Классификация металлов по твердости

Обновлено: 13.05.2024

Твёрдость — свойство стали (или другого сплава) оказывать сопротивление сдавливанию более твёрдым телом, например, быстрорежущей сталью или победитом.

Что это такое?

Твёрдость стали – одна из важнейших величин (показателей), имеющих основное значение для её использования при разных условиях. Это значит, что стальной сплав, не обладающий минимально необходимой при выполнении определённых задач твёрдостью, быстро выходит из строя в режиме частой и длительной нагрузки.

Например, гвоздь, будучи изготовленным из железа, в котором почти нет углерода, нельзя было бы вбить даже в деревяшку. Он тут же затупился и согнулся бы. Чтобы избежать подобных ситуаций, в сталь вводят важнейший компонент – углерод. Твёрдость стали по шкале Роквелла должна достигать как минимум 36 единиц, только тогда стальной состав можно будет с большим успехом применить, например, в качестве конструкционного материала.

Но если такое свойство не обеспечивается в полной мере, то железо подлежит переплавке. Чистое железо, не обладающее достаточной твёрдостью, присущей стали, можно встретить только в лабораториях.

Виды шкал по методу измерения

Твёрдость стали как характеристика влияет на конкретное её применение. Она определяется как частное от деления величин нагрузки и площади поверхности друг на друга. Однако различают поверхностную, объёмную и проекционную твёрдость. Поверхностная определяется величиной давления, которую выдерживает заготовка. Проекционная – деление значения силовой нагрузки к площади проекции области давления. Объёмная – та же величина, поделённая на конкретный объём испытуемой зоны.

Макротвёрдость – воздействие от 2 Н до 3 кН силы для внедрения давящего тела в сдавливаемое на глубину в 200 нанометров. Микротвёрдость – сила менее 2 ньютона на ту же глубину. Нанотвёрдость – внедрение тела с любой силой воздействия на глубину менее 200 нм.

По Бринеллю

Суть метода определения твёрдости по Бринеллю сводится к диаметру отпечатка, который оставляется шариком из твёрдого сплава, вжимаемым в испытуемую поверхность. Величина твёрдости в этом случае равна отношению усилия, прилагаемого к шарику, к площади оставленного на поверхности следа испытательной нагрузки. Площадь отпечатка при этом равна площади части поверхности шарика. Значение твёрдости по Бринеллю равно килограммам силового воздействия на квадратный миллиметр. Встречающееся обозначение HB (что значит «твёрдость Бринелля») указывает на неиспользование испытательных шариков для определения искомой величины.

По Роквеллу

Метод Роквелла, по своей сути, напоминает испытание вдавления алмазного конуса в тестируемый материал. Размерность – конкретные единицы, включая производные – не задана. Несмотря на существования нескольких шкал по Роквеллу, используют лишь две из них – A (до 100 единиц) и B (до 130 по HRC). Твёрдость алмаза – максимальная, аналогов у данного материала в природе, да и при промышленном их получении, не существует. Для сравнения, эльбор имеет всего лишь 90, а не 100 единиц твёрдости.

По Моосу

Метод определения твёрдости по шкале Мооса основан на сравнении с эталонами 10 минеральных веществ – от талька до алмаза. К примеру, если испытуемая деталь процарапывается апатитом, но не поддаётся флюориту, то его твёрдость оказалась в диапазоне 4-5 единиц. Но абсолютная твёрдость колеблется от 1 до 1600 единиц.

По Виккерсу

Метод Виккерса несколько отличается от своего предыдущего аналога. Вдавливание осуществляется не конусом, а пирамидкой, из того же алмаза. Единицы измерения – как и в случае метода Бринелля.

По Шору

В отличие от метода Роквелла и иных аналогов вместо алмазного острия применяют закалённую иглу под действием настраиваемой пружины. Область применения – в основном для полимерных, а не стальных составов. Шкала в основном представлена вариантами A – для мягких пластиков, и D – для твёрдых. Для вычисления твёрдости стали определяют не глубину проникновения, а высоту отскакивания иглы или специального бойка.

Другие

Метод Кузнецова–Герберта– Ребиндера состоит в следующем: величина твёрдости вычисляется по времени затухания колебания маятника, опёртого об исследуемый образец.

Метод Польди (двойного отпечатка шарика) заключается в следующем: твёрдость измеряют путём сопоставления с твёрдостью образцовой заготовки и эталонной детали. Последовательно вдавливают шарик в тот и другой образцы.

Метод Бухгольца применяют в основном для выяснения значения твёрдости лака или краски, слой которой успел полностью высохнуть и затвердеть. Для проверки может использоваться любое остриё.

Метод Янка рассчитан для определения твёрдости древесных изделий и заготовок. Предусматривает использование статики и динамики для вычисления значения твёрдости.

