета.
8. Самуэль, Дж. (2009). Введение в пособие по материаловедению
   . Мэдисон, Висконсин: Университет Висконсин-Мэдисон.
9. Smedskjaer, Morten M .; Джон К. Мауро; Юаньчжэн Юэ (2010). «Прогноз твердости стекла с использованием теории температурно-зависимых ограничений». Phys. Rev. Lett
   .
   105
   (11): 2010. Bibcode:2010PhRvL.105k5503S. Дои:10.1103 / PhysRevLett.105.115503. PMID 20867584.
10. Лесли, В. К. (1981). Металлургия сталей. Вашингтон: паб Hempisphere. Corp., Нью-Йорк: McGraw-Hill, ISBN 0070377804.

Какие существуют методы определения твердости

Условно все методы можно разделить на 3 группы:

1. Методы вдавливания (внедрения)
2. Методы царапания
3. Методы упругого отскока

Методы вдавливания (внедрения). Смысл методов заключается во вдавливании в испытуемый металл так называемого индентора – твердого предмета определенной формы (обычно стального шарика или алмазной пирамиды) с определенным усилием. После вдавливания замеряется диаметр (для шарика) или глубина (для пирамиды) полученного отпечатка.

В этом случае твердость определяется как отношение величины нагрузки к площади отпечатка после вдавливания.

Наиболее распространенными являются методы Бринеля (HB) и Роквелла (HRA, HRB, HRC).

Методы измерения толщины вдавливанием:

1. Прибор Бринеля
2. Прибор Роквелла
3. Прибор Виккерса
4. Метод Лудвика
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

Методы царапания. Простые методы. Если наконечник, которым производится царапина, оставляет след на испытуемом металле, то твердость металла меньше твердости наконечника. При этом твердости наконечника изначально известны (используются корундовые, алмазные, гипсовые и др. наконечники). Наиболее популярен метод Мооса.

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. Редко используются. На испытуемую поверхность с фиксированной высоты свободно падает боек. Под действием упругой отдачи материала боек отскакивает на определенную высоту. Твердость материала пропорциональна высоте отскока. Наиболее популярен метод 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
9. Маятниковый склерометр Кузнецова

Физика

Схема кривая напряжения-деформации, показывая взаимосвязь между стресс (сила, приложенная на единицу площади) и напряжение или же деформация из пластичного металла.
В механика твердого тела, твердые тела обычно имеют три ответа на сила, в зависимости от силы и типа материала:

• Они выставляют эластичность- способность временно изменять форму, но возвращаться к исходной форме при снятии давления. «Твердость» в диапазоне упругости — небольшое временное изменение формы при заданной силе — известна как жесткость в случае данного объекта или высокого модуль упругости в случае материала.
• Они выставляют пластичность- способность постоянно изменять форму в ответ на силу, но оставаться цельным. В предел текучести — точка, в которой упругая деформация сменяется пластической деформацией. Деформация в пластическом диапазоне является нелинейной и описывается кривая напряжения-деформации. Этот отклик дает наблюдаемые свойства твердости к царапинам и вдавливанию, как описано и измерено в материаловедении. Некоторые материалы демонстрируют как эластичность и вязкость при пластической деформации; это называется вязкоупругость.
• Они перелом- разделить на две или более части.

Сила представляет собой меру диапазона эластичности материала или диапазона эластичности и пластичности вместе взятых. Количественно это выражается как прочность на сжатие, прочность на сдвиг, предел прочности в зависимости от направления задействованных сил. Невероятная сила — это инженерная мера максимальной нагрузки, которую может выдержать часть определенного материала и определенной геометрии.

Хрупкостьв техническом использовании — это склонность материала к разрушению с очень небольшой заранее обнаруживаемой пластической деформацией или без нее. Таким образом, с технической точки зрения материал может быть как хрупким, так и прочным. В повседневном использовании термин «хрупкость» обычно относится к тенденции к разрушению под действием небольшого усилия, что проявляется как в хрупкости, так и в отсутствии прочности (в техническом смысле). Для идеально хрупких материалов предел текучести и предел прочности одинаковы, поскольку они не испытывают заметной пластической деформации. Противоположностью хрупкости является пластичность.

В стойкость материала — это максимальное количество энергия он может впитаться до разрушения, что отличается от количества сила что можно применить. Вязкость хрупких материалов обычно мала, поскольку упругие и пластические деформации позволяют материалам поглощать большое количество энергии.

Твердость увеличивается с уменьшением размер частицы. Это известно как Отношения Холла-Петча. Однако при размере зерна ниже критического твердость уменьшается с уменьшением размера зерна. Это известно как обратный эффект Холла-Петча.

Твердость материала к деформации зависит от его микропрочности или мелкомасштабности. модуль сдвига в любом направлении, не в любом жесткость или же жесткость свойства, такие как объемный модуль или же Модуль для младших. Жесткость часто путают с твердостью.[5][6] Некоторые материалы жестче алмаза (например, осмий), но не тверже и склонны к скалывание шелушение при чешуйчатой ​​или игольчатой ​​форме.

Механизмы и теория

Изображение кристаллической решетки, показывающее плоскости атомов.
Ключ к пониманию механизма твердости — это понимание металлического микроструктура, или структура и расположение атомов на атомном уровне. Фактически, наиболее важные металлические свойства, важные для производства современных товаров, определяются микроструктурой материала.[7] На атомном уровне атомы в металле организованы в упорядоченный трехмерный массив, называемый кристаллическая решетка. В действительности, однако, данный образец металла, вероятно, никогда не содержит последовательной монокристаллической решетки. Данный образец металла будет содержать множество зерен, причем каждое зерно будет иметь довольно согласованный рисунок массива. В еще меньшем масштабе каждое зерно содержит неровности.

