Какво е твърдост? Определяне и определяне на твърдост

Всички знаем, че всеки материал на земята има различни свойства: физически, химически, механични, технологични, оперативни и много други. Тук може да се приписва и твърдост. Всички те заедно ни позволяват да предопределим използването им в определена сфера на човешката дейност. Но какво е твърдост? метали, сплави или други материали? Сред останалите имоти това е най-интересно, тъй като няма ясна дефиниция за това.

Какво е твърдост?

Твърдостта на всеки материал е неговата важна характеристика, тъй като от нея зависят издръжливостта и издръжливостта на произведените конструкции. И тъй като няма ясна дефиниция, самият термин може да бъде "дешифриран", тъй като това е свойство на материал да устои на проникването в него на друго тяло (инструмент). Тази функция ви позволява да оцените качеството на много обекти:

• метал (сплави);
• керамика;
• дървен материал;
• пластмаса;
• камък;
• графит.

Освен това, твърдостта влияе върху степента на обработка на материала. Колкото по-трудно е, толкова по-трудно е да се работи с него. Обратното също е вярно. Затова е приятно да се занимаваме с дърво при производството на различни занаяти.

Различните специалисти имат своя собствена концепция за твърдост. Например, в областта на минералогията, тази дефиниция означава съпротивлението на един материал към появата на драскотини, когато е изложен на друг обект.

В металургията е малко по-различно да се разбере какво е твърдост - устойчивост на пластична деформация. Но основната дефиниция, към която се отнасят повечето специалисти от всяка професия, вече е дадена в самото начало на раздела.

Въпреки това, твърдостта може да се прояви по различни начини:

• скованост;
• съпротивление:
• нулата;
• устойчивост на износване;
• рязане;
• щам:
• огъване;
• прекъсване;
• промяна на формата.

Колкото по-висока е стойността на твърдостта, толкова по-голяма е степента на устойчивост на материала. Въз основа на такова разнообразие от проявления на това свойство, съществуват различни начини за измерването му.

Начини за измерване на твърдостта

Казано, изпитването на твърдост се извършва по-често, отколкото определянето на всички други свойства на материалите - якост, относително удължение и други. Има няколко начина да разберете колко е твърда стомана или друг минерал. Но всички те се основават на общ принцип: тестовата проба се влияе от друг обект, прилагайки определено налягане. Тя може да бъде топка, пирамида, удар.

Твърдостта се определя от дълбочината на проникване и индикаторите за налягане. Минималните усилия и голяма дълбочина говорят за ниски свойства на материала. Еквивалентно и обратното, голямо усилие и малка дълбочина - твърдостта е висока.

В този случай тестовете могат да бъдат от два основни типа:

• Статично.
• Dynamic.

Ако контактът между изпитваната проба и обекта се появи в рамките на определен период от време, тогава изпитването е статично. В противен случай това е динамичен начин за определяне на твърдостта.

В момента се определя твърдостта на използваните материали:

• Метод на Викерс (ГОСТ 2999-75).
• Метод на Бринел (ГОСТ 9012-59).
• Метод на Рокуел (ГОСТ 9013-59).
• Shore метод.
• Метод на Мос.

Изборът на конкретен тест зависи от специфичното използване на частите, изискваната точност на резултата, както и от възможността за възпроизвеждане на изследването при различни условия.

Пътят на Викерс

Какво представлява твърдостта на Vickers? Същността на тази техника се състои в пресоването на пирамида от диамант в пробата. В пирамидалния индентор аспектното съотношение трябва да бъде строго определено. В резултат на изпитването върху пробата за изпитване остава отпечатък с диамант и понякога може да има неправилна форма.

Твърдостта се обозначава с две латински букви - HV - и се задава в зависимост от диагоналната стойност на получения ромб. Понякога се използва средноаритметичното от двете диагонали.

Оборудването, с което се измерва твърдостта на Викерс, е от статичен тип и може да бъде неподвижно или преносимо. В този случай самата процедура се извършва, както следва:

• Пробата се поставя върху работния плот на оборудването с изследваната повърхност нагоре. След това, заедно с масата, тя се издига до лек контакт с работния връх.
• С помощта на времереле се задава определен час на експозиция, след което остава да се спусне лоста, който задейства механизма за зареждане. В края на времето за изпитване натоварването се отстранява от частта и върхът се връща в предишното си положение.
• Оборудването е снабдено с микроскоп за четене, така че след приключване на операцията е необходимо да се разшири масата с пробата и да се измери диагоналът на печата.

В някои случаи твърдостта на стомана или друг материал съгласно този метод е посочена с стойността на товара. Например, такова обозначение HV ₅₀ 940 показва, че твърдостта е равна на 940 единици, когато са изложени на натоварване, равно на 50 kg.

