Всі ми знаємо, що кожен матеріал на землі володіє різними властивостями: фізичними, хімічними, механічними, технологічними, експлуатаційними і багатьма іншими. Також сюди можна віднести і твердість. Всі вони разом дозволяють визначити їх застосування в тій чи іншій сфері людської життєдіяльності. Але що таке твердість металів, сплавів або будь-яких інших матеріалів? Серед інших властивостей це найбільш цікаво, оскільки немає чіткого його визначення.
Що являє собою твердість?
Твердість будь-якого матеріалу є його важливою характеристикою, оскільки від цього залежить стійкість і довговічність виготовлених конструкцій. А так як чіткого визначення немає, то сам термін можна «розшифрувати» так – це властивість матеріалу чинити опір проникненню в нього іншого тіла (інструменту). Ця характеристика дозволяє оцінити якість багатьох об’єктів:
- металу (сплави);
- кераміки;
- деревини;
- пластика;
- каменю;
- графіту.
Крім цього, твердість впливає на ступінь опрацювання того чи іншого матеріалу. Тобто чим він твердіше, тим складніше з ним працювати. Справедливо і зворотне. Тому з деревом приємно мати справу при виготовленні різних виробів.
У різних фахівців своє поняття твердості. Приміром, в області мінералогії під цим визначенням розуміється опір одного матеріалу до появи подряпин при впливі іншого об’єкта.
У металургії дещо інакше розуміють, що таке твердість – опір пластичної деформації. Але основне визначення, на яке посилається більшість фахівців будь-якої професії, вже приведено в самому початку розділу.
Тим не менш твердість може проявлятися по-різному:
- жорсткість;
- опірність:
- дряпання;
- стирання;
- різанню;
- деформація:
- вигин;
- злам;
- зміна форми.
Чим вище величина твердості, тим більша ступінь опірності у матеріалу. Виходячи з такого різноманіття прояву такої властивості, існують різні способи його вимірювання.
Способи вимірювання твердості
Що характерно, випробування на твердість проводиться частіше, ніж визначення всіх інших властивостей матеріалів – міцності, відносного подовження і інших. Способів дізнатися, наскільки тверда сталь або будь-який інший мінерал, кілька. Але всі вони ґрунтуються на загальному принципі: на випробовуваний зразок впливають іншим об’єктом, докладаючи певний тиск. Це може бути кулька, піраміда, пуансон.
Визначення твердості проводиться по глибині впровадження та показниками тиску. Мінімальні зусилля і велика глибина говорять про низькі властивості матеріалу. Рівносильно і навпаки, великі зусилля і мала глибина – висока твердість.
При цьому випробування можуть бути двох основних видів:
- Статичні.
- Динамічні.
Якщо контакт досліджуваного зразка і об’єкта відбувається протягом певного проміжку часу, то випробування носить статичний характер. В іншому випадку мова йде про динамічному способі визначення твердості.
В даний час для визначення твердості матеріалів застосовують:
- Метод Віккерса (ГОСТ 2999-75).
- Метод Брінелля (ГОСТ 9012-59).
- Метод Роквелла (ГОСТ 9013-59).
- Метод Шора.
- Метод Мооса.
Вибір того чи іншого випробування залежить від специфіки застосування деталей, необхідної точності результату, а також здатності відтворити дослідження при різних умовах.
Спосіб Віккерса
Що таке твердість по Віккерсу? Суть даної методики полягає у вдавлюванні піраміди, виготовленої з алмазу, в зразок. У пірамідального індентора співвідношення сторін повинно бути строго визначеним. В результаті проведення випробування на досліджуваному зразку залишається ромбоподібний відбиток, причому іноді він може бути неправильної форми.
Твердість обознается двома латинськими літерами – HV – і встановлюється залежно від значення діагоналі отриманого ромба. Іноді використовується середнє арифметичне значення обох діагоналей.
Обладнання, за допомогою якого вимірюється твердість по Віккерсу, відноситься до статичного типу і може бути стаціонарним або переносним. При цьому сама процедура виконується наступним чином:
- Зразок поміщається на робочий стіл обладнання досліджуваної поверхнею догори. Потім вона разом зі столом піднімається вгору до легкого зіткнення з робочим наконечником.
- За допомогою реле часу задається певний годину впливу, після чого залишається опустити важіль, який приводить в дію нагружаюче механізм. По закінченні часу випробування навантаження з деталі знімається і наконечник повертається в колишнє положення.
- Обладнання оснащене відліковим мікроскопом, тому після завершення операції потрібно розгорнути стіл із зразком до нього і виміряти діагоналі відбитка.
В деяких випадках твердість сталі або будь-якого іншого матеріалу за даною методикою вказується зі значенням навантаження. Приміром, таке позначення HV50940 говорить про те, що твердість дорівнює 940 одиниць при впливі навантаження, що дорівнює 50 кг.
Перевагами даного способу випробування є:
- Можна вимірювати деталі практично з будь-якою товщиною за рахунок малої площі поверхні, яку займає індентор (саме крайнє положення).
