Твердость сталей без закалки

Обновлено: 09.05.2024

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.

Механические свойства стали

Несомненно, наиболее важными свойствами стали, которые способствуют ее обширному применению, являются механические. Они подразумевают сочетание очень высокой прочности со способностью значительно изменять форму до окончательного разрушения, например, из-за пластического прогиба.

Были разработаны различные методы для определения данных параметров. Существует множество разновидностей стальных сплавов. Об их механических свойствах и пойдет речь в нашей статье.

Прочность

Прочность данного материала – это то свойство, которое определяет его способность выдерживать значительную внешнюю нагрузку без разрушения. Количественно этот показатель характеризуется пределом текучести и пределом прочности.

• Предел прочности – максимальное механическое напряжение, выше которого стальной сплав разрушается.
• Предел текучести – этот параметр определяет уровень механического напряжения, при превышении которого материал продолжает растягиваться в условиях нулевой нагрузки.

При небольших деформациях стержень ведет себя упруго – он «возвращается» к своей исходной длине, если приложенные напряжения снимаются. Когда последние превышают предел текучести, заготовка начинает пластически деформироваться. Это означает, что она больше не возвращается к своей исходной длине, но получает необратимое удлинение.

При растяжении стержня до разрыва определяется максимальное напряжение, что представляет собой предел прочности на разрыв или предел прочности материала.

Пластичность

Благодаря этому свойству металл меняет свою форму под воздействием внешней нагрузки и сохраняет её впоследствии. Этот показатель количественно оценивается удлинением при растяжении и углом изгиба. Если металл разрушается при простом испытании на изгиб только после большого пластического прогиба, он считается пластичным. Если таковой отсутствует или незначителен, сталь считается хрупкой.

Хорошая пластичность сплава выражается в испытании на растяжение большим удлинением образца и/или его сжатием. Удлинение определяется как процент увеличения длины металла после разрушения до его первоначальной длины. Точно так же сужение в процентах определяет уменьшение площади образца по сравнению с его исходным объемом.

Вязкость

Важным механическим свойством металла является его вязкость. Данная характеристика обозначает способность материала противостоять динамическим нагрузкам. Количественно это свойство оценивается по работе, необходимой для разрушения образца, отнесенной к его площади поперечного сечения. Обычно термин «вязкость» используется для определения уровня способности металла нехрупко разрушаться.

Характер разрушения (хрупкое или пластичное) удобно рассмотреть на примере ферритных стальных сплавов. Все металлы с объемно-центрированной кубической атомной решеткой, как и ферритные стали, имеют один общий недостаток: хрупкий характер разрушения при низких температурах, а при довольно высоких – пластичный характер.

Температура перехода от одного состояния к другому называется температурой вязко-хрупкого перехода.

Другие свойства

Твердость

Сталь обладает и таким механическим свойством, как твердость. Она позволяет металлу противостоять попаданию в него твердых частиц. Его твердость измеряют при помощи индентора – это более твердый материал, который внедряют в сталь до появления отпечатка. Идеальный индентор – алмазный конус, но также применяются металлические шарики. Все методы определения твердости металлов используют механическое воздействие на исследуемый образец – вдавливание индентора. Однако это не приводит к разрушению материала.

На твердость металла влияет зависимость от температуры закалки и содержания углерода. Наиболее распространенными методами замера твердости являются:

• метод Виккерса;
• метод Бринелля;
• метод Роквелла.

Усталость

Усталость стали – это свойство, описывающее постепенное накопление повреждений под действием циклических нагрузок, которое приводит к образованию трещин. Усталостное разрушение имеет ряд отличительных черт. Возникает внезапно, без заметных внешних признаков пластической деформации. При усталостном переломе обычно выделяют две характерные зоны. Первая, имеющая гладкую поверхность, создается за счет появления и постепенного развития усталостной трещины, вторая – это зона окончательного разрушения остальной части сечения изделия.

