Твердость стали hrc что это?

Твердость – главный показатель качества инструмента

Выбирая инструмент для работы, мы сталкиваемся с такой его характеристикой как твердость, которая характеризует его качество. Чем выше этот показатель, тем выше его способность сопротивляться пластической деформации и износу при воздействии на обрабатываемый материал. Именно этот показатель определяет, согнется ли зуб пилы при распиловке заготовок, или какую проволоку смогут перекусить кусачки.

Метод Роквелла

Среди всех существующих методов определения твердости сталей и цветных металлов самым распространенным и наиболее точным является метод Роквелла.

Метод Роквелла — определение твердости металла

Проведение измерений и определение числа твердости по Роквеллу регламентируется соответствующими документами ГОСТа 9013-59. Этот метод реализуется путем вдавливания в тестируемый материал инденторов – алмазного конуса или твердосплавного шарика. Алмазные инденторы используются для тестирования закаленных сталей и твердых сплавов, а твердосплавные шарики – для менее твердых и относительно мягких металлов. Измерения проводят на механических или электронных твердомерах.

Методом Роквелла предусматривается возможность применения целого ряда шкал твердости A, B, C, D, E, F, G, H (всего – 54), каждая из которых обеспечивает наибольшую точность только в своем, относительно узком диапазоне измерений.

Для измерения высоких значений твердости алмазным конусом чаще всего используются шкалы «А», «С». По ним тестируют образцы из закаленных инструментальных сталей и других твердых стальных сплавов. А сравнительно более мягкие материалы, такие как алюминий, медь, латунь, отожженные стали испытываются шариковыми инденторами по шкале «В».

Пример обозначения твердости по Роквеллу: 58 HRC или 42 HRB.

Впереди стоящие цифры обозначают число или условную единицу измерения. Две буквы после них – символ твердости по Роквеллу, третья буква – шкала, по которой проводились испытания.

(!) Два одинаковых значения от разных шкал – это не одно и то же, например, 58 HRC ≠ 58 HRA. Сопоставлять числовые значения по Роквеллу можно только в том случае, если они относятся к одной шкале.

Диапазоны шкал Роквелла по ГОСТ 8.064-94:

Слесарный инструмент

Инструменты для ручной обработки металлов (рубка, резка, опиливание, клеймение, пробивка, разметка) изготавливают из углеродистых и легированных инструментальных сталей. Их рабочие части подвергают закаливанию до определенной твердости, которая должна находиться в пределах:

Монтажный инструмент

Сюда относятся различные гаечные ключи, отвертки, шарнирно-губцевый инструмент. Норму твердости для их рабочих частей устанавливают действующие стандарты. Это очень важный показатель, от которого зависит, насколько инструмент износостоек и способен сопротивляться смятию. Достаточные значения для некоторых инструментов приведены ниже:

Металлорежущий инструмент

В эту категорию входит расходная оснастка для обработки металла резанием, используемая на станках или с ручными инструментами. Для ее изготовления используются быстрорежущие стали или твердые сплавы, которые сохраняют твердость в холодном и перегретом состоянии.

Примечание: Некоторые производители фрез указывают в маркировке твердость не самой фрезы, а материала, который она может обрабатывать.

Крепежные изделия

Существует взаимосвязь между классом прочности крепежа и его твердостью. Для высокопрочных болтов, винтов, гаек эта взаимосвязь отражена в таблице:

Если для болтов и гаек главной механической характеристикой является класс прочности, то для таких крепежных изделий как стопорные гайки, шайбы, установочные винты, твердость не менее важна.

Стандартами установлены следующие минимальные / максимальные значения по Роквеллу:

Относительное измерение твердости при помощи напильников

Стоимость стационарных и портативных твердомеров довольно высока, поэтому их приобретение оправдано только необходимостью частой эксплуатации. Многие мастеровые по мере надобности практикуют измерять твердость металлов и сплавов относительно, при помощи подручных средств.

Измерение твердости при помощи напильников

Опиливание образца напильником – один из самых доступных, однако далеко не самый объективный способ проверки твердости стальных деталей, инструмента, оснастки. Напильник должен иметь не затупленную двойную насечку средней величины №3 или №4. Сопротивление опиливанию и сопровождающий его скрежет позволяет даже при небольшом навыке отличить незакаленную сталь от умеренно (40 HRC) или твердо закаленной (55 HRC).

