Твердость титана: Полное руководство по определению твердости по Роквеллу и сравнение титана со сталью

Титан - это сильный но не твердый. В терминах Rockwell C титан Grade 5 (Ti-6Al-4V) имеет твердость HRC 30-34 в отожженном состоянии и HRC 35-39 после обработки раствором и старения (STA). Это мягче, чем у большинства нержавеющих сталей, и намного мягче, чем у закаленных инструментальных сталей. Компромиссом является соотношение прочности и веса, примерно вдвое превышающее таковое у стали, а также естественная коррозионная стойкость, которую титан приобретает благодаря поверхностному слою диоксида титана (TiO₂). Если вам нужна износостойкость, запланируйте обработку поверхности, например, азотирование или PVD-покрытие.

Почему путают понятия “твердость” и “прочность”

Твердость измеряет устойчивость к деформации поверхности - насколько легко металл царапается или вдавливается под действием фиксированной нагрузки. Прочность на растяжение измеряет, насколько сильно может растянуться пруток, прежде чем сломаться. Эти два свойства не связаны друг с другом.

Титан Grade 5 (Ti-6Al-4V) имеет предел прочности на разрыв от 895-950 МПа (отожженный, ASTM B348 минимум) до 1100-1170 МПа (STA) по данным MatWeb и TIMET, что сравнимо со среднепрочными сталями, такими как AISI 4140. Но его твердость по Роквеллу С составляет всего 30-34 (в отожженном состоянии), в то время как 4140 в закаленном состоянии достигает HRC 38-42. Вот почему титановый аэрокосмический кронштейн не гнется при полетных нагрузках, а на его поверхности появляются потертости на инструментальном столе.

Понимание шкалы твердости

Прежде чем сравнивать цифры, необходимо понять, какой тест вы рассматриваете.

Рокуэлл Б (HRB) Измеряет мягкие и средние материалы, используя стальной шарик диаметром 1/16 дюйма и усилие 100 кгс. Значения обычно варьируются от 50 HRB (мягкий алюминий) до 100 HRB (мягкая сталь).

Роквелл C (HRC) измеряет более твердые материалы, используя алмазный конус и усилие 150 кгс. Титан с твердостью выше 300 HB обычно указывается в HRC, а не в HRB, поскольку HRB достигает максимума около 100.

Бринелль (HB) вдавливает стальной шар диаметром 10 мм в поверхность под давлением 3000 кгс. Он дает широкое среднее значение на относительно большой площади и широко распространен в конструкционной стали.

Виккерс (HV) использует алмазный пирамидальный индентор. Он чаще используется в исследованиях и для обработки тонких поверхностей, например, азотированных слоев.

Совет по преобразованию: HRC и Бринелля связаны, но не линейны. ASTM E140 предоставляет официальные таблицы пересчета, но для точности всегда измеряйте напрямую, а не пересчитывайте, если допуски имеют значение.

Значения твердости титана 1-5

Ниже приведены оценки для отожжённое состояние если не указано иное. Отжиг означает, что материал был нагрет примерно до 700-790 °C, выдержан в течение короткого времени и охлажден на воздухе для стабилизации микроструктуры.

После обработки раствором и выдержки (STA): Твердость сплава Grade 5 может достигать HRC 35-39 и твердости по Бринеллю выше 380 HB. Цикл STA обычно включает обработку раствором при 925-970 °C, закалку в воде, затем старение при 480-590 °C в течение 4-8 часов в соответствии со спецификациями TIMET и ATI.

Источники: MatWeb (ASM), спецификация ATI Grade 5 (atimaterials.com), страница свойств титана Kyocera SGS Europe.

Насколько тверд титан класса 5 по шкале Роквелла С?

Это самый часто задаваемый вопрос по 5 классу, поэтому здесь представлен прямой ответ.

Отожженное состояние: Роквелл C 30-34. Это стандартное состояние для большинства имеющихся в продаже прутков, листов и плит Grade 5.

STA (solution-treated-and-aged): Rockwell C 35-39. Повышение твердости сопровождается снижением пластичности - удлинение падает с примерно 14% до 10%, согласно данным ATI.

Холодная обработка: Может достигать HRC 36-40, но с еще более низким удлинением (обычно менее 8%).