Предимствата на този метод за изпитване са:

• Възможно е да се измерват части с почти всяка дебелина поради малката повърхност, която инденторът заема (най-крайната позиция).
• Висока точност на резултата, поради идеалната степен на твърдост на диамантения връх. В резултат на това самият той не е подложен на деформация.
• Диапазонът на измерване е доста широк и може да покрива както сравнително слаби метали като алуминий и мед, така и високоякостни стомани и сплави.
• Възможно е да се определи твърдостта на един слой метали. Например, пробата е претърпяла процес на циментация, или химически състав е бил променен на частта поради повърхностно втвърдяване или допинг.

Както показва практиката, обхватът на измерванията на твърдостта варира от 145 до 1000 HV. За измерване на твърдостта на голяма партида от проби има автоматизирано оборудване от Reicherter от Германия, което има хидравлично или електромеханично задвижване. Изчисляването на резултата се извършва автоматично и след това се показва на монитора.

Твърдост на Бринел

Твърдостта по този метод също се обозначава с две, но с други букви - НВ - и също е статичен тест. Температурата при изследването трябва да бъде в границата от 20 ± 10 ° C. Неговата същност е следната: пробата се компресира от стоманена закалена топка. Към оборудването е включена и друга топка, изработена от волфрам-кобалт твърда сплав. Това ви позволява да увеличите обхвата на измерване на твърдостта.

Съгласно стандарта, определени условия са определени за твърдостта на Brinell:

• Натоварването на пробата е в диапазона от 12,25 до 29420 N.
• Размерът на топките е 1-10 мм.
• Продължителността на експозиция не трябва да надвишава 10-15 s.
• Отпечатъкът върху пробата не трябва да надвишава границите: 0,2-0,7 D (D е диаметърът на топчето).

Процесът на измерване протича по следния начин:

• Пробата се поставя на масата и се закрепва към стопа.
• Задвижването е настроено на желаната стойност на натоварването, след което шпинделът е активиран.
• В края на процедурата работният накрайник заема първоначалната позиция. На екрана можете да видите стрелката, която ще показва стойността на диаметъра на отпечатъка. Самата твърдост се задава с помощта на таблица, разположена върху рамката на оборудването. Ако трябва да промените натоварването, то за това има набор от преинсталиращи се щифтове.

Има преносими инструменти, които се използват добре в тази област. Те са снабдени със скоба, към която е прикрепена пробата, а товарът се създава от дръжката.

Работният обхват за измерване на твърдостта на сплавите е 8-450 НВ, което съответства на повечето стомани и сплави, използвани при производството на различни метални конструкции. Но трябва само да се превиши горната граница на измерванията, тъй като точността вече не е вярна, което се дължи на деформацията на индентора. Не се препоръчва използването на карбидни топчета, ако очакваната твърдост е 350-450 HB.

Основното предимство на метода на Бринел може да се разглежда като способност за определяне на твърдостта на горещите проби. В същото време не може да се определи по ръбовете или ръбовете на частите или върху тънки проби.

Метод на Рокуел

Буквите, обозначаващи твърдостта на Рокуел, са HR. При този метод в пробата се притиска стоманена топка или диамантен конус.

Изпитването се провежда при следните условия:

• Предварителната проба се зарежда, което позволява да се избегне влиянието на редица повърхностни фактори: грапавост, температура, скорост на вкарване на индентора.
• Произвежда се от основния товар, който е изчислението на резултата.
• Процедурата завършва с премахване на товара.

Ако този метод се сравнява с предишните методи за определяне на твърдостта, тук се появяват три скали.

• А - обозначен HRA, индентор - диамантен конус, обхват на измерване: 60-80 HRA. Прилага се за легирани с високо съдържание на въглерод инструментални стомани, и твърди сплави.
• B - обозначена с HRB, закалена топка, обхват на измерване: 35-100 HRB. Тя е станала средно твърда и сплави на цветни метали.
• C - обозначен HRC, индентор - диамантен конус, обхват на измерване: 20-90 HRC. За стомани със средна твърдост.

Когато става въпрос за специфични условия за изчисляване на твърдостта, например студено валцувана ламарина, се използва методът Super-Rockwell с обозначение на твърдост HRN и HRT.

Оборудването може да бъде както стационарно, така и преносимо. В този случай първият тип се управлява от електромеханично или хидравлично задвижване.

Измерванията на Rockwell са по-трудни за извършване, тъй като е необходимо да се определи първичната и след това вторичната скорост на индентора. В допълнение, диамантеният работен накрайник има формата на конус, което се отразява в получаването на резултата. И да се определи размерът на получения печат е много по-трудно.

Твърдост по Шор

Методът на Shora има важна характеристика. Всички горепосочени методи за определяне на твърдостта на метали и други материали имат общ недостатък - отпечатъкът се появява на повърхността на изследваната проба. В този случай, ако е необходимо, изпитвателната част не може да бъде върната към устройството или структурата. Методът на Шор напълно елиминира такава деформация.

