材料の硬度について知っておくべきことすべて

部品に使用される材料の適合性は、部品が意図された環境で機能できるようにするために非常に重要です。プロジェクトへの材料の適合性を決定するそのような材料の1つは、材料の硬度です。プロジェクトに鋼や柔らかい材料などの高硬度の材料が必要かどうかを判断します。

プロジェクトで間違った材料を使用すると、特に生産された部品がより大きなプロジェクトの一部である場合に、壊滅的な影響を与える可能性があることは誰もが知っています。したがって、製造前に材料の硬度を評価することが不可欠です。

変形することなく高いくぼみや摩耗に耐えることができる物質が必要な場合は、硬い材料を選択する必要があります。ただし、硬度の高い材料が必ずしもすべてのプロジェクトに適しているとは限りません。どちらがプロジェクトに適しているかを知るには、専門の機械加工会社に相談する必要があります。

材料の硬度とは何ですか？

材料の硬度は、変形、引っかき傷、貫通、およびへこみなしに力に耐える材料の能力です。言い換えれば、それは、加えられた力に直面してもその物理的特徴を維持する材料の能力です。

硬度は多くの材料によって異なり、鋼のような材料はスズのような他の材料に比べて硬度が高くなっています。木材やプラスチックなどの他の非金属材料にも、軟質金属の特性があります。

材料の硬度は、その可塑性、弾性剛性、延性、靭性、ひずみ、強度、粘弾性、粘度など、いくつかの要因によって異なります。

材料の硬度にはどのような種類がありますか？

材料は、さまざまな条件下でさまざまに動作します。たとえば、材料は1回限りの大きな衝撃に耐えることができますが、継続的な荷重には耐えられません。したがって、プロジェクトのニーズに合わせて材料の硬度を実行する必要があります。

材料の硬度は3つに分類できます。材料は、これらの異なるタイプの硬度の下で異なる値を持ちます。それらには以下が含まれます：

• 引っかき硬度
• リバウンド硬度
• 押し込み硬さ

引っかき硬度

機械工は、引っかき硬度を、表面の引っかきに抵抗する材料の能力として定義しています。傷は、材料の表面にある細い連続線です。鋭くて硬い素材が柔らかい素材の表面を磨くと、そのような素材の表面に引っかき傷が生じます。

機械工は、セラミックなどの脆性材料に対してスクラッチテストを使用します。一部の材料は塑性変形に達しない可能性がありますが、引っかき傷には耐えられません。一部のデザインはスクラッチに敏感です。したがって、引っかき硬度の高い材料が必要です。

たとえば、機械の特定の部品には摩擦が必要な場合があります。その場合、引っかき硬度の低い材料を使用するだけでは不十分な場合があります。これは、わずかな摩擦で、材料が滑らかな表面を失い、最終的には機械の全体的な機能に影響を与える可能性があるためです。つまり、頻繁に修理に多くの費用をかける必要があります。これを防ぐには、引っかき硬度テストを実行して、材料が摩擦に耐え、滑らかな表面を失わないかどうかを確認します。

リバウンド硬度

これの同義語は動的硬度であり、それは塑性硬度よりも弾性硬度です。弾性硬度とは、材料が永久に変形しないことを意味します。外力が加わったときにのみ形が崩れます。外力がなくなると、自動的に元の形状に戻ります。これは、材料が元の形状に戻れない塑性変形の場合には当てはまりません。したがって、リバウンド硬度は弾性硬度に近いです。

リバウンド硬度は、材料が衝撃時にエネルギーを吸収し、それを圧子に戻すことを必要とします。機械工は圧子を使用してリバウンド硬度をテストします。圧子として使用される材料は、機械工が測定された材料の硬度と比較できる既知の硬度をすでに持っています。

先端がダイヤモンドのハンマーを材料に落とすことで、材料の反発または動的硬度を測定できます。次に、表面を叩いた後、ハンマーの限界を測定します。ハンマーが元の落下高さに近づくと、材料の反発硬度の値が高くなります。一方、ハンマーが落下高さに近づかなかった場合、材料の反発硬度は低くなります。

押し込み硬さ

機械工は、押し込み硬さを使用して、変形する材料の硬さを決定します。それが印象を形成するまで、それは連続的な負荷で検査された材料をインデントする必要があります。機械工は、試験する材料とその用途に応じて、微視的スケールと巨視的スケールの両方で押し込み硬さ試験を実施します。

エンジニアや冶金学者が材料の硬さについて話すとき、多くの場合、彼らは圧痕の硬さを指します。材料のくぼみの値を測定すると、材料が変形する前にどれだけの荷重に耐えられるかを知るのに役立ちます。

材料の硬度はどの単位で測定されますか？

一部の機械工は、硬度のSI単位と圧力のSI単位を混同することがよくあります。前者のSI単位はN/mm²で、パスカル単位とも呼ばれます。一方、後者のSI単位は（N / m2、またはkg・m-1・s-2）です。

前に説明したさまざまなタイプの硬度には、それぞれ異なる測定尺度があります。単位は各測定方法から導き出されます。したがって、直接比較するのには適していません。それでも、比較に使用できる変換テーブルがあります。比較を100％正確にすることはできないため、「管理」と言いますが、適切な指標となります。

