Твердость стали по Моосу

Что такое шкала твердости по Моосу для металлов и минералов.

Люди часто слышат о Шкале твердости по Моосу, когда речь идет о драгоценных камнях. Однако эта система также используется для ранжирования металлов. Давайте посмотрим, чем шкала может быть полезна потенциальному покупателю драгоценностей, и как она применяется для сравнения твердости металлов.

Что такое шкала твердости по Моосу.

Шкала Мооса — система, используемая для ранжирования материалов по их твердости, которая позволяет вести классификацию с помощью чисел от 1 до 10. Ее применяют, чтобы сравнивать прочность драгоценных камней, металлов и некоторых других материалов и оценивать их относительную долгосрочность.

Оценка металла по шкале Мооса берет за основу то, насколько легко образец может быть поцарапан другими металлами. Например, коэффициент твердости золота — 2,5-3, что значительно ниже коэффициента твердости большинства других материалов.

В то время как графит и некоторые виды пластика стоят на одном конце шкалы, имея значение 1, то на другой ее конец ставится алмаз, одно из самых твердых веществ на Земле. Он оценивается в 10 баллов.

Шкала твердости по Моосу для оценки твердости металлов.

Вот список коэффициентов твердости для некоторых металлов, с которыми каждый человек, скорее всего, сталкивается в своей повседневной жизни, особенно при контакте с драгоценностями:

• Олово: 1.5
• Цинк: 2.5
• Золото: 2.5-3
• Серебро: 2.5-3
• Алюминий: 2.5-3
• Медь: 3
• Медь: 3
• Бронза: 3
• Никель: 4
• Платина: 4-4.5
• Сталь: 4-4.5
• Железо: 4.5
• Палладий: 4.75
• Родий: 6
• Титан: 6
• Укрепленная сталь: 7-8
• Вольфрам: 7.5
• Карбид вольфрама: 8.5-9

Почему важно знать твердость металлов.

Когда немецкий геолог Фридрих Моос создал шкалу, которую мы используем сегодня, он применил простой принцип для определения твердости любого материала: какие материалы могут поцарапать его, и какие материалы он сам может поцарапать.

Например, платина, у которой твердость 4-4.5, может быть поцарапана всеми материалами, у которых более высокий коэффициент по шкале Мооса. Например, топаз, коэффициент которого 8, может поочередно поцарапать любой материал, который имеет более низкий коэффициент (например, золото, твердость которого оценена в 2.5-3 балла).

Из представленной выше таблицы видно, какие металлы могут поцарапать другие, а какие могут поцарапать их. Это ценная информация, так как может подсказать, изделия из каких драгоценных металлов можно хранить вместе, а из каких — нельзя.

Также, данная информация о твердости металлов поможет определить, изделия из каких драгоценых сплавов более надежны в носке.

Как применить шкалу твердости для металлов.

Когда Вы решились на покупку изделия из драгоценного металла, но колеблетесь, украшение из какого материала предпочесть, то поможет именно шкала твердости по Моосу.

Сравнив коэффициенты, Вы определитесь с предварительным выбором и сможете решить, подходит ли Вам это изделие еще и по цене.

Например, платина гораздо более надежна, чем серебро, и в целом, более твердые служат дольше при постоянной носке. Однако платина, также, намного дороже серебра, таким образом, необходимо подумать, готовы ли Вы заплатить дополнительную цену за прочность.

Твердость металлических сплавов.

Шкала Мооса для каждого металла означает твердость в его чистом состоянии, т.е. без любых других материалов, смешанных с ним.

Однако в действительности почти все металлы, используемые в драгоценностях, объединяют с другими для создания более прочного или более дешевого материала.

Например, золото часто смешивается с никелем, цинком, медью и другими металлами для придания ему дополнительной твердости.

Точно так же, когда к вольфраму, имеющему коэффициент твердости 7,5 в чистом виде, добавляют углерод, получившийся карбид вольфрама будет иметь коэффициент уже 8.5-9 по Шкале твердости Мооса.

Комплект для определения твердости минералов

Что такое твердость стали? (ч.1)

Понятие твердости металлов раньше было известно только выпускникам технических вузов, рабочим машиностроительных заводов и мастерам кузнечного дела. В обиход современного ножемана этот термин вошел вместе с принятием закона об оружии и ГОСТов, которые приводят признаки, на основании которых нож может быть отнесен к холодному оружию.

