Czym jest twardość? Oznaczenie i oznaczanie twardości

Wszyscy wiemy, że każdy materiał na Ziemi ma różne właściwości: fizyczne, chemiczne, mechaniczne, technologiczne, operacyjne i wiele innych. Również tutaj można przypisać i twardość. Wszystkie razem pozwalają nam z góry określić ich wykorzystanie w konkretnej sferze ludzkiej działalności. Ale czym jest twardość? metale, stopy lub jakiekolwiek inne materiały? Wśród innych właściwości jest to najciekawsze, ponieważ nie ma jasnej definicji tego.

Czym jest twardość?

Twardość jakiegokolwiek materiału jest jego ważną cechą, ponieważ zależy od niego trwałość i trwałość wytwarzanych struktur. A ponieważ nie ma jasnej definicji, sam termin może zostać "rozszyfrowany", ponieważ jest to właściwość materiału odpornego na penetrację innego ciała (instrumentu) do niego. Ta funkcja umożliwia ocenę jakości wielu obiektów:

• metal (stopy);
• ceramika;
• drewno;
• plastik;
• kamień;
• grafit.

Ponadto twardość wpływa na stopień przetworzenia materiału. Oznacza to, że im jest trudniej, tym trudniej jest z nim pracować. Odwrotna też jest prawda. Dlatego przyjemnie jest zajmować się drewnem przy produkcji różnego rodzaju rękodzieła.

Różni specjaliści mają własną koncepcję twardości. Na przykład w dziedzinie mineralogii definicja ta oznacza odporność jednego materiału na pojawianie się zadrapań po wystawieniu na inny obiekt.

W hutnictwie nieco inaczej jest zrozumieć twardość - odporność na odkształcenia plastyczne. Jednak podstawowa definicja, do której odnosi się większość specjalistów danego zawodu, jest już podana na samym początku sekcji.

Jednak twardość może objawiać się na różne sposoby:

• sztywność;
• odporność:
• drapanie;
• ścieranie;
• cięcie;
• deformacja:
• zginać;
• załamanie;
• zmiana kształtu.

Im wyższa wartość twardości, tym większy stopień sprężystości materiału. W oparciu o takie różnorodne przejawy tej własności, istnieją różne sposoby jej pomiaru.

Sposoby mierzenia twardości

Precyzyjnie, test twardości wykonywany jest częściej niż określenie wszystkich innych właściwości materiałów - wytrzymałości, względnego wydłużenia i innych. Istnieje kilka sposobów, aby dowiedzieć się, jak twarda jest stal lub jakikolwiek inny minerał. Ale wszystkie opierają się na ogólnej zasadzie: na próbkę testową działa inny obiekt, wywierający pewną presję. Może to być piłka, piramida, cios.

Twardość zależy od głębokości penetracji i wskaźników ciśnienia. Minimalny wysiłek i duża głębokość mówią o niskich właściwościach materiału. Równoważny i vice versa, wielki wysiłek i płytka głębokość - twardość jest wysoka.

W takim przypadku testy mogą mieć dwa główne typy:

• Statyczny.
• Dynamiczny.

Jeśli kontakt między badaną próbką a obiektem nastąpi w określonym czasie, wówczas test jest statyczny. W przeciwnym razie jest to dynamiczny sposób określenia twardości.

Obecnie, aby określić twardość użytych materiałów:

• Metoda Vickersa (GOST 2999-75).
• Metoda Brinella (GOST 9012-59).
• Metoda Rockwella (GOST 9013-59).
• Metoda Shore'a.
• Metoda Mohsa.

Wybór konkretnego testu zależy od konkretnego zastosowania części, wymaganej dokładności wyniku, a także od zdolności do odtworzenia badań w różnych warunkach.

Droga Vickersa

Jaka jest twardość Vickersa? Istotą tej techniki jest wciśnięcie piramidy wykonanej z diamentu do próbki. W wgłębniku piramidalnym współczynnik proporcji musi być ściśle określony. W wyniku testu na próbce testowej pozostaje odcisk w kształcie rombu, a czasami może mieć nieregularny kształt.

Twardość oznaczana jest przez dwie łacińskie litery - HV - i jest ustawiana w zależności od przekątnej wynikowego rombu. Czasami używana jest średnia arytmetyczna obu przekątnych.