硬度測定の一般的な単位には、ブリネル硬度数（HB）、ロックウェル硬度数（HRA、HRB、HRCなど）、リーブ硬度値（HLD、HLS、HLEなど）、ビッカース硬度数（HV）などがあります。下の表で測定方法を比較しました。

材料の硬度をテストする方法

材料の硬度の種類ごとに測定方法が異なります。以下は、あらゆる種類の硬度をテストする方法です。

ブリネルテスト

これは、機械工が利用する一般的な硬さ試験です。まず、機械工は試験機に精通します。彼は、テストを実行する前に、モニターで必要なすべての設定を行います。

ここでの原理は、直径10mmの鋼球を使用して試験片に印象を与えることです。次に、材料のブリネル硬さの数値を知るために印象が計算されます。

機械は材料のボールを下げてくぼみを形成し、約30秒間放置します。次に、機械工はボールに力を加えます。テスト中の金属の種類によって、加えられる力が決まります。

一部の金属は500Kgの負荷を必要とする場合がありますが、一部の金属は標準負荷である3000Kgもの高さを必要とする場合があります。圧子を外すと、エンジニアは低倍率の顕微鏡で観察してそのサイズを測定します。彼は他の領域を切り取り、直角の測定値の平均を計算します。

テストの完了後、機械工はブリネル硬さの計算式を使用して硬さの数値を計算します。

どこで、

F –力、N

D –圧子の直径、mm

d –くぼみの直径、mm

ロックウェル硬さテスト

これは、硬さ試験のもう1つの一般的なタイプです。テストされる材料の種類によって、使用されるスケールの種類が決まります。

選択できる30の異なるスケールがあります。したがって、材料に適したものを選択できます。ただし、最も一般的に使用されるスケールは「B」と「C」です。

テスターは、テスト負荷を適用する前に、最初に小さな負荷を適用します。小さな荷重は、圧子をテストサンプルに適切に固定し、より正確な結果を得るためにあらゆる形態の表面の凹凸を排除するのに役立ちます。

次に、圧子を材料に下げて、大きな荷重を加えて印象を作成します。彼は印象を測定して硬度を決定します。次に、テスターは硬度値を計算することにより、増加したインデント寸法を決定します。

ロックウェル硬度の式は次のとおりです。

どこで、

N –使用するスケールに応じたスケール係数

s –使用するスケールに応じたスケール係数

d –小さな荷重と比較した永久的なくぼみの深さmm

ビッカース硬さ試験

これは、硬度を測定する別の方法です。負荷の少ない柔らかい素材に適しています。したがって、柔らかい材料の精度を高める必要がある場合は、ビッカース試験が最適です。

Vickersは、すべての材料に単一のダイヤモンド圧子を使用しているため、計算が簡単です。

テスターは、開始する前にまずマシンに精通している必要があります。次に、部品を機械に配置して、顕微鏡を使用して適切な高さを見つけます。画面上の画像を確認することで、正しい場所を特定できます。より焦点の合った画像がある場合、それはうまく設定されています。

ダイヤモンド圧子がその部分まで下げられ、指定された期間とどまることができます。

圧子を持ち上げ、次の式を使用してインデント値を測定します。

どこで、

F –力、N

d –インデント対角線、mm

モース硬度試験

引っかき硬度を測定したい場合は、これが適した方法です。従来、このテストは、既知の硬度を持つ参照材料に対して材料を引っ掻くことによって実行されます。モース硬度試験では、硬度の異なる10種類の標準物質を使用します。テスト対象の材料の種類によって、使用する参照の種類が決まります。結果は、試験材料に数値の硬度値を割り当てることによって得られます。

トークは、使用される最も柔らかい素材で、値は1です。一方、最も硬い素材は、値が10のダイヤモンドです。

現代のモース硬度試験には、ロックウェルダイヤモンド圧子が使用されています。機械の動作原理は、従来の方法と同様です。それは、適切な負荷によって指定された期間、試験片を引っ掻くことを含みます。

強膜検査

スクレロスコープを使用して、材料の反発硬度を測定できます。このテストは、中空の垂直ガラス管をスタンドに接続することで実行できます。次に、ダイヤモンドハンマーをチューブを通してテストピースに落とします。ハンマーが跳ね返り、跳ね返りの高さが測定して記録します。硬度が高い材料はバウンスが高くなり、柔らかい材料はバウンドが低くなります。

材料硬度チャート

材料硬度チャートは、いくつかの一般的なタイプの材料の硬度を決定する最も簡単な方法の1つです。チャートは、さまざまな測定方法を使用して、これらのさまざまな材料の硬度値を提供します。たとえば、上のグラフは、ブリネル硬さなどの測定方法を使用した、アルミニウムやチタンなどの金属の硬度値を示しています。このように、リストにない人を使用している場合は、原材料の硬度を評価する必要はありません。

ただし、使用するグラフが標準的な条件下で評価されたものであることを確認する必要があります。

結論

プロジェクトに適した材料を選択したい場合は、適切な材料硬度テストを行うことが不可欠です。材料の硬度をテストするには、さまざまな方法があります。材料の硬度に関する専門的なアドバイスについては、専門会社にご相談ください。

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