Твёрдость — понятие технологическое и многозначное. Для металлургической промышленности это, как правило, устойчивость материала к необратимым деформациям, для металлурга — сопротивление проникновению инструмента, а для инженера — показатель износостойкости или напряжения течения. Её также можно рассматривать как максимальное контактное давление, которое выдерживает материал. Все эти характеристики связаны с механической прочностью и сопротивлением деформациям. То же самое касается и твёрдости качественных сталей. В данном тексте рассмотрим, что такое твёрдость стали, как она выражается и какими методами определяется.
Что такое твёрдость стали?
Следует понимать, что твёрдость не является фундаментальным свойством материала, но имеет большое значение в технике. Значения твёрдости условны, поскольку каждая методика испытаний имеет свои особенности и шкалу измерений.
Если говорить просто, твёрдость стали — это мера сопротивления материала необратимым деформациям. Это связано с кристаллическим строением металла. При небольших нагрузках сталь способна возвращаться к исходной форме после снятия давления, но при превышении определённого порога возникают постоянные деформации структуры.
Как измеряется твёрдость стали?
Обычно шкала твёрдости не выражается напрямую в количественных единицах. Исключение составляют методы, где измерение ведётся под определённой нагрузкой, в течение заданного времени и с использованием конкретного индентера.
Чаще всего твёрдость качественных сталей обозначают сокращением HRC — это показатель по шкале Роквелла. В этом методе в поверхность стали вдавливается алмазный конус. Чем выше значение HRC, тем более твёрдая и износостойкая сталь используется, например, для изготовления кухонных ножей.
Методы измерения твёрдости стали
Для определения твёрдости применяются различные методы. Ранние способы заключались в царапании поверхности испытательным наконечником, что напоминало более поздние методы вдавливания. Уже в XVIII веке французский физик Рене Реомюр исследовал сопротивление металлов деформации и растяжению.
Настоящий прорыв произошёл около 1900 года, когда шведский инженер Йохан Бринелль разработал метод измерения твёрдости, основанный на вдавливании стальной или карбидной сферы фиксированного диаметра под постоянной нагрузкой. После снятия нагрузки диаметр отпечатка измеряется с помощью микроскопа или оптической системы, и вычисляется значение твёрдости (HB).
Позже, в 1914 году, американские инженеры Роквелл запатентовали новый метод — испытание по Роквеллу, использующее алмазный конус или стальной шарик. Этот способ значительно быстрее и проще в применении, чем метод Бринелля, и сегодня является одним из самых распространённых.
Почему важно измерять твёрдость качественной стали?
Качественная сталь должна обладать высокими показателями прочности, стойкостью к воздействию внешних факторов (химических и атмосферных), а также упругостью. Эти свойства обеспечивают лёгкость обработки и широкие возможности применения.
Поскольку такая сталь используется в производстве несущих конструкций, промышленных инструментов, транспортных средств и элементов инфраструктуры, проведение испытаний на твёрдость является обязательным. От уровня твёрдости напрямую зависит назначение материала. Например, слишком мягкая сталь с низким показателем HRC не подходит для изготовления качественных ножей или режущих инструментов.
Подводя итог, можно сказать, что испытание на твёрдость является одним из самых информативных и часто используемых методов оценки механических свойств качественных сталей.