Чтобы определить твёрдость материала, чаще всего используется изобретение шведского инженера Бринелля - метод, измеряющий свойства поверхности и дающий дополнительные характеристики полимерных металлов.
Оценка материала
Именно благодаря этому открытию сейчас оцениваются пути наиболее эффективного применения пластиков. Не слишком высокой твёрдости пластмассы проверяются на эластичность и мягкость, чтобы быть использованными как герметизирующий, уплотнительный и прокладочный материал. Разработка Бринелля - метод, позволяющий определить прочность и твёрдость материала, который будет служить в важных конструкциях - в зубчатых колёсах и венцах, подшипниках под тяжёлой нагрузкой, деталях резьбовых соединений и т.д.
Оценку прочности наиболее точно даёт именно этот способ. Значение параметра, который обозначается Р1В, трудно переоценить. Наиболее часто для этой цели применяется разработка Бринелля - метод, при котором пятимиллиметровый стальной шарик вдавливается в материал. По глубине вдавливания шарика и определяется ГОСТ.
История
В 1900 году инженера из Швеции Юхана Августа Бринелля метод, предложенный им мировому материаловедению, сделал знаменитым. Он не только был назван в честь изобретателя, но и стал наиболее широко использоваться, стандартизировался.
Что такое твёрдость? Это особое свойство материала, не испытывающего пластическую деформацию от контактного местного воздействия, которое чаще всего сводится к внедрению индектора (более твёрдого тела) в материал.
Восстановленная и невосстановленная твёрдость
Метод Бринелля помогает измерить восстановленную твёрдость, которая определяется отношением величины нагрузки к объёму отпечатка, площади проекции или площади поверхности. Таким образом, твёрдость бывает объёмная, проекционная и поверхностная. Последняя определяется отношением: нагрузка к площади отпечатка. Объёмная твёрдость измеряется отношением нагрузки к объёму его, а проекционная - нагрузка к площади проекции, которую оставил отпечаток.
Невосстановленная твердость по методу Бринелля определяется по тем же параметрам, только основной измеряемой величиной становится сила сопротивления, отношение которой к площади поверхности, объёму или проекции показывает внедрённый в материал индектор. Таким же образом рассчитывается объёмная, проекционная и поверхностная твёрдость: отношением силы сопротивления либо к площади поверхности внедрённой части индектора, либо к площади проекции его, либо к объёму.
Определение твёрдости
Способность к сопротивлению пластической и упругой деформации при воздействии на материал более твёрдого индектора - это определение твёрдости, то есть, фактически это тест материала на вдавливание. Метод измерения твердости по Бринеллю - измерение, насколько глубоко индектор проник в материал. Чтобы знать точное значение твёрдости данного материала, нужно измерить глубину проникновения. Для этого существует метод Бринелля и Роквелла, реже применяется метод Виккерса.
Если метод Роквелла определяет непосредственно глубину проникновения шарика в материал, то Виккерс и Бринелль измеряют отпечаток по площади его поверхности. Получается, что чем глубже индектор в материале, тем отпечаток получается большей площади. На твёрдость можно тестировать абсолютно любые материалы: минералы, металлы, пластмассы и тому подобное, но определяется твёрдость каждого из них собственным методом.
Как найти способ
Метод определения твердости по Бринеллю очень хорош для неоднородных материалов, для сплавов, которые не слишком тверды. Не только вид материала определяет способ измерения, но и сами параметры, которые нужно определить. Твёрдость сплавов измеряется как бы усреднённо, поскольку в них соседствуют материалы с разными характеристиками. Например, чугун. У него очень неоднородная структура, там присутствуют цементит, графит, перлит, феррит, а потому измеренная твёрдость чугуна - величина усреднённая, слагающаяся из твёрдости всех составляющих.
Измерение твердости металлов по методу Бринелля проводится с использованием большого индектора, чтобы отпечаток получился на большей площади образца. Таким образом и на чугуне можно получить в этих условиях значение, являющееся средним по многим и разным фазам. Очень хорош этот метод при измерении твёрдости сплавов - чугуна, цветных металлов, меди, алюминия и тому подобного. Достаточно точно этот метод показывает значение твёрдости пластмасс.
Метод Роквелла в сравнении
Он хорош для твёрдых и сверхтвёрдых металлов, и полученное значение твёрдости тоже усреднено. Индектором служит такой же стальной шарик или конус, но кроме них используется и алмазная пирамида. Отпечаток на материале при измерении по методу Роквелла тоже получается большим, а число твёрдости по разным фазам усреднено.
Методы Бринелля и Роквелла различаются в принципе: у первого результат представлен в виде частного после деления силы вдавливания на поверхность площади отпечатка, а вот Роквелл вычисляет соотношение глубины проникновения к единице шкалы прибора, измеряющего глубину. Именно поэтому твёрдость по Роквеллу практически безразмерна, а по Бриннелю она чётко измеряется в килограммах на квадратный миллиметр.