Во всех случаях применяются приборы-твердомеры. Покрытие или поверхность основного материала предусматривает разрушение или сохранение поверхностного слоя. Ни один из вышеописанных методов не является истиной в последней инстанции – данные способы применяются в качестве приближённого, оценочного суждения о значениях твёрдости материала той или иной разновидности.

Для одних и тех же сортов стали величины могут существенно отличаться, а диапазоны величин для разных марок стали одного и того же рода – располагаться так, что любые зависимости окажутся в виде отчётливых кривых на графике. А также твёрдость меняется при разных внешних температуре и давлении.

Твёрдость сталей разных марок

Чем твёрже сталь, тем больше в ней должно содержаться углерода. Это задаёт то значение твёрдости, которое превысить не удастся, сколько данную марку сплава ни пытаться перезакалить. Для Ст20 твёрдость по шкале Роквелла в среднем равна 38 единиц, для Ст60 – 63. Повышение твёрдости промежуточных сортов стали начиная от наиболее низкоуглеродистой приближённо линейное. Наибольшей популярностью пользуются сорта стали 3, 30, 20, 53, 20Х, 55, 45, 35, 65Г, 12ХФ, 30Х, 25, 38ХА, при этом легирующие добавки управляют не столько параметром твёрдости, сколько иными – ударной вязкостью, упругостью, стойкостью к коррозии. Например, хромистые стали типа 20Х, 12Х, 30Х, 38ХА – несколько более устойчивы к ржавлению, чем простые их собратья без данной добавки. Никель, к примеру, повышает прокаливаемость. В целом же тенденция к повышению твёрдости прослеживается следующим образом: у Ст3 она не превышает 35 единиц по всё той же шкале Роквелла, у Ст30 в состоянии поставки – уже 44, у проката Ст35 – 47, Ст40 – 53, Ст45 – 57, Ст50 – 59, Ст55 – 61. Стали с содержанием углерода менее 0,3% по массе не поддаются закаливанию – из них изготавливают проволоку и гвозди.

Однако у некоторых высоколегированных и среднелегированных сталей твёрдость по Роквеллу может колебаться в значительных пределах (в режиме закалки и отпускания): 20Х – 55… 63, 65Г – 45… 47, Х12МФ – 61… 64, 30Х – 48… 54, 38ХА – 60… 61,5. Здесь, опять же, отслеживается аналогичная закономерность: чем больше углерода в сплаве, тем выше твёрдость. Однако вместе с ней растёт и способность крошиться при прикладывании к острию значительной силы при разрезании – с увеличением количества углерода по массе состава.

Для сравнения, твёрдость чугуна, содержание угля в котором превышает 2,14% по массе, преодолевает сама себя как явление: хрупкость чугуна настолько велика, что многие чугунные изделия растрескиваются от удара молотка, чего не происходит со стальными.

Как проверить в домашних условиях?

Общеизвестно, что сталь не царапается большинством цветных металлов. Можно попробовать поцарапать заготовкой стеклянную бутылку или осколок от листового оконного стекла, однако такой метод окажется весьма приближённым.

Проверка твёрдости в домашних условиях достигается попыткой высверлить сломанным, но подточенным заново сверлом из быстрорежущей стали. Если сталь при этом затупится, то твёрдость сплава явно превышает 64 единицы по Роквеллу. Сверлить эксклюзивные приборы, например, дорогостоящие ножи, вряд ли кто возьмётся, но просверлить отверстие в обычной детали, которая после подобного испытания вряд ли потеряет исходную функциональность, можно.

Если сталь легко процарапывается осколком бутылочного или оконного стекла, то перед вами, скорее всего, подделка. Быстрорежущую сталь особой твёрдости нелегко процарапать стеклом. А вот твёрдость победита, к примеру, такова, что победитовое сверло не царапается стеклом – скорее оно само его с лёгкостью процарапает.

Чтобы убедиться, что перед вами стальное сверло, а не победитовое, можно попробовать им просверлить глиняный кирпич или гранитный камень. Если при этом оно быстро затупится, то вы столкнулись с обычным сверлом из стали (оно сверлит лишь дерево).

Быстрорежущее сверло можно проверить на качество, просверлив им стальную деталь. Верно и обратное: заострённым обломком старого быстрорежущего сверла, который был подточен вручную, на напильнике или наждачке, высверливают заготовку с той стороны и в том участке, чьё повреждение не влияет на качество работы детали (например, это некритичная комплектующая вроде части стальной рамы). В этом случае проверяется качество закалки, нормализации, отжига или отпуска. Данный приём позволяет проверить, насколько нарушена технология термообработки отдельных деталей устройства, выдержит ли оно заявленный уровень ударно-вибрационной нагрузки.