Одним из обязательных признаков, по которым то или иное изделие относится к холодному оружию является твердость стали из которой выполнен клинок ножа (или как это называется в ГОСТе — боевая часть холодного оружия). И начиная с этого момента, найфоманы в России начали потихоньку почитывать справочники в которых приводятся характеристики разных сталей, пояснения в различии порошковых и ламинированных сталей, ну и конечно показатели твердости стали, те самые заметные HRC.

Если один автолюбитель сможет спросить другого о том, сколько «кубиков в движке», то продвинутый найфоман, посмотрев на характеристики полевого ножа в которых указано «57-59 HRC» может на полном серьезе определить, что это модель хлипковата для бушкрафта и ей место на кухне.

Данная статья в простой и понятной форме расскажет о том, что же за зверь такой HRC, откуда от взялся и зачем он вообще нужен.

Интересный факт: На американских и европейских сайтах в числе параметров, которые указывают продавцы или производители крайне редко встречается такой параметр, как твердость стали.

Законодательно этот вопрос никак не регулируется, вот и не нужен этот параметр обычному неискушенному покупателю.

Итак, что же нам нужно знать о твердости металлов?

Человек издревле столкнулся с понятием твердости материалов. А также достаточно быстро понял, что различные материалы отличаются друг от друга по твердости и прочности. Если ударить палкой по камню, то палка либо сломается, либо отскочит. Если ударить камнем по палке, то палка сломается. Если кокос упадет с дерева на галечный пляж, то разобьется. А если долго и старательно бить кремнем по более мягкому камню, то вполне себе можно изготовить голову для каменного топора.

Постепенно, в процессе эволюции наши с вами предки поняли, что различные материалы имеют различную твердость, и в зависимости от этой твердости обладают или не обладают нужными свойствами. Так родился способ определения твердости материла, посредством сравнения его с неким эталоном.

Так, хороший плотник может определить степень усушки бревна постукивая по нему киянкой, выполненной из дерева более твердой породы. Гончар с помощью специального молоточка может определить степень готовности глиняной посуды. Вольно или невольно, каждый из нас хоть раз в жизни прибегал к аналогичному способу определения твердости предмета.

Однако, самым распространенным методом определения твердости материала до недавнего времени был склерометрический метод. Склерометрия представляет собой физический процесс, когда проверяемый материал царапает (или царапается) некий эталонный образец. Если проверяемый материла царапает эталон — значит проверяемый материал тверже.

Если проверяемый материал не может оставить следа на эталоне и при этом сам легко царапается эталоном — значит проверяемый материал имеет твердость меньше чем у эталона. Сейчас такая процедура кажется нам смешной, но до недавнего времени, это был единственный способ определить твердость материала. А как еще древние шумеры могли определить, что можно наносить надписи острой палочкой на почти засохшую глину?

Вопрос с определением твердости материалов (особенно камней и металлов) остро встал в конце XVIII и начале XIX веков, с развитием геологии и началом расцвета машиностроения.

Именно к этому времени относится появление известной всем физикам и археологам «шкалы Мооса». Однако, первым кто предложил измерять твердость металлов посредством их сравнения с эталоном был французский естествоиспытатель середины XVIII века Рене Антуан Реомюр.

Реомюр активно проводил эксперименты, связанные с плавлением и обработкой металлов и поэтому перед ним остро стоял вопрос определения различных характеристик тех сплавов, которые он получал в процессе своих изысканий.

Его идеи подхватил и развил немецкий естествоиспытатель и геолог Карл Фридрих Христиан Моос. В 1811-м году он придумал систему эталонного сравнения минералов, которая теперь носит его имя. Примерно до середины XX века это шкалой активно пользовались разведывательные геологические партии по всему миру.

Шкала Мооса представляет собой сравнительную таблицу в которой указаны различные по твердости известные минералы и указана их твердость измеряемая в критериях:

• Царапается ногтем;
• Царапается медью;
• Царапается стеклом;
• Царапает стекло;
• Обрабатывается только алмазом.

