Оцінка матеріалу
Саме завдяки цьому відкриттю зараз оцінюються шляхи найбільш ефективного застосування пластиків. Не надто високої твердості пластмаси перевіряються на еластичність і м'якість, щоб бути використаними як герметизуючий, ущільнювальний і прокладочний матеріал. Розробка Брінелля - метод, що дозволяє визначити міцність і твердість матеріалу, який буде служити важливих конструкціях - у зубчастих колесах і вінцях, підшипниках під важкою навантаженням, деталі різьбових з'єднань і т. д.Оцінку міцності найбільш точно дає саме цей спосіб. Значення параметра, який позначається Р1В, важко переоцінити. Найбільш часто для цієї мети застосовується розробка Брінелля - метод, при якому пятімілліметровий сталева кулька вдавлюється в матеріал. По глибині вдавлювання кульки і визначається ГОСТ.
Історія
У 1900 році інженера з Швеції Юхана Серпня Брінелля метод, запропонований ним світовому матеріалознавства, зробив знаменитим. Він не тільки був названий на честь винахідника, але і став найбільш широко використовуватися, стандартизировался. Що таке твердість? Це особлива властивість матеріалу, що не має пластичну деформацію від контактного місцевого впливу, яке найчастіше зводиться до впровадження индектора (більш твердого тіла) в матеріал.
Відновлена невосстановленная твердість
Метод Брінелля допомагає виміряти відновлену твердість, яка визначається відношенням величини навантаження до обсягу відбитка, площі або площі проекції поверхні. Таким чином, твердість буває об'ємна, проекційна і поверхнева. Остання визначається відношенням: навантаження до площі відбитка. Об'ємна твердість вимірюється відношенням навантаження до обсягу його, а проекційна - навантаження до площі проекції, яку залишив відбиток.Невосстановленная твердість за методом Брінелля визначається за тими ж параметрами, тільки основний вимірюваною величиною стає сила опору, ставлення якої до площі поверхні, об'єму або проекції показує впроваджений в матеріал индектор. Таким же чином розраховується об'ємна, проекційна і поверхнева твердість: відношенням сили опору або до площі поверхні впровадженої частини индектора, або до площі проекції його, або до обсягом.
Визначення твердості
Здатність до опору пластичної і пружної деформації при впливі на матеріал більш твердого индектора - це визначення твердості, тобто, фактично це тест матеріалу на вдавлювання. Метод вимірювання твердості за Брінеллем - вимірювання, наскільки глибоко индектор проник в матеріал. Щоб знати точне значення твердості даного матеріалу, потрібно виміряти глибину проникнення. Для цього існує метод Брінелля і Роквелла, рідше застосовується метод Віккерса. Якщо метод Роквелла безпосередньо визначає глибину проникнення кульки в матеріал, то Віккерс і Бринелль вимірюють відбиток на площі його поверхні. Виходить, що чим глибше индектор в матеріалі, тим відбиток виходить більшої площі. На твердість можна тестувати абсолютно будь-які матеріали: мінерали, метали, пластмаси тощо, але визначається твердість кожного з них власним методом.
Як знайти спосіб
Метод визначення твердості за Брінеллем дуже хороший для неоднорідних матеріалів, для сплавів, які не дуже міцні. Не тільки вид матеріалу визначає спосіб вимірювання, але і самі параметри, які потрібно визначити. Твердість сплавів вимірюється як би усереднено, оскільки в них сусідять матеріали з різними характеристиками. Наприклад, чавун. У нього дуже неоднорідна структура, там присутні цементит, графіт, перліт, ферит, а тому виміряна твердість чавуну - усереднена величина, слагающаяся з твердості всіх складових. Вимірювання твердості металів за методом Брінелля проводиться з використанням великої индектора, щоб відбиток вийшов на більшій площі зразка. Таким чином і на чавуні можна отримати в цих умовах значення, яке є середнім по багатьом і різним фазам. Дуже хороший цей метод при вимірюванні твердості сплавів, чавуну, кольорових металів, міді, алюмінію і тому подібного. Досить точно цей метод показує значення твердості пластмас.
