Про що йдеться? Твердість металів є однією з механічних властивостей. Ця, а також інші характеристики дають змогу говорити про широке і різноманітне застосування цих матеріалів у машинобудуванні.
Як визначити? Для визначення твердості металів використовуються загальноприйняті розроблені методики. Шкали Брінелля, Мооса, Роквелла та інших дадуть змогу не тільки оцінити матеріал, а й підказати, де можна його застосувати.
Твердість металу - це здатність кристалічної решітки даного матеріалу протистояти руйнівному впровадженню в його зовнішні шари більш твердих тіл. Іншими словами, це властива винятково цьому матеріалу характеристика опірності будь-яким деформувальним впливам.
Твердість металу визначається за допомогою впливу на випробовуваний зразок іншого твердого тіла - індентора. В якості останнього може виступати:
Вплив індентора на випробовуваний зразок здійснюється з певним зусиллям, внаслідок чого на пробнику залишається слід/відбиток, за глибиною та іншими параметрами якого визначається твердість випробовуваного матеріалу. Але це не єдиний спосіб її визначення. Часто застосовуються динамічні, статичні та кінематичні методи виявлення твердості:
У всіх вищевказаних випадках твердість та інші механічні властивості металів досліджуються шляхом:
Нині лабораторії на підприємствах для визначення твердості металів користуються здебільшого методами Брінелля, Роквелла, Шора і Віккерса.
Більша частина відомих людству матеріалів взагалі і металів зокрема давно вивчені на предмет фізичних характеристик і хімічних властивостей. Всі ці дані систематизовані і наведені в табличний вигляд, що спрощує користування такою інформацією. При цьому вказані значення твердості металів як до обробки, так і після різних впливів на них (наприклад, після термічної або холодної обробки).
Однак після найменшої зміни складу сплаву (наприклад, при змішуванні його з будь-якою легуючою добавкою) весь цикл вимірювань і випробувань, зокрема на твердість, проводиться спочатку.
Кольорові метали
Твердість кольорових металів, як правило, завжди нижча, ніж чорних. У їхній структурі відсутні жорсткі включення, крім того, їх вельми складно піддати зміцненню (наприклад, загартуванню) або яким-небудь іншим способом підвищити твердість. Винятком є титан.
Чорні метали
У цю категорію потрапляють сталь (як вуглецеві, так і леговані типи), феросплави, а також чавун, для різних видів якого також розроблено велику кількість легуючих добавок, що кардинально змінюють властивості вуглецевого заліза. Також до цього розряду відносять ванадій і марганець. Серед чорних металів найбільша твердість у сталі.
Оцінимо загальні характеристики чорних металів:
Позначення твердості металів залежить від того, яким методом проводилися ці вимірювання. Змінюється навіть маркування характеристики твердості. Ба більше, цей параметр не входить до загальноприйнятої системи одиниць, а тому не існує і єдиного стандарту в номенклатурі та позначеннях.
Як же перевіряють твердість металів? Наприклад, метод Бріннеля передбачає виявлення твердості в кгс/мм2. Твердість металів - це відносна характеристика, тобто показники правильно оцінювати тільки у співвідношенні один з одним:
З наведених прикладів очевидно, що будь-яке залізо або його сплав є в 6 разів твердішою речовиною, ніж будь-яка речовина зі значним відсотком вмісту алюмінію.
Наступний спосіб, що вимагає більш докладного розгляду, - метод Роквелла. У його шкалі одна поділка відповідає переміщенню нормативного конуса вглиб досліджуваного матеріалу на 2 мікрони (мкм). Маркування передбачає початкове проставлення індексу, потім однієї з літер (А, В або С) і далі - цифрового значення (якщо ж на заготівлі твердість металу позначена як НВ, то це одиниці виміру за Роквеллом).
Твердість металів тут позначається як цифра після літери, яка є характеристикою вм'ятини, що утворилася. Також можна зустріти маркування: кілька цифр і літери HV - це вже метод Віккерса. Якщо ж запис має, наприклад, такий вигляд: 90 HSD, то випробування проводилося за методикою Шора. Існує кілька методів випробування металів на твердість.
