Твердость сталей и сплавов: определение, методы измерения и влияющие факторы

Твердость — одно из основных механических свойств, которое напрямую влияет на обрабатываемость сталей и сплавов. Материалы с высокой твердостью требуют использования более мощного оборудования и инструментов для обработки, что может существенно увеличить время производства и конечную стоимость готовых изделий. Излишняя мягкость может привести к появлению дефектов поверхности, таких как заусенцы и царапины, в процессе обработки.

Определение твердости и ее значение в промышленности

Твердость — это механическое свойство, определяющее способность материала сопротивляться пластической деформации, вдавливанию, истиранию и разрушению при локальном воздействии. При выборе сталей и сплавов для ответственных конструкций и важных узлов оборудования этот параметр играет решающую роль. В таких отраслях, как машиностроение, металлургия, авиационная и автомобильная промышленность, от уровня твердости напрямую зависит износостойкость, прочность и долговечность готовых изделий.

Инструментальные стали, используемые для производства сверл, фрез и токарных резцов, должны обладать высокой твердостью, чтобы сохранять режущую способность при интенсивных нагрузках. В автомобилях и летательных аппаратах элементы двигателей и трансмиссии должны сочетать оптимальные уровни твердости и вязкости, что обеспечивает устойчивость узлов и деталей к износу и механическим нагрузкам. Однако чрезмерная твердость может снизить обрабатываемость материала и привести к повышенной хрупкости.

Методы измерения твердости

В современной промышленности для анализа сталей и сплавов применяют несколько методов. Все они основаны на вдавливании инденторов в поверхность материала или царапании контрольного образца. 

Метод Бринелля (HB)

Применяют для мягких и среднетвердых материалов, включая конструкционные и углеродистые стали. 

Определение твердости по Бринеллю относится к методам вдавливания и предусматривает определение свойства по диаметру отпечатка, оставшегося после снятия приложенной нагрузки.

Принцип измерения:

1. Подготовленный образец фиксируют на твердой поверхности.
2. В поверхность вдавливают закаленный стальной или твердосплавный шарик диаметром 2,5, 5 или 10 мм.
3. С помощью специального пресса прикладывают статическую нагрузку от 625 H до 30 000 H в зависимости от испытываемого материала.
4. После выдержки в течение определенного времени (обычно 10–30 секунд) нагрузку снимают, а диаметр отпечатка измеряют с высокой точностью при помощи лупы или микроскопа.
5. Твердость рассчитывают как отношение приложенной нагрузки к площади сферического отпечатка.

Преимущества метода:

• Подходит для исследования неоднородных и крупнозернистых материалов.
• Простота исполнения и удобство в использовании.
• Высокая точность и воспроизводимость результатов.

Недостатки:

• Не подходит для очень твердых материалов. 
• Требует тщательной подготовки поверхности для точных измерений.

Метод Роквелла (HR)

Основан на измерении глубины вдавливания индентора (алмазного конуса или стального шарика) в поверхность образца при воздействии двух последовательных нагрузок. Этот метод является одним из наиболее распространенных из-за своей простоты и быстроты. 

Этапы испытания:

1. На твердую поверхность устанавливают подготовленный образец.
2. Чтобы устранить влияние неровностей поверхности, к образцу прилагают предварительную нагрузку (P₀).
3. С помощью индентора прилагают основную нагрузку (Р). Для мягких материалов используют алмазный конус, для твердых — стальной шарик.
4. После снятия нагрузки фиксируют остаточную глубину вдавливания (h).

Твердость определяют как разницу между глубиной отпечатка после вдавливания индентора под действием основной и предварительной нагрузок. Исследуемое свойство выражается в единицах твердости по Роквеллу.

Шкалы измерения:

• HRA — в качестве индентора используется алмазный конус, максимальная нагрузка составляет 60 кгс. Применяется для особо твердых материалов, таких как карбиды, цементированные стали, жаропрочные сплавы.
• HRB — индентор — стальной шарик, испытательная нагрузка — 100 кгс. Шкала используется для среднетвердых металлов: медных и алюминиевых сплавов, мягких сталей, ковких видов чугуна.
• HRC — предусматривает использование индентора в виде алмазного конуса и полную нагрузку при испытаниях в 150 кгс. HRC считается универсальной шкалой и широко применяется для исследования высокоуглеродистых сталей и сплавов, прошедших термическую обработку.

Преимущества метода:

• Простота и удобство измерений
• Повторяемость результатов и высокая точность определения твердости.
• Возможность измерения свойств широкого диапазона материалов.