Контекст: Лезвие ножа из нержавеющей стали 304 в отожженном состоянии имеет примерно HRB 80 (около HRC 15-20). Закаленный нож из нержавеющей стали 440C достигает HRC 58-60. Титановая рамка или корпус ножа из титана Grade 5 с HRC 30-34 превзойдет нержавеющую сталь по коррозии, но проиграет в стойкости к царапинам, сильно уступая 440C.

Таблица пересчета твердости: Титан в сравнении с обычными сталями

В этой таблице приведены значения твердости по шкалам, основанные на приблизительных преобразованиях ASTM E140.

Главный вывод: Титан Grade 5 в отожженном состоянии примерно на 10-15 пунктов HRC ниже среднепрочных сталей и на 25-30 пунктов HRC ниже инструментальных сталей. Это существенная разница для любого применения, критичного к износу. Примечание: значения по Бринеллю выше ~500 HB менее надежны, так как стандартный 10-миллиметровый шариковый индентор начинает сплющиваться при очень высоких уровнях твердости.

Почему титан легко царапается - Металлургия

Есть четыре причины, по которым поверхность титана проигрывает стали в тестах на царапины, и ни одна из них не связана с прочностью.

1. Низкая твердость поверхности. Как показано выше, Grade 5 находится на уровне HRC 30-34. Все, что ниже HRC 40, проиграет в тесте на царапины большинству закаленных сталей.

2. Низкая теплопроводность. Титан проводит тепло со скоростью около 6,7 Вт/м-К, по сравнению с 16,2 Вт/м-К для нержавеющей стали 316 и 49,8 Вт/м-К для обычной углеродистой стали. Во время обработки или резки тепло концентрируется в точке контакта, а не рассеивается. Это ускоряет износ инструмента и делает поверхность более восприимчивой к локальным деформациям.

3. Галантная тенденция. Титан имеет сильную тенденцию к холодной сварке (галтель) с самим собой и с другими металлами при скользящем контакте. Слой TiO₂, защищающий от коррозии, разрушается под действием трения, и обнаженная поверхность титана сцепляется с прилегающим металлом. Вот почему титановые болты нуждаются в противозадирной смазке и почему следует избегать подшипников типа "титан на титане".

4. Пассивирующий оксидный слой. Толщина слоя TiO₂ составляет всего несколько нанометров. Он отлично противостоит коррозии, но обеспечивает нулевую механическую защиту от царапин. После царапины слой восстанавливается, но сама царапина остается в металле навсегда.

Титан против стали: твердость в сравнении

Вывод простым языком: Сталь выигрывает по твердости. Титан выигрывает по сочетанию прочности, малого веса и устойчивости к коррозии. Не существует сценария, при котором титан был бы “тверже стали” в абсолютном выражении. Маркетинговое утверждение о том, что титан тверже, неверно, и его повторение в спецификациях и блогах подрывает доверие к инженерной аудитории.

Упрочнение титана: Можно ли увеличить поверхность?

Да, через обработку поверхности, а не через объемную металлургию, как при закалке стали. Вы не можете закалить и отпустить титан так, как закаливаете углеродистую сталь 1095.

Азотирование: Вводит азот в поверхность при температуре 700-900 °C. Глубина наплавки составляет 10-50 мкм, а твердость поверхности - 900-1200 HV (эквивалент HRC 67-72). Исследование, опубликованное в ScienceDirect (2016), подтверждает заметное повышение износостойкости Ti-6Al-4V с помощью газового азотирования.

Науглероживание: Углерод образуется при температуре 850-950 °C. В обзоре 2024 года, опубликованном в журнале MDPI Coatings, было обнаружено, что науглероживание создает слой TiC (карбида титана) с твердостью 2500-3200 HV (литературный диапазон для TiC) в тестовых образцах, что значительно повышает износостойкость.

Дробеструйное упрочнение: Создает сжимающее остаточное напряжение на поверхности, что повышает усталостную долговечность. Что касается твердости поверхности, то исследование ASME показало, что дробеструйное упрочнение повышает твердость поверхности Ti-6Al-4V примерно с 335 HV до 500-620 HV, в зависимости от интенсивности и охвата - значительное улучшение для чувствительных к усталости применений.

Покрытия TiN PVD (TiN, TiAlN, DLC): Осаждает тонкую, чрезвычайно твердую пленку. Покрытия TiN (нитрид титана) достигают 2300-3000 HV и являются стандартными для режущих инструментов и корпусов часов (eifeler: 2300 HV типично; BryCoat: 2500-3000 HV типично).