Sprzęt, w którym mierzy się twardość Vickersa, jest typu statycznego i może być stacjonarny lub przenośny. W takim przypadku sama procedura jest wykonywana w następujący sposób:

• Próbkę umieszcza się na blacie urządzenia z badaną powierzchnią do góry. Następnie wraz ze stołem podnosi się do lekkiego kontaktu z roboczą końcówką.
• Za pomocą przekaźnika czasowego ustawiana jest określona godzina ekspozycji, po czym pozostaje opuszczenie dźwigni, która uruchamia mechanizm ładujący. Po zakończeniu testu obciążenie zostaje usunięte z części, a końcówka wraca do poprzedniej pozycji.
• Sprzęt jest wyposażony w mikroskop do czytania, więc po zakończeniu operacji należy obrócić stół wraz z próbką i zmierzyć przekątną wydruku.

W niektórych przypadkach twardość stali lub innego materiału według tej metody jest wskazywana wartością obciążenia. Na przykład, takie oznaczenie HV ₅₀ 940 wskazuje, że twardość jest równa 940 jednostek przy obciążeniu równym 50 kg.

Zaletami tej metody testowej są:

• Możliwe jest mierzenie części o praktycznie dowolnej grubości ze względu na małą powierzchnię, którą zajmuje wgłębnik (pozycja najbardziej ekstremalna).
• Wysoka dokładność wyniku, ze względu na idealny stopień twardości diamentowej końcówki. W rezultacie sam nie podlega deformacji.
• Zakres pomiarowy jest dość szeroki i umożliwia pokrycie zarówno stosunkowo słabych metali, takich jak aluminium i miedź, jak i stali o wysokiej wytrzymałości i stopów.
• Możliwe jest określenie twardości pojedynczej warstwy metali. Na przykład próbka została poddana procesowi cementowania lub zmieniono skład chemiczny ze względu na utwardzenie powierzchni lub doping.

Jak pokazuje praktyka, zakres pomiarów twardości wynosi od 145 do 1000 HV. Aby zmierzyć twardość dużej partii próbek, istnieje automatyczny sprzęt firmy Reicherter z Niemiec, który ma napęd hydrauliczny lub elektromechaniczny. Obliczenie wyniku odbywa się automatycznie, a następnie wyświetlane na monitorze.

Twardość Brinella

Twardość za pomocą tej metody jest również oznaczana przez dwa, ale w innych literach - HB - i jest również testem statycznym. Temperatura w badaniu powinna wynosić 20 ± 10 ° C. Jego istota jest następująca: próbka jest ściskana przez stalową hartowaną kulkę. Do wyposażenia dołączona jest także inna kula, wykonana z kobaltu wolframu twardy stop. Pozwala to na zwiększenie zakresu pomiaru twardości.

Zgodnie z normą, określone są warunki dotyczące twardości Brinella:

• Załaduj próbkę w zakresie od 12,25 do 29420 N.
• Rozmiar kulek to 1-10 mm.
• Czas trwania ekspozycji nie powinien przekraczać 10-15 s.
• Odcisk na próbce nie powinien przekraczać limitów: 0,2-0,7 D (D to średnica kulki).

Proces pomiaru wygląda następująco:

• Próbka jest umieszczona na stole i przymocowana do ogranicznika.
• Napęd jest ustawiony na wymaganą wartość obciążenia, po którym wrzeciono jest aktywowane.
• Pod koniec procedury robocza końcówka przyjmuje pozycję początkową. Na ekranie widoczny jest wskaźnik strzałki wskazujący wartość średnicy wydruku. Sama twardość jest ustawiana za pomocą tabeli znajdującej się na ramie urządzenia. Jeśli chcesz zmienić obciążenie, to do tego jest zestaw możliwych do ponownego podłączenia pinów.

Istnieją przenośne narzędzia, które są dobrze wykorzystywane w terenie. Są one wyposażone w zacisk, do którego przymocowana jest próbka, a ładunek jest tworzony za pomocą rączki.

Zakres roboczy do pomiaru twardości stopów wynosi 8-450 HB, co odpowiada większości stali i stopów używanych do produkcji różnych konstrukcji metalowych. Ale trzeba tylko przekroczyć górną granicę pomiarów, ponieważ dokładność nie jest już prawdą, co wynika z odkształcenia wgłębnika. Nie zaleca się stosowania kulek węglikowych, jeśli oczekiwana twardość wynosi 350-450 HB.

Główną zaletą metody Brinella może być zdolność do określenia twardości gorących próbek. W tym samym czasie nie można go określić na krawędziach lub krawędziach części lub na cienkich próbkach.

Metoda Rockwella

Litery oznaczające twardość Rockwella to HR. W tej metodzie do próbki zostaje wepchnięta stalowa kulka lub stożek diamentowy.

Test jest przeprowadzany pod następującymi warunkami:

• Wstępna próbka jest ładowana, co pozwala uniknąć wpływu wielu czynników powierzchniowych: chropowatości, temperatury, szybkości wstawiania indentera.
• Wyprodukowany przez główny ładunek, który jest obliczeniem wyniku.
• Procedura kończy się wraz z usunięciem ładunku.

Jeśli ta metoda jest porównywana z poprzednimi metodami określania twardości, pojawiają się tutaj trzy skale.

• A - oznaczony jako HRA, indenter - stożek diamentowy, zakres pomiarowy: 60-80 HRA. Zastosowanie do stopów wysokowęglowych stale narzędziowe, i twarde stopy.
• B - oznaczony HRB, kula utwardzana wgłębnikiem, zakres pomiarowy: 35-100 HRB. Stało się średnio twarde i stopy metali nieżelaznych.
• C - oznaczone HRC, indenter - stożek diamentowy, zakres pomiaru: 20-90 HRC. Do stali o średniej twardości.

Jeśli chodzi o szczególne warunki obliczania twardości, na przykład blachy stalowej walcowanej na zimno, stosowana jest metoda Super-Rockwell o oznaczeniu twardości HRN i HRT.

Sprzęt może być również stacjonarny i przenośny. W takim przypadku pierwszy typ jest sterowany przez napęd elektromechaniczny lub hydrauliczny.

Pomiary Rockwella są trudniejsze do przeprowadzenia, ponieważ konieczne jest określenie prędkości pierwotnej, a następnie wtórnej wgłębnika. Ponadto końcówka diamentowa ma kształt stożka, co znajduje odzwierciedlenie w odbiorze wyniku. A określenie rozmiaru wynikowego wydruku jest znacznie trudniejsze.

Twardość Shore'a

Metoda Shory ma ważną cechę. Wszystkie powyższe metody oznaczania twardości metali i innych materiałów miały wspólną wadę - na powierzchni badanej próbki pojawił się ślad. W takim przypadku, jeśli to konieczne, część testowa nie może zostać zwrócona do zespołu lub konstrukcji. Metoda Shore całkowicie eliminuje takie odkształcenie.

Ponadto, na przykład, pomiar twardości stali odnosi się już do badania typu dynamicznego, a jego istota sprowadza się do następującego. Skleroskop (przenośny tester twardości) podaje się na powierzchnię badanej próbki, wewnątrz której znajdują się stalowe haczyki z diamentową końcówką. Twardość definiuje się następująco: im bardziej miękki materiał, tym mniejsza odległość odbicia będzie z powodu pochłaniania uderzenia przez sam materiał. Im mocniejsza próbka, tym większe będzie odbicie.

Zakres pomiarowy wynosi od 30 do 140 HS. Hartowana stal wysokowęglowa odpowiada wartości 100 HS. A ponieważ sprzęt nie uszkadza powierzchni produktów, ma znaczenie przy testowaniu tych części, które są uwzględnione w projekcie istniejącego urządzenia lub jednostki.

Technika jest prosta do wykonania, ocena odbywa się dość szybko, a część można złożyć w węzeł. Wszystko to można uznać za główne zalety. Istnieją jednak pewne ograniczenia.

Skala twardości HS nie ma standardu, ale istnieją tabele i wykresy, które umożliwiają przeliczanie jednostek na podstawie wartości Shore do HV, HR lub HB. Charakterystyka taka jak moduł Younga wpływa na odległość odbicia odrzutu. Dlatego niemożliwe jest porównanie jednostek HS różnych materiałów.

Ponadto twardość SHOR jest tylko wartością porównawczą. Ponadto dokładność wyników jest zauważalnie niższa niż wszystkich analogów wymienionych powyżej.

Skala Mohsa

Niemiecki naukowiec Friedrich Moos, w 1811 roku, zaproponował własną metodę określania twardości różnych materiałów. Jednak jego skala zawiera wartości od 1 do 10, co odpowiada najczęstszym minerałom, zaczynając od talku (najdelikatniejszy kamień), a kończąc na diamentie (najtrudniejszy).