К самому мягкому эталонному минералу относится таль, к самому твердому минералу отнесен алмаз. Твердость талька по шкале Мооса составляет «1», твердость алмаза составляет «10». Между тальком и алмазом по мере возрастания твердости расположены: гипс (твердость 2), кальцит (твердость 3), флюорит (твердость 4), апатит (твердость 5), ортоклаз (твердость 6), кварц (твердость 7), топаз (твердость 8), корунд (твердость 9). Такой простой способ определения твердости минералов оказался незаменим в полевых условиях.

Помимо шкалы Мооса, существуют другие способы определения твердости материалов, которые получили активное развитие в конце XIX и в начале XX века. Обычно выделяют четыре самых известных способа определения твердости металлов:

• Метод Бринелля;
• Метод Виккерса;
• Метод Шора;
• Метод Роквелла.

Забегая вперед, заметим: все эти методы похожи между собой, так как основаны на вдавливании эталонного образца в поверхность металла. Различаются только форма эталона, сила давления, формула расчета величины.

Элемент, который вдавливается в поверхность металла, называется «индентор». В качестве индентора могут использоваться стальной шарик (метод Бринелля), алмазный конус (метод Роквелла), алмазная пирамидка (методы Виккерса и Шора).

Механические методы определения твердости.

Твердость материала – это способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твердого материала. Она определяется величиной нагрузки необходимой для начала разрушения материала. Твердость делится на относительную и абсолютную. Относительная твердость – это твердость одного материала по отношению к другому. Абсолютная твердость определяется с помощью методов вдавливания.

Твёрдость зависит от множества факторов. Среди них: межатомные расстояния вещества, валентность, природа химической связи, хрупкости и ковкости материала, гибкости, упругости, вязкости и других качеств.

Наиболее твёрдыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода — лонсдейлит, который твёрже алмаза в полтора раза и фуллерит с превышением твёрдости алмаза в два раза. Однако среди распространённых веществ по-прежнему самым твёрдым является алмаз.

Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения). Для разных материалов они будут разными. Для измерения твердости металлов применяются методы:

Метод Бринелля — твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка.

Существуют два вида методов расчета твердости:

По методу восстановленного отпечатка твёрдость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка:

,

• — приложенная нагрузка, H;
• — диаметр шарика, мм;
• — диаметр отпечатка, мм.

По методу невосстановленного отпечатка твёрдость определяется как отношение приложенной нагрузки к площади внедрённой в материал части и ндентора :

,

где — глубина внедрения индентора, м м .

Единицами измерения являются кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твёрдость, англ.), B — Бринелль. Это одни из самых старых методов, применявшиеся еще в XIX веке.

Метод Роквелла — твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, обозначается HR, где H – hardness, а R — Rockwell. Твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 − kd, где d — глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k — коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу соответствует HR 100. 3-й буквой в обозначении идёт наименование типа шкалы, напр. HRA, HRB, HRC и т.д. Для ножей твердость определяется по шкале HRC, которая фактически заканчивается на 70 единицах, так как большая твердость ножа не позволяет им полноценно пользоваться из-за снижения ударной вязкости, повышения хрупкости и т.д. Эта система была самой распространенной в XX веке.

Твердость по методу Роквелла можно измерять:

1) Алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кгс. Твердость измеряется по шкале С и обозначается HRC (например, 62 HRC). Метод позволяет определять твердость закаленной и отпущенной сталей, материалов средней твердости, поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм;

2) Алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кгс. Твердость измеряется по шкале А, совпадающей со шкалой С, и обозначается HRA. Применяется для оценки твердости очень твердых материалов, тонких поверхностных слоев (0,3 … 0,5 мм) и тонколистового материала;

3) Стальным шариком с общей нагрузкой 100 кгс. Твердость обозначается HRB и измеряется по шкале B. Так определяют твердость мягкой (отожженной) стали и цветных сплавов.

При измерении твердости на приборе Роквелла необходимо, чтобы на поверхности образца не было окалины, трещин, выбоин и др. Необходимо контролировать перпендикулярность приложения нагрузки к поверхности образца и устойчивость его положения на столике прибора. Расстояние отпечатка должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и не менее 4 мм при вдавливании шарика. Твердость измеряется не менее 3 раз на одном образце, затем выводится среднее значение. Преимущество метода Роквелла по сравнению с методами Бринелля и Виккерса заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.

