Твердость – это способность материала противостоять локализованной деформации. Этот показатель особенно важен при выборе подходящего материала для условий, в которых присутствуют мелкие частицы, способные вызвать износ. Мягкие материалы подвержены вмятинам, в то время как твердые устойчивы к изменениям формы.

Твердость следует рассматривать в контексте с другими свойствами материала, такими как прочность, упругость и т.д. Например, многие твердые материалы склонны к хрупкости, что ограничивает области их применения.

В этой статье мы подробнее рассмотрим, что такое твердость материала, как она измеряется и как сравнивать различные единицы измерения твердости.

Что такое твердость материала?

Твердость – это мера сопротивления материала локализованной необратимой (пластической) деформации. Пластическая деформация означает, что после приложения нагрузки материал не возвращается к исходной форме, в отличие от упругой деформации, когда изменение формы исчезает после снятия нагрузки.

Некоторые материалы от природы очень твердые. Например, вольфрам – чрезвычайно твердый металл, который широко используется в качестве легирующего элемента в инструментальных сталях. Благодаря этому такие стали сохраняют устойчивость к износу даже при высоких температурах, возникающих при резке.

Твердый сплав, который часто применяется в фрезах, также содержит вольфрам. Сменные режущие пластины из подобных материалов значительно увеличивают срок службы режущего инструмента.

С другой стороны, некоторые материалы, включая металлы, настолько мягкие, что становятся непригодными для многих применений. Чистое золото настолько мягкое, что его легко поцарапать или согнуть. Поэтому для повышения твердости золота к нему добавляют другие металлы – серебро, медь, алюминий.

В некоторых случаях возможно повысить поверхностную твердость материала с помощью термической обработки, сохраняя при этом остальные качества металла в ядре. Вал машин часто подвергают такой обработке для увеличения срока службы.

Инженер также должен учитывать соотношение твердости при разработке концепции изделия. Например, при сопряжении подшипника и вала подшипник должен быть мягче, так как его проще заменить. При постоянном движении одна из деталей должна изнашиваться, и выбор зависит от конструктора.

Виды твердости

Материалы ведут себя по-разному при различных типах нагрузок. Например, металл, хорошо выдерживающий сильный удар, может проявлять другие свойства при длительной нагрузке.

Испытания на твердость необходимо проводить для каждого случая, чтобы сделать обоснованный выбор материала.

Существует три типа твердости: царапание, отскок (динамическая твердость) и вдавливание. Для измерения каждого типа твердости используются разные методы и инструменты. Кроме того, для одного и того же материала значения твердости по этим типам будут отличаться.

Твердость при вдавливании

Этот тип твердости характеризует сопротивление материала необратимой деформации при постоянной нагрузке.

Именно твердость при вдавливании чаще всего имеют в виду инженеры и металлурги, говоря о твердости. Ее измерение особенно важно, так как большинство эксплуатационных нагрузок на металлы – именно такого характера.

Твердость при царапании

Данный тип твердости показывает способность материала противостоять образованию царапин на поверхности. Царапины – это узкие непрерывные вмятины в верхнем слое, возникающие при контакте с острым и более твердым материалом.

Испытания на царапание часто применяют для хрупких материалов, таких как керамика, которые не подвергаются значительной пластической деформации. Важно учитывать твердость при царапании, так как в некоторых случаях эксплуатации материалов царапины могут привести к значительным проблемам.

В качестве примера рассмотрим гильзу цилиндра двигателя. Царапины могут возникать по разным причинам: контакт поверхности гильзы с поршневыми кольцами или посторонними частицами в топливе либо масле, а также неправильная установка гильзы.

Абразивные частицы вызывают царапины, что в конечном итоге снижает производительность двигателя и приводит к увеличению затрат на обслуживание, запасные части и топливо.

На этапе проектирования правильный выбор металла подразумевает учет твердости материалов, с которыми он будет контактировать. Твердость гильзы должна быть выше твердости этих материалов, чтобы предотвратить возможные проблемы.

Твердость при отскоке (динамическая твердость)

Твердость при отскоке больше связана с упругой, чем с пластической твердостью. Материал поглощает энергию удара и возвращает ее обратно инденторам.

Индентор – это эталонный материал, используемый для испытаний на твердость. Динамическая твердость обычно измеряется путем падения алмазного молоточка на испытуемый образец и фиксации высоты отскока после удара.

Чем ближе высота отскока к исходной высоте падения, тем выше динамическая твердость материала.

Единицы измерения твердости

В СИ единица измерения твердости – Н/мм². Также используется паскаль, но твердость не стоит путать с давлением.

Для различных видов твердости применяются разные шкалы измерения. Для царапины, вдавливания и отскока используются различные методы испытаний (например, Бринелля, Роквелла, Кнупа, Либа, Мейера). Поскольку единицы измерения выводятся из этих методов, их нельзя напрямую сравнивать.

Однако всегда можно воспользоваться таблицами пересчета для сравнения значений твердости по Роквеллу (шкалы B и C), Виккерсу и Бринеллю. Такие таблицы не дают абсолютно точных результатов, но позволяют получить представление о различиях.

Во всех этих шкалах для твердых материалов характерны более высокие показатели твердости.

Наиболее распространенные единицы измерения твердости:

• Число твердости по Бринеллю (HB)
• Число твердости по Виккерсу (HV)
• Число твердости по Роквеллу (HRA, HRB, HRC и др.)
• Значение твердости по Либу (HLD, HLS, HLE и др.)