Кроме механических способов проверки, присутствуют и термические. Например, инструментальная сталь, из которой изготовлен нож, нагревается до температуры закалки, указанной в инструкции к закаливанию конкретной массы стали. Далее инструмент охлаждается в масле. Затем его нагревают до температуры отпуска – и вновь охлаждают. В описании к определённой марке стали указано, что сталь приобретает определённый оттенок при нагреве – нагревать её нужно, пока она не приобретёт данный оттенок, затем вновь охладить. После отпуска исчезнут все усталостные напряжения, и стальной сплав обретёт ту твёрдость, что указана в его описании.

Если оказалось, что твёрдость далека от ожидаемой, значит, вы столкнулись с подделкой, закалить и отпустить изделие, как это наблюдалось бы с заявленной маркой стали, не удастся. Такие изделия годятся лишь для переплавки в качестве металлолома.

Как повысить?

Повышению твёрдости через закаливание и отпускание не подлежат сорта низкоуглеродистой стали. Даже когда изначально кажется, что масло, прижигаемое к поверхности закаливаемой заготовки, превратится в уголь и этим обогатит процентное содержание углерода, то на самом деле это не так. Сталь должна обладать более чем тремя промилле углерода (по массе), только тогда возможно немного повысить её твёрдость в домашних условиях. Дополнительному закаливанию и отпусканию подвергаются все быстрорежущие составы, относящиеся к инструментальным сталям, а также нержавейки начиная с серии Ст-31Х14.

Перед закаливанием рекомендуется выполнить отжиг. Температура отжига, как правило, ниже, чем во время закалки, но заметно выше, чем при отпускании. Например, сталь У12А обладает твёрдостью 64 по шкале Роквелла. Закаливают при 800 по Цельсию – вначале раскалённый инструмент ненадолго (на доли секунды) опускают в воду, затем – несколько раз на это же время – в масло. Сталь эта раскаляется до светло-красного, для чего достаточно применить большой костёр, к примеру, в шашлычнице или печке из огнеупорного кирпича, либо в самодельной муфельной печи. Причём работать эта печь вполне может от спирали, залитой в огнеупорную глину или даже помещённой в керамику. Но в качестве источника нагрева допустимо и использование паяльной лампы – например, газосварки, переведённой из турборежима в режим обычного горения пропана или метана. О том, что раскаливание инструмента происходит штатно, свидетельствует покраснение металла.

Однако, превысив температуру до 1300 и более градусов, велик риск перегреть сплав, из которого изготовлен прокаливаемый инструмент – сталь делается почти белой и окончательно теряет твёрдость.

Какие бывают виды и типы металлов и их сплавов

В строительстве, промышленности и других сферах жизни человека часто используются различные виды металлов. Они отличаются между собой свойствами, по которым их отбирают и применяют в той или иной области. Материалы получают разнообразными способами. Некоторые разновидности металлов соединяют вместе, чтобы получить сплавы, приобретающие уникальные физические и химические свойства.

Характеристики и признаки

Металлы представляют собой группу элементов в виде простых веществ, имеющих характерные металлические свойства. В природе они присутствуют в виде руд или соединений. Изучением характеристик этих материалов занимаются такие науки, как химия, физика и металловедение.

Металлы обладают совокупностью различных свойств. По механическим определяют их способность сопротивляться деформации и разрушению. Технологические помогают определить податливость материалов к различным видам обработки. Химические свойства показывают их взаимодействие с разными веществами, а физические говорят об их поведении в тепловом, гравитационном или электромагнитном полях.

Металлы классифицируют по следующим свойствам:

Твёрдость — устойчивость материала к проникновению другого.
Прочность — сохранение формы, структуры и размера после воздействия динамической, статической и знакопеременной нагрузки.
Упругость — изменение формы без нарушения целостности при деформации и возможность возвращения к первоначальному виду.
Пластичность — удерживание полученной формы и целостности под воздействием сил.
Износостойкость — сохранение наружной и внутренней целостности под воздействием продолжительного трения.
Вязкость — удерживание целостности под увеличивающимся физическим воздействием.
Усталость — число и период циклических воздействий, выдерживаемых металлом без изменения целостности.
Жароустойчивость — стойкость к высоким температурам.

Первостепенным признаком металлов выступает отрицательный коэффициент проводимости электричества, который при понижении температуры повышается, а при повышении — частично или полностью теряется. Второстепенными признаками материалов являются металлический блеск и высокая температура плавления. Кроме того, некоторые типы металлов, являющихся соединениями, могут быть восстановителями при окислительно-восстановительных реакциях.

Металлические свойства взаимосвязаны, так как составляющие материала влияют на все остальные параметры. Металлы подразделяются на чёрные и цветные, но их классифицируют по многим признакам.

Группа с железом и его сплавами

Чёрным металлам свойственны внушительная плотность, большая температура плавления и тёмно-серый окрас. К этой группе в основном относят железо с его сплавами. Для придания последним специфических свойств используют легирующие компоненты.