Метод Виккерса — самая широкая по охвату шкала, твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Обозначается HV, где H — Hardness (твёрдость, англ.), V — Vickers (Виккерс, англ.). При испытании твердости по методу Виккерса, в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом. 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.

Твёрдость по Шору (Метод вдавливания) — твёрдость определяется по глубине проникновения в материал специальной закаленной стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины. В данном методе измерения используется прибор — дюрометр. Обычно метод Шора используется для определения твердости низкомодульных материалов (полимеров). Метод Шора, предполагает 12 шкал измерения. Чаще всего используются варианты A (для мягких материалов) или D (для более твердых). Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается буквой используемой шкалы, записываемой после числа с указанием метода. В качестве примера, можно привести резину в покрышке колеса легкового автомобиля, которая имеет твердость примерно 70A, а школьный ластик — примерно 50A.

Твёрдость по Шору (Метод отскока) — метод определения твёрдости очень твёрдых материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боёк, падающий с определённой высоты. Твердость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка. Обозначается HSx, где H — Hardness, S — Shore и x — латинская буква, обозначающая тип использованной при измерении шкалы.

Метод Либу (твердомеры)

Это самый широко применяемый на сегодня метод в мире, твёрдость определяется как отношение скоростей до и после отскока бойка от поверхности. Обозначается HL, где H — Hardness (твёрдость, англ.), L — Leeb (Либ, англ.), а 3-й буквой идёт обозначение типа датчика, напр. HLD, HLC и т.д. При использовании данного метода падающий нормально к поверхности исследуемого материала боек сталкивается с поверхностью и отскакивает. Скорость бойка измеряют до и после отскакивания. Предполагается, что боек не подвергается необратимой деформации.

Метод Аскер — твёрдость определяется по глубине введения стальной полусферы под действием пружины. Используется для мягких резин. По принципу измерения соответствует методу Шора, но отличается формой поверхности щупа. Аскер использует полусферу диаметром 2.54 мм.

Метод Кузнецова — Герберта — Ребиндера — твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл.

Метод Польди (двойного отпечатка шарика) — твердость оценивается в сравнении с твердостью эталона, испытание производится путем ударного вдавливания стального шарика одновременно и в образец, и в эталон.

Твёрдость минералов.

Шкала твёрдости минералов Мооса (склерометры царапающие) – метод определения твёрдости минералов путём царапания одного минерала другим, для сравнительной диагностики твёрдости минералов между собой по системе мягче-твёрже. Испытываемый минерал либо не царапается другим минералом (эталоном Мооса или склерометром) и тогда его твёрдость по Моосу выше, либо царапается — и тогда его твёрдость по Моосу ниже. Шкала Мооса — опредедяет, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый материал, и какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом.

Шкала твердости Мооса

Шкала Мооса (минералогическая шкала твёрдости) представляет собой качественную порядковую шкалу, характерезующую стойкость различных минералов к царапанию. Используется для определения относительной твердости образцов минералов.

Основана на способности более твердого материала царапать более мягкий материал.

Шкала содержит 10 минералов в качестве эталонных, упорядочивая их в порядке возрастания твердости от очень мягкого (тальк) до очень твердого (алмаз).

Все минералы из таблицы, кроме алмаза, относительно распространены и их легко или недорого получить.

Если минерал царапет эталон, значит его твердость — выше, если он царапается эталоном — ниже.

Шкала Мооса создана в 1812 году и названа в честь изобретателя немецкого геолога и минеролога Фридриха Мооса. С тех пор было изобретено множество различных методов определения твердости: метод Бринеля, Кнупа, Роквелла, Шора, Виккерса.

Определение твердости по Моосу — это относительное целочисленное сравнение устойчивости к царапинам.

Другие методы измерения твердости оперируют устойчивостью к вдавливанию. Для испытаний используется «Индентор» который вдавливается в исследуемый образец с тщательно измеренной силой. Затем размер или глубина выемки на образце и величина силы используются для расчета значения твердости. Поскольку в каждом из этих тестов используются разные аппараты и разные расчеты, их нельзя сравнивать напрямую друг с другом.

Шкала Мооса получила широкое распространение т.к. метод определения твердости прост в исполнении, недорог и люди быстро его понимают.

Несмотря на недостаточную точность, шкала актуальна для полевых геологов, которые используют её для грубой идентификации минералов когда исследуются легко идентифицируемые образцы или когда нет возможности использовать более сложные тесты.

Некоторые используют легкодоступные предметы для быстрого испытания. Например геолог может иметь карманный нож, которым можно определить является ли образец тверже или мягче чем значение 5-6,5 по Моосу.

Ниже представлена расширенная таблица веществ, минералов, драгоценных камней:

Вещество или минерал	Твердость по Моосу
Пирофиллит, молибденит	1-2
Боксит, уголь	1-3
Лимонит	1-5
Лед, сахар, галлий, стронций, индий, олово, барий, таллий, свинец, графит	1,5
Гипс, кальций	1,5-2
Сера	1,5-2,5
Сильвит, глауконит, кадмий, селен	2
Каменная соль, киноварь, хлорит, висмут, янтарь	2-2,5
Мусковит	2-3
Серебро, золото, галенит, медь, биотит, слюда	2,5-3
Алюминий, известняк, кальцит, борная кислота, нитрофоска	3
Арагонит, витерит, ангидрит	3-3,5
Жемчуг, латунь, мышьяк	3-4
Серпентин	3-5
Сфалерит, родохрозит, малахит, доломит, куприт, халькопирит, азурит, барит	3,5-4
Сидерит, пирротин, доломит	3,5-4,5
Флюорит, бронза фосфористая	4
Мрамор	4-5
Зубная эмаль, асбест, апатит, марганец, цирконий , палладий , обсидиан	5
Титанит, монацит	5-5,5
Нефрит, уранинит, ильменит, энстатит, керамогранит (полированный)	5-6
Магнетит	5-6,5
Нефелин, авгит, арсенопирит, актинолит, бустамит, кобальтит	5,5-6
Родонит, диопсид, опал, железняк красный	5,5-6,5
Титан, германий , ниобий , родий , уран	6
Рутил, пирит, пренит, плагиоклаз, ортоклаз, амазонит, андезин, анортоклаз, бенитоит, гельвин, иридий	6-6,5
Кремний	6,5
Яшма	6,5-7
Агат, цоизит, эпидот, касситерит, пиролюзит	6-7
Марказит	6-7,5
Гранит, танзанит, сподумен, оливин, жадеит, аксинит, хризопраз, жадеит	6,5-7
Силлиманит, гранат	6,5-7,5
Кварц, каменная галька, аметист, авантюрин, форстерит, осмий, силикон, рений , ванадий	7
Турмалин, кордиерит, альмандин, борацит, кордиерит, данбурит	7-7,5
Циркон, андалузит, эвклаз, гамбергит, сапфирин	7,5
Изумруд , закаленная сталь, вольфрам, шпинель, берилл, бериллий, аквамарин, красный берилл, ганит, пейнит	7,5-8
Топаз, Фианит	8
Хризоберилл, александрит, холтит	8,5
Керамогранит (неполированный)	8,5
Корунд, рубин, сапфир, алунд, хром	9
Муассанит, бор	9,5
Карборунд	9-10
Алмаз, карбонадо	10

© 2014-2020 Все права на материалы, находящиеся на сайте, охраняются в соответствии с законодательством РФ.

Твердость стали по Моосу

Минералогической шкалой твёрдости, шкалой твёрдости Мооса называют как набор стандартных минералов для определения относительной твёрдости методом царапания эталоном испытываемого объекта, так и собственно десятибалльную шкалу относительной твёрдости минералов. За эталоны минералогической шкалы твёрдости Мооса приняты следующие 10 минералов, которые располагаются в шкале в порядке возрастающей твёрдости: тальк, гипс, кальцит, флюорит, апатит, ортоклаз (полевой шпат), кварц, топаз, корунд, алмаз.