Освен това измерването на твърдостта на стоманата, например, вече е свързано с тестване на динамичен тип, а неговата същност се свежда до следното. Към повърхността на изследваната проба се подава склероскоп (преносим тестер за твърдост), вътре в който има стоманени зъбци с диамантен накрайник. Твърдостта се определя по следния начин: колкото по-мек е материалът, толкова по-малко ще бъде отскокът, поради абсорбцията на удара от самия материал. И колкото по-твърда е пробата, толкова по-голям ще бъде отскокът.

Диапазонът на измерване е от 30 до 140 HS. Втвърдената стомана с високо съдържание на въглерод отговаря на стойност от 100 HS. И тъй като оборудването не уврежда повърхността на продуктите, то е от значение за тестване на онези части, които са включени в конструкцията на съществуващо устройство или единица.

Техниката е лесна за изпълнение, оценката се извършва сравнително бързо и частта може да се сглоби отново в възел. Всичко това може да се счита за основните предимства. Има обаче някои ограничения.

Скалата за твърдост по HS няма стандарт, но има таблици и графики, които ви позволяват да преобразувате единици, базирани на стойностите на Shore към HV, HR или HB. Характеристика, като модула на Юнг, влияе на разстоянието на отскока за откат. Следователно е невъзможно да се сравнят единиците HS с различни материали.

Освен това твърдостта на SHOR е само сравнителна стойност. Освен това, точността на резултатите е значително по-ниска от тази на всички аналози, изброени по-горе.

Скалата на Моос

Немският учен Фридрих Моос, през 1811 г., предложи свой собствен метод за определяне на твърдостта на различни материали. Мащабът му обаче съдържа стойности от 1 до 10, които съответстват на най-често срещаните минерали, като се започне с талк (най-мекия камък) и завършва с диамант (най-тежък).

Самата техника е много проста и се основава на устойчивостта на издраскване на изследваната проба. Например, обект В може да надраска тялото С, но не засяга част А. Или, напротив, материалът А само леко надрасква част Б, но може сериозно да повреди обекта С.

Въпреки факта, че методът за определяне на твърдостта по скалата на Мос е предложен малко преди повече от два века, той се използва успешно и до днес. Само полученият резултат дава далеч от пълна информация, тъй като няма абсолютни стойности и е невъзможно да се определи съотношението по твърдост. С други думи, не може да се каже колко пъти един от материалите е по-твърд или по-мек от другия.

Стандарти за твърдост по Мос

Като еталон за определяне на твърдостта по метода на Моос, се вземат тези 10 минерала (зададената стойност ще бъде посочена в скоби):

1. Талк.
2. Гипс.
3. Калцит.
4. Флуорит.
5. Апатит.
6. Ортоклаз.
7. Quartz.
8. Topaz.
9. Корунд.
10. Diamond.

Какви са тези минерали? По-долу ги описваме накратко.

Топ пет

Талкът е толкова мек, че можеш да надраскаш нокът си. Същата твърдост в моливите (по-точно графит). Скалата съответства на една. То е добре познато на много хора, както е направено бебешки прах.

Следващата по твърдост е гипс (2), който също лесно се надраска и има специален имот. Тя трябва да се натроши в прах и да се смеси с вода - получавате плоча маса, която може да се даде всякаква форма. В допълнение към белия цвят, има оригинални версии на жълт нюанс.

На трето място е калцитът не случайно (3). Не можете да го надраскате с нокътя си, но това може да стане с медна монета. Същата степен на твърдост в златото и среброто. Второто му име е биоминерално и се състои от черупки.

Флуоритът по друг начин се нарича флуорошпат и се превежда като "течност". Той не се почесва с нокът или монетата, което не е така със стъклото или обикновения нож. Твърдостта му, както разбирате, е - 4.

На пето място е апатитът (5), който все още е податлив на надраскване с нож или стъкло (lapis lazuli може да се похвали със същата характеристика). С помощта на този минерал се извлича фосфор или фосфорна киселина.

Втора пета

Шестият в списъка е ортоклаз, който вече не приема стъклото, но не може да издържи файла. За индустрията той е ценен като източник за производството на електрокерамика и порцелан. Опалът има подобна твърдост, само че не може да се използва като референция, тъй като има много разновидности от него и всички имат свои собствени характеристики на якост.

На седмо място в нашата "класация" на свойствата на твърдостта има добре познат кварц, който съответства на неговия показател - 7. Много хора го познават като обикновен пясък. Въпреки това, тя може да бъде в други форми: под формата на скален кристал, ахат, аметист.

Сред разглежданите минерали най-трудно е топазът (8). Трудно е да се обработи и в повечето случаи за това се използва диамант. За първи път е открит на остров Топазиос, който се намира в Червено море. Оттук и името му.

Корундът изглежда идентичен с твърдостта на диаманта, но въпреки това неговите характеристики се определят с помощта на други техники. И като резултат - диамантът е много по-труден от корунда (90-180 пъти). Рубините и сапфирите също са равни на този минерал и поради своята твърдост е идеален за изработване на абразивни инструменти.

Диамантът затваря всичките десет топ, към които от всички съществуващи минерали няма равни по отношение на силата, а показателят му по скалата на твърдостта е заслужен 10!