Есть два типа неровностей на уровне зерен микроструктуры, которые отвечают за твердость материала. Эти неровности являются точечными и линейными дефектами. Точечный дефект — это неровность, расположенная в единственном узле решетки внутри общей трехмерной решетки зерна. Есть три основных недостатка. Если в массиве отсутствует атом, недостаток вакансии сформирован. Если в узле решетки имеется другой тип атома, который обычно должен занимать атом металла, образуется дефект замещения. Если в узле существует атом, которого обычно не должно быть, интерстициальный дефект сформирован. Это возможно, потому что существует пространство между атомами в кристаллической решетке. В то время как точечные дефекты представляют собой неровности в одном узле кристаллической решетки, линейные дефекты представляют собой неровности на плоскости атомов. Вывихи являются типом линейного дефекта, связанного с несовпадением этих плоскостей. В случае краевой дислокации полуплоскость атомов вклинивается между двумя плоскостями атомов. В случае винтовой дислокации две плоскости атомов смещены, а между ними проходит спиральный массив.[8]

В стеклах твердость, по-видимому, линейно зависит от количества топологических ограничений, действующих между атомами сети.[9] Следовательно теория жесткости позволил прогнозировать значения твердости по составу.

Плоскости атомов, расщепленные краевой дислокацией.

Дислокации обеспечивают механизм скольжения атомных плоскостей и, следовательно, метод пластической или постоянной деформации.[7] Плоскости атомов могут переворачиваться с одной стороны дислокации на другую, что позволяет дислокации проходить через материал и деформироваться безвозвратно. Движение, допускаемое этими дислокациями, приводит к снижению твердости материала.

Способ подавить движение плоскостей атомов и, таким образом, сделать их более сложными, включает взаимодействие дислокаций друг с другом и межузельными атомами. Когда дислокация пересекается со второй дислокацией, она больше не может проходить через кристаллическую решетку. Пересечение дислокаций создает точку привязки и не позволяет плоскостям атомов продолжать скольжение друг по другу.[10] Дислокация также может закрепляться за счет взаимодействия с межузельными атомами. Если дислокация соприкасается с двумя или более атомами внедрения, скольжение плоскостей снова будет нарушено. Межузельные атомы создают якорные точки или точки закрепления так же, как пересекающиеся дислокации.

Варьируя наличие межузельных атомов и плотность дислокаций, можно контролировать твердость конкретного металла. Хотя это может показаться нелогичным, но по мере увеличения плотности дислокаций создается больше пересечений и, следовательно, больше точек привязки. Точно так же, чем больше добавляется межузельных атомов, тем больше точек закрепления, которые препятствуют перемещению дислокаций, образуются. В результате, чем больше добавлено опорных точек, тем тверже станет материал.

Твердость гальванических покрытий

В случае гальванических покрытий следует учитывать, что из-за их небольшой толщины многие методы (особенно методы вдавливания) могут не подойти. Наиболее распространены методы Мооса и Викерса.

Для измерения твердости требуется нанести покрытие с минимальной толщиной в 2мкм. Если требуется меньшая толщина – используйте ГОСТ 9013-59, ГОСТ 9012-59, ГОСТ 22761-77

Принцип измерения тот же. После нанесения покрытия и его сушки в отделе контроля качества производится замер и выносится решение – отгружать изделие или отправлять его на перепокрытие.

Важную роль здесь играет как электролит, в котором наносится покрытие, так и режим нанесения покрытия (температура, плотность тока). Так например в одном электролите хромирования можно получить хромовое покрытие с твердостью от 500 до 1100 кгс/мм2.

Если говорить об электролите – 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 малейшей гибке изделия.

дальнейшее чтение

• Чинн, Р. Л. (2009). «Твердость, подшипники и Роквеллы». Современные материалы и процессы
  .
  167
  (10): 29–31.
• Дэвис, Дж. Р. (ред.). (2002). Поверхностное упрочнение сталей: основы.
  Парк материалов, Огайо: ASM International.
• Дитер, Джордж Э. (1989). Механическая металлургия.
  SI Метрическая адаптация. Мейденхед, Великобритания: McGraw-Hill Education. ISBN 0-07-100406-8
• Мальцбендер, J (2003). «Прокомментируйте определения твердости». Журнал Европейского керамического общества
  .
  23
  (9): 9. Дои:10.1016 / S0955-2219 (02) 00354-0.
• Реванкар, Г. (2003). «Введение в испытания на твердость». Механические испытания и оценка
  , ASM Online Vol. 8.

Шкала Мооса

Шкала твердости по Моосу является относительной и применяется она исключительно для минералов. В качестве эталонных выбрано десять минералов, которые были расположены в порядке возрастания их твердости (на фотосхеме ниже). Соответственно, шкала имеет 10 баллов (от 1 до 10).

Минералогическая шкала твердости была предложена немецким ученым Фридрихом Моосом еще в 1811 году. Тем не менее в геологии она используется до сих пор.

Как определить твердость конкретного минерала по шкале Мооса? Это можно сделать при помощи внимательного рассмотрения царапины, оставленной образцом. При этом удобно пользоваться ногтем, медной монетой, куском стекла или стальным ножом.

Итак, если тестируемый минерал пишет по бумаге, не царапая ее, то его твердость равна единице. Если камень легко царапается ногтем, его твердость – 2. Три балла имеют минералы, которые легко царапаются ножом. Если же нужно приложить некоторые усилия, чтобы оставить на камне отметку, то его твердость равна 4 или 5. Минералы с твердостью 6 или выше сами оставляют царапины на лезвии ножа.