Шкала твёрдости Мооса предложена в качестве относительной шкалы твёрдости в 1811 года немецким учёным Фридрихом Моосом (Ф. Моос, F. Mohs). Несмотря на то, что разработка принадлежит началу XIX века, эта условная шкала твёрдости широко применяется и по сей день. Сегодня имеется возможность приобрести набор стандартных минералов как для учебного процесса, так и для ювелирной промышленности.

Шкала твёрдости Мооса используется для быстрой сравнительной диагностики минералов. При этом, если эталон шкалы твёрдости, имеющий твёрдость 5, царапает исследуемый образец, а последний оставляет след на поверхности эталона с твёрдостью 4, то промежуточная твёрдость минерала равна 4,5 (4½) шкалы Мооса. В то же время надо иметь в виду, что шкала твёрдости Мооса не является линейной шкалой. Номер по шкале твердости указывает только на порядок в распределении по твердости, но не имеет какого-либо количественного значения. Из шкалы твёрдости ни в коем случае не следует вывод, что, к примеру, алмаз (10) вдвое тверже апатита (5). Абсолютные значения твёрдости (называемые иногда истинно относительными) представляют собой совершенно другую картину. Помимо этого, необходимо учитывать, что твёрдость некоторых минералов в различных направлениях может очень сильно отличаться благодаря кристаллической структуре. Твёрдость металла имеет более устойчивые абсолютные значения, но на практике мы редко имеет дело с чистым металлом, а твёрдость сплава вообще зависит от всех его составляющих.

Шкалу твёрдости Мооса в технической литературе изображают, как правило, в виде сравнительной таблицы. Для наглядности иногда её сопровождают фотографиями минералов — эталонов шкалы твёрдости.

Шкала твёрдости Мооса удобна ещё и тем [3], что практически можно примененять такие «подручные средства», как ноготь (твёрдость по Моосу 2½), цент или любая другая монета США (твёрдость чуть меньше 3), нож (твёрдость по Моосу 5½), стекло (5½), высококачественный стальной напильник (твёрдость 6½), наждачная бумага, в которой применяется синтетический корунд (имеет твёрдость по Моосу 9), тонкая наждачная бумага для дерева «garnet paper» (твёрдость 7½).

1 — Тальк	2 — Гипс	3 — Кальцит	4 — Флюорит	5 — Апатит
6 — Ортоклаз	7 — Кварц	8 — Топаз	9 — Корунд	10 — Алмаз

Автор обзора: Корниенко А.Э. (ИЦМ)

Лит.:

1. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. – М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.: ил. ISBN 5-217-00241-1
2. Большая Советская Энциклопедия — М., 1969-1978.
3. The Mohs Mineral Hardness Scale. By Andrew Alden // About.com: Geology. [Электронный ресурс], 2010 — Режим доступа: http://geology.about.com/od/scales/a/mohsscale.htm , свободный. — Загл. с экрана.
4. Mohs Hardness Scale // ScienceViews.com — an image filled educational website featuring animals, herbs, petroglyphs, pictographs, rock art, reptiles, bugs, birds, mammals, nature, parks, and outdoor online science for your enjoyment, research and learning. [Электронный ресурс], 2003-2008 — Режим доступа: http://scienceviews.com/ , свободный. — Загл. с экрана.

Конкурс «Я и моя профессия: металловед, технолог литейного производства». Узнать, участвовать >>> —>

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.

Тип шкалы	Инструмент	Прилагаемая нагрузка, кгс
А	Конус из алмаза, угол вершины которого 120°	50-60
В	Шарик 1/16 дюйма	90-100
С	Конус из алмаза, угол вершины которого 120°	140-150

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.

HB	HV	HRC	HRA	HSD
228	240	20	60.7	36
260	275	24	62.5	40
280	295	29	65	44
320	340	34.5	67.5	49
360	380	39	70	54
415	440	44.5	73	61
450	480	47	74.5	64
480	520	50	76	68
500	540	52	77	73
535	580	54	78	78

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.

d, мм	HB	HRA	HRC	HRB
2,3	712	85,1	66,4	—
2,5	601	81,1	59,3	—
3,0	415	72,6	43,8	—
3,5	302	66,7	32,5	—
4,0	229	61,8	22	98,2
5,0	143	—	—	77,4
5,2	131	—	—	72,4

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