Для тестирования с большей точностью существуют наборы тарированных напильников, именуемые также царапающий твердомер. Они применяются для испытания зубьев пил, фрез, шестерен. Каждый такой напильник является носителем определенного значения по шкале Роквелла. Твердость измеряется коротким царапанием металлической поверхности поочередно напильниками из набора. Затем выбираются два близко стоящие – более твердый, который оставил царапину и менее твердый, который не смог поцарапать поверхность. Твердость тестируемого металла будет находиться между значениями твердости этих двух напильников.

Переводная таблица твердости

Для сопоставления чисел твердости Роквелла, Бринелля, Виккерса, а также для перевода показателей одного метода в другой существует справочная таблица:

Примечание: В таблице приведены приближенные соотношения чисел, полученные разными методами. Погрешность перевода значений HV в HB составляет ±20 единиц, а перевода HV в HR (шкала C и B) до ±3 единиц.

При выборе инструмента желательно предпочесть модели известных производителей. Это дает уверенность в том, что приобретаемый продукт изготовлен с соблюдением технологий, а его твердость отвечает заявленным значениям.

Соотношение твердости по Роквеллу и Бринеллю различных изделий.

Что такое твердость по Роквеллу (HRC)?

Показатель HRС относится к шкале Роквелла по шкале твердости, часть C. Шкала Роквелла широко используется металлургами для определения того, насколько твердый кусок стали: чем больше число, тем тверже сталь. Рейтинг конкретного металла важен для изготовителя ножей, потому что более твердая сталь будет держать кромку лучше, чем более мягкая сталь.

Существует несколько различных шкал Роквелла; каждая из них используется для разных материалов. Шкала С используется специально для оценки стали, используемой в ножах и инструментах.

Показатель твердости стали

Самый высокий показатель HRC не обязательно является лучшим.

Более твердая сталь, как правило, лучше держит кромку, чем более мягкая сталь, но она также с большей вероятностью трескается или выходит из строя. На самом деле, если она действительно твердая, она может разбиться, как стекло на бетоне!

Сталь, используемая при изготовлении ножа, также имеет большое отношение к тому, насколько хорошо нож будет удерживать кромку. Каждый отдельный стальной сплав имеет свой оптимальный диапазон, который уравновешивает твердость с производительностью и предназначением.

Так почему же показатель ножа по Роквеллу имеет значение? Что такое хорошая твердость по Роквеллу для ножа?

Твердость ножа очень важна с точки зрения его производительности и долговечности. Например, более твердая сталь с RC 58-62 будет держать кромку лучше, чем более мягкая сталь. Однако, эта же самая твердая сталь менее прочна и более склонна к растрескиванию или даже поломке. Некоторые кухонные ножи с высокой твердостью требуют особой осторожности, чтобы не повредить тонкую режущую кромку.

Более мягкая сталь более долговечна за счет свой высокой упругости. В большинстве топоров и зубил используется более мягкая сталь, которая выдерживает удары, с которыми они сталкиваются в повседневной работе.

Поскольку карманные ножи и охотничьи ножи обычно не используются для строгания и рубки древесины, они выигрывают от использования более прочной стали, которая сохраняет отличную остроту для нарезки мягких материалов.

Однако, нож для выживания, к которому вы собираетесь приложить экстремальные усилия, только выиграет от твердости по Роквелу 55-58. Нож, который мог бы резать кости и твердую древесину, в первую очередь, должен быть прочным. Нож с более низкой твердостью может затупиться быстрее, но с большей вероятностью переживет большое количество ударов и механических повреждений.

Испытание по Роквеллу помогает производителям ножей уравновешивать три наиболее важных фактора, которые могут повлиять на качество их готовой продукции: твердость, гибкость и вязкость. Наличие этих трех факторов в правильном балансе позволяет им производить ножи для различных сфер использования.

Существует несколько различных аббревиатур, которые могут использоваться изготовителем ножей при указании твердости: HR, HRc, HR C, RC, Rc, C по шкале Роквелла, шкала твердости Роквелла C. Независимо от того, как написано о ножевой стали, все они ссылаются на одну и ту же шкалу С. Это может немного запутать, но просто знайте, что рейтинги сами по себе одинаковы — какое бы обозначение не использовал производитель.