Подгруппы чёрных видов металлов:

Железные — железо, кобальт, марганец, никель. Обычно их берут за основу или как добавку к сплавам.
Тугоплавкие — вольфрам, молибден, титан, хром. Они плавятся при температуре, превышающей уровень плавления железа. Из тугоплавких разновидностей получают легированные стали.
Редкоземельные — лантан, неодим, церий. Они имеют родственные химические свойства, но различаются по физическим параметрам. Используются как присадка к сплавам.
Урановые (актиноиды) — актиний, нептуний, плутоний, торий, уран. Широко используются в атомной энергетике.
Щёлочноземельные — кальций, литий, натрий. В свободном виде не применяются.

Металлы чёрной группы представлены сплавами железа с разным содержанием углерода и содержанием дополнительных химических элементов: кремнием, серой или фосфором. Популярными материалами выступают сталь и чугун. В стали содержится до 2% углерода. Ей характерна хорошая пластичность и высокие технологические показатели. В чугуне содержание углерода может достигать 5%. Свойства сплава могут отличаться с различными химическими элементами: с содержанием серы и фосфора повышается хрупкость, а с хромом и никелем чугун становится стойким к высоким температурам и коррозии.

Цветные разновидности

Цветные металлы более востребованы, чем чёрные, поскольку большая часть из них представляет собой сырье для производства металлопроката. Эта группа материалов отличается широкой сферой применения: они используются в металлургии, машиностроении, радиоэлектронике, сфере высоких технологий и других областях.

Классификация по физическим параметрам:

Тяжёлые — кадмий, никель, олово, ртуть, свинец, цинк. В природных условиях они образуются в прочных соединениях.
Лёгкие — алюминий, магний, стронций, титан и другие. Характеризуются невысокой температурой плавления.
Благородные — золото, платина, родий, серебро. Для них свойственна повышенная стойкость к коррозии.

Цветные металлы отличаются небольшой плотностью, хорошей пластичностью, невысокой температурой плавления и преобладающими цветами (белым, жёлтым, красным). Из них изготавливается различная техника. Поскольку прочность материалов довольно низкая, их не используют в чистом виде. Из них производят лёгкие сплавы различного назначения.

Тяжёлые металлы

Материалы этой группы характеризуются внушительным атомным весом и плотностью, превышающей показатель у железа.

Большим спросом пользуется медь, которая выступает проводником электрического тока. Она отличается розовато-красным оттенком, маленьким удельным сопротивлением, хорошей теплопроводностью, небольшой плотностью, прекрасной пластичностью и устойчивостью к коррозии. В сфере техники используют сплавы меди: бронзу (с добавлением алюминия, никеля или олова) и латунь (с цинком). Бронзу применяют в производстве мембран, круглых и плоских пружин, червячных пар и разной арматуры. Из латуни изготавливают ленты, листы, проволоку, трубы, втулки, подшипники.

Группа тяжёлых металлов выступает одной из главных причин загрязнения окружающей среды. Токсичные вещества поступают в океаны через сточные воды с предприятий отрасли промышленности. Некоторые разновидности тяжёлой группы могут накапливаться в живых организмах.

Ртуть относится к высокотоксичным металлам для людей. При сжигании угля на электростанциях её соединения переходят в атмосферу, а затем преобразуются в осадки и попадают в водоёмы. Обитатели пресноводных и морских систем накапливают большое количество опасного вещества, что приводит к отравлениям или смерти людей.

Кадмий считается рассеянным и достаточно редким элементом, способным попадать в океан через сточные воды с металлургических предприятий. Это вещество в малом количестве есть в человеческом организме, но при высоком показателе он разрушает костную ткань и приводит к анемии.

Свинец в рассеянном состоянии присутствует почти везде. При избытке металла в организме человека наблюдаются проблемы со здоровьем.

Мягкие виды

Алюминий серебристо-белого цвета характеризуется лёгкостью, высокой устойчивостью к коррозии, хорошей электропроводностью и пластичностью. Характеристики материала сделали его полезным в самолётостроении, электропромышленности и пищевом производстве. Алюминиевые сплавы применяются в сфере машиностроения.

Магнию свойственна низкая коррозийная устойчивость, зато лёгкий материал незаменим в технической области. В сплавах с этим металлом используют алюминий, марганец и цинк, которые хорошо режутся и отличаются высокой прочностью. Магниевые сплавы используют в производстве корпусов для фотоаппаратов, двигателей и других приборов.

Титан применяют в машиностроении, ракетной отрасли и химической промышленности. Сплавы с содержанием этого вещества характеризуются небольшой плотностью, отличными механическими свойствами, коррозийной устойчивостью и податливостью обработке давлением.