Метод Роквелла у порівнянні
Він хороший для твердих і надтвердих металів, і отримане значення твердості теж усереднено. Индектором служить такий же сталева кулька або конус, але крім них використовується і алмазна піраміда. Відбиток на матеріалі при вимірюванні за методом Роквелла теж виходить більшим, а число твердості по різним фазам усереднено. Методи Брінелля і Роквелла розрізняються в принципі: у першого результат представлений у вигляді приватного після поділу сили вдавлювання на поверхню площі відбитка, а ось Роквелл обчислює співвідношення глибини проникнення до одиниці шкали приладу, що вимірює глибину. Саме тому твердість по Роквеллу практично безмежра, а за Бриннелю вона чітко вимірюється в кілограмах на квадратний міліметр.Метод Віккерса
Якщо зразок замалий або необхідні вимірювання об'єкта меншого, ніж розмір відбитка индектора, якими вимірюється твердість по Роквеллу або Брінеллем, потрібно використовувати методи мікротвердості, серед яких найпопулярніший - метод Віккерса. Индектором служить алмазна піраміда, а відбиток вивчається і вимірюється оптичною системою, схожою на мікроскоп. Буде відомо теж усереднене значення, але твердість обчислюється за значно меншої площі. Якщо масштаб вимірюваного об'єкта зовсім малий, то використовується микротвердомер, вміє зробити відбиток в окремому зерні, фазі, шарі, і навантаження вдавлювання можна вибрати самостійно. Металознавство дозволяє з використанням цих методів визначити і твердість і мікротвердість металів, а матеріалознавство таким же чином визначає мікротвердість і твердість неметалічних матеріалів.
Діапазон
Існує три діапазону вимірювання твердості. У макродиапазоне регламентується величина навантаження від 2 М до 30 кН. Микродиапазон обмежує не тільки навантаження на индектор, але і глибину впровадження. Перша величина не перевищує 2 М, а друга - більше 02 мкм. У нанодиапазоне регламентується тільки глибина впровадження индектора - менше 02 мкм. Результат дає нанотвердость матеріалу. Параметри вимірювань залежать, насамперед, від навантаження, що прикладається до индектору. Ця залежність навіть отримала особливу назву - розмірний ефект, англійською - indentation size effect. Характер розмірного ефекту можна визначити формою индектора. Сферичний - твердість збільшується із збільшенням навантаження, стало бути, цей розмірний ефект зворотний. Піраміда Віккерса або Берковича зменшує твердість зі збільшенням навантаження (тут звичайний або прямий розмірний ефект). Конус-сфера, яка використовується для методу Роквелла, показує, що збільшення навантаження спочатку призводить до збільшення твердості, а потім, при впровадженні сферичної частини, зменшується.Матеріали і методи вимірювання
Найтвердіші на сьогоднішній день з існуючих матеріалів - дві модифікації вуглецю: лонсдейліт, наполовину перевершує по твердості алмаз, а також фуллерит, який перевершує алмаз у два рази. Практичне застосування цих матеріалів тільки починається, а поки з поширених самим твердим є алмаз. Саме з його допомогою встановлюється твердість всіх металів. Методи визначення (найпопулярніші) були перераховані вище, але, щоб усвідомити їх особливості і зрозуміти суть, треба розглянути й інші, які можна умовно поділити на динамічні, тобто ударні, і статичні, які були вже розглянуті. Метод вимірювання інакше називається шкалою. Необхідно нагадати, що найпопулярнішою є все-таки шкала Брінелля, де твердість вимірюється по діаметру відбитка, який залишає сталева кулька, вбивається в поверхню матеріалу.Визначення числа твердості
Метод Брінелля (ГОСТ 9012-59) дозволяє записати число твердості без одиниць вимірювання, позначаючи її НВ, де Н - твердість (hardness), а В - власне Бринелль. Площа відбитка вимірюється як частка сфери, а не площа кола, як це робить шкала Мейєра наприклад. Метод Роквелла відрізняє те, що визначенням глибини увійшов в матеріал кульки або конуса з твердість алмазу виходить безрозмірною. Позначається вона HRA, HRC, HRB або HR. Формула обчисленої твердості виглядає так: HR = 100 (130) – kd. Тут d є глибиною вдавлювання, а k - коефіцієнт. Методом Віккерса твердість можна визначити по відбитку, залишеного чотиригранної піраміди, вдавливаемой в поверхню матеріалу, у співвідношенні з навантаженням, яка була прикладена до піраміди. Площа відбитка - не ромб, а частина площі піраміди. Розмірністю одиниць по Віккерсу слід вважати кгс на мм 2 позначається одиниця HV. Також існує метод вимірювання по Шору (вдавлення), найчастіше використовується для полімерів і має дванадцять шкал вимірювання. Відповідні Шору шкали Аскер (японська модифікація матеріалів для м'яких і еластичних) багато в чому схожі на попередній метод, тільки параметри вимірювального приладу відрізняються і використовуються інші индектори. Ще один метод по Шору - з відскоком - для високомодульних, тобто дуже твердих матеріалів. Звідси можна зробити висновок, що всі методи, що вимірюють твердість матеріалу, діляться на дві категорії - динамічні та статичні.