Стэнли П. Роквелл был металлургом на заводе по производству шарикоподшипников в Новой Англии в 1919 году. Он разработал шкалу твердости для того, чтобы измерять твердость шариков для подшипников быстро, точно и с высокой повторяемостью.

Производители всего, начиная от пружин для часов и заканчивая колесами для поездов, давно нуждались в таком испытании и быстро применяли шкалу Роквелла для всех видов стали, а также других металлов, деталей. В конце концов, тест был адаптирован даже для испытаний неметаллических материалов — даже пластмасс.

Как измеряется твердость по шкале Роквелла?

Шкала Роквелла измеряет относительную твердость металла. Она основана на том, насколько глубокой является полученная вмятина при ударе тяжелого предмета. Так как же проводят испытания металла?

Во-первых, металл должен быть термически обработан и абсолютно плоским. Иначе результаты теста будут неточными.

Одним из методов является использование конуса с алмазным наконечником для принудительного удара по металлу. Затем тестеры измеряют, насколько глубоко конус проник в поверхность. Затем, это измерение преобразуется в шкалу, которая показывает различные металлы, которые были испытаны, и как они все связаны друг с другом.

Одним из небольших недостатков при испытании клинка ножа является то, что оно оставляет небольшую точечную вмятину на поверхности, что некоторые могут счесть дефектом. Знак испытания может быть скрыт, если испытание проводится в области, которая находится под рукояткой.

Тест Роквелла фактически состоит из двух тестов. Во время первого испытания создается лишь незначительное усилие, используя алмазный наконечник, похожий на карандаш в сверлильном станке. Это гарантирует, что зона испытания абсолютно плоская и является мишенью для основного испытания на давление. После того, как сделано первое измерение, тест повторяется в той же точке. Давление резко возрастает для этого второго теста, при этом приблизительно 150 кг. давления находятся на этом алмазном наконечнике.

Разница между давлением, использованным для первого и второго испытания, представляет собой число твердости по шкале Роквелла. Два (или более) испытания одного и того же куска металла дадут среднее значение для данного конкретного куска стали.

Почему всегда указывается диапазон значений по шкале Роквелла?

Поскольку испытания по Роквеллу проводятся только на небольшом участке металла, возможно, что на близлежащем участке могут быть получены слегка отличающиеся числа. Кроме того, испытание по Роквеллу проверяет только поверхность материала. Возможно, что твердость внутри может отличаться от результатов на поверхности. По этой причине производители обычно перечисляют ряд чисел для указания твердости. Наличие диапазона номеров допускает погрешность в результатах испытания. Фактические результаты для всего объекта будут находиться где-то в пределах этого диапазона.

Что нужно знать про ножевые стали. И нужно ли гнаться за высокой твердостью?

Одним из главных вопросов, которые ставит перед собой покупатель ножа: «Из какой стали этот нож должен быть?». Попробуем вкратце рассмотреть самые популярные варианты и доходчиво ответить на этот вопрос.

Для начала, совсем кратко, о том, какие стали используются для изготовления ножей.

• Нержавеющие стали.
• Инструментальные легированные стали.
• Углеродистые и пружинные (рессорные) стали.

Нержавеющие стали

Нержавеющие стали (самые популярные в настоящее время) являются самыми универсальными. Из них можно изготовить нож почти любого назначения. Основное их отличие от других сталей — способность успешно сопротивляться коррозии (ржавчине). Для этого, обычно, в состав стали вводится легирующая добавка — хром (Cr). Содержание хрома от тринадцати процентов и выше дает материалу невосприимчивость к ржавчине. Тут надо понимать, что при неблагоприятных условиях (в соленой воде, например) может подвергаться коррозии и нержавеющая сталь. Абсолютно нержавеющих ножевых сталей не бывает, но все же в обычных бытовых условиях эти стали коррозии практически не подвержены. Так какие же конкретно эти марки сталей?

Недорогие нержавеющие стали

• российские 40Х13, 65Х13, ЭП-107 и пр.;
• европейские 1.4116, 12C27 и пр.;
• японские SUS420J2, AUS-4, AUS-6 и пр.;
• американские 420, 425, 420HC и пр.;
• китайские 4Cr13MoV, 5Cr13MoV и пр.

