СЛОВАРЬ НК
Твердость
Твёрдость любого металла является его способностью при механическом воздействии более твёрдого предмета противостоять пластическим и упругим деформациям, а также разрушению поверхностного слоя. Иными словами, это возможность сохранять целостность и форму при контактах с телами, обладающими более значительной твёрдостью.
Факторы, влияющие на твердость металлов:
• Кристаллическая структура: Твердость металлов зависит от их кристаллической структуры. Металлы, обладающие сложной упорядоченной структурой с компактной упаковкой атомов, обычно имеют высокую твердость. Например, металлы такие как железо и титан обычно являются твердыми и прочными.
• Размер атомов: Маленькие атомы металлов имеют тенденцию укреплять межатомные связи и повышать твердость материала. Например, металлы с малыми атомами, такие как вольфрам и молибден, обладают высокой твердостью. Большие атомы, напротив, могут вызывать слабые связи и более низкую твердость.
• Примеси и сплавы: Добавление примесей к металлу или создание сплавов может значительно влиять на его твердость. Например, добавление карбида вольфрама к стали может увеличить ее твердость. Также сплавы различных металлов могут иметь высокую твердость за счет образования сложной кристаллической структуры.
• Температура: Температура также оказывает влияние на твердость металлов. Обычно металлы становятся менее твёрдыми при повышении температуры из-за увеличения атомной подвижности. Некоторые металлы, однако, могут обладать высокой твердостью при высоких температурах, такие как тантал и молибден.
• Обработка и механическая обработка: Твердость металлов также может быть изменена путем обработки и механической обработки материала. Такие процессы, как закалка, отжиг, прокатка и холодная деформация, могут укрепить металлы и повысить их твердость. Однако, неправильное выполнение этих процессов может привести к пористости или искажению структуры металла, что может привести к снижению его твердости.
Влияние твердости на механические свойства.
На механические свойства металла, такие как прочность, упругость и пластичность, твердость оказывает значительное влияние. Чем выше твердость материала, тем лучше его устойчивость к истиранию и царапинам. Это делает материал более долговечным и устойчивым к повреждениям.
Однако, очень высокая твердость может снижать упругость и пластичность материала. Упругость – это способность материала возвращать свою форму после удаления деформации. Пластичность – способность материала деформироваться без разрушения. Поэтому, материалы с высокой твердостью могут быть более хрупкими и неспособными к пластической деформации.
Также, твердость металла может влиять на его прочность. Прочность – это способность материала сопротивляться разрушению под воздействием нагрузки. Высокая твердость может увеличить прочность материала за счет улучшения его способности сопротивляться разрушению.
В машиностроении, например, твердость металлов определяет их прочность, износостойкость и возможность использования в условиях высоких нагрузок. Использование материалов с низкой твердостью может привести к быстрому износу и поломке механизмов. Поэтому инженеры и дизайнеры в этой отрасли уделяют особое внимание выбору материалов с оптимальной твердостью.
В авиационной и космической промышленности твердость также является критическим фактором. Здесь важно обеспечить высокую прочность и надежность материалов, которые выдерживают огромные нагрузки и экстремальные условия окружающей среды. Твердость металла может быть решающим фактором при выборе материалов для конструкции крыла самолета или корпуса космического корабля.
В строительной отрасли твердость материалов влияет на их долговечность и устойчивость к различным механическим воздействиям. Например, при выборе металлических конструкций для строительства зданий или мостов необходимо учитывать их твердость, чтобы они могли выдерживать ветровые и сейсмические нагрузки.
В области производства инструментов и оборудования, таких как ножи, сверла и пресс-формы, твердость металла может быть определяющим фактором для обеспечения долговечности и эффективности использования. Инструменты из материалов с высокой твердостью остаются острыми и износостойкими дольше, что позволяет сэкономить время и ресурсы на замене и ремонте.
Методы определения твердости.
Метод Бринелля — твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка. Единицами измерения являются кгс/мм².
Метод Роквелла - метод основан на измерении глубины проникновения твердого наконечника называемого индентором в исследуемый материал при приложении одинаковой для каждой шкалы твердости нагрузки. Максимальная твёрдость по Роквеллу соответствует HR 100. 3-й буквой в обозначении идёт наименование типа шкалы, например HRA, HRB, HRC и т.д.
Метод Виккерса - самая широкая по охвату шкала, твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. При испытании твердости по методу Виккерса, в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида. После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка. Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки P и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм2) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой для сталей 10 – 15 с, а для цветных металлов – 30 с. Преимущества метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.
Методы измерения твердости портативными твердомерами серии ТКМ:
• Ультразвуковой контактный импеданс (UCI). В объект внедряется металлический стержень с алмазным конусообразным наконечником, вследствие чего резонансная частота стержня изменяется. Величина этого затухания коррелирует с твёрдостью объекта. Считается, что UCI-метод более требователен к шероховатости поверхности. При этом требования к вертикальной ориентации датчика в момент измерения – не такие как в ударном методе, хотя в действительности датчик в любом случае надо стараться держать перпендикулярно к поверхности. Допустимым отклонением для UCI-метода считается 15 градусов. С другой стороны, ультразвуковой контактный импеданс хорош тем, что оставляет на исследуемой поверхности меньший отпечаток и больше подходит для контроля изделий малой толщины. По состоянию на декабрь 2023 года в России нет ни одного стандарта по ультразвуковому методу измерения твёрдости. Нагрузка для метода UCI она может составлять 1, 5 или 10 кг. Подробнее с техническими характеристиками с ТКМ-459 можно ознакомиться по данной ссылке.
• Динамический метод (ударный, Leeb). Основан на измерении отношения скорости падения бойка к скорости отскока. По сравнению с UCI данный метод хорош большей стабильностью и воспроизводимостью показаний. Правда, работает он преимущественно на толстостенных объектах, с достаточными весогабаритными характеристиками. В момент спуска бойка датчик должен располагаться строго вертикально относительно поверхности ОК. Отпечаток при этом остаётся больше, чем после ультразвукового преобразователя. Индентор представляет собой шарик из карбида вольфрама (либо кубического нитрида Бора) диаметром 1,5–5 мм. Ещё одно существенное отличие в том, что определение твёрдости металлов и сплавов по шкалам Либа регламентировано государственным стандартом. Это ГОСТ Р 8.969-2019 "Государственная система обеспечения единства измерений. Металлы и сплавы. Определение твёрдости по шкалам Либа. Часть 1. Метод измерений", который вступил в силу 1 марта 2020 года. И хотя большинство приборов на рынке реализуют именно ударный метод, не все производители заявляют о возможности измерений в HL. Связано это с тем, что стандарт был принят относительно недавно, и не все успели привести свои датчики в соответствии с ним. Ознакомится с прибором ТКМ-359 можно тут.
Факторы, влияющие на твердость металлов:
• Кристаллическая структура: Твердость металлов зависит от их кристаллической структуры. Металлы, обладающие сложной упорядоченной структурой с компактной упаковкой атомов, обычно имеют высокую твердость. Например, металлы такие как железо и титан обычно являются твердыми и прочными.
• Размер атомов: Маленькие атомы металлов имеют тенденцию укреплять межатомные связи и повышать твердость материала. Например, металлы с малыми атомами, такие как вольфрам и молибден, обладают высокой твердостью. Большие атомы, напротив, могут вызывать слабые связи и более низкую твердость.
• Примеси и сплавы: Добавление примесей к металлу или создание сплавов может значительно влиять на его твердость. Например, добавление карбида вольфрама к стали может увеличить ее твердость. Также сплавы различных металлов могут иметь высокую твердость за счет образования сложной кристаллической структуры.
• Температура: Температура также оказывает влияние на твердость металлов. Обычно металлы становятся менее твёрдыми при повышении температуры из-за увеличения атомной подвижности. Некоторые металлы, однако, могут обладать высокой твердостью при высоких температурах, такие как тантал и молибден.
• Обработка и механическая обработка: Твердость металлов также может быть изменена путем обработки и механической обработки материала. Такие процессы, как закалка, отжиг, прокатка и холодная деформация, могут укрепить металлы и повысить их твердость. Однако, неправильное выполнение этих процессов может привести к пористости или искажению структуры металла, что может привести к снижению его твердости.
Влияние твердости на механические свойства.
На механические свойства металла, такие как прочность, упругость и пластичность, твердость оказывает значительное влияние. Чем выше твердость материала, тем лучше его устойчивость к истиранию и царапинам. Это делает материал более долговечным и устойчивым к повреждениям.
Однако, очень высокая твердость может снижать упругость и пластичность материала. Упругость – это способность материала возвращать свою форму после удаления деформации. Пластичность – способность материала деформироваться без разрушения. Поэтому, материалы с высокой твердостью могут быть более хрупкими и неспособными к пластической деформации.
Также, твердость металла может влиять на его прочность. Прочность – это способность материала сопротивляться разрушению под воздействием нагрузки. Высокая твердость может увеличить прочность материала за счет улучшения его способности сопротивляться разрушению.
В машиностроении, например, твердость металлов определяет их прочность, износостойкость и возможность использования в условиях высоких нагрузок. Использование материалов с низкой твердостью может привести к быстрому износу и поломке механизмов. Поэтому инженеры и дизайнеры в этой отрасли уделяют особое внимание выбору материалов с оптимальной твердостью.
В авиационной и космической промышленности твердость также является критическим фактором. Здесь важно обеспечить высокую прочность и надежность материалов, которые выдерживают огромные нагрузки и экстремальные условия окружающей среды. Твердость металла может быть решающим фактором при выборе материалов для конструкции крыла самолета или корпуса космического корабля.
В строительной отрасли твердость материалов влияет на их долговечность и устойчивость к различным механическим воздействиям. Например, при выборе металлических конструкций для строительства зданий или мостов необходимо учитывать их твердость, чтобы они могли выдерживать ветровые и сейсмические нагрузки.
В области производства инструментов и оборудования, таких как ножи, сверла и пресс-формы, твердость металла может быть определяющим фактором для обеспечения долговечности и эффективности использования. Инструменты из материалов с высокой твердостью остаются острыми и износостойкими дольше, что позволяет сэкономить время и ресурсы на замене и ремонте.
Методы определения твердости.
Метод Бринелля — твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка. Единицами измерения являются кгс/мм².
Метод Роквелла - метод основан на измерении глубины проникновения твердого наконечника называемого индентором в исследуемый материал при приложении одинаковой для каждой шкалы твердости нагрузки. Максимальная твёрдость по Роквеллу соответствует HR 100. 3-й буквой в обозначении идёт наименование типа шкалы, например HRA, HRB, HRC и т.д.
Метод Виккерса - самая широкая по охвату шкала, твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. При испытании твердости по методу Виккерса, в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида. После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка. Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки P и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм2) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой для сталей 10 – 15 с, а для цветных металлов – 30 с. Преимущества метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.
Методы измерения твердости портативными твердомерами серии ТКМ:
• Ультразвуковой контактный импеданс (UCI). В объект внедряется металлический стержень с алмазным конусообразным наконечником, вследствие чего резонансная частота стержня изменяется. Величина этого затухания коррелирует с твёрдостью объекта. Считается, что UCI-метод более требователен к шероховатости поверхности. При этом требования к вертикальной ориентации датчика в момент измерения – не такие как в ударном методе, хотя в действительности датчик в любом случае надо стараться держать перпендикулярно к поверхности. Допустимым отклонением для UCI-метода считается 15 градусов. С другой стороны, ультразвуковой контактный импеданс хорош тем, что оставляет на исследуемой поверхности меньший отпечаток и больше подходит для контроля изделий малой толщины. По состоянию на декабрь 2023 года в России нет ни одного стандарта по ультразвуковому методу измерения твёрдости. Нагрузка для метода UCI она может составлять 1, 5 или 10 кг. Подробнее с техническими характеристиками с ТКМ-459 можно ознакомиться по данной ссылке.
• Динамический метод (ударный, Leeb). Основан на измерении отношения скорости падения бойка к скорости отскока. По сравнению с UCI данный метод хорош большей стабильностью и воспроизводимостью показаний. Правда, работает он преимущественно на толстостенных объектах, с достаточными весогабаритными характеристиками. В момент спуска бойка датчик должен располагаться строго вертикально относительно поверхности ОК. Отпечаток при этом остаётся больше, чем после ультразвукового преобразователя. Индентор представляет собой шарик из карбида вольфрама (либо кубического нитрида Бора) диаметром 1,5–5 мм. Ещё одно существенное отличие в том, что определение твёрдости металлов и сплавов по шкалам Либа регламентировано государственным стандартом. Это ГОСТ Р 8.969-2019 "Государственная система обеспечения единства измерений. Металлы и сплавы. Определение твёрдости по шкалам Либа. Часть 1. Метод измерений", который вступил в силу 1 марта 2020 года. И хотя большинство приборов на рынке реализуют именно ударный метод, не все производители заявляют о возможности измерений в HL. Связано это с тем, что стандарт был принят относительно недавно, и не все успели привести свои датчики в соответствии с ним. Ознакомится с прибором ТКМ-359 можно тут.