Expanite® (интерстициальное упрочнение): Запатентованный процесс, который позволяет получить альфа-корпус с твердостью около 900 HV на глубину 10-30 мкм, согласно опубликованным результатам испытаний на износ, проведенных компанией Expanite по стандарту ASTM G133.

Тест Scratch в реальном мире: Что на самом деле испытывают пользователи

В темах на Reddit в разделах r/Watches, r/GrandSeikos и r/CitizenWatches постоянно сообщается: на титановых часах царапины появляются быстрее, чем на часах из нержавеющей стали при одинаковых условиях ежедневного ношения. Пользователи описывают легкие следы от ныряния за столом, появляющиеся в течение нескольких недель, в то время как на аналогичном корпусе из нержавеющей стали видимые следы появляются через несколько месяцев такого же использования.

В ножевом сообществе (BladeForums) пользователи отмечают, что на титановых складниках появляются следы от заточки лезвия при карманном ношении, в то время как стальные клинки в той же роли остаются чистыми. Общее мнение: титан выбирают для ножей не из-за устойчивости к царапинам, а из-за его малого веса, устойчивости к коррозии и приятного ощущения прочного, но легкого каркаса.

С точки зрения машиниста ЧПУ, титан Grade 5 сложнее для инструмента, чем нержавеющая сталь - не потому, что заготовка тверже, а потому, что низкая теплопроводность и химическая реактивность титана при температуре резания вызывают преждевременный износ инструмента. Скорость обработки Ti-6Al-4V обычно на 20-40% больше, чем для нержавеющей стали 316, согласно техническим руководствам Sandvik и Kennametal, а срок службы инструмента меньше без правильной стратегии использования СОЖ и острого твердосплавного инструмента с покрытием.

Когда твердость не имеет значения: Области применения, в которых титан выигрывает

Существует длинный список сценариев, в которых меньшая твердость титана не имеет значения, а его преимущества являются решающими.

Конструктивные детали для аэрокосмической промышленности: Кронштейн для самолета не должен быть устойчив к царапинам. Он должен выдержать 20 000 часов полета при высоких циклических нагрузках без образования трещин, противостоять гальванической коррозии в местах соединения крепежных деталей, и при этом весить на 40% меньше, чем стальной аналог. Титан класса 5 отвечает всем трем требованиям, а закаленная сталь не справляется с третьим.

Медицинские имплантаты (класс 23 / ELI): Ножка тазобедренного сустава должна противостоять коррозии внутри человеческого тела в течение десятилетий. Поверхностные царапины от хирургического вмешательства не имеют значения в процессе эксплуатации. Костно-интегрирующая поверхность специально шероховата (с помощью пескоструйной обработки или кислотного травления), чтобы способствовать остеоинтеграции.

Морское оборудование: Титановый проходной фитинг на яхте для соленой воды не подвержен образованию язв и трещин, в отличие от нержавеющей стали 316, которая подвержена образованию язв в теплой, застойной морской воде. Царапины от стыковки носят косметический, а не функциональный характер.

Химическая обработка: Титан класса 2 является стандартным материалом для теплообменников в средах с высоким содержанием хлоридов, где нержавеющая сталь 316 выходит из строя в течение нескольких месяцев. Число твердости не имеет значения; критерием выбора является коррозионная стойкость.

Области применения, зависящие от твердости: Где побеждает сталь

Когда твердость напрямую определяет производительность, сталь остается лучшим выбором.

Режущие инструменты и лезвия: Кромка ножа с HRC 58-60 будет держать заточку в сотни раз дольше, чем с HRC 30-34. Именно поэтому в ножах премиум-класса используются закаленные инструментальные стали (M390, S90V, CPM-S110V), а не титан, несмотря на привлекательность титана для изготовления рамок и рукоятей.

Зубья шестерен и поверхности подшипников: Сопротивление контактной усталости зависит от твердости поверхности. Закаленные легированные стали (HRC 58-62) и стали, закаленные в корпусе, являются стандартными для зубчатых колес и подшипников. Титан не используется в подшипниках качения.

Износостойкие детали машин: Износостойкие пластины, втулки и направляющие скольжения требуют твердости поверхности выше HRC 50. По умолчанию используются простые или закаленные стали.

