Как определить твердость металла в домашних условиях?

Как определить твердость металла в домашних условиях

Как определить твердость металла в домашних условиях?

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.

Твердость металлов

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:

Н□ 0,195 = 2800, где

□  — форма наконечника;

0,196  — нагрузка на наконечник, Н;

2800 – численное значение твердости, Н/мм2.

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.

Читайте также  Напыление алюминия в домашних условиях

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*√(D2-d2),

  • гдеР – 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 — 30D2;медь и ее сплавы — 10D2;баббиты, свинцовые бронзы — 2,5D2.

Условное изображение принципа испытания

Скачать ГОСТ 9012-59

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 –h0.

Скачать ГОСТ 9013-59

Метод Виккерса регламентирован ГОСТом 2999. Схематически он изображается следующим образом.

Метод Виккерса

Математическая формула для расчета:HV=0.189*P/d2 МПаHV=1,854*P/d2 кгс/мм2

Прикладываемая нагрузка варьируется от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Значения определяются по таблицам относительно измеренного отпечатка d.

Метод Шора

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

Источник: http://ooo-asteko.ru/kak-opredelit-tverdost-metalla-v-domashnih-usloviyah/

Закалка и термообработка топора

Как определить твердость металла в домашних условиях?

Кузнец Валерий Самович: «На примере топора, хочу рассказать о термообработке стали в домашних условиях, которая включает в себя три стадии: отжиг, закалку и отпуск. Потребность в закалке возникает в том случае, если производителем нарушена технология термообработки.

Если топор при работе быстро тупится, на острие появляются вмятины, то сталь мягкая. И это значит, что топор не закален. А если острие выкрашивается или растрескивается, то есть, сталь очень твердая и хрупкая, то это возможно в том случае, если не был проведен отпуск после закалки». Оценить твердость стали, а значит и качество закалки нам поможет незатертый напильник с мелкой насечкой.

Если твердость стали высокая, то напильник по ней скользит почти не цепляя. Если твердость стали средняя, то напильник ее чуть-чуть берет. И если твердость стали низкая и напильник ее спокойно берет, то значит, эта сталь не закалена, либо были нарушена технология термообработки. В случае с этим топором напильник берет его легко. В этом случае, а также в случае повышенной хрупкости, топор подвергаем полному циклу термообработки.

Вначале отжиг, а затем закалка и отпуск. Правильной закалкой топора считается такая закалка, при которой разные части топора закалены по-разному. В районе лезвия, на расстоянии примерно трех сантиметров от острия твердость стали должна быть высокой. Твердость остальной части топора должна быть гораздо меньше. Такая закалка обеспечивает износоустойчивость лезвия и пластичность остальной части.

И является гарантией того, что при работе не лопнет обух или не отломается полотно.

Гост 18578 – 89 топоры строительные

Следующий момент, который мы должны знать для проведения эффективной термообработки, это марка стали, из которой изготовлен топор. Все строительные топоры, которые изготавливались в Советском Союзе и изготавливаются сейчас на постсоветском пространстве, должны соответствовать ГОСТу 18578 – 89 Топоры строительные. Этот ГОСТ оговаривает марки сталей для изготовления топоров. Каждая из этих сталей имеет свои температурные режимы термообработки. И свои закалочные среды.

Узнать об этом можно в марочниках сталей или в справочниках термиста, которые есть в свободном доступе в библиотеке. Однако, хочу подчеркнуть тот факт, что основным материалом для изготовления топоров являются стали У7 и У7А. Топор, который я выбрал для экспериментов, имеет клеймо.

Читайте также  Как починить серебряную цепочку в домашних условиях?

Сверху год выпуска — 1963. Слева – размер по ГОСТу А2. Справа – сталь. Из которой изготовлен топор. Это инструментальная, углеродистая сталь У7. Режимы термообработки для стали У7 следующие:

Перед термообработкой надо затупить режущую кромку топора, чтобы его толщина стала примерно один миллиметр.

Отжиг

Итак, приступаем к термообработке. Первая операция называется отжиг. Перед закалкой топора или любого другого инструмента необходимо выполнить отжиг. Отжиг — это своеобразное обнуление структурной памяти металла. Заключается он в нагревании всего инструмента до температуры 740-760 градусов и постепенном охлаждении до 550 градусов. Со скоростью примерно 30-50 градусов в час. Отжиг лучше всего проводить в кирпичной печи. Самый важный вопрос, как определить температуру металла. Профессионал легко определит температуру по цвету. Ну, а новичку на помощь придет обычный магнит.

Дело в том, что сталь, так же как и железо, перестает магнититься при температуре 768 градусов. По мере нагрева магнитом проверяем магнитится ли сталь. Когда магнит перестанет приставать к стали, это значит, что температура нашего топора превысила 768 градусов и больше нагревать его не нужно.