Благородные материалы

Некоторые разновидности металлов редко встречаются в природе и отличаются трудоёмкими способами добычи. Металлы благородной группы — это:

Люди узнали о золоте ещё в эпоху каменного века. Самый дорогой металл в мире можно встретить в природе в виде самородков, в которых присутствует небольшое количество примесей. Также он встречается в сплавах с серебром.

Золото отличается теплопроводностью и очень низким сопротивлением. Из-за хорошей ковкости материал применяют в изготовлении ювелирных изделий.

Серебро идёт вторым по ценности после золота. В природе оно обычно встречается в качестве серебряной руды. Серебру характерны мягкость, пластичность, тепло- и электропроводность.

Платина, открытая в середине XX века, выступает редким материалом, который можно отыскать только в залежах различных сплавов. Её довольно трудно добывать. Ценность металла заключается в том, что он не подвергается воздействию кислот. При нагревании платина не изменяется в окраске и не окисляется.

Родий тоже относится к благородным металлам. Он обладает серебристым цветом с голубым отливом. Родий отличает устойчивость к химическим воздействиям и перепадам температур, но хрупкий металл портится под механическим воздействием.

Классификация по твёрдости

Металлы также делят на твёрдые и мягкие.

Самый твёрдый из чистейших материалов в мире — это хром. Он относится к тугоплавким разновидностям и отлично поддаётся механической обработке. Другим твёрдым элементом выступает вольфрам. Он характеризуется высокой температурой плавления, теплоустойчивостью и гибкостью. Из него выковывают различные детали и изготавливают небольшие элементы, необходимые для осветительных приборов. Вольфрам часто присутствует в тяжёлых сплавах. Твёрдые металлы сложно не только добывать, но и просто найти на планете. В основном их содержат упавшие на Землю метеориты.

К самым мягким металлам относят калий, натрий, рубидий и цезий. Также в этой группе состоят золото, серебро, медь и алюминий. Золото присутствует в морских комплексах, осколках гранитов и человеческом организме. Внешние факторы способны разрушить ценный металл. Мягкое серебро применяют в изготовлении посуды и ювелирных украшений. Натрий широко используют практически в любой промышленной отрасли. Ртуть, выступающую самым мягким металлом в мире, применяют сельскохозяйственной и химической промышленности, а также электротехнике

Конспект урока «Физические, химические, технологические свойства металлов»

Металлические изделия и детали используются в разных сферах промышленности. Существует множество видов металлов и каждый из них обладает сильными и слабыми сторонами. При изготовлении деталей для машин, самолётов или промышленного оборудования мастера обращают внимание на характеристики материала. Поэтому требуется знать свойства металлов и сплавов.

Свойства металлов и сплавов

Классификация металлов

Металлы разделяются на две большие группы — черные и цветные. Представители обоих видов различаются не только характеристиками, но и внешним видом.

Черные

Представители этой группы считаются самыми распространёнными и недорогими. В большинстве своем имеют серый или тёмный цвет. Плавятся при высокой температуре, обладают высокой твердостью и большой плотностью. Главный представитель этой группы — железо. Эта группа разделяется на подгруппы:

Железные — к представителям этой подгруппы относится железо, никель и кобальт.
Тугоплавкие — сюда входят металлы температура плавления которых начинается с 1600 градусов. Их применяют при создании основ для сплавов.
Редкоземельные — к ним относятся церий, празеодим и неодим. Обладают низкой прочностью.

Существуют урановые и щелочноземельные металлы, однако они менее популярны.

Цветные

Представители этой группы отличаются яркой окраской, меньшей прочностью, твердостью и температурой плавления (не для всех). Разделяется эта группа на следующие подгруппы:

Лёгкие — подгруппа, включающая в себя металлы с плотностью до 5000 кг/м3. Это такие материалы, как литий, натрий, калий, магний и другие.
Тяжёлые — сюда относится серебро, медь, свинец и другие. Плотность превышает 5000 кг/м3.
Благородные — представили этой подгруппы имеют высокую стоимость и устойчивость к коррозийным процессам. К ним относятся золото, палладий, иридий, платина, серебро и другие.

Выделяются тугоплавкие и легкоплавкие металлы. К тугоплавким относится вольфрам, молибден и ниобий, а к легкоплавким все остальные.

Механические свойства металлов

Прочность металлов

— свойство твердых тел сопротивляется разрушению, а также необратимыми изменениями формы. Основным показателем прочности является временное сопротивление, определяемое при разрыве цилиндрического образца, предварительно подвергнутого отжигу.

По прочности металлы можно разделить на следующие группы:

непрочные металлы

— (временное сопротивление не превышает 50 МПа) — олово, свинец, висмут, а также мягкие щелочные металлы.

прочные металлы

— (от 50 до 500 МПа) — магний, алюминий, медь, железо, титан и другие металлы, составляющие основу важнейших конструкционных сплавов

высокопрочные металлы

— (более 500 МПа) — молибден, вольфрам, ниобий и др.