Юхан Августович Бріннель - шведський металург, який висунув пропозицію про доцільність проведення випробувань металів під статичним навантаженням. Було сконструйовано стенд для здійснення впливу на досліджуваний зразок із навантаженням, не менше ніж 30 кН. Як індентор використовували кульку діаметром 1/16 дюйма, виготовлену з твердого сплаву.
Процес виявлення характеристики твердості за Бріннелем виглядає так:
Віденський професор Людвіг докладно описав цей метод у своїй книзі "Die Kegelprobe" (нім. - "Випробування конусом"). Наконечник приладу для вимірювання твердості металу в цьому методі виготовлений зі сталі або алмазу.
Твердомір із таким індентором винайшли Г'ю і Стенлі Роквелли для того, щоб перед термічною або механічною обробкою заготовки можна було оперативно оцінити її твердість. Роквели шукали спосіб прискореного визначення твердості металів для застосування цих даних при виготовленні підшипників.
Результати оцінки твердості металів за Роквеллом вказуються в таблицях з одинадцятьма шкалами (з буквеними позначеннями від А до Т). Індентори або виконуються з алмазів із закругленою під кутом 120° голівкою, або вони мають сферичну форму і виготовляються з інструментальної сталі або ж карбіду вольфраму.
Навантаження, що застосовуються під час методу Роквелла, становлять 60, 100 або 150 кгс. Зрозуміло, немає ніякого сенсу сильно тиснути на м'які метали, тому загальний принцип тут такий: що м'якший зразок, то нижчий тиск.
ГОСТ 2999-75 (СТ СЕВ 470-77) і ISO 6507 регламентує спосіб випробування металів і сплавів. Ці технічні умови передбачають використання індентора у вигляді алмазної піраміди з кутом 136°. Звичайне позначення при такому методі дослідження починається з "HV". Далі йде числове значення, яке отримують шляхом ділення величини навантаження на площу конусного відбитка. Ця процедура відповідає методиці Віккерса.
Твердість за методом Віккерса визначають для тонкостінних зразків, а також для матеріалів, що пройшли процедуру азотування або цементування. Навантаження при дослідженні прикладається протягом не менше 5 секунд.
Метод Альберта Ф. Шора називають динамічним через механіку проведення дослідження. Над поверхнею досліджуваного зразка відпускають сталеву кулю або стрижень зі сферичним торцем, який перебуває на певній висоті (так, щоб траєкторія його руху становила з поверхнею заготовки прямий кут). Висновок про твердість матеріалу роблять за висотою відскоку кульки або стрижня. Для цього використовують спеціальний прилад - дюрометр.
Міжнародний стандарт ISO 868 регламентує результати цих випробувань. Оцінка твердості зазвичай здійснюється за двома шкалами: А і D. Однак більш чутливі й точні дюрометри можуть класифікувати твердість одразу за шістьма шкалами (A, B, C, D, O і OO).
Дюрометр складається з таких деталей:
Зрозуміло, відсутність єдиної системи вимірювань, а також безліч різноманітних методик оцінки твердості матеріалів створює чималі труднощі для проведення різних лабораторних досліджень. Завжди доводиться починати з того, щоб співвіднести одиниці вимірювання в різних стандартах. У кожній країні користуються переважно якоюсь однією методикою, проте в умовах інтенсивного міжнародного товарообігу трапляються незвичні маркування та оціночні значення.
Слід зазначити, що ці табличні значення не можна назвати ідеально точними (скоріше, приблизними). Річ у тім, що сам індентор може бути виготовлений з різних матеріалів, сталей і сплавів, які пройшли різну обробку. Крім того, немає гарантії, що при всіх вимірах досліджувалися ідентичні матеріали.
Твердість металів вимірюється на всіх рівнях промислового виробництва, адже це одна з фундаментальних характеристик, яка визначає можливість існування тих чи інших технологій і навіть рівень розвитку самого технічного прогресу.
Тому визначення твердості матеріалів (зокрема, металів) має настільки велике значення і для прикладної науки, і для лабораторій промислових підприємств, яким життєво необхідно розуміти, якими властивостями володіють заготовки та напівфабрикати, що надходять.