Запоминаем цвет свечения для температуры 768 градусов. Он называется красно-бордовый. Это знание нам понадобится при закалке, которая производится при температуре 800-830 градусов, что соответствует переходу от темновато красного к красному цвету.

На экране вы видите таблицу цветов каления и побежалости для углеродистой стали.

Хочу обратить ваше внимание на то, что камера искажает реальный цвет, делая его светлее. Итак, требуемая для отжига температура достигнута. Угли сдвигаем подальше от топора, печь закрываем, задвигаем главную задвижку и оставляем часов на 10. Пусть топор остывает вместе с печью. В процессе отжига улучшается микроструктура металла, снимается внутреннее напряжение и уменьшается твердость. После остывания отожженная сталь становится мягкой и легко берется напильником.

Закалка

Следующая операция термообработки – закалка. Как я уже говорил, закалка стали марки У7 производится при температуры 800-830 градусов. Нагревать топор можно на костре, в буржуйке или кирпичной печи. Как только металл перестанет магнититься, ждем еще несколько минут, а затем приступаем к закалке. Закалка производится в двух средах. Первая среда, это вода, подогретая до 30 градусов. Вторая – масло.

В воду мы окунаем лезвие топора на 3-4 сантиметра. Интенсивно двигаем для того, чтобы паровая подушка не препятствовала охлаждению. Время нахождения в воде – порядка 3 секунд. Затем полностью окунаем топор в масло. Так как масло может загореться, держим наготове кусок плотной ткани. Для того, чтобы в случае возгорания закрыть ею ведро и прекратить доступ кислорода для горения.

Контролируем твердость стали после закалки.

Лезвие после закалки получилось очень твердым, а значит и хрупким. Поэтому, путем отпуска его нужно будет сделать более мягким и пластичным. Для того, чтобы хорошо видеть цвета побежалости во время и после отпуска, зачищаем топор проволочным кругом. Вот, что имеем в итоге.

Отпуск

Последняя операция термообработки называется отпуск. Отпуск необходим для уменьшения хрупкости закаленной стали и снятия внутренних напряжений в металле, появившихся в процессе закалки. Отпуск я делаю в обычной духовке. Топор выдерживается один час при температуре 300 градусов, а затем остывает на воздухе. Вот такой красавчик у нас получился после отпуска.

Цвет побежалости – синий, свидетельствует о том, что температура отпуска была примерно 300 градусов. Увидеть этот цвет можно, если повернуть определенным образом поверхность металла к освещению. Проверяем твердость металла после отпуска, и убеждаемся, что лезвие стало чуть мягче. Как мы уже знаем, температура закалки У7 стали 800-830 градусов. И уменьшать ее нельзя.

При более низких температурах закалки может не произойти вообще. А что же делать в том случае, если после закалки нам необходимо получить пластичную сталь, с относительно невысокой твердостью? При такой ситуации закаляем сталь, как положено, но увеличиваем температуру отпуска. Чем выше температура отпуска, тем пластичнее и мягче будет сталь после отпуска.

Данные о твердостях сталей после отпуска, в зависимости от температуры отпуска, есть на каждую марку в марочниках сталей.

Закалка с самоотпуском

Еще один способ закалки инструмента — это закалка самоотпуском. В начале инструмент разогревается в печи до температуры закалки. Затем, режущая часть охлаждается до температуры 150-170 градусов. После этого режущая часть зачищается от окалины для того чтобы видеть цвета побежалости. Смотрим, как идет фиолетовый цвет.

Инструмент выдерживается на воздухе до тех пор, пока тепло от раскаленной части не нагреет охлажденную часть до температуры 250-300 градусов. Об этом мы судим по цвету побежалости. Все фиолетовое. Охлаждаем. В качестве закалочной среды используется вода. Только для охлаждения режущей части она нагрета до 30 градусов.

А для окончательного охлаждения топора она нагрета до 50 градусов.

Источник: https://kovkapro.com/kovka-tehnologiya/zakalka-topora/

Как закалить металл в домашних условиях

Как определить твердость металла в домашних условиях?

Процесс закалки стали позволяет повысить твердость изделия примерно в 3-4 раза. Многие производители проводят подобный процесс на момент производства продукции, однако в некоторых случаях ее следует повторить, так как твердость стали или другого сплава имеет малый уровень. Именно поэтому многие задаются вопросом, как закалить металл в домашних условиях?

Читайте также  Как приготовить паяльную кислоту в домашних условиях?

Закалка металла в домашних условиях

Методика

Для того чтобы провести работу по закалке стали нужно учитывать то, как выполняется подобный процесс правильно. Закалка – процесс повышения твердости поверхности железа или сплава, который предусматривает нагрев образца до высокой температуры и его последующее охлаждение. Несмотря на то, что с первого взгляда рассматриваемый процесс прост, различные группы металлов отличаются своеобразной структурой и характеристиками.