Метод Виккерса
Если образец маловат или необходимы измерения объекта меньшего, чем величина отпечатка индектора, которыми измеряется твёрдость по Роквеллу или Бринеллю, нужно использовать методы микротвёрдости, среди которых самый популярный - метод Виккерса. Индектором служит алмазная пирамида, а отпечаток изучается и измеряется оптической системой, похожей на микроскоп. Будет известно тоже усреднённое значение, но твёрдость вычисляется по значительно меньшей площади.
Если масштаб измеряемого объекта совсем мал, то используется микротвердомер, умеющий сделать отпечаток в отдельном зерне, фазе, слое, и нагрузку вдавливания можно выбрать самостоятельно. Металловедение позволяет с использованием этих методов определить и твёрдость, и микротвёрдость металлов, а материаловедение таким же образом определяет микротвёрдость и твёрдость материалов неметаллических.
Диапазон
Существует три диапазона для измерения твёрдости. В макродиапазоне регламентируется величина нагрузки от 2 Н до 30 кН. Микродиапазон ограничивает не только нагрузку на индектор, но и глубину внедрения. Первая величина не превышает 2 Н, а вторая - более 0,2 мкм. В нанодиапазоне регламентируется только глубина внедрения индектора - менее 0,2 мкм. Результат даёт нанотвёрдость материала.
Параметры измерений зависят, прежде всего, от нагрузки, которая прикладывается к индектору. Эта зависимость даже получила особое название - размерный эффект, по английски - indentation size effect. Характер размерного эффекта можно определить формой индектора. Сферический - твёрдость увеличивается с увеличением нагрузки, стало быть, этот размерный эффект обратный. Пирамида Виккерса или Берковича уменьшает твёрдость с увеличением нагрузки (здесь обычный или прямой размерный эффект). Конус-сфера, который используется для метода Роквелла, показывает, что увеличение нагрузки сначала приводит к увеличению твёрдости, а затем, при внедрении сферической части, уменьшается.
Материалы и методы измерения
Самые твёрдые на сегодняшний день из существующих материалов - две модификации углерода: лонсдейлит, вполовину превосходящий алмаз по твёрдости, а также фуллерит, который превосходит алмаз в два раза. Практическое применение этих материалов только начинается, а пока из распространённых самым твёрдым является алмаз. Именно с его помощью устанавливается твёрдость всех металлов.
Методы определения (самые популярные) были перечислены выше, но, чтобы уяснить их особенности и понять суть, нужно рассмотреть и другие, которые можно условно поделить на динамические, то есть ударные, и статические, которые были уже рассмотрены. Метод измерения иначе называется шкалой. Необходимо напомнить, что самой популярной является всё-таки шкала Бринелля, где твёрдость измеряется по диаметру отпечатка, который оставляет стальной шарик, вдавливаемый в поверхность материала.
Определение числа твёрдости
Метод Бринелля (ГОСТ 9012-59) позволяет записать число твёрдости без единиц измерения, обозначая её НВ, где Н - твёрдость (hardness), а В - собственно Бринелль. Площадь отпечатка измеряется как часть сферы, а не площадь круга, как это делает шкала Мейера например. Метод Роквелла отличает то, что определением глубины вошедшего в материал шарика или конуса из алмаза твёрдость получается безразмерной. Обозначается она HRA, HRC, HRB или HR. Формула вычисленной твёрдости выглядит так: HR = 100 (130) − kd. Здесь d является глубиной вдавливания, а k - коэффициентом.
Методом Виккерса твёрдость можно определить по отпечатку, оставленному четырёхгранной пирамидой, вдавливаемой в поверхность материала, в соотношении с нагрузкой, которая была приложена к пирамиде. Площадь отпечатка - не ромб, а часть площади пирамиды. Размерностью единиц по Виккерсу следует считать кгс на мм2, обозначается единица HV. Также существует метод измерения по Шору (вдавливание), чаще используется для полимеров и имеет двенадцать шкал измерения. Соответствующие Шору шкалы Аскер (японская модификация для материалов мягких и эластичных) во многом похожи на предыдущий метод, только параметры измерительного прибора отличаются и используются другие индекторы. Ещё один метод по Шору - с отскоком - для высокомодульных, то есть очень твёрдых материалов. Отсюда можно сделать вывод, что все методы, измеряющие твёрдость материала, делятся на две категории - динамические и статические.
Инструменты и приборы
Приборы для определения твёрдости называются твёрдомерами, это измерения инструментальные. Тестирование по-разному воздействует на объект, поэтому методы могут быть разрушающими его и не разрушающими. Между всеми этими шкалами прямой взаимосвязи нет, поскольку ни один из методов не отражает фундаментальных свойств материала целиком.
Тем не менее построены в достаточной мере приближённые таблицы, где связываются шкалы и разные методы для категорий материалов и отдельных их групп. Создание этих таблиц стало возможно после проведения ряда экспериментов и тестирований. Однако теорий, которые бы позволяли одним из расчётных методов переходить от одного способа к другому, пока не существует. Конкретный метод, которым определяется твёрдость, обычно выбирают, исходя из имеющейся аппаратуры, задач измерения, условий проведения его, и, конечно, из свойств самого материала.