К ртути понятие прочности неприменимо, поскольку это жидкость.

Временное сопротивление металлов указано в таблице 10.

Таблица 10. Прочность металлов

Металл	Временное сопротивление, МПа	Металл	Временное сопротивление, МПа
Титан	580	Цинк	120-140
Железо	200-300	Алюминий	80-120
Медь	200-250	Золото	120
Магний	120-200	Олово	27
Серебро	150	Свинец	18

Пластичность металлов

Пластичность

— свойство твердых тел сохранять часть деформации при снятии нагрузок, которые их вызвали. В качестве показателя пластичности выборочно относительное удлинение, определяемое при тех же испытаниях, что и временное сопротивление.

По степени пластичности металлы принято подразделять следующим образом:

высокопластичные металлы

— (относительное удлинение превосходит 40 %) — металлы, составляющие основу большинства конструкционных сплавов (алюминий, медь, железо, титан, свинец) и «легкие» металлы (натрий, калий, рубидий идр.)

пластичные металлы

— (относительное удлинение лежит в диапазоне между 3% и 40%) — магний, цинк, молибден, вольфрам, висмут и др. (наиболее обширная группа)

хрупкие металлы

— (относительное удлинение меньше 3%) — хром, марганец, кольбат, сурьма.

Высокая очистка хрупких металлов несколько повышает пластичность. Сплавы, полученные на их основе, почти не поддаются обработке давлением. Промышленные изделия из них часто получают путем литья. Относительное удлинение металлов характеризует таблица 11.

Таблица 11. Пластичность металлов

Металл	Относительное удлинение, %	Металл	Относительное удлинение, %
Золото	65	Титан	50
Серебро	65	Олово	40
Свинец	65	Алюминий	30-40
Медь	50-60	Цинк	30
Железо	40-50	Магний	10-22

Твердость

— характеристика материала, отражающая его прочность и пластичность, определяемая путем вдавливания шарика (метод Бринелля) или призмы (метод Виккерса). Количественный оценкой твердости является число твердости НВ, равное отношению нагружения (Н) к площади поверхности отпечатка (мм2).

Значения твердости металлов по Бринеллю приведена в таблице 12.

Таблица 12. Твердость металлов

Металл	НВ	Металл	НВ
Титан	160	Алюминий	16-25
Железо	70-80	Серебро	25
Магний	30-40	Золото	18
Медь	40	Олово	5
Цинк	33	Свинец	4

Модуль продольной упругости

Модуль продольной упругости, модуль Юнга, Е

— определяет жесткость металла, т.е. интенсивность увеличения напряжения по мере увеличения упругости деформации.

Таблица 13. Модуль Юнга металлов при 20 oС

Металл	Е * 10-5, МПа	Металл	Е * 10-5, МПа
Железо	2,17	Золото	0,83
Цинк	1,30	Алюминий	0,72
Медь	1,25	Олово	0,55
Титан	1,08	Магний	0,45
Серебро	0,83	Свинец	0,18

Литература по прочности

Гуль В. Е., Структура и прочность полимеров, 3 изд., М., 1978;
Разрушение, пер. с англ., т. 1, М., 1973;
Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е., Кинетическая природа прочности твердых тел, М., 1974.

к библиотеке к оглавлению FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ ТПОИ

Знаете ли Вы,

что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Основные виды сплавов

Человечество знакомо с различными металлическими сплавами. Самыми многочисленными из них являются соединения на основе железа. К ним относятся ферриты, стали и чугун. Ферриты имеют магнитные свойства, в чугуне содержится более 2,4% углерода, а сталь — это материал с высокой прочность и твердостью.

Отдельное внимания требуют металлические сплавы из цветных металлов.

Производство стали

Цинковые сплавы

Соединения металлов, которые плавятся при низких температурах. Смеси на основе цинка устойчивы к воздействию коррозийных процессов. Легко обрабатываются.

Алюминиевые сплавы

Популярность алюминий и сплавы на его основе получили во второй половине 20 века. Этот материал обладает такими преимуществами:

Устойчивость к низким температурам.
Электропроводность.
Малый вес заготовок в сравнении с другими металлами.
Износоустойчивость.

Однако нельзя забывать про то, что алюминий плавится при низких температурах. При температуре около 200 градусов характеристики ухудшаются.

Алюминий применяется при изготовлении комплектующих к машинам, производстве деталей для самолётов, составляющих промышленного оборудования, посуды, инструментов. Не многие знают, что алюминий популярен в сфере производства оружия. Связано это с тем, что детали из алюминия не искрят при сильном трении.

Чтобы увеличить прочность детали, алюминий смешивают с медью. Чтобы заготовка выдерживала давление — с марганцем. Кремний добавляют, чтобы получить обычную отливку.

Медные сплавы

Сплавы на основе меди — марки латуни. Из этого материала изготавливаются детали высокой точности, так как латунь легко обрабатывать. В составе сплава может содержаться до 45% цинка.