Термическая обработка в домашних условиях оправдана в нижеприведенных случаях:

  1. При необходимости упрочнить материал, к примеру, в месте режущей кромки. Примером можно назвать закалку зубил и стамески.
  2. При необходимости повышения пластичности предмета. Это зачастую необходимо в случае горячей ковки.

Профессиональная закалка стали – дорогостоящий процесс. Стоимость 1 кг повышения твердости поверхности стоит примерно 200 рублей. Организовать закалку стали в домашних условиях можно только с учетом всех особенностей повышения твердости поверхности.

Особенности процесса

Провести закалку стали можно с учетом нижепривеженных моментов:

  1. Нагрев должен проходить равномерно. Только в этом случае структура материала однородна.
  2. Нагрев стали должен проходить без образования черных или синих пятен, что свидетельствует о сильном перегреве поверхности.
  3. Образец нельзя нагревать до крайнего состояния, так как изменения структуры будут необратимыми.
  4. На правильность проведения нагрева стали указывает ярко-красный цвет металла.
  5. Охлаждение также должно быть проведено равномерно, для чего используется водяная ванна.

Температура заготовки в зависимости от цвета при нагреве

Эти моменты рекомендуется учитывать при рассмотрении того, как провести закалку в домашних условиях.

Режимы закалки и отпуска сталей

Оборудование и особенности проводимого процесса

Для нагрева поверхности зачастую используется специальное оборудование. Это связано с тем, что провести нагрев стали до точки плавления достаточно сложно. В домашних условиях зачастую используется нижеприведенное оборудование:

  1. электропечь;
  2. паяльная лампа;
  3. термопечь;
  4. большой костер, который обложен вокруг для перенаправления жара.

Передвижной горн для нагрева деталей

При выборе источника жара следует учитывать тот момент, что деталь должна полностью помещаться в печи или костре, на котором проводится разогрев. Правильно будет подбирать оборудование также по типу металла, который будет подвержен обработки. Чем выше прочность структуры, тем больше разогревают сплав для придания пластичности.

В случае, когда нужно провести закалку лишь части детали, используется струйная закалка. Она предусматривает попадание струи холодной волы только на определенную часть детали.

Для охлаждения стали часто используется ванна с водой или бочка, а также ведро. Важно учитывать тот момент, что в некоторых случаях проводится поэтапное охлаждение, в других быстрое и резкое.

В быту зачастую закалку проводят на открытом огне. Этот метод подходит исключительно для разового проведения процесса повышения твердости поверхности.

Всю работу можно разделить на несколько этапов:

  1. для начала следует провести разведение костра;
  2. на момент разведения костра подготавливаются две большие тары, которые будут соответствовать размеру детали;
  3. для того чтобы костер давал больше жара нужно обеспечить большое количество углей. они дают много жара на протяжении длительного времени;
  4. в одной емкости должна содержаться вода, в другой – моторное масло;
  5. следует использовать специальные инструменты, при помощи которых будет удерживаться обрабатываемая раскаленная деталь. на видео часто можно встретить кузнечные клещи, которые наиболее эффективны;
  6. после подготовки необходимых инструментов следует положить предмет в самый центр пламени. при этом можно деталь зарыть в самую глубь углей, что обеспечит нагрев металла до плавкого состояния;
  7. угольки, которые имеют ярко белый цвет – раскалены больше других. за процессом плавки металла нужно следить пристально. пламя должно быть малиновым, но не белым. если огонь белый, то есть вероятность перегрева металла. в этом случае эксплуатационные качества значительно ухудшаются, а срок службы уменьшается;
  8. правильный цвет, равномерный по всей поверхности, определяет равномерность нагрева металла;
  9. если происходит потемнение до синего цвета, то это говорит о сильном размягчении металла, то есть он становится излишне пластичным. этого нельзя допускать, так как значительно нарушается структура;
  10. при полном разогреве металла его следует убрать с очага высокой температуры;
  11. после этого следует раскаленный металл поместить в тару с маслом с частотой 3 секунды;
  12. завершающим этапом можно назвать погружение детали в воду. При этом периодически проводится взбалтывание воды. Это связано с тем, что вода быстро нагревается вокруг изделия.

При выполнении работы следует уделять внимание осторожности, так как раскаленное масло может нанести вред коже. На видео можно обратить внимание на то, какого цвета должна быть поверхность при достижении нужной степени пластичности.

Но для закалки цветных металлов зачастую нужно оказывать воздействие температуры в промежутке ль 700 до 900 градусов Цельсия. На открытом огне провести нагрев цветных сплавов практически не возможно, так как достигнуть подобной температуры без специального оборудования нельзя.

Примером можно назвать использование электропечи, которая способна нагревать поверхность до 800 градусов Цельсия.

Источник: https://stankiexpert.ru/spravochnik/materialovedenie/kak-zakalit-metall-v-domashnikh-usloviyakh.html