Твердость стали HRc, что за зверь

Твердость стали HRС, что за зверь?

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 тальк, 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).

Востребованность указанных методов измерения твердости металла объясняется их следующими особенностями:

• все описанные методы позволяют производить измерения каждого готового образца в отдельности, что, несомненно, повышает качество серийной продукции;

• не происходит разрушения готового изделия (например, ножа) и в дальнейшем его можно использовать по назначению;

• высокая скорость измерений, а значит большая производительность метода.

Важно: Результаты испытаний с помощью различных методов несопоставимы между собой.

Рассмотрим каждый метод в отдельности, уделив особое внимание методу Роквелла.

Метод Бринелля

Этот метод был предложен шведом Юханом Августом Бринеллем начале 20-го века. На тот момент, это был самый точный способ определения твердости металлов. В качестве индентора используются стальные шарики различного диаметра (от 1,2 до 10 миллиметров). Диаметр шарика выбирается в зависимости от предполагаемой твердости металла.

Бринелль разделил металлы на несколько групп, объединив их по твердости. В группу с минимальной твердостью попали олова, свинец и их сплавы. В группу с самой высокой твердостью вошли титан, никель и стальные сплавы. Для металлов с минимальной твердостью используется шарик самого малого диаметра, для металлов высокой твердости используется шарик самого большого диаметра.

Измерения происходят по следующему алгоритму: проверяемый образец помещают на специальный стол, сверху в образец происходит вдавливание индентора с постепенно увеличивающейся нагрузкой. Это происходит в течение короткого промежутка времени от 2-х до 8-ми секунд. После достижения максимального уровня динамической нагрузки, нагрузка поддерживается в статическом состоянии, примерно в течение 10-ти секунд. После завершения процедуры, на проверяемом образце замеряют диаметр отпечатка.

Расчет твердости происходит по формуле, где учитываются приложенная нагрузка, диаметр индентора и диаметр отпечатка. Твердость указывается в формате кгс/мм2, формат отображения HBW.

Метод Виккерса

При измерении твердости по методу Виккерса в качестве индентора используется наконечник в форме пирамиды, грани которой сходятся между собой под углом в 136 градусов. Для обеспечения точности испытания важно соблюсти несколько моментов:

• нагрузка должна приходиться строго в центр алмазного наконечника;

• вектор приложения нагрузки должен быть строго перпендикулярен поверхности испытуемого образца.

Измерения происходят по следующему алгоритму: проверяемый образец помещают на специальный стол, сверху в образец происходит вдавливание индентора сразу с необходимым уровнем нагрузки (максимальное возможное значение до 100 кгс). Далее происходит удержание индентора под нагрузкой в течение 10-15 секунд. После снятия индентора происходит измерение глубины вдавливания и диагонали отпечатка.

Далее происходит расчет по форму, где учитывается соотношение приложенной нагрузки к диагонали отпечатка и времени в течение которого происходило испытание. Твердость указывается в формате кгс/мм2, формат отображения HV. Метод Виккерса за счет использования алмазного наконечника позволяет делать более точные измерения, чем метод Бринелля.

Метод Шора

Этот метод является продолжением всем хорошо известного метода «постукивания», когда постукивая по детали или заготовке, мастер пытается определить ее твердость. Метод предложен американский инженером Альбертом Шором в начале XX века. Суть метода заключается в том, что твердость металла определяется по высоте отскока индентора.

Прибор для измерения твердости состоит из полой трубки, на которой по всей длине сделан пропил с нанесенными делениями. Трубка устанавливается на поверхность измеряемого образца и в нее сбрасывается боек с алмазным наконечником. Твердость металла определяется визуально по высоте отскока бойка. По сути, этот прибор является «склерометром».

Данный тип измерений не дает высокой точности, но отлично подходит для экспресс-оценки твердости сплавов на металлургических производствах, когда нужно оперативно определить твердость большой детали или детали, которая имеет сложную поверхность.

Формат отображения твердости по Шору HSD(или HSC, в зависимости от используемой шкалы).

Метод Роквелла

В последнее время этот метод получил большое распространение, благодаря своей простоте и универсальности. Метод Роквелла не требует проведения дополнительных вычислений и значение измерения сразу выводится на шкалу прибора.

Этот метод придумали два однофамильца, которые носили одну фамилию Роквелл. Звали их Хью и Стенли. Оба они работали в металлургическом холдинге в штате Коннектикут, где в то время остро встал вопрос оперативного измерения твердости элементов подшипников. Существующий метод Бринелля не позволял производить измерения с высокой точностью, а также не позволял производить испытание на каждом готовом экземпляре.

Роквелы придумали способ измерения твердости, основанный на измерении разности глубины проникновения индентора в образец под разной нагрузкой.

Измерение твердости по методу Роквелла происходит по следующему алгоритму: выбирается соответствующая шкала и индентор, образец помещается на специально подготовленный стол, к нему прилагается предварительная нагрузка в 10 кгс, нагрузка снимается. Далее прилагается основная максимальная нагрузка, нагрузка снимается. Результат последнего измерения является величиной твердости металла по Роквеллу.

Для измерений по методу Роквелла используется 11 шкал, которые отличаются друг от друга типом (и формой) индентора и нагрузкой. Все шкалы имеют буквенное обозначение: A; B; C; D; E; F; G; H; K; N; T.

Чаще всего используются шкалы:

• А (нагрузка 60 кгс, в качестве индентора используется алмазный наконечник с углом в 120 градусов);

• В (нагрузка 100 кгс, стальной закаленный шарик с диаметром 1/16 дюйма);

• С (нагрузка 150 кгс, в качестве индентора используется алмазный наконечник с углом в 120 градусов).

В качестве единицы измерения берется условная глубина, на которую индентор погружается в образец. Одно деление считается равным 0,002 миллиметра. При использовании в качестве индентора алмазного конуса, максимально возможным считается погружении на 100 делений, а при использовании шарика на 130 делений. Соответственно формулы для расчета твердости по шкалам А-С и по шкале В, выглядят следующим образом:

Важные моменты, которые нужно учитывать при проведении измерений:

• толщина образца (ширина образца должна быть в 10 больше глубины проникновения);

• размер расстояния между оттисками (минимально допустимое расстояние - 3 миллиметра);

• нагрузка должна прикладывать строго перпендикулярно к поверхности образца;

• образец должен быть максимально прочно зафиксирован на испытательном стенде;

• для получения максимально точного результата требуется проведение 3-х кратного измерения.

Преимущества проведения измерений по методу Роквелла:

• измерять можно любое металлическое изделие, даже если не известен его состав;

• не требуется чистка и полировка поверхности;

• минимальное повреждение поверхности проверяемого образца;

• нет необходимости производить дополнительные измерения и расчеты, прибор сразу показывает твердость изделия на специальной шкале;

• удобство проведения измерений, их скорость;

• возможность автоматизации процесса, можно производить измерения на конвейере;

• возможность оперативно проводить испытания с опытными и экспериментальными образцами.

Рассмотрев основные варианты измерения твердости металлов, можно сказать, что на сегодняшний день, одним из самых удобных методов, который получил распространение в ножевой промышленности, является метод Роквелла, благодаря своему удобству, точности и высокой производительности.

© 2014 www.vip-horeca.ru

Перепечатка материала возможна только с письменного согласия администрации сайта.