Недостатки:

• Требует тщательной подготовки поверхности образцов.
• При высоких нагрузках может изменить структуру образцов, поэтому имеет ограничения при измерении тонких материалов.
• При использовании различных шкал может вызывать сложности в интерпретации результатов.

Метод Виккерса (HV)

Относится к статичным методам и используется для исследования способности материала сопротивляться пластической деформации. Позволяет определить твердость мелких деталей, тонкостенных изделий, сварных швов, высокопрочных покрытий. В методе Виккерса индентором выступает четырехгранная алмазная пирамидка с двугранным углом у вершины 136°. 

Принцип испытания:

1. Алмазный индентор вдавливают в материал под нагрузкой до 100 кгс на 10–15 секунд.
2. После снятия нагрузки на поверхности образца остается отпечаток. 
3. Твердость определяется как отношение нагрузки к площади пирамидального отпечатка.

Твердость выражается в единицах HV и определяется при нагрузке в 30 кгс и времени выдержки от 10 до 15 секунд (в соответствии с ГОСТ 2999-75). Если условия испытания отличались от стандартных, то после букв указывают прилагаемую нагрузку и время выдержки. Например, 500 HV 60/20 означает, что материал испытывали при нагрузке в 60 кгс и времени выдержки 20 секунд.

Плюсы метода:

• Высокая точность и воспроизводимость результатов.
• Возможность исследовать достаточно тонкие образцы.
• Возможность применять метод для анализа различных сталей и сплавов, керамики, полимеров и других материалов.

Минусы:

• Длительность проведения испытания.
• Необходимость тщательной подготовки поверхности образцов.

Факторы, влияющие на твердость 

На твердость сталей и сплавов влияют следующие факторы:

• Химический состав: легирующие элементы значительно изменяют физико-механические свойства стали. Например, углерод способствует образованию цементита, который упрочняет сталь, но его избыток ухудшает пластичность. Хром увеличивает твердость и коррозионную стойкость, молибден повышает прочность при высоких температурах, а ванадий уменьшает зерно и улучшает прочность на разрыв. Никель и медь улучшают пластичность сплавов.
• Термическая обработка — при закалке аустенит превращается в мартенсит, что повышает твердость материала, но делает его хрупким. Для снижения хрупкости применяют отпуск. Отжиг улучшает пластичность и снимает внутренние напряжения. В ходе отжига металл медленно охлаждают, что способствует образованию более крупнозернистой структуры и снижению твердости.
• Механическая обработка, такая как ковка, прокатка, штамповка, а также последующая обработка металла, может значительно повысить твердость материала. Эти процессы изменяют структуру сталей и сплавов и увеличивают их механические характеристики за счет дислокационного упрочнения.
• Размер зерен в металле непосредственно влияет на его твердость и другие механические свойства. Это явление объясняется эффектом, известным как «эффект границы зерен». Меньший размер зерен способствует повышению твердости материала, поскольку более мелкие зерна затрудняют движение дислокаций, которые отвечают за пластическую деформацию.
• Нежелательные примеси, такие как сера, фосфор, кислород и азот, могут негативно сказаться на твердости и других механических свойствах металлов. Эти элементы, как правило, образуют вредные включения, которые ослабляют структуру материала и повышают его склонность к хрупкости.
• Состояние поверхности — твердость поверхности материала может значительно отличаться от твердости его объемной части, в зависимости от способов обработки. После шлифовки, полировки или термической обработки поверхности могут возникать сжимающие напряжения, которые повышают твердость верхнего слоя.

Для создания высококачественных материалов, отвечающих современным требованиям промышленности, необходимо тщательно контролировать все эти параметры, чтобы достичь оптимального сочетания твердости, пластичности и износостойкости.

Продукция ПЗПС

Петербургский завод прецизионных сплавов выпускает широкий ассортимент высококачественных материалов, включая:

• прецизионные сплавы: 40КХНМ, 36НХТЮ, 17ХНГТ;
• коррозионностойкие стали: 12Х18Н10Т, 12Х18Н9, 10Х17Н13М3Т;
• прецизионные сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения: 29НК, 36Н, 42Н;
• пружинные и инструментальные стали: У8А, У10А, 65Г, 60С2А, 70С2ХА;
• жаропрочные сплавы: ХН78Т, 20Х13.

Все материалы соответствуют международным стандартам качества и сертифицированы. Для получения дополнительной информации или сотрудничества, пожалуйста, свяжитесь с нами по указанным телефонам или оставьте заявку на сайте. Наши специалисты помогут вам выбрать материалы, идеально соответствующие требованиям вашего проекта.

‍