Sama technika jest bardzo prosta i opiera się na odporności na zarysowanie badanej próbki. Na przykład obiekt B może zarysować ciało C, ale nie ma wpływu na część A. Lub, przeciwnie, materiał A tylko nieznacznie zadrapie część B, ale może poważnie uszkodzić obiekt C.

Pomimo tego, że metoda określania twardości w skali Mohsa została zaproponowana nieco ponad dwa wieki temu, z powodzeniem stosowana jest do dnia dzisiejszego. Tylko uzyskany wynik daje daleki od pełnej informacji, ponieważ nie ma wartości bezwzględnych i niemożliwe jest określenie stosunku przez twardość. Innymi słowy, nie można powiedzieć, ile razy jeden z materiałów jest twardszy lub miększy od drugiego.

Standardy twardości Mohsa

Jako odniesienie według definicji twardości według metody Mohsa, bierze się te 10 minerałów (poniżej w nawiasie zostanie wskazana przypisana wartość):

1. Talc.
2. Gips.
3. Kalcyt.
4. Fluoryt.
5. Apatyt.
6. Orthoclase.
7. Kwarc
8. Topaz.
9. Corundum.
10. Diamond

Czym są te minerały? Poniżej opiszemy je w skrócie.

Pierwsza piątka

Talk jest tak miękki, że możesz porysować swój paznokieć. Taka sama twardość ołówków (dokładniej grafit). Skala odpowiada jednemu. Jest dobrze znany wielu ludziom, z czego jest zrobiony proszek dla niemowląt.

Kolejną twardością jest gips (2), który jest również łatwo zarysowany i ma specjalną właściwość. Powinien zostać zmiażdżony na proszek i zmieszany z wodą - otrzymasz masę płytkową, którą można nadać dowolny kształt. Oprócz koloru białego istnieją oryginalne wersje żółtego odcienia.

Na trzecim miejscu jest kalcyt nie przez przypadek (3). Nie możesz zadrapać paznokciem, ale można to zrobić za pomocą miedzianej monety. Ten sam stopień twardości w złocie i srebrze. Jego druga nazwa to biomineralna i składa się z muszli.

Fluoryt jest inaczej nazywany fluorytu i jest tłumaczony jako "płynny". Nie rysuje paznokciem ani monetą, co nie ma miejsca w przypadku szkła lub zwykłego noża. Jego twardość, jak można zrozumieć, to - 4.

Na piątym miejscu znajduje się apatyt (5), który wciąż jest podatny na drapanie nożem lub szkłem (lapis lazuli może pochwalić się tą samą charakterystyką). Za pomocą tego mineralnego fosforu lub kwasu fosforowego ekstrahuje się.

Druga piątka

Szósta na liście jest ortoklazą, która nie przyjmuje już szkła, ale nie może wytrzymać pliku. Dla przemysłu jest cennym źródłem do produkcji elektrochemik i porcelany. Opal ma podobną twardość, ale nie może być używany jako odniesienie, ponieważ istnieje wiele jego odmian, a wszystkie mają swoją własną charakterystykę wytrzymałościową.

Na siódmym miejscu w naszej "ocenie" właściwości twardości, jest dobrze znany kwarc, który odpowiada jego wskaźnikowi - 7. Wiele osób wie, że jest to zwykły piasek. Jednak może być w innych formach: w postaci kryształu górskiego, agatu, ametystu.

Wśród rozważanych minerałów najtrudniejszy jest topaz (8). Jest to trudne do przetworzenia iw większości przypadków używa się do tego diamentu. Najpierw odkryto ją na wyspie Topazios, która znajduje się na Morzu Czerwonym. Stąd jego nazwa.

Wydaje się, że korund jest identyczny w twardości diamentu, niemniej jednak jego charakterystyki zostały określone za pomocą innych technik. W rezultacie - diament jest o wiele trudniejszy niż korund (90-180 razy). Rubiny i szafiry są równe temu minerałowi, a ze względu na swoją twardość idealnie nadaje się do wykonywania narzędzi ściernych.

Diament zamyka całą pierwszą dziesiątkę, do której ze wszystkich istniejących minerałów nie ma równych pod względem wytrzymałości, a jej wskaźnik na skali twardości jest zasłużony 10!