После возникновения царапины или потертости напряжение в точке концентрации превысит предел текучести. Это приведет к трещинам и другим дефектам, из-за которых металл может разрушиться. Предотвратить разрушение в связи с усталостью металла невозможно, но продлить срок его службы можно, осуществляя регулярный осмотр и профилактику.

Маркировка и свойства разных марок стали

Стальные сплавы классифицируются по нескольким параметрам:

• химический состав (углеродистые, легированные);
• качество (обыкновенного качества, качественные, высококачественные, особо высококачественные);
• способ проката (конверторные, мартеновские, электростали, особых методов выплавки);
• структура в отожженном состоянии (перлитные, аустенитные, ферритные, карбидные);
• назначение (конструкционные, инструментальные, специального назначения, строительные).

В России по маркировке стали можно приблизительно определить состав и другие ее характеристики, так как для обозначения применяются буквы названий элементов, которые добавляют в сплав, а цифры отображают количественное содержание. Также буквы используются для обозначения уровня раскисления. Для примера, кипящие стали имеют маркировку «КП», полуспокойные – «ПС», а спокойные – «СП».

Тем сплавам, которым присущи обыкновенные свойства, присваивается индекс Ст, вслед за которым указывается условный номер марки (от 0 до 6). Затем обозначается уровень раскисления. Легированные сплавы маркируют при помощи следующих буквенных обозначений легирующих веществ: Н – никель, Ю – алюминий, Х – хром, Т – титан, М – молибден, В – вольфрам. Для быстрорежущих инструментальных сплавов указывается индекс «P» и процентное содержание вольфрама, например P16.

Стали повышенной и высокой прочности (низко- и среднелегированные) поставляются в соответствии с ГОСТами и особыми техническими условиями.

Обозначение легированных сталей в определенной степени отражает их химический состав. Первые две цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента, следующие буквы – легирующие добавки. Число после буквы показывает содержание добавки в процентах, округленное до целых значений. Если количество легирующих компонентов составляет 0,3-1%, то цифру не ставят. Содержание добавки менее 0,3% не наблюдается.

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.

Термическая обработка стали

Термическая обработка стали позволяет придать изделиям, деталям и заготовкам требуемые качества и характеристики. В зависимости от того, на каком этапе в технологическом процессе изготовления проводилась термическая обработка, у заготовок повышается обрабатываемость, с деталей снимаются остаточные напряжения, а у деталей повышаются эксплуатационные качества.

Технология термической обработки стали – это совокупность процессов: нагревания, выдерживания и охлаждения с целью изменения внутренней структуры металла или сплава. При этом химический состав не изменяется.

Так, молекулярная решетка углеродистой стали при температуре не более 910°С представляет из себя куб объемно-центрированный. При нагревании свыше 910°С до 1400°С решетка принимает форму гране-центрированного куба. Дальнейший нагрев превращает куб в объемно-центрированный.

Термическая обработка стали

Сущность термической обработки сталей – это изменение размера зерна внутренней структуры стали. Строгое соблюдение температурного режима, времени и скорости на всех этапах, которые напрямую зависят от количества углерода, легирующих элементов и примесей, снижающих качество материала. Во время нагрева происходят структурные изменения, которые при охлаждении протекают в обратной последовательности. На рисунке видно, какие превращения происходят во время термической обработки.

Изменение структуры металла при термообработке

Назначение термической обработки

Термическая обработка стали проводится при температурах, приближенных к критическим точкам . Здесь происходит:

• вторичная кристаллизация сплава;
• переход гамма железа в состояние альфа железа;
• переход крупных частиц в пластинки.

Внутренняя структура двухфазной смеси напрямую влияет на эксплуатационные качества и легкость обработки.

Образование структур в зависимости от интенсивности охлаждения

Основное назначение термической обработки — это придание сталям:

• В готовых изделиях:
  1. прочности;
  2. износостойкости;
  3. коррозионностойкость;
  4. термостойкости.

• В заготовках:
  1. снятие внутренних напряжений после
     • литья;
     • штамповки (горячей, холодной);
     • глубокой вытяжки;

     Термическая обработка применяется к следующим типам сталей:

     1. Углеродистым и легированным.
     2. С различным содержанием углерода, от низкоуглеродистых 0,25% до высокоуглеродистых 0,7%.
     3. Конструкционным, специальным, инструментальным.
     4. Любого качества.

     Классификация и виды термообработки

     Основополагающими параметрами, влияющими на качество термообработки являются:

     • время нагревания (скорость);
     • температура нагревания;
     • длительность выдерживания при заданной температуре;
     • время охлаждения (интенсивность).

     Изменяя данные режимы можно получить несколько видов термообработки.

     Виды термической обработки стали:

     • Отжиг
       1. I – рода:
          • гомогенизация;
          • рекристаллизация;
          • изотермический;
          • снятие внутренних и остаточных напряжений;
          • полный;
          • неполный;
          • Закалка;
          • Отпуск:
            1. низкий;
            2. средний;
            3. высокий.
          • Нормализация.

          
          

          Температура нагрева стали при термообработке

          Отпуск

          Отпуск в машиностроении используется для уменьшения силы внутренних напряжений, которые появляются во время закалки. Высокая твердость делает изделия хрупкими, поэтому отпуском добиваются увеличения ударной вязкости и снижения жесткости и хрупкости стали.

          1. Отпуск низкий

          Для низкого отпуска характерна внутренняя структура мартенсита, которая, не снижая твердости повышает вязкость. Данной термообработке подвергаются измерительный и режущий инструмент. Режимы обработки:

          • Нагревание до температуры – от 150°С, но не выше 250°С;
          • выдерживание — полтора часа;
          • остывание – воздух, масло.

          2. Средний отпуск

          Для среднего отпуска преобразование мартенсита в тростит. Твердость снижается до 400 НВ. Вязкость возрастает. Данному отпуску подвергаются детали, работающие со значительными упругими нагрузками. Режимы обработки:

          • нагревание до температуры – от 340°С, но не выше 500°С;
          • охлаждение – воздух.

          3. Высокий отпуск

          При высоком отпуске кристаллизуется сорбит, который ликвидирует напряжения в кристаллической решетке. Изготавливаются ответственные детали, обладающие прочностью, пластичностью, вязкостью.

          
          

          Нагревание до температуры – от 450°С, но не выше 650°С.

          Отжиг

          Применение отжига позволяет получить однородную внутреннюю структуру без напряжений кристаллической решетки. Процесс проводят в следующей последовательности:

          • нагревание до температуры чуть выше критической точки в зависимости от марки стали;
          • выдержка с постоянным поддержанием температуры;
          • медленное охлаждение (обычно остывание происходит совместно с печью).

          1. Гомогенизация

          Гомогенизация, по-иному отжиг диффузионный, восстанавливает неоднородную ликвацию отливок. Режимы обработки:

          2. Рекристаллизация

          Рекристаллизация, по-иному низкий отжиг, используется после обработки пластическим деформированием, которое вызывает упрочнение за счет изменения формы зерна (наклеп). Режимы обработки:

          • нагревание до температуры – выше точки кристаллизации на 100°С-200°С;
          • выдерживание — ½ — 2 часа;
          • остывание – медленное.

          3. Изотермический отжиг

          Изотермическому отжигу подвергаются легированные стали, для того чтобы произошел распад аустенита. Режимы термообработки:

          • нагревание до температуры – на 20°С — 30°С выше точки ;
          • выдерживание;
          • остывание:
            • быстрое – не ниже 630°С;
            • медленное – при положительных температурах.

            4. Отжиг для устранения напряжений

            Снятие внутренних и остаточных напряжений отжигом используется после сварочных работ, литья, механической обработки. С наложением рабочих нагрузок детали подвергаются разрушению. Режимы обработки:

            • нагревание до температуры – 727°С;
            • выдерживание – до 20 часов при температуре 600°С — 700°С;
            • остывание — медленное.

            5. Отжиг полный

            Отжиг полный позволяет получить внутреннюю структуру с мелким зерном, в составе которой феррит с перлитом. Полный отжиг используют для литых, кованных и штампованных заготовок, которые будут в дальнейшем обрабатываться резанием и подвергаться закалке.

            
            

            Полный отжиг стали

            • температура нагрева – на 30°С-50°С выше точки ;
            • выдержка;
            • охлаждение до 500°С:
              • сталь углеродистая – снижение температуры за час не более 150°С;
              • сталь легированная – снижение температуры за час не более 50°С.

              6. Неполный отжиг

              При неполном отжиге пластинчатый или грубый перлит преобразуется в ферритно-цементитную зернистую структуру, что необходимо для швов, полученных электродуговой сваркой, а также инструментальные стали и стальные детали, подвергшиеся таким методам обработки, температура которых не провоцирует рост зерна внутренней структуры.

              • нагревание до температуры – выше точки или , выше 700°С на 40°С — 50°С;
              • выдерживание – порядка 20 часов;
              • охлаждение — медленное.

              Закалка

              Закалку сталей применяют для:

              • Повышения:
                1. твердости;
                2. прочности;
                3. износоустойчивости;
                4. предела упругости;
              • Снижения:
                1. пластичности;
                2. модуля сдвига;
                3. предела на сжатие.

              Суть закалки – это максимально быстрое охлаждение прогретой насквозь детали в различных средах. Каление производится с полиморфными изменениями и без них. Полиморфные изменения возможны только в тех сталях, в которых присутствуют элементы способные к преобразованию.

              
              

              Такой сплав подвергается нагреву до той температуры, при которой кристаллическая решетка полиморфного элемента терпит изменения, за счет чего увеличивается растворяемость легирующих материалов. При снижении температуры решетка изменяет структуру из-за избытка легирующего элемента и принимает игольчатую структуру.

              Невозможность полиморфных изменений при калении обусловлено ограниченной растворимостью одного компонента в другом при быстрой скорости охлаждения. Для диффузии мало времени. В итоге получается раствор с избытком нерастворенного компонента (метастабильтный).

              Для увеличения скорости охлаждения стали используются такие среды как:

              • вода;
              • соляные растворы на основе воды;
              • техническое масло;
              • инертные газы.

              Сравнивая скоростной режим охлаждения стальных изделий на воздухе, то охлаждение в воде с 600°С происходит в шесть раз быстрее, а с 200°С в масле в 28 раз. Растворенные соли повышают закаливающую способность. Недостатком использования воды считается появление трещин в местах образования мартенсита. Техническое масло используется для закалки легирующих сплавов, но оно пригорает к поверхности.

              Металлы, использующиеся при изготовлении изделий медицинской направленности не должны иметь пленки из оксидов, поэтому охлаждение происходит в среде разряженного воздуха.

              Чтобы полностью избавиться от аустенита, из-за которого у стали наблюдается высокая хрупкость, изделия подвергаются дополнительному охлаждению при температурах от — 40°С и до -100°С в специальной камере. Также можно использовать углекислую кислоту в смеси с ацетоном. Такая обработка повышает точность деталей, их твердость, магнитные свойства.

              Если деталям не требуется объемная термообработка, проводится каление только поверхностного слоя на установках ТВЧ (токами высокой частоты). При этом глубина термообработки составляет от 1 мм до 10 мм, а охлаждение происходит на воздухе. В итоге поверхностный слой становится износоустойчивым, а середина вязкая.

              Процесс закалки предполагает прогревание и выдержку стальных изделий при температуре, достигающей порядка 900°С. При такой температуре стали с содержанием углерода до 0,7% имеют структуру мартенсита, который при последующей термообработке перейдет в требуемую структуру с появлением нужных качеств.

              Нормализация

              Нормализация формирует структуру с мелким зерном. Для низкоуглеродистых сталей — это структура феррит-перлит, для легированных – сорбитоподобная. Получаемая твердость не превышает 300 НВ. Нормализации подвергаются горячекатаные стали. При этом у них увеличивается:

              • сопротивление излому;
              • производительность обработки;
              • прочность;
              • вязкость.

              
              

              Процесс нормализации стали

              • происходит нагрев до температуры – на 30°С-50°С выше точки ;
              • выдерживание в данном температурном коридоре;
              • охлаждение – на открытом воздухе.

              Преимущества термообработки

              Термообработка стали – это технологический процесс, который стал обязательным этапом получения комплектов деталей из стали и сплавов с заданными качествами. Этого позволяет добиться большое разнообразие режимов и способов термического воздействия. Термообработку используют не только применительно к сталям, но и к цветным металлам и сплавам на их основе.

              Стали без термообработки используются лишь для возведения металлоконструкций и изготовления неответственных деталей, срок службы которых невелик. К ним не предъявляются дополнительные требования. Повседневная же эксплуатация наоборот диктует ужесточение требований, именно поэтому применение термообработки предпочтительно.

              В термически необработанных сталях абразивный износ высок и пропорционален собственной твердости, которая зависит от состава химических элементов. Так, незакаленные матрицы штампов хорошо сочетаются при работе с калеными пуансонами.

              Закалка стали 40Х

              При сильном нагреве практически все материалы изменяют свои физические характеристики. В некоторых случаях нагрев проводится целенаправленно, так как подобным образом можно улучшить некоторые эксплуатационные качества, к примеру, твердость. Термическая обработка на протяжении многих лет используется для повышения твердости поверхности стали. Выполнять закалку следует с учетом особенностей металла, так как технология повышения твердости поверхности создается на основании состава материала. В некоторых случаях провести закалку можно в домашних условиях, но стоит учитывать, что сталь относиться к труднообрабатываемым материалам и для придания пластичности нужно проводить сильный нагрев до высоких температур при помощи определенного оборудования. В данном случае рассмотрим особенности нагрева стали 40Х для повышения пластичности и проведения закалки или отпуска.

              
              

              Круг из стали 40Х

              Сталь 40Х

              Как ранее было отмечено, для правильного проведения закалки и отпуска стали следует учитывать ее состав и многие другие особенности. Выбрать правильно режимы термической обработки можно с учетом следующей информации:

              1. Рассматриваемая сталь относится к конструкционной легированной группе. Легированная группа характеризуется содержанием большого количества примесей, которые определяют изменение эксплуатационных качеств, в том числе твердости.
              2. Используется в промышленности при создании валов, осей, штоков, оправок, реек, болтов, втулок, шестерней и других деталей.
              3. Показатель твердости до проведения термической обработки HB 10 -1 = 217 Мпа.
              4. Температура критических точек определяет момент, при котором сталь 40Х начинает терять свои качества из-за термической обработки: c₁= 743 , Ac₃(Ac_m) = 815 , Ar₃(Arc_m) = 730, Ar₁ = 693.
              5. При температуре отпуска 200 °С HB = 552.

              Расшифровка стали 40Х говорит о том, что в составе материала находится 0,40% углерода и 1,5% хрома.

              Процесс закалки

              Процесс обработки высокой температурой стали 40Х и иного сплава называют закалкой. Стоит учитывать, что нагрев выполняется до определенной температуры, которая была определена путем многочисленных испытаний. Время выдержки, после которого проводится охлаждение, а также другие моменты можно узнать из специальных таблиц. Провести нагрев в домашних условиях достаточно сложно, так как в рассматриваемом случае нужно достигнуть температуры около 800 градусов Цельсия.

              
              

              Химический состав стали 40Х

              Результатом сильного нагрева и выдержки металла 40Х на протяжении определенного времени с последующим резким охлаждением в воде становится повышение твердости и уменьшение пластичности. При этом результат зависит от нижеприведенных показателей:

              1. скорости нагрева металла 40Х;
              2. времени выдержки;
              3. от скорости охлаждения.

              При проведении работы в домашних условиях следует учитывать температуру обработки и время охлаждения.

              
              

              Механические свойства стали 40Х в зависимости от температуры отпуска

              При выборе метода разогрева поверхности следует обратить внимание на ТВЧ. Этот метод более популярен, чем обычная объемная обработка по причине достижения необходимой температуры за более короткое время.

              В домашних условиях ТВЧ используется крайне редко. После проведения работы при использовании ТВЧ повышается эксплуатационная прочность детали, что связано с появлением поверхностных сжимающих напряжений.

              Провести закалку 40Х на примере изделия болта М24 можно следующим образом:

              1. разогревается электропечь;
              2. следует провести разогрев до 860 °C, для чего в некоторых случаях необходимо 40 минут;
              3. время, необходимое для аустенизации, после которого проводится охлаждение, составляет 10-15 минут. Равномерный желтый цвет изделия – признак правильного прохождения процесса закалки 40Х;
              4. завершающим этапом становится охлаждение в ванной с водой или другой жидкостью.

              Определить самостоятельно момент, после которого следует охладить металл, в промышленных и домашних условиях невозможно. Именно поэтому по проведенным исследованиям было принято, что для нагрева металла в электропечах необходимо 1,5-2 минуты на один миллиметр, после чего структура может быть перегрета.

              Определение твердости проводится по методу Роквелла. Улучшение, проведенное путем отпуска или закалки, можно измерить при помощи обозначения HRC. Стандартное обозначение HR, к которому проводится добавление буквы в соответствии с типом проведенного испытания. Обозначение HRC наиболее часто встречается, последняя буква означает использование алмазного конуса с углом 120 0 при испытании.

              Отпуск и нормализация

              Отпуск проводится непосредственно сразу после завершения закалки, так как есть большая вероятность возникновения трещин в структуре. Разогревается изделие в этом случае до точки ниже критической, проводится выдерживание на протяжении определенного промежутка времени и выполняется охлаждение. Отпуск обеспечивает улучшение структуры, устраняет напряжение и повышает пластичность, устраняет хрупкость стали 40Х.

              Различают три вида рассматриваемой термообработки:

              1. Низкий отпуск определяет разогрев поверхности до 250 °С с выдержкой и охлаждение на воздухе. Применяется для снятия напряжений и незначительного повышения пластичности практически без потери твердости. В случае конструкционного сплава применяется крайне редко.
              2. Средний отпуск позволяет нагревать изделие до 500 °С. В этом случае вязкость значительно повышается, а твердость снижается. Используют этот метод термообработки при получении пружин, рессор и некоторого инструмента.
              3. Высокий позволяет раскаливать деталь до 600 °С. В этом случае происходит распад мартенсита с образованием сорбита. Подобная структура представлена лучшим сочетанием прочности и пластичности. Также повышается показатель ударной вязкости. Используют этот метод термообработки для получения деталей, применяемых при ударных нагрузках.

              Еще одним видом распространенной термообработки является нормализация. Зачастую нормализация проводится путем разогрева металла до верхней критической точки с последующей выдержкой и охлаждением в обычной среде, к примеру, на открытом воздухе. Проводят нормализацию для придания мелкозернистой структуры, что приводит к повышению пластичности и ударной вязкости.

              Читайте также:

                
              • Самые распространенные марки сталей
                
              • Сталь 65 мп характеристики
                
              • Сталь 95х18 твердость по роквеллу
                
              • Сталь для гребных валов
                
              • Сталь 10 шестигранник 10