Как правило, из этих сталей изготавливаются недорогие кухонные и универсальные ножи. Ножи из таких сталей хорошо сопротивляются коррозии, но заточку держат неважно. Термообработать (закалить) их получается до твердости 50-54 HRC, что крайне недостаточно. Приличный нож должен иметь твердость режущей кромки (РК) не менее 55 HRC. К приятному исключению можно отнести шведскую марку 12C27, японскую AUS-6 и американскую 420HC. У ножей из трех перечисленных сталей устойчивость режущей кромки хорошая. Закаливаются такие ножи до твердости примерно 55-58 HRC, это вполне достаточно для большинства работ на кухне и работ в турпоходе или на рыбалке.

Средние по стоимости нержавеющие стали

• российские 95Х18, 110Х18 и пр.;
• европейские 1.4125, 14C28N, N690 и пр.;
• японские AUS-8, AUS-10, VG-1 и пр.;
• американские 440A, 440B, 440С и пр.;
• китайские 7Cr13MoV, 8Cr13MoV, 9Cr13MoV и пр.

Из таких сталей получаются, как правило, ножи недорогие, но очень хорошие. Прекрасно закаливаются до твердости 57-59 HRC (иногда и выше). Особо хочется выделить современную австрийско-шведскую марку N690. Эта сталь очень стабильна. Хорошо термообрабатывается. Многие производители в мире переходят на нее. В том числе, и у нас в России, т.к. наши нержавеющие стали капризны и не всегда стабильны.

Предлагем прояснить вопрос: «Что такое нож недорогой, а что такое средний и, наконец, дорогой?». Так исторически сложилось в последние 15-20 лет, что центром увлечения ножевой тематикой и законодателем мод являются Соединенные Штаты. Поэтому и стоимость ножей принято измерять в долларах США. Итак:

недорогой нож стоит до 100 долларов;

средний нож от 100 до 300 долларов;

дорогой нож от 300 долларов и выше.

То есть, нож за 400 руб. и нож за 4000 руб. считаются дешевыми. А ножи за 30 000 руб. и за 300 000 руб. оба будут дорогими. Может тут есть сильное упрощение, но так сложилось…

Дорогие нержавеющие стали:

• российская ЭП-766;
• европейские Elmax, M390 и др.;
• японские VG-10, ATS-34, R-2, ZDP-189 и пр.;
• американские 154CM, CPM S30V, CPM S35VN и пр.

Такие стали используются для изготовления авторских ножей, ножей — предметов роскоши. Как правило, ножи из таких сталей совсем недешевые. Выделить из общего списка хочется:

• российскую сталь ЭП-766 (95Х13М3К3Б2Ф) — все же приятно, что у нас не разучились работать!
• американскую 154CM – изначально сталь разрабатывалась для лопастей газовых турбин.
• японскую VG-10 – просто и надежно, проверено временем!
• австрийско-шведскую Elmax – до недавнего времени эта сталь была «последним словом» в производстве ножей.
• австрийско-шведскую M390 – наверно самую современную, но немного переоцененную на пике моды.

Клинки из таких сталей обычно имеют твердость от 58 до 61 HRC.

Инструментальные стали

А теперь поговорим о ножах из инструментальных сталей. Что это такое и зачем нужны.

Инструментальными легированными сталями обычно называют стали с высоким содержанием углерода (от 0,8 до 1,6 %) и заметным процентом легирующих добавок (от 2,5 %). Такие стали гораздо лучше большинства нержавеющих сталей «держат» режущую кромку. Их, как правило, закаливают от 60 до 64 HRC. Но нужно помнить, что такие стали не являются нержавеющими, а значит требуют ухода.

Условно можно разделить инструментальные ножевые стали на две группы.

Стали — аналоги американской D2

• российская Х12МФ;
• европейские 1.2379, K110, Z160 и пр.;
• китайская Cr12MoV.