Измерение твердости

Различные виды твердости измеряются разными методами испытаний. Общим для всех является использование индентора для создания вмятины на поверхности испытуемого образца. Образовавшаяся вмятина – это наглядная характеристика твердости, которую легко измерить и воспроизвести.

У твердых материалов вмятины будут менее глубокими, у мягких – более глубокими.

Испытание по Бринеллю

Метод Бринелля – один из первых широко признанных способов измерения твердости при вдавливании. В этом тесте используется стальной шарик диаметром 10 мм в качестве индентора, которым создается отпечаток на поверхности испытуемого образца для расчета числа твердости по Бринеллю.

Шарик удерживается на поверхности в течение определенного времени, обычно около 30 секунд, и к нему прикладывается нагрузка. Величина усилия зависит от исследуемого металла.

Стандартная нагрузка составляет 3000 кг, но для мягких металлов она может быть снижена до 500 кг. Для твердых металлов иногда используют шарик из карбида вольфрама, чтобы избежать его деформации. В этом случае единица измерения меняется с HB (или HBN) на HBW, чтобы указать на использование вольфрама (Wolfram по-немецки/шведски).

После снятия индентора отпечаток рассматривается под малым увеличением микроскопа, а его размер рассчитывается как среднее значение двух взаимно перпендикулярных диаметров.

После завершения испытания по Бринеллю число твердости вычисляется по формуле:

, где

F – усилие, Н

D – диаметр индентора, мм

d – диаметр отпечатка, мм

Испытание по Роквеллу

Испытание по Роквеллу – наиболее распространенный метод измерения твердости при вдавливании. Значение твердости по Роквеллу указывается вместе с используемой шкалой.

В зависимости от испытуемого материала выбирается соответствующая шкала, что даёт информацию о сочетании индентора и нагрузки.

Всего существует 30 различных шкал. Это делает метод Роквелла универсальным для измерения твердости широкого спектра материалов, включая керамику и композиты. Наиболее часто используются шкалы «B» и «C».

В испытании по Роквеллу до приложения основной нагрузки на индентор сначала накладывается малая предварительная нагрузка, чтобы устранить влияние неровностей поверхности и повысить точность.

Затем, аналогично методу Бринелля, индентор вдавливается в материал основной (большей) нагрузкой. После этого измеряется глубина отпечатка для определения твердости. Изменение глубины фиксируется с помощью циферблатного индикатора.

Для расчета значения твердости учитывается чистое увеличение глубины вмятины между предварительной и основной нагрузками.

Важно также контролировать скорость приложения нагрузки. Для мягких металлов изменение скорости может привести к значительным отклонениям результата. Необходимо следить за соответствием стандарту.

Формула для расчета твердости по Роквеллу:

, где

N – коэффициент шкалы (в зависимости от выбранной шкалы)

s – коэффициент шкалы (в зависимости от выбранной шкалы)

d – глубина необратимого отпечатка по сравнению с предварительной нагрузкой, мм

Испытание по Виккерсу

Третий способ измерения твердости материала – метод Виккерса. Он особенно подходит для мягких материалов, не требующих больших нагрузок, что позволяет достичь высокой точности.

Кроме того, расчет значения твердости по Виккерсу проще, так как для всех материалов используется одинаковый алмазный индентор. Корректировка формулы не требуется.

Еще одно преимущество – использование увеличительной оптики, что позволяет проводить испытания на участках с заданной микроструктурой.

Сначала деталь помещают на столик прибора и с помощью микроскопа выбирают нужную высоту. Затем по изображению определяют место для испытания.

Алмазный индентор имеет форму четырехгранной пирамиды. После соприкосновения с поверхностью машины достигают заданного значения усилия, которое выдерживается определенное время.

Затем производится измерение диагоналей отпечатка. Число твердости по Виккерсу рассчитывается по формуле:

, где

F – усилие, Н

d – диагональ отпечатка, мм

Испытание по Моосу

Немецкий минералог Моос первым предложил шкалу твердости для измерения твердости при царапании. В этом тесте материал царапается эталонным материалом с известной твердостью.

Числовое значение твердости присваивается в зависимости от результатов испытания. В шкале Мооса используются 10 эталонных материалов с разной твердостью.

Самый мягкий материал – тальк (значение = 1), самый твердый – алмаз (значение = 10). Так как увеличение твердости между эталонами неравномерно, шкала Мооса не отличается высокой точностью и служит ориентировочным показателем.

В современных методах царапания используют алмазные индентора Роквелла, проводя царапину на определенной длине с заданной нагрузкой.

Индикаторный (склероскопический) тест

Склероскоп – это прибор для измерения твердости материалов по отскоку (динамическая твердость). Устройство состоит из вертикальной стеклянной трубки, закрепленной на подставке. Через трубку на испытуемый образец сбрасывается алмазный молоточек, а высота отскока регистрируется.

Молоточек падает с фиксированной высоты под собственным весом. При контакте с образцом он отскакивает, и чем выше отскок, тем выше твердость материала.

Если металл мягкий, часть энергии удара расходуется на образование вмятины, и отскок будет меньше. На стеклянной трубке нанесены деления для измерения высоты отскока. Твердость по этому методу измеряется в единицах Шора.