Твердість, як властивість матеріалів, описує їхню здатність чинити опір деформації та руйнуванню під дією зовнішніх сил. Ця характеристика має велике значення у практичному використанні матеріалів, оскільки впливає на їхню довговічність, зносостійкість та інші експлуатаційні характеристики. Для точного вимірювання твердості розроблено різні методи та одиниці вимірювання.
Одним із найпоширеніших методів є твердомір Роквелла. Він використовує конусоподібний алмазний наконечник, який вдавлюється в поверхню зразка. Глибина вдавлення вимірюється, і за цією глибиною визначається твердість за шкалою Роквелла. Одиниця вимірювання в цьому методі — HRC (для матеріалів високої твердості) або HRB (для матеріалів низької твердості).
Іншим поширеним методом є твердомір Віккерса. Цей метод використовує чотиригранну алмазну піраміду як наконечник. Твердість Віккерса визначається поділом навантаження на площу відбитка піраміди на поверхні зразка. Одиниця вимірювання — HV.
Метод Брінелля також широко застосовується для вимірювання твердості металів. Він використовує сталеву кульку, яка вдавлюється в поверхню зразка. Твердість Брінелля визначається як відношення навантаження до площі відбитка кульки. Одиниця вимірювання — HB.
Для вимірювання твердості полімерів часто використовується твердомір Шора. Цей метод використовує індивідуальний пробойник, який вдавлюється в поверхню зразка. Твердість Шора визначається за шкалою від 0 до 100, де 0 відповідає найм'якшим матеріалам, а 100 — найтвердішим. Одиниця вимірювання — Sh.
Вибір методу вимірювання твердості залежить від матеріалу, який оцінюється, та його передбачуваного використання. Правильний вибір методу дозволяє отримати точні та надійні результати, які можуть бути використані для контролю якості, розробки нових матеріалів та оптимізації виробничих процесів.
Твердість є складною властивістю, яка залежить від ряду факторів, як-от мікроструктура матеріалу, наявність дефектів, термообробка та хімічний склад. Розуміння цих факторів та їхнього впливу на твердість має вирішальне значення для оптимізації властивостей матеріалів для конкретних застосувань.
У практичному застосуванні твердість має велике значення в різних галузях промисловості. Відносно тверді матеріали використовуються для виготовлення різальних інструментів, підшипників, пружин та інших деталей, які потребують високої стійкості до зносу. Твердість також є важливим фактором у виборі матеріалів для будівництва, транспортних засобів та медичних пристроїв.
Знання методів вимірювання твердості та розуміння факторів, які впливають на неї, дозволяє інженерам і технікам оптимізувати характеристики матеріалів для широкого спектру застосувань. Це сприяє розробці надійніших, довговічніших і ефективніших конструкцій та пристроїв, які служать нашим повсякденним потребам.
Вимірювання твердості
Твердість — це властивість матеріалу чинити опір деформації чи проникненню іншого матеріалу. Вона залежить від міжатомних сил і структури матеріалу. Існує кілька методів вимірювання твердості, кожен з яких визначає твердість різними способами.
Метод Брінелля
Метод Брінелля, один з найпоширеніших способів вимірювання твердості, визначає опір матеріалу вдавленню стальної кульки. При цьому вимірюють діаметр відбитка, залишеного кулькою після навантаження. Чим менший діаметр відбитка, тим твердіший матеріал. Твердість за Брінеллем вимірюється в одиницях твердості Брінелля (HB).
Метод Роквелла
Метод Роквелла використовує алмазну конусну або сталеву кулькову індентацію. Процес вимірювання складається з двох етапів навантаження: попереднього і основного. Чим глибший відбиток після основного навантаження, тим м'якший матеріал. Твердість за Роквеллом вимірюється в одиницях твердості за Роквеллом (HR). Існує кілька шкал твердості за Роквеллом, що позначаються різними літерами (наприклад, HRC, HRB).
Метод Віккерса
Метод Віккерса використовує алмазну піраміду з чотиригранним наконечником. Опір матеріалу проникненню оцінюють за діагоналями відбитка, залишеного пірамідою. Чим менше діагоналі відбитка, тим твердіший матеріал. Твердість за Віккерсом вимірюється в Ньютонах на міліметр у квадраті (HV).
Метод Кнупа
Метод Кнупа аналогічний методу Віккерса, але використовує ромбічну алмазну піраміду. Опір матеріалу проникненню оцінюють за діагоналлю і довжиною відбитка, залишеного пірамідою. Чим менша довжина і діагональ відбитка, тим твердіший матеріал. Твердість за Кнупом вимірюється в кілограмах на квадратний міліметр (HK).