Краткое содержание: Что вспомнить

• Титан класса 5 (Ti-6Al-4V) не является твердым. В отожженном состоянии она находится на уровне 30-34 по шкале Роквелла C, что мягче большинства нержавеющих сталей и намного мягче инструментальных сталей.
• Титан прочный и легкий. Его соотношение прочности и веса превышает аналогичный показатель стали, и он естественным образом противостоит коррозии.
• Цифры меняются при термической обработке. Всегда проверяйте, указаны ли в техническом описании значения отожженной или STA. Зазор может составлять 5-9 пунктов HRC.
• Работа по обработке поверхности. Азотирование, науглероживание, PVD-покрытия и Expanite позволяют повысить твердость поверхности до HRC 60+, сохраняя при этом основные свойства титана.
• Твердость - неправильная метрика для многих применений титана. Коррозионная стойкость, усталостная прочность, биосовместимость и вес - вот реальные причины, по которым следует выбирать титан.
• Сталь тверже. Каждый раз. Если твердость - ваше главное требование к конструкции, выбирайте сталь и экономьте деньги.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Какова твердость по Роквеллу титана класса 5?
Титан класса 5 (Ti-6Al-4V) в отожженном состоянии имеет твердость по Роквеллу C 30-34. После обработки раствором и выдержки (STA) он увеличивается до 35-39 по шкале Роквелла C. Эти значения задокументированы в техническом паспорте ATI и базе данных материалов MatWeb.

Насколько тверд титан по сравнению со сталью?
Титан класса 5 (HRC 30-34) значительно мягче большинства технических сталей. AISI 4140 в закаленном состоянии достигает HRC 38-42. Закаленные инструментальные стали превышают HRC 60. Преимущество титана заключается не в твердости, а в соотношении прочности и веса, а также в коррозионной стойкости.

Почему титан мягкий, несмотря на свою прочность?
Прочность и твердость - это разные свойства. Прочность измеряет сопротивление силе растяжения (напряжению). Твердость измеряет сопротивление вдавливанию поверхности. Кристаллическая структура титана (HCP-альфа, BCC-бета) обеспечивает превосходную прочность на разрыв, но не сопротивляется деформации поверхности так, как это делают сильно легированные, термически обработанные микроструктуры инструментальных сталей.

Можно ли закалить титан?
Да, с помощью обработки поверхности, а не объемной термообработки. Азотирование, науглероживание и PVD-покрытия могут повысить поверхностную твердость титана с HRC 30-34 до HRC 60-70. Эти виды обработки добавляют твердый поверхностный слой, в то время как основной материал сохраняет свою прочность и пластичность.

Почему мои титановые часы так легко царапаются?
Титановые часы имеют поверхностную твердость HRC 30-34, в то время как часы из нержавеющей стали обычно имеют твердость HRB 80-90 (около HRC 15-20 для отожженной) - но нержавеющая сталь может подвергаться холодной обработке и поверхностному упрочнению более эффективно. На практике очень тонкий естественный слой оксида TiO₂ на титане обеспечивает нулевую защиту от царапин, в то время как нержавеющая сталь упрочняется при контакте с поверхностью. Многие часовые бренды используют DLC или керамические покрытия на титановых корпусах, чтобы компенсировать это.

Титан тверже алюминия?
Да. Чистый алюминий имеет твердость около HRB 20 и HV 25. Даже самый мягкий титан класса 1 (HRB 70, HV 122) значительно тверже алюминия. Титан 5-го класса (HV 349) примерно в 14 раз тверже чистого алюминия по шкале Виккерса.

Какова твердость по Бринеллю титана класса 2?
Титан Grade 2 имеет твердость по Бринеллю около 145 HB в отожженном состоянии, согласно MatWeb. Это аналогично отожженной нержавеющей стали 316 (146 HB по данным MatWeb), но Grade 2 значительно легче - 4,51 г/см³ против 8,0 г/см³ у нержавеющей стали.

Становится ли титан тверже со временем?
Титан не подвергается естественному старению при комнатной температуре. Однако титановые сплавы можно намеренно состарить путем термообработки (обычно 480-590 °C в течение нескольких часов) для повышения твердости. При эксплуатации при повышенных температурах (выше 300 °C) некоторые титановые сплавы могут демонстрировать едва заметные изменения свойств в течение длительного времени выдержки, но это не то же самое, что “стать тверже”.”