Как правило, эти стали используются для производства разделочных и шкуросъемных ножей, а также для ножей универсальных и рабочих. Иногда из таких сталей делают и клинки для складных карманных ножей. Данные стали содержат в своем составе высокое количество углерода (1,5-1,6%), а высоким называется содержание свыше 1,0%. Обладают такие ножи отличными режущими свойствами, прекрасно держат режущую кромку, но склонны немного ржаветь. Хотелось бы заметить, что сталь D2 выпускается только в США. Если «D2» написано на клинке ножа, произведенного в России или Китае, то там, конечно, никакая не D2, а ее местный аналог. Хорошей заменой D2 является австрийско-шведская K110, очень популярная сталь, ничем не уступает американской, но достать ее проще и стоит она дешевле.

Так называемые «восьмипроцентные» стали

• американская CPM S3V;
• австрийско-шведские K340 и Vanadis 10.

Называют их «восьмипроцентными», т.к. они имеют в своем составе примерно 8,0 % хрома. Ржавеют такие стали сильнее, чем D2, но намного превосходят D2 в прочности (но D2 превосходит их в износостойкости режущей кромки). Лучше всего из таких сталей делать длинноклинковое рубящее оружие. То есть для небольших «ловких» ножей хорош D2, а для ножей с длинным клинком (от 150-250 мм) лучше CPM S3V или K340.

Другие стали

Есть, конечно, и другие виды и марки сталей. Но, как правило, обычные ножи (для кухни, рыбалки и туризма) из таких марок не делают. А если и делают, то встречаются они нечасто.

Например, углеродистые стали типа отечественных У7, У8, У10, пружинная сталь 65Г, а также инструментальные типа 9ХС, ХВГ и пр. Как правило, эти стали используются для изготовления ремесленных ножей и резцов по дереву. Они очень хорошо «держат» режущую кромку, но и ржавеют слишком охотно. На природу их лучше не брать, с продуктами питания им лучше не контактировать. Не любят такие ножи воду и влажные от пота руки. Могут покрыться ржавчиной от влаги, которая содержится в воздухе (если погода сырая или помещение слишком влажное).

Заграничными аналогами таких сталей являются:

• японская SK5;
• шведская UHB 20C;
• американские 1055, 1075, 1095;
• китайские 65Mn, T-10.

А теперь хотелось бы написать несколько слов о значении твердости. Твердость обычно измеряют по методу Роквелла, по шкале C (HRC). Для этого вдавливают в поверхность клинка специальный твердый шарик и оценивают глубину вдавливания.

Как уже упоминалось, нормальный нож должен, по нашему мнению, иметь твердость режущей кромки не менее 55 единиц. Исключением тут могут быть традиционные среднеазиатские ножи (пчаки и корды), у них твердость не превышает 50 HRC. Порезал таким ножом, тут же на обратной стороне пиалы подточил лезвие. То есть, нож слишком легко тупится, но и быстро затачивается.

Для европейских ножей, а особенно японских, такой низкий уровень твердости неприемлем. Европейские ножи, как правило, имеют твердость от 55-58 HRC.

А японцы любят высокую твердость — «перекал» 60-62 HRC, но за такую твердость нужно будет расплачиваться потерей прочности (такие ножи хрупкие). И их сложнее затачивать.

Значение твердости — это не «мегапиксели». Больше — не значит лучше. Гнаться за высоким значением не следует. Нужно ориентироваться на «золотую середину»: 56-58 HRC. Этого вполне достаточно для решения большинства задач. Небольшим шкуросъемным ножам можно порекомендовать твердость 59-61 HRC. Для инструментов, требующих повышенной прочности, наоборот, желательна твердость 50-52 HRC (например, штык-ножи, кинжалы, шашки).

Как правило, ножей с твердостью свыше 64-65 HRC не существует (такая твердость у сверла по металлу). Если кто-то из производителей или продавцов заявляет более высокую твердость режущей кромки, то он, видимо, лукавит.

Видов и марок сталей, конечно намного больше, мы пытались лишь разобрать самые популярные.

Какой твердости должен быть нож? Измерение твёрдости ножевой стали ультразвуковым твердомером ТКМ-459

Ножи для рыбалки, охотничьи, хирургические, садовые, метательные, кухонные, канцелярские. На рынке представлено большое количество колюще-режущих изделий разных производителей. Так как же безошибочно выбрать изделие, которое удовлетворит Вашим функциональным потребностям? Первое, на что следует обратить внимание — твёрдость стали клинка. Именно она влияет на прочность, износостойкость и надежность ножа.

Сбалансированная твёрдость клинка длительное время держит заводскую заточку, снижает риск поломки, деформации и крошения металла при эксплуатации.

Что нужно знать о ножевой стали?

Углеродистый металл с мелкими зернами в структуре легко затачивается, но легко подвергается коррозии. Клинки из порошковой стали обладают отличными режущими свойства, но тяжело поддаются доводке режущей части. Чтобы верно выбрать нож для конкретной цели, нужно знать несколько важных моментов о материале, из которого он изготовлен.

1. Существующие марки ножевой стали условно делят на 3 категории: премиум-класс, средний и нижний уровень .

Категория

Марки

Характеристики

Сфера применения

Премиум-класс

M390, ZDP-189, VG-10, Elmax, 154СМ, ХВ5, CTS-XHP, CPM S110V, CTS-204P, CPM S35VN

Высокая острота лезвия и жёсткость, прочность, упругость, ударная прочность, легкость заточки, формоустойчивость, износостойкость.

Медицинские и хирургические инструменты, ножевые клинки, ножи (в том числе складные) дорогого сегмента.

Средний уровень

4116, 14С28Т, 8Cr13Mov, D2, 440С, 420 НС, VG-1, AUS-8, Х12МФ, 9XC, 12С27 (Sandvic 12C27)

Хорошее соотношение цена/качество, относительно невысокая коррозионная стойкость, достаточная прочность, быстрая заточка режущей кромки.

Кухонные, охотничьи, туристические, складные, садовые и универсальные ножи.

Нижний уровень

AUS-6, 420, 440А, 65Г, 65Х13, 420J2

Низкое сопротивление ржавчине, быстро лопающиеся, сильно гнущиеся.

Кухонные, фиксированные, туристические, универсальные ножи и прочие режущие изделия низкого ценового сегмента.

2. Ножи из высокоуглеродистой нержавеющей стали, как правило, относятся к более высокому классу

• Высокоуглеродистая сталь — металлический сплав с содержанием углерода (С) от 0,6%. Его уровень влияет на твёрдость и прочность изделия. Так, например, в состав марки ZDP-189 (Япония) входит 2,9 — 3 % углерода, что позволяет при ее закалке получить до 69 HRC.
• Нержавеющая — содержит более 10,5% хрома (Cr) и не менее 50% железа (Fe).

Ножи, изготовленные из сплава, объединяющего лучшие характеристики этих двух видов стали, прочны, тверды и коррозионностойки. Они устойчивы к механическим повреждениям, дольше сохраняют заточку и устойчивы к окрашиванию.

Чаще всего клинки из высокоуглеродистой нержавеющей стали содержат в составе сплава дополнительные элементы, такие как кобальт (Co), молибден (Mo), ванадий (V) и другие, что положительно влияет на качественные характеристики материала, увеличивая твердость и режущие способности лезвия между заточками.

3. Стоит отметить, что для определённых категорий колюще-режущих инструментов, очень высокая твёрдость не является преимуществом.

В частности, универсальные, туристические и ножи для дайвинга ценятся минимальной склонностью к коррозии и простотой заточки, что предполагает меньшее содержание углерода. Такие клинки имеют твердость ниже 60 HRC, но они достаточно надежны и хорошо переносят ударные нагрузки. Режущая кромка не будет сильно деформироваться, и их можно заточить «на коленке».

Чем выше твердость ножа, тем дольше он останется острым, но и правильно заточить его при этом сложнее. При слишком высокой твёрдости и частой эксплуатации клинок может крошиться и ломаться!! Поэтому важно учитывать не только назначение выбираемого ножа, но и марку стали (ставится на лезвии, либо на клипсе ножа), из которой он изготовлен.

Как определить твердость ножа?

Показатель твердости ножевой стали демонстрирует характеристики изделия и качество его закалки.

Твердость определяют по шкале Роквелла HRC. Для контроля применяются портативные и стационарные твердомеры. Ознакомиться с подробным описанием главных отличий данных приборов можно в статье «В чём разница между портативными и стационарными твердомерами?».

Твёрдость стали качественных клинков

Для измерения уровня твёрдости ножа можно использовать ультразвуковые и универсальные твердомеры серии ТКМ. Высокоточный прибор ТКМ-459C оперативно выполнит контроль стали, не оставляя видимого отпечатка на поверхности.