Метод Шора
Метод Шора, що використовується для м'яких матеріалів, визначає опір матеріалу удару відбійника. Відбійник падає на зразок з певної висоти, і чим вище відскок відбійника, тим твердіший матеріал. Твердість за Шором вимірюється в умовних одиницях (Sh).
Вибір методу вимірювання
Вибір відповідного методу вимірювання твердості залежить від таких факторів, як:
- Твердість матеріалу
- Масштаб вимірювання
- Доступне обладнання
Для твердих матеріалів зазвичай використовують методи Брінелля або Роквелла, а для м'яких матеріалів — метод Шора. Методи Віккерса і Кнупа забезпечують високу точність і застосовуються для вимірювання твердості тонких плівок і крихких матеріалів.
Думки експертів
Експерт з вимірювання твердості: Іван Петренко
В чому вимірюється твердість?
Твердість матеріалу є показником його опору пластичній деформації або проникненню в нього іншого матеріалу. Існує кілька методів вимірювання твердості, і кожен з них використовує свою одиницю вимірювання.
Метод Бринелля (HB)
Метод Бринелля передбачає вдавлення сталевої кульки в поверхню матеріалу під навантаженням протягом певного часу. Твердість розраховується як сила, необхідна для вдавлення кульки, поділена на площу поверхні відбитка. Одиниця вимірювання твердості за Бринеллем — HB.
Метод Роквелла (HR)
Метод Роквелла також передбачає вдавлення інструмента в поверхню матеріалу. Однак інструмент являє собою алмазний конус або сталеву кульку в залежності від обраної шкали. Одиниця вимірювання твердості за Роквеллом залежить від використовуваної шкали:
- HRC: Твердість за шкалою C, використовувана для дуже твердих матеріалів (наприклад, загартована сталь).
- HRB: Твердість за шкалою B, використовувана для м'якших матеріалів (наприклад, мідних сплавів).
Метод Вікерса (HV)
Метод Вікерса використовує алмазну чотиригранну піраміду, яка вдавлюється в поверхню матеріалу під навантаженням. Твердість розраховується як сила, необхідна для вдавлення піраміди, поділена на бічну площу відбитка. Одиниця вимірювання твердості за Вікерсом — HV.
Метод Кнупа (HK)
Метод Кнупа, як і метод Вікерса, також використовує чотиригранну піраміду для вдавлення в поверхню матеріалу. Однак у цьому випадку піраміда має довгасту форму. Твердість розраховується як сила, необхідна для вдавлення піраміди, поділена на бічну площу відбитка. Одиниця вимірювання твердості за Кнупом — HK.
Вибір методу вимірювання
Вибір відповідного методу вимірювання твердості залежить від типу матеріалу та діапазону очікуваної твердості. Метод Бринелля зазвичай використовується для твердих металів, у той час як метод Роквелла підходить для більш м'яких матеріалів. Методи Вікерса та Кнупа часто використовуються для крихких матеріалів або тонких покриттів.
Таким чином, твердість може вимірюватися в різних одиницях залежно від використовуваного методу. Найпоширенішими одиницями є HB, HR, HV і HK.
Відповіді на питання
Запитання 1: В яких одиницях вимірюється твердість за шкалою Мооса?
Відповідь: Твердість за шкалою Мооса вимірюється в умовних одиницях, які є безрозмірними.
Запитання 2: Які одиниці вимірювання твердості за шкалою Брінелля?
Відповідь: Твердість за шкалою Брінелля вимірюється в ГПа (гігапаскалях) або HB (одиниці Брінелля).
Запитання 3: Як вимірюється твердість за методом Роквелла?
Відповідь: Твердість за методом Роквелла вимірюється умовними одиницях, що позначаються як HRC (для випробувань з алмазним індектором) або HRB (для випробувань зі сталевою кулькою).
Запитання 4: В яких одиницях виражається твердість за методом Віккерса?
Відповідь: Твердість за методом Віккерса вимірюється в кгс/мм2 (кілограм-сила на квадратний міліметр).
Запитання 5: Який тип пристрою використовується для вимірювання твердості за методом Нупа?
Відповідь: Твердість за методом Нупа вимірюється за допомогою пристрою під назвою мікротвердомір Нупа, який використовує чотиригранну алмазну піраміду в якості індетора.