Понимание твердости материалов: ключевые знания для успеха проекта

Пригодность материала, используемого для детали, очень важна для того, чтобы деталь могла функционировать в предполагаемой среде. Одним из таких материалов, определяющих пригодность материала для проекта, является твердость материала. Она определяет, требует ли ваш проект материал с высокой твердостью, как сталь, или более мягкие материалы.

Мы все знаем, что использование неправильных материалов в проекте может иметь катастрофические последствия, особенно когда произведенная деталь является частью более крупного проекта. Поэтому оценка твердости вашего материала перед производством незаменима.

Если вам нужно вещество, способное выдерживать высокое вдавливание или абразивное износ без деформации, вы должны выбрать твердые материалы. Однако материалы с высокой твердостью не обязательно подходят для всех проектов. Вам нужно проконсультироваться с экспертной компанией по обработке, чтобы узнать, что подходит для вашего проекта.

Что такое твердость материала?

Твердость материала — это способность материала выдерживать силу без деформации, царапин, проникновения и вдавливания. Иными словами, это способность материала сохранять свои физические свойства даже под воздействием приложенной силы.

Твердость варьируется среди многих материалов: материалы вроде стали имеют более высокую твердость по сравнению с другими, как олово. Некоторые неметаллические материалы, такие как дерево и пластики, также обладают характеристиками мягких металлов.

Твердость материалов зависит от нескольких факторов: пластичности, упругой жесткости, вязкости, viscosити и вязкоупругости.

Каковы различные типы твердости материала?

Материалы ведут себя по-разному под разными условиями. Например, материал может выдержать огромный однократный удар, но не выдержать непрерывную нагрузку. Поэтому необходимо выполнять испытания на твердость, соответствующие потребностям вашего проекта.

Мы можем классифицировать твердость материала на три типа. Материалы имеют разные значения под этими разными типами твердости. Они включают:

• Твердость на царапину (Scratch hardness)
• Твердость на отскок (Rebound hardness)
• Твердость на вдавливание (Indentation hardness)

Твердость на царапину

Специалисты по обработке определяют твердость на царапину как способность материала сопротивляться царапинам на поверхности. Царапины — узкие непрерывные линии на поверхности материалов. Когда острый, более твердый материал скользит по поверхности более мягкого материала, он вызывает царапины на поверхности такого материала.

Специалисты используют тест на царапину для хрупких материалов, таких как керамика. Некоторые материалы могут не достигнуть пластической деформации, но не выдерживают царапину. Некоторые дизайны чувствительны к царапинам; таким образом, вам нужен материал с высокой твердостью на царапину.

Например, определенные детали машины могут требовать трения. Использование материала с низкой твердостью на царапину в этом случае может быть недостаточным. Потому что при малейшем трении материал может потерять свою гладкую поверхность и в конечном итоге повлиять на общую функциональность машины. Это означает, что вам придется тратить больше на ремонт. Этого можно избежать, выполнив тест на твердость на царапину, чтобы узнает, выдержит ли материал трение и не потеряет ли гладкую поверхность.

Твердость на отскок

Синоним — динамическая твердость, и это больше упругая твердость, чем пластическая. Упругая твердость означает, что материал не деформируется постоянно. Он теряет форму только при приложении внешней силы. После удаления внешней силы он автоматически восстанавливает исходную форму. Это не так с пластической деформацией, где материал не может восстановить исходную форму. Таким образом, твердость на отскок — это больше упругая твердость.

Твердость на отскок требует, чтобы материал поглощал энергию при ударе и возвращал её индентору. Специалисты используют индентор для теста на твердость на отскок. Материал, используемый как индентор, уже имеет известную твердость, которую специалисты сравнивают с измеряемым материалом.

Вы можете измерить твердость на отскок или динамическую твердость материала, бросая алмазный молоток на него. Затем измеряют высоту подскока молотка после удара о поверхность. Если молоток возвращается ближе к исходной высоте падения, материал имеет высокое значение твердости на отскок. С другой стороны, если молоток не приблизился к высоте падения, материал имеет низкую твердость на отскок.

Твердость на вдавливание

Специалисты используют твердость на вдавливание для определения твердости материала к деформации. Требуется вдавливание исследуемого материала с постоянной нагрузкой до образования отпечатка. Специалисты выполняют тесты на вдавливание как на микроскопическом, так и на макроскопическом масштабах, в зависимости от тестируемого материала и назначения, которое оно должно выполнять.

Когда инженеры и металловеды говорят о твердости материала, часто они имеют в виду твердость на вдавливание. Измерение значения вдавливания материала помогает узнать, какую нагрузку материал может выдержать перед деформацией.

В каких единицах измеряется твердость материала?

Некоторые специалисты часто путают единицы СИ твердости с единицами давления. Первые имеют единицу СИ Н/мм², иначе называемую Паскалем. Вторые, с другой стороны, имеют единицу СИ (Н/м², или кг·м⁻¹·с⁻²).

Каждый из обсуждаемых выше типов твердости имеет разные шкалы измерения. Единицы производятся из каждого метода измерения; поэтому они не подходят для прямого сравнения. Тем не менее, существует таблица конвертации, которую можно использовать для сравнения. Мы говорим «можно использовать», потому что сравнение не может быть на 100% точным, но дает подходящее указание.

Некоторые распространенные единицы измерения твердости включают число твердости по Бринеллю (HB), число твердости по Роквеллу (HRA, HRB, HRC и т.д.), значение твердости по Либу (HLD, HLS, HLE и т.д.) и число твердости по Виккерсу (HV). Мы сделали сравнение методов измерения в таблице ниже.

Как тестировать твердость материала

Каждый тип твердости материала измеряется по-разному. Ниже приведены способы тестирования для каждого вида твердости:

Тест Бринелля

Это распространенный тест твердости, который используют специалисты. Сначала специалист знакомится с испытательной машиной. Он делает все необходимые настройки на мониторе перед выполнением теста.

Принцип заключается в использовании стального шара диаметром 10 мм для создания отпечатка на образце. Отпечаток затем вычисляется для определения числа твердости по Бринеллю материала.

Машина опускает шар на материал для образования вдавливания и оставляет на около 30 секунд. Специалист затем применяет силу к шару. Вид металла под тестом определяет приложенную силу.

Некоторые металлы могут требовать нагрузку 500 кг, в то время как другие могут требовать до 3000 кг, что является стандартной нагрузкой. Если индентор удален, инженер измеряет его размер, наблюдая через низкоувеличивающий микроскоп. Он вырезает другие области и вычисляет среднее измерений под прямыми углами.

После завершения теста специалисты вычисляют число твердости по формуле Бринелля.

Где,

F — сила, Н

D — диаметр индентора, мм

d — диаметр вдавливания, мм

Тест Роквелла

Это еще один распространенный тип теста твердости. Вид тестируемого материала определяет используемую шкалу.

Существует 30 различных шкал для выбора; поэтому можно выбрать любую подходящую для вашего материала. Однако наиболее часто используемые шкалы — «B» и «C».

Испытатель сначала применяет малую нагрузку перед применением основной нагрузки. Малая нагрузка помогает надлежаще зафиксировать индентор в образце и устранить любые поверхностные неправильности для более точного результата.

Затем он опускает индентор в материал для создания отпечатка путем применения основной нагрузки. Он измеряет отпечаток для определения твердости. Испытатель затем определяет увеличенный размер вдавливания, вычисляя значение твердости.

Формула твердости по Роквеллу:

Где,

N — коэффициент шкалы в зависимости от используемой шкалы

s — коэффициент шкалы в зависимости от используемой шкалы

d — глубина постоянного вдавливания по сравнению с малой нагрузкой, мм

Тест Виккерса

Это еще один метод измерения твердости. Он более подходит для мягких материалов, требующих меньших нагрузок. Поэтому, если вам нужна лучшая точность для ваших мягких материалов, тест Виккерса лучше для вас.

Виккерс использует единый алмазный индентор для всех материалов, что упрощает вычисления.

Испытатель сначала должен ознакомиться с машиной перед началом. Деталь затем помещается на машину для поиска подходящей высоты с помощью микроскопа. Можно определить правильное место, проверяя изображения на экране. Когда изображение более сфокусировано, значит, настройка готова.

Алмазный индентор опускается на деталь и оставляется на указанный период.

Поднимите индентор и измерьте значение вдавливания по формуле ниже:

Где,

F – Сила, Н

d – диагональ вдавливания, мм

Тест Мооса

Если вы хотите измерить твердость на царапину, это подходящий метод, который можно применить. Традиционно этот тест выполняется путем царапания материала против эталонного материала с известной твердостью. Тест Мооса использует десять эталонных материалов с разной твердостью. Вид материала под тестом определяет вид эталона для использования. Результат затем получается путем присвоения числового значения твердости тестируемому материалу.

Тальк — самый мягкий материал, используемый, со значением 1. Самый твердый материал — алмаз со значением 10.

Алмазный индентор Роквелла используется для современного теста Мооса. Рабочий принцип машины аналогичен традиционному методу. Он включает царапание тестового образца в течение указанного периода подходящей нагрузкой.

Тесклероскоп (Scleroscope test)

Вы можете использовать скелероскоп для определения твердости на отскок материалов. Можно выполнить этот тест, соединяя полую вертикальную стеклянную трубу со стендом. Затем вы бросаете алмазный молоток через трубу на тестовый образец. Молоток отскакивает, и высоту отскока вы измеряете и записываете. Материалы с более высокой твердостью будут иметь более высокий отскок, а мягкие материалы — низкий.

Таблица твердости материалов

Таблица твердости материалов — один из самых простых способов определить твердость некоторых популярных типов материалов. Таблица предоставляет значения твердости этих различных материалов с использованием различных методов измерения. Например, таблица выше показывает значения твердости металлов вроде алюминия и титана с использованием методов измерения вроде шкалы Бринелля. Таким образом, вам не нужно оценивать твердость вашего сырья, если вы используете любой из списка.

Однако вы должны убедиться, что используемая таблица оценена в стандартных условиях.

Заключение

Необходимо выполнить правильный тест на твердость материала, если вы хотите выбрать подходящий материал для вашего проекта. Существует множество способов тестирования твердости вашего материала. Проконсультируйтесь с экспертной компанией по профессиональному совету о твердости вашего материала.

Услуги механической обработки RapidDirect

Вот где заканчивается ваш поиск, если вы искали компанию, которая может предложить надежные услуги механической обработки для любого материала. В RapidDirect мы анализируем твердость вашего материала бесплатно. Мы — правильная компания для всех ваших услуг механической обработки.

Мы предлагаем рентабельное и по требованию металлообработку для малых серий прототипов и крупного серийного производства. Просто загрузив ваши CAD-файлы и указав требования, мы обещаем предоставить наиболее рентабельные котировки в течение 12 часов, вместе с БЕСПЛАТНЫМ профессиональным анализом пригодности вашего дизайна для производства.

Мы опытны и готовы предоставить технические предложения для ваших проектов.