Свойства сплавов

Чтобы изготавливать детали и конструкции, нужно знать основные свойства металлов и сплавов. При неправильной обработке готовая деталь может быстро выйти из строя и разрушить оборудование.

Двигатель внутреннего сгорания

Физические свойства

Сюда относятся визуальные параметры и характеристики материала, изменяющиеся при обработке:

Теплопроводность. От этого зависит насколько поверхность будет передавать тепло при нагревании.
Плотность. По этому параметру определяется количество материла, которое содержится в единице объёма.
Электропроводность. Возможность металла проводить электрический ток. Этот параметр называется электрическое сопротивление.
Цвет. Этот визуальный показатель меняется под воздействием температур.
Прочность. Возможность материала сохранять структуру при обработке. Сюда же относится твердость. Эти показатели относятся и к механическим свойствам.
Восприимчивость к действию магнитов. Это возможность материала проводить через себя магнитные лучи.

Физические основы позволяют определить в какой сфере будет использоваться материал.

Химические свойства

Сюда относятся возможности материала противостоять воздействию химических веществ:

Устойчивость к коррозийным процессам. Этот показатель определяет на сколько материал защищён от воздействия воды.
Растворимость. Устойчивость металла к воздействию растворителей — кислотам или щелочным составам.
Окисляемость. Параметр указывает на выделение оксидов металлом при его взаимодействии с кислородом.

Обуславливаются эти характеристики химическим составом материала.

Механические свойства

Механические свойства металлов и сплавов отвечают за целостность структуры материала:

прочность;
твердость;
пластичность;
вязкость;
хрупкость;
устойчивость к механическим нагрузкам.

Технологические свойства

Технологические свойства определяют способность металла или сплава изменяться при обработке:

Ковкость. Обработка заготовки давлением. Материал не разрушается. Структура изменяется.
Свариваемость. Восприимчивость детали к работе сварочным оборудованием.
Усадка. Происходит этот процесс при охлаждении заготовки после её разогрева.
Обработка режущим инструментом.
Ликвация (затвердевание жидкого металла при понижении температуры).

Основной способ обработки металлических деталей — нагревание.

Свойства металлов и сплавов отвечают за то, как себя будет вести готовое изделие при эксплуатации. При обработке материалов также важно знать его характеристики.

Технологические и химические свойства твердых металлов

К технологическим свойствам относятся свариваемость, жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием, пр. От этих особенностей зависит возможность осуществления каких-либо операций, так как они влияют на пригодность металла к обработке определенными способами.

Свариваемость позволяет добиваться надежных сварных соединений без трещин и иных дефектов, в том числе на прилегающих к шву участках. В некоторых случаях металл может подходить для сварки одним методом, но давать некачественный результат при смене технологии. Так, элементы из дюралюминия удовлетворительно скрепляются при помощи точечной сварки, чего не скажешь о соединении методом газовой сварки. На чугуне получаются хорошие швы за счет газовой сварки с подогревом и слабые при дуговой.

Жидкотекучесть – это свойство, которое дает возможность заливать горячие металлы и их сплавы в литерную форму.

Ковкость, то есть свойство твердых металлов и сплавов изменять форму под действием давления.

Обрабатываемость резанием позволяет относительно легко работать с металлом острым режущим инструментом: резцом, фрезой, пр. Данное свойство очень важно на таких этапах механической обработки, как резание, фрезерование, пр.

Под химическими свойствами понимают способность металлов вступать в реакцию с другими веществами, в том числе, с кислородом. Если металл быстро реагирует с вредными для него элементами, это приводит к быстрой потере им свойств. Разрушение металлов под действием окружающей среды – это коррозия. Отрицательно сказываться на состоянии материала могут воздух, влага, растворы солей, кислот, щелочей. Для защиты изделий от всех перечисленных факторов используют специальные нержавеющие, кислотостойкие и другие виды сталей.

Твердость металлов

Трудно назвать сферу жизнедеятельности, в которой не используют металлы и/или их сплавы. Пластичный материал, устойчивый к перепадам температур, агрессивным веществам, применяется для производства деталей, корпусов, узлов, подвергающихся высоким динамическим, статическим нагрузкам.

Твердость — свойство металла, которое характеризует способность сопротивляться изменению формы изделия при соприкосновении с другим, более твердым предметом.

Именно поэтому твердость специалисты называют одним из физических основных показателей металла. Для измерения устойчивости к деформации используют несколько методик — от глубины каверны, образованной при вдавливании в материал алмазного или твердосплавного конуса до высоты, на которую отскакивает стальной шарик при сбрасывании на испытуемое тело.