- Висока точність результату, що обумовлено ідеальної ступенем твердості алмазного наконечника. Як наслідок, сам він не піддається деформації.
- Діапазон вимірювань досить широкий і здатний охоплювати як відносно нетривкі метали зразок алюмінію і міді, так і високоміцні сталі, сплави.
- Є можливість визначення твердості окремо взятого шару металів. Наприклад, зразок пройшов процес цементації або деталі змінений хімічний склад внаслідок поверхневого зміцнення або легування.
Як показує практика, діапазон вимірювань твердості становить від 145 до 1000 HV. Щоб виміряти твердість великої партії зразків, існує автоматизоване обладнання компанії Reicherter з Німеччини, має гідравлічний або електромеханічний привід. Розрахунок результату проводиться автоматизовано, після чого виводиться на монітор.
Твердість по Брінеллю
Твердість за цим методом позначається теж двома, але вже іншими літерами – HB – і теж є статичним випробуванням. Температура при дослідженні повинна бути в межах 20±10 °С. Його суть в наступному – зразок здавлюється сталевим загартованим кулькою. Також в комплекті до устаткування є ще одна кулька, який виготовлений з вольфрамокобальтового твердого сплаву. Це дозволяє збільшити діапазон вимірювання твердості.
Згідно стандарту, визначено деякі умови щодо того, що таке твердість по Брінеллю:
- Навантажувати зразок коштує в межах від 12,25 до 29420 Н.
- Розмір кульок складає 1-10 мм
- Тривалість впливу не повинна перевищувати 10-15 с.
- Відбиток на зразку не повинен виходить за межі: 0,2-0,7 D (D – діаметр кульки.)
Процес вимірювання проходить так:
- Зразок поміщається на стіл і закріплюється за упору.
- На приводі ставиться необхідне значення навантаження, після чого задіюється шпиндель.
- По закінченні процедури робочий наконечник приймає початкове положення. На екрані можна побачити стрілочний індикатор, який вкаже величину діаметра відбитка. Сама твердість встановлюється з допомогою таблиці, розташованої на станині обладнання. Якщо необхідно поміняти навантаження, то для цього є комплект переустанавливаемых штирів.
Існують переносні інструменти, які добре використовувати в польових умовах. Вони оснащені струбциною, до якої кріпиться зразок, а навантаження створюється рукояткою.
Робочий діапазон вимірювання твердості сплавів становить 8-450 HB, що відповідає більшості марок сталей і сплавів, які використовуються у виробництві різних металоконструкцій. Але варто тільки перевищити верхню межу вимірювань, як точність вже не відповідає дійсності, що обумовлено деформацією індентора. Не рекомендується використовувати твердосплавні кульки, якщо очікувана твердість 350-450 HB.
Головною перевагою методу Брінелля можна вважати можливість визначати твердість гарячих зразків. В той же час не можна визначити її на кромках або краях деталей або у тонких зразків.
Метод Роквелла
Букви, що позначають твердість за Роквеллом, – це HR. При цьому методі вдавлюється в зразок сталева кулька або алмазний конус.
Випробування проводиться при наступних умовах:
- Попередньо зразок навантажується, що дозволяє уникнути впливу ряду поверхневих факторів: шорсткість, температура, швидкість впровадження індентора.
- Проводиться основне навантаження, за якою проводиться розрахунок результату.
- Процедура завершується зняттям навантаження.
Якщо даний метод порівнювати з попередніми способами визначення твердості, то тут фігурують три шкали.
- A – позначається HRA, індентор – алмазний конус, діапазон вимірювань: 60-80 HRA. Застосовна до високовуглецевим легованих інструментальних сталей, а також твердим сплавам.
- B – позначається HRB, індентор – загартована кулька, діапазон вимірювань: 35-100 HRB. Це вже сталі середньої твердості і сплави кольорових металів.
- C – позначається HRC, індентор – алмазний конус, діапазон вимірювань: 20-90 HRC. Для сталей середньої твердості.
Якщо мова заходить про специфічні умови обчислення твердості, приміром, холоднокатана тонколистова сталь, то використовується методика Супер-Роквелла з позначенням твердості HRN і HRT.
Обладнання теж може бути як стаціонарним, так і переносним. При цьому перший тип управляється за допомогою електромеханічного або гідравлічного приводу.
Вимірювання по Роквеллу проводити складніше, оскільки необхідно задавати первинну, а потім вторинну швидкість переміщення індентора. До того ж алмазний робочий наконечник має форму конуса, що відбивається на одержанні результату. І визначити розміри отриманого відбитка тут набагато складніше.
Твердість по Шору
Метод Шора володіє головною відмінною рисою. Всі описані вище способи визначення твердості металів і інших матеріалів володіли загальним недоліком – на поверхні досліджуваного зразка з’являється відбиток. У цьому випадку при необхідності випробовувану деталь назад неможливо встановити у вузол або конструкцію. Методика Шора повністю виключає таку деформацію.
До того ж завмер, приміром, твердості сталі, відноситься вже до випробування динамічного типу, і його суть зводиться до наступного. До поверхні досліджуваного зразка підводиться склероскоп (портативний твердомір), всередині якого знаходиться сталевий байок з наконечником з алмазу. Твердість визначається так: чим м’якше матеріал, тим меншою буде відстань відскоку, внаслідок поглинання удару самим матеріалом. А чим твердіше зразок, тим більшим буде відскік.
Діапазон вимірювання складає від 30 до 140 HS. Загартована високовуглецева сталь відповідає значенню 100 HS. А оскільки обладнання не пошкоджує поверхню виробів, то воно актуально для випробувань тих деталей, які входять в конструкцію діючого вузла або агрегату.
Методика проста в реалізації, оцінка проводиться досить швидко і деталь можна знову встановити в вузол. Все це можна вважати головними перевагами. Тим не менш, є деякі обмеження.
Шкала твердості HS не має стандарту, але є таблиці і графіки, які дозволяють перевести одиниці по ШОРу в значення HV, HR або HB. На відстань відскоку бойка впливає така характеристика, як модуль Юнга. Тому неможливо зіставити одиниці HS різних матеріалів.
До того ж твердість по ШОРу – це всього лише порівняльне значення. До того ж точність результатів помітно нижче, ніж у всіх перерахованих вище аналогів.
Шкала Мооса
Німецький учений Фрідріх Моос ще в далекому 1811 році запропонував свій спосіб визначення твердості різних матеріалів. При цьому його шкала містить значення від 1 до 10, що відповідає найбільш поширеним мінералам, починаючи з тальку (самий м’який камінь) і закінчуючи алмазом (самий твердий).
Сама методика дуже проста і ґрунтується на опору досліджуваного зразка дряпання. Наприклад, об’єкт B може подряпати тіло C, але ніяк не впливає на деталь A. Або, навпаки, матеріал A тільки злегка дряпає деталь B, але може сильно пошкодити об’єкт C.
Незважаючи на те, що спосіб визначення твердості за шкалою Мооса був запропонований трохи більше двох століть тому, він успішно застосовується донині. Тільки отриманий результат дає далеко не повну інформацію, оскільки тут немає абсолютних значень і неможливо визначити співвідношення твердості. Іншими словами, можна сказати, у скільки разів один з матеріалів твердіше або м’якше іншого.
Еталони твердості Мооса
В якості еталону за визначенням твердості за методом Мооса беруться ці 10 мінералів (далі в дужках вказано присвоенноезначение):
Що ж являють собою ці мінерали? Опишемо їх все коротенько нижче.
Перша п’ятірка
Тальк настільки м’який, що можна дряпнути нігтем. Така ж твердість у олівців (точніше графіту). За шкалою відповідає одиниці. Багатьом людям він добре відомий, так як з нього виготовляється дитяча присипка.
Наступний по твердості – це гіпс (2), який теж легко дряпається і має особливу властивість. Варто його подрібнити в порошок і змішати з водою – вийде пластинчаста маса, якою можна надати будь-яку форму. Крім білого кольору, є оригінальні варіанти жовтого відтінку.
На третьому місці кальцит не випадково (3). Нігтем його вже не подряпати, зате це можна зробити мідною монетою. Така ж ступінь твердості у золота і срібла. Його друга назва – биоминерал, і саме з нього складаються раковини.
Флюорит по-іншому іменується як плавиковий шпат і перекладається як «текучий». Ні пальцем, ні монетою він не дряпається, чого не можна сказати про скло або звичайний ніж. Його твердість, як можна зрозуміти, – 4.
На п’ятому місці розташовується апатит (5), який ще піддається подряпин за допомогою ножа або скла (такою ж характеристикою може похвалитися лазурит). За допомогою цього мінералу видобувається фосфор або фосфорна кислота.
Друга п’ятірка
Шостим у списку йде ортоклаз, який вже не бере скло, але напильнику він не зможе протистояти. Для промисловості він цінний як джерело для виробництва электрокерамики та порцеляни. Аналогічна твердість у опалу, тільки його не можна використовувати в якості еталону, оскільки є багато його різновидів і у всіх свої міцнісні характеристики.
На сьомому місці в нашому «рейтингу» властивостей твердості розташовується всім відомий кварц, що відповідає його показником – 7. Багато хто знає його як звичайний пісок. Однак він може бути і в інших формах: у вигляді гірського кришталю, агата, аметисту.
Серед розглянутих мінералів самим твердим є топаз (8). Він насилу піддається обробці, і у більшості випадків для цього використовується алмаз. Вперше він був виявлений на острові Топазиос, що розташований в Червоному морі. Звідси і пішла його назва.
Корунд начебто ідентичний по твердості алмазу, проте за допомогою інших методик було визначено його характеристики. І як підсумок – алмаз набагато твердіше корунду (90-180 разів). Рубіни і сапфіри теж прирівнюються до цього мінералу, а за рахунок своєї твердості він ідеально підходить для виготовлення абразивних інструментів.
Замикає всю десятку алмаз, якому з усіх існуючих мінералів немає рівних в частині міцності, і його показник за шкалою твердості – заслужена 10!
