Твердость металлов и сплавов. На что она влияет? Как увеличить твердость материала?

Несмотря на обилие новых технологий в производстве материалов, одним из наиболее используемых и распространенных по сей день остается металл. Различные типы металлов, а также их сплавы, используются во всех возможных видах промышленности. Строительство, электроэнергетика, машиностроение, оборонка, медицина ... Все сферы нашей жизни в той или иной степени связаны с этим материалом.  Естественно, показатели качества здесь стоят на первом месте.

Основным таким показателем является твердость металла. Согласно определению, твердость представляет собой способность материалов сопротивляться упругой деформации, пластической деформации и (или) разрушению в поверхностном слое со стороны более твердого и не получающего остаточной деформации внедряемого тела (индентора твердомера).

Для многих проверяемых объектов отбор образцов с целью тщательных лабораторных исследований сложен или вообще невозможен. Единственным доступным к измерению качественным показателем материала становится именно твердость, которая определяется портативными твердомерами.

На практике измерение твердости металлов дает возможности исследования особенностей конструкции, вариантов и тонкостей эксплуатации, анализа амортизации с течением времени, получения представления о результатах температурного воздействия и т.д. Этот простой показатель покажет нам, сколько простоит мост, какой прокладывать трубопровод, быстро ли сотрется та или иная деталь, какой заточке подлежит конкретная заготовка, насколько безопасен автомобиль, долго ли прослужит имплантат и многое другое. Таким образом, твердость металлов напрямую связана со всеми важнейшими свойствами конечного изделия или конструкции.

На какие характеристики изделия влияет твердость?

Для каждой области важны конкретные критерии и показатели. Например, износостойкость, которая представляет собой подверженность металла истиранию, разрушению поверхности, изменению размеров в ходе эксплуатации в тех или иных условиях, важна решительно в каждой сфере использования данного материала. Нельзя найти такой области, где этот показатель не был бы не просто важен, а даже первостепенен, будь то детский конструктор или новый виадук, хирургическая игла или вышка связи, газопроводная труба или обручальное кольцо. Естественно, чем износостойкость выше, тем дольше прослужит изделие, и тем дороже будет стоить.

Следующим, на что напрямую влияет твердость, является возможность обработки конкретного металла или сплава и вид этой обработки. Здесь можно выделить несколько больших групп способов обработки:

• механическая,
• литье,
• термическая,
• давлением,
• сварка,
• электрическая,
• химическая.

Разумеется, при выборе метода должно быть учтено несколько критериев (основные - исходные свойства металла и желаемый результат), но твердость исходного материала является одним из основополагающих в этом вопросе.

Твердость металлов также влияет на сопротивление давлению и другим усилиям. Это важно, например, для валов или подшипников, на которые действуют силы центробежная и трения.

Величина твердости материала определяет возможность использования изделия как инструмента для работы с другими металлическими или неметаллическими изделиями. Здесь речь идет об инструментальной стали с повышенным содержанием углерода (от 0,7 % и выше). Из неё изготавливают различные инструменты как для промышленного, так и для домашнего использования: сверла, фрезы, молотки, плоскогубцы, напильники, хирургические ножницы, скальпели и т.д.

Естественным выводом из всего вышесказанного является признание огромной важности показателя твердости металлов и вопрос вероятности её повышения.

!!! Важно иметь в ввиду, что для определенного изделия предполагается определенная твердость.
Нет такого понятия: "Чем твёрже, тем лучше". Изделия с очень высокой твёрдостью с трудом поддаются обработке и при этом становятся хрупкими.

Например, чем выше твердость ножа, тем дольше он останется острым, но могут возникнуть проблемы с заточкой, а при частой эксплуатации клинок будет крошиться и ломаться.

Ножи с твердость ниже 60 HRC долго прослужат охотнику или туристу, т.к. они достаточно надежны: хорошо переносят ударные нагрузки, сильно не деформируются, устойчивы к коррозии, легко затачиваются.

Самые распространенные способы повышения твердости:

• термические (различные виды закалки, рекристаллизация)
• химико-термические (легирование, алитирование, хромирование и др.)
• механические (наклеп, старение, обкатывание и др.)

Каждый вариант повышения твердости металла преследует определенные цели. В зависимости от этого и выбирается способ совершенствования материала.

Закалка стали – самый древний способ повышения прочности изделия, будь то холодное оружие, либо орудия для сельскохозяйственных работ. Для приобретения необходимых качеств металл в процессе закаливания претерпевает критический нагрев и последующее быстрое охлаждение.

После закалки из углеродистых сталей производятся детали, требующие повышенной прочности (втулки, валы, шестерни и т.д.). Такой метод технологичен и, что немаловажно, недорог, так что его достоинства очевидны.

Легирование (добавление легирующих компонентов) такими элементами как олово (Sn), азот (N), свинец (Pb) в перспективе дает возможность изготавливать из этих сталей детали большого размера, испытывающие сильные нагрузки. Часто это рессорные и пружинные изделия больших диаметров.

Добавление в сплав хрома (Cr) увеличивает его прочность и устойчивость к коррозии. Нержавеющий сплав должен содержать более 13% хрома.

Часто применяемым способом повышения качества  металлов и сплавов является наклёп (нагартовка) - это процесс изменения структуры материала, приводящий к повышению его твердости и прочности. В результате наклепа твердость поверхностных слоев стали увеличивается в несколько раз. Для стойких к коррозии сплавов хрома и никеля нагартовка является единственно возможным способом увеличения прочности.

Примеры использования металлов и сплавов

Одним из самых распространенных материалов является алюминий и его сплавы. Этот металл применяют при изготовлении массы предметов домашнего обихода, зеркал, деталей для стрелкового оружия и даже при производстве топлива для запуска ракет. Небольшая удельная масса Al позволяет широко использовать алюминиевые сплавы для корпусов самолётов и различных машин.

Медь часто добавляется для повышении качества метизов, при изготовлении различных проволок, проводов и труб.

Болты, винты, шурупы, анкера и др. в основном делаются из латуни и бронзы, а струбцины, барашковые гайки и другие удерживающие элементы чаще всего можно встретить из легированной и конструкционной стали. Нержавеющая сталь находит применение в условиях повышенного образования коррозии, а чугун до сих пор успешно служит в производстве запорной арматуры и в металлопроизводстве.

Изделия из металлов и сплавов окружают нас повсюду. Ежедневно мы эксплуатируем металлические конструкции - здания, дороги, мосты, автомобили, общественный транспорт - даже не замечая этого. Поэтому так важно быть уверенными в качестве материалов и контролировать их твердость.