Диапазон измерений твердости по Роквеллу С составляет 20-70 HRC.

Для работы с клинками подойдет комплект поставки, включающий ультразвуковой датчик типа «А» и/или «Н».

Чем отличаются ультразвуковые датчики типа «А» и «Н»?

Фото

Датчик

Нагрузка

Длина/ диаметр

Масса/толщина*/шероховатость изделия

Твердость металлов

Машиностроительные детали и механизмы, а также инструменты, предназначенные для их обработки, обладают набором механических характеристик. Немалую роль среди характеристик играет твердость. Твердость металлов наглядно показывает:

• износостойкость металла;
• возможность обработки резанием, шлифованием;
• сопротивляемость местному давлению;
• способность резать другой материал и прочие.

На практике доказано, что большинство механических свойств металлов напрямую зависят от их твердости.

Понятие твердости

Твердость материала – это стойкость к разрушению при внедрении во внешний слой более твердого материала. Другими словами, способность к сопротивлению деформирующим усилиям (упругой или пластической деформации).

Определение твердости металлов производится посредством внедрения в образец твердого тела, именуемого индентором. Роль индентора выполняет: металлически шарик высокой твердости; алмазный конус или пирамида.

После воздействия индентора на поверхности испытуемого образца или детали остается отпечаток, по размеру которого определяется твердость. На практике используются кинематические, динамические, статические способы измерения твердости.

В основе кинематического метода лежит составление диаграммы на основе постоянно регистрирующихся показаний, которые изменяются по мере вдавливания инструмента в образец. Здесь прослеживается кинематика всего процесса, а не только конечного результата.

Динамический метод заключается в следующем. Измерительный инструмент воздействует на деталь. Обратная реакция позволяет рассчитать затраченную кинетическую энергию. Данный метод позволяет проводить испытание на твердость не только поверхности, но и некоторого объема металла.

Статические методы – это неразрушающие способы, позволяющие определить свойства металлов. Методы основаны на плавном вдавливании и последующей выдержке в течение некоторого времени. Параметры регламентируются методиками и стандартами.

Прилагаемая нагрузка может прилагаться:

• вдавливанием;
• царапанием;
• резанием;
• отскоком.

Машиностроительные предприятия на данный момент для определения твердости материалов используют методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, а также метод микротвердости.

На основе проводимых испытаний составляется таблица, в которой указываются материалы, прилагаемые нагрузки и полученные результаты.

Единицы измерения твердости

Каждый способов измерения сопротивления металла к пластической деформации имеет свою методику его проведения, а также единицы измерения.

Измерение твердости мягких металлов производится методом Бринелля. Данному способу подвергаются цветные металлы (медь, алюминий, магний, свинец, олово) и сплавы на их основе, чугуны (за исключением белого) и отожженные стали.

Твердость по Бринеллю определяется вдавливанием закаленного, отполированного шарика из шарикоподшипниковой стали ШХ15. Окружность шарика зависит от испытуемого материала. Для твердых материалов – все виды сталей и чугунов – 10 мм, для более мягких – 1 – 2 — 2,5 — 5 мм. Необходимая нагрузка, прилагаемая к шарику:

• сплавы железа – 30 кгс/мм2;
• медь и никель – 10 кгс/мм2;
• алюминий и магний – 5 кгс/мм2.

Единица измерения твердости – это числовое значение и следующий за ними числовой индекс HB. Например, 200 НВ.

Твердость по Роквеллу определяется посредством разницы приложенных нагрузок к детали. Вначале прикладывается предварительная нагрузка, а затем общая, при которой происходит внедрение индентора в образец и выдержка.

В испытуемый образец внедряется пирамида (конус) из алмаза или шарик из карбида вольфрама (каленой стали). После снятия нагрузки производится замер глубины отпечатка.

Единица измерения твердости – это условные единицы. Принято считать, что единица — это величина осевого перемещения конуса, равная 2 мкм. Обозначение твердости маркируется тремя буквами HR (А, В, С) и числовым значением. Третья буква в маркировке обозначает шкалу.

Методика отображает тип индентора и прилагаемую к нему нагрузку.

В основном, используются шкалы измерения А и С. Например, твердость стали HRC 26…32, HRB 25…29, HRA 70…75.

Измерению твердости по Виккерсу подвергаются изделия небольшой толщины или детали, имеющие тонкий, твердый поверхностный слой. В качестве клинка используется правильная четырехгранная пирамида угол при вершине, которой составляет 136°. Отображение значений твердости выглядит следующим образом: 220 HV.

Измерение твердости по методу Шора производится путем замера высоты отскока упавшего бойка. Обозначается цифрами и буквами, например, 90 HSD.

К определению микротвердости прибегают, когда необходимо получить значения мелких деталей, тонкого покрытия или отдельной структуры сплава. Измерение производят путем измерения отпечатка наконечника определенной формы. Обозначение значения выглядит следующим образом:

_0,196 — нагрузка на наконечник, Н;

2800 – численное значение твердости, Н/мм 2 .

Твердость основных металлов и сплавов

Измерение значения твердости проводится на готовых деталях, отправляющихся на сборку. Контроль производится на соответствие чертежу и технологическому процессу. На все основные материалы уже составлены таблицы значений твердости как в исходном состоянии, так и после термической обработки.

Цветные металлы

Твердость меди по Бринеллю составляет 35 НВ, значения латуни равны 42-60 НВ единиц в зависимости от ее марки. У алюминия твердость находится в диапазоне 15-20 НВ, а у дюралюминия уже 70НВ.

Черные металлы

Твердость по Роквеллу чугуна СЧ20 HRC 22, что соответствует 220 НВ. Сталь: инструментальная – 640-700 НВ, нержавеющая – 250НВ.

Для перевода из одной системы измерения в другую пользуются таблицами. Значения в них не являются истинными, потому что выведены империческим путем. Не полный объем представлен в таблице.

Значения твердости, даже если они производятся одним и тем же методом, зависят от прилагаемой нагрузки. Чем меньше нагрузка, тем выше показания.

Методы измерения твердости

Все методы определения твердости металлов используют механическое воздействие на испытуемый образец – вдавливание индентора. Но при этом не происходит разрушение образца.

Метод определения твердости по Бринеллю был первым, стандартизованным в материаловедении. Принцип испытания образцов описан выше. На него действует ГОСТ 9012. Но можно вычислить значение по формуле, если точно измерить отпечаток на образце:

HB=2P/(πD*√(D 2 -d 2 ),

• где
  Р – прикладываемая нагрузка, кгс;
• D – окружность шарика, мм;
• d – окружность отпечатка, мм.
  Шарик подбирается относительно толщины образца. Нагрузку высчитывают предварительно из принятых норм для соответствующих материалов:
  сплавы из железа — 30D 2 ;
  медь и ее сплавы — 10D 2 ;
  баббиты, свинцовые бронзы — 2,5D 2 .

Условное изображение принципа испытания

Схематически метод исследования по Роквеллу изображается следующим образом согласно ГОСТ 9013.

Метод измерения твердости по Роквеллу

Итоговая приложенная нагрузка равна сумме первоначальной и необходимой для испытания. Индикатор прибора показывает разницу глубины проникновения между первоначальной нагрузкой и испытуемой h –h_0.

Метод Виккерса регламентирован ГОСТом 2999. Схематически он изображается следующим образом.

Математическая формула для расчета:
HV=0.189*P/d 2 МПа
HV=1,854*P/d 2 кгс/мм 2
Прикладываемая нагрузка варьируется от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Значения определяются по таблицам относительно измеренного отпечатка d.

Метод считается эмпирическим и имеет большой разброс показаний. Но прибор имеет простую конструкцию и его можно использовать при измерении крупногабаритных и криволинейных деталей.

Измерить твердость по Моосу металлов и сплавов можно царапанием. Моос в свое время предложил делать царапины более твердым минералом по поверхности предмета. Он разложил известные минералы по твердости на 10 позиций. Первую занимает тальк, а последнюю алмаз.

После измерения по одной методике перевод в другую систему весьма условен. Четкие значения существуют только в соотношении твердости по Бринеллю и Роквеллу, так как машиностроительные предприятия их широко применяют. Зависимость можно проследить при изменении диаметра шарика.

Как видно из таблицы, увеличение диаметра шарика значительно снижает показания прибора. Поэтому на машиностроительных предприятиях предпочитают пользоваться измерительными приборами с однотипным размером индентора.