В зависимости от способа воздействия на испытуемый предмет метод называют статическим или динамическим. К первым относят таблицы Бринелля, Викерса, Роквелла. Виды нагрузок к материалам, сила и другие характеристики их приложения при испытаниях подробно описаны в ГОСТ:

1497-84 — госстандарт содержит методику определения сопротивляемости металлических предметов на растяжение. Документ рекомендует изготавливать контрольные образцы на металлорежущих станках с минимальными геометрическими параметрами;
25.503-97 — введен взамен ГОСТ 25.503-80 для проверки на разрушаемость при сжатии;
14019-80 — стандарт, который соблюдают при исследовании металлических заготовок на изгиб.

Динамические испытания изобретены учеными Альбертом Шором, Николаем Бауманом, другими испытателями. Научно-исследовательские лаборатории, предприятия применяют один или несколько методов определения твердости металла перед запуском изделия в массовое производство или изготовления штучного образца.

Среди динамических методов исследования наиболее часто используют способ, который изобрел Альберт Шор. Более подробно о методиках испытаний на твердость — в этой статье.

Определение твердости металла по Бринеллю

Метод изобретен Ю́ханом А́вгустовичем Брине́ллем — шведским металлургом, который предложил испытывать твердость металлов и сплавов статической нагрузкой. Для этого применяется стенд, способный оказывать давление на заготовку не менее, чем 30 кН. Индентор (предмет, который применяют для проверки прочности материала) — шарик из твердого сплава.

Процесс определения характеристики выглядит так:

на рабочей поверхности стенда укрепляют заготовку;
на шарик постепенно опускается головка пресса;
давление оказывается в течение 10-15 минут для сталей;
физические характеристики глубины углубления определяют свойства испытуемого материала.

Твердость по восстановленному отпечатку определяется как отношение приложенной нагрузке к площади отпечатка по формуле:

F — нагрузка;
D — диаметр индентора;
d — размер углубления

Для исследований используют шарики диаметром 10 мм, но в некоторых случаях допускается применение инденторов меньших размеров (1; 2; 2.5; 5 мм).

Определение по невосстановленному отпечатку немного отличается: для этого учитывают отношение нагрузки к объему оттиска (части индентора, вдавленной в заготовку) по формуле:

где под значением h понимают глубину отметки, оставленной индентора

Твердость металла по Бринеллю, например, такое, как 550 HWB 10/3100/12,обозначает:

550 — числовой показатель в кгс/мм²;

10 — диаметр шарика;
3100 — сила давления при испытании образца в кгс;
12 — число секунд, потраченных на испытание.

Определение твердости металла по Роквеллу

Метод впервые получил подробное описание в книге венского профессора Людвига «Die Kegelprobe», с нем «испытание конусом». Твердомер с индентором из стали или алмаза изобретен Хью и Стэнли Роквеллами как прибор, с помощью которого можно было в очень сжатые сроки оценивать состояние термообработки материала. Роквеллам потребовался способ быстрого анализа стали при производстве подшипников.

Твердость стали и других сплавов по описываемому методу разделена на одиннадцать шкал, которые обозначаются буквами латинского алфавита от A до T. Для исследований используются сферические инденторы (материал — инструментальная сталь или карбид вольфрама) и конический наконечник из алмаза со скругленной головкой под углом 120 градусов. Формула расчета:

Для шкал Роквелла используют стандартные нагрузки — 60, 100 или 150 кгс (чем мягче сплав, тем меньше давление на образец). Обозначение для твердости по Роквеллу — HS, третья латинская буква добавляется в зависимости от шкалы. Например, HSA — материал шкалы A, который испытывали под давлением 60 кгс с алмазным сфероконическим наконечником, HRC и HRG — шкалы для образцов, исследуемых при помощи максимальных нагрузок — 150 кгс.

Определение твердости металла по Виккерсу

Нормативы, содержащиеся в ГОСТ 2999-75 (СТ СЭВ 470-77) и ISO 6507, регламентирует способ испытания материалов, при котором используют алмазную пирамиду с углом 136 градусов в качестве индентора. Обозначение характеристики такого метода исследования — HV, она получается после деления нагрузки на площадь пирамидального отпечатка.

Твердомеры Виккерса используют для исследования тонкостенных заготовок, азотированных и/или цементированных материалов. Время нагрузки, которой подвергают деталь — не меньше 5 секунд.

Определение твердости металла по Шору

Способ проверки материала, который изобрел Альберт Ф. Шор, называют динамическим из-за механики исследования: над поверхностью заготовки отпускают стальной шарик или стержень. Твердость исследуемого предмета оценивают по высоте отскока специальным прибором — дюрометром.

Регламентирующий документ для испытаний — международный стандарт ISO 868. Степень твердости сплавов оценивают по двум шкалам в соответствии с этим документов — A и D. Дюрометры других типов могут классифицировать сплавы по шкалам A, B, C, D, O и OO. Прибор состоит из нескольких частей:

Читайте также: