Понимание твердости материалов: руководство по сравнению инженерных материалов

Процесс разработки продукта охватывает несколько второстепенных процессов, и выбор материала является наиболее важным среди них.

У каждого материала разные механические свойства и возможности. И чтобы сделать правильный выбор материала, вам нужно определить тип нагрузочных условий, которые будет испытывать ваша деталь. Например, если вы проектируете деталь (или сборку), которая будет контактировать с другими компонентами или испытывать ударные нагрузки, то вы хотите выбрать материал с достаточной твердостью материала.

Но что именно такое твердость материала и как ее измерить? Эта статья отвечает на эти вопросы и многое другое.

Что такое твердость материала?

Твердость материала — это способность материала выдерживать локальную пластическую деформацию из-за концентрированных приложенных нагрузок.

Посмотрите на это так. Когда мы говорим, что материал имеет высокую степень твердости, это просто означает, что материал может сохранять свою форму в присутствии внешних сил, таких как царапание, вдавливание и абразивный износ. Так, материалы как титан и алмаз имели бы более высокую степень твердости, чем пластик.

При сравнении алмаза и пластиков вы, вероятно, знаете, какой материал имеет большую твердость по интуиции. Но когда вы хотите выбрать между тесно связанными металлами (или сплавами), почти всегда невозможно сделать правильное предположение, если вы не выполните тест на твердость на них.

Существует несколько методов тестирования твердости материала. Но перед тем, как обсудить эти методы, важно, чтобы вы сначала поняли типы твердости материала.

Типы твердости материала

Вот три типа твердости материала:

1. Твердость на вдавливание
2. Твердость на царапание
3. Твердость на отскок

Твердость на вдавливание относится к сопротивлению материала постоянной деформации, когда он подвергается непрерывной нагрузке. В противовес, твердость на царапание описывает способность материала сопротивляться царапанию своей поверхности из-за контакта с другим металлом. Наконец, твердость на отскок связана с упругостью материала; она описывает способность материала поглощать энергию удара.

Как только вы знаете тип нагрузочных (или экологических) условий, которые будет испытывать ваша деталь, вы можете рассмотреть любой из следующих методов тестирования твердости для сравнения ваших вариантов материалов. Если у вас есть необходимое оборудование, вы можете выполнить эти тесты. Или вы можете положиться на информацию от ваших поставщиков и онлайн-ресурсов вроде Matweb, которые перечисляют свойства различных материалов.

Как протестировать твердость материалов: 4 тестовых метода

Метод #1 Тест Бринелля

Тестер твердости по Бринеллю из Wikimedia Commons.

Тест Бринелля измеряет твердость на вдавливание материала. Этот тестовый метод использует вдавливатель (обычно закаленный стальной шар) для создания впечатления на тестовом образце. В этом тестовом методе вы удерживаете вдавливатель на месте перед применением предопределенной силы в шар (и поверхность материала) в течение указанного периода.

Далее назначьте число твердости Бринелля материалу в зависимости от размера вдавливания, сформированного на нем. Вы можете измерить вдавливание с помощью микроскопа и рассчитать число твердости Бринелля, используя:

Где:
HB = Твердость Бринелля (кг/мм²)
P = Сила (измеряется в Ньютонах)
D = Диаметр вдавливателя (измеряется в миллиметрах)
d = Диаметр вдавливания (измеряется в миллиметрах)

Однако имейте в виду, что предопределенная сила, которую вы примените к вдавливателю, зависит от материала, который вы хотите протестировать. Например, эксперты по контролю качества обычно используют стандартную нагрузку 3000 кг (или 30 000 Н) для твердых металлов, таких как железо и сталь. В противовес, вы должны применить нагрузку 500 кг (или 5000 Н) для более мягких материалов, таких как медь и латунь.

Метод #2 Тест твердости по Роквеллу

Оператор проводит тест твердости по Роквеллу

Как тест твердости по Бринеллю, тест твердости по Роквеллу также используется для измерения твердости на вдавливание и обычно включает использование вдавливателя (обычно стального шара или сферического конуса с алмазным наконечником).

Однако в тесте твердости по Бринеллю вы удерживаете вдавливатель на месте, применяя малую нагрузку (обычно 10 кг или 100 Н) перед применением основной тестовой нагрузки. Затем, после удаления основной нагрузки, измеряйте глубину вдавливания, пока малая нагрузка все еще действует.

Число твердости затем можно прочитать, используя разные шкалы твердости Роквелла (A, B, C и т.д.). Идеальная шкала зависит от типа использованного вдавливателя и тестовой нагрузки, приложенной к материалу. Например, допустим, вы хотите измерить твердость стальных сплавов; вам придется использовать конус с алмазным наконечником с основной нагрузкой до 140 кг. В таком сценарии вы прочитаете число твердости на шкале «C».

Для более мягких металлов, таких как медные сплавы, эксперты по контролю качества используют стальной шар с алмазным наконечником (с основной нагрузкой до 100 кг) и читают число твердости на шкале «B».

Метод #3 Тест твердости по Моосу

Тест твердости по Моосу идеален для измерения стойкости к царапанию материала. В этом тестовом методе вы царапаете поверхность тестируемого материала, используя эталонный материал с предопределенной твердостью. Значение твердости выражается с помощью шкалы Мооса, которая состоит из 10 минералов, которым были присвоены произвольные значения твердости.

Полную таблицу твердости Мооса можно увидеть на Alan's Factory Outlet

Alan's Factory Outlet имеет таблицу твердости Мооса (скриншот выше), на которой вы можете увидеть примеры стойкости к царапанию различных металлов.

Метод #4 Тест твердости по Шору (Склероскоп)

Склероскоп Шора — это прибор, используемый для измерения твердости на отскок материала. Прибор представляет собой градуированную стеклянную трубу, установленную на стойке. Чтобы определить твердость на отскок вашего материала, вы уроните алмазный молоток через стеклянную трубу на материал.

Схематическое представление склероскопа Шора, установленного на штативе. Из Wikimedia Commons.

Значение твердости пропорционально высоте, на которую подпрыгивает молоток после удара в тестовый образец. Например, материал с большей твердостью вызывает большую высоту отскока, чем материал с меньшей степенью твердости.

Тест твердости материалов и разработка продукта: Услуги Gensun Precision Machining

Безусловно, важно знать твердость различных материалов, чтобы определить идеальный материал для вашего дизайна продукта. Но даже после того, как вы выберете подходящий материал для вашего продукта, вам все равно придется найти подходящий цех и механика, способного создавать ваши детали точно и прецизионно.

Gensun Precision Machining — ведущий поставщик услуг обработки по всей Азии. Не только у нас есть команда экспертов по контролю качества, способных тестировать твердость материалов, но у нас также есть команда высококвалифицированных инженеров и механиков. Наша команда экспертов работает вместе, чтобы создавать ваш продукт точно и прецизионно, используя передовой станочные технологии.

Узнайте больше об наших услугах обработки.