Što je tvrdoća? Označavanje i određivanje tvrdoće

Svi znamo da svaki materijal na zemlji ima različita svojstva: fizičke, kemijske, mehaničke, tehnološke, operativne i mnoge druge. Ovdje se također može pripisati i tvrdoća. Sve nam zajedno omogućuju da unaprijed odredimo njihovu uporabu u određenoj sferi ljudskog djelovanja. Ali što je tvrdoća? metali, legure ili bilo koji drugi materijal? Među ostalim svojstvima, ovo je najzanimljivije, jer nema jasne definicije.

Što je tvrdoća?

Tvrdoća bilo kojeg materijala je njegova važna karakteristika, budući da o njoj ovise izdržljivost i trajnost proizvedenih konstrukcija. A budući da ne postoji jasna definicija, sam pojam može se "dešifrirati" jer je to svojstvo materijala da se odupre prodiranju drugog tijela (instrumenta) u njega. Ova značajka omogućuje procjenu kvalitete mnogih objekata:

• metal (legure);
• keramike;
• drvo;
• plastike;
• kamena;
• grafit.

Osim toga, tvrdoća utječe na stupanj obrade materijala. To jest, što je teže, to je teže raditi s njom. I obrnuto je istina. Stoga je ugodno nositi se s drvom u proizvodnji raznih rukotvorina.

Različiti stručnjaci imaju vlastiti koncept tvrdoće. Na primjer, u polju mineralogije, ova definicija znači otpornost jednog materijala na pojavu ogrebotina kada je izložena drugom objektu.

U metalurgiji je nešto drukčije shvatiti što je tvrdoća - otpornost na plastičnu deformaciju. No, osnovna definicija, na koju upućuje većina stručnjaka bilo koje struke, već je dana na samom početku odjeljka.

Međutim, tvrdoća se može očitovati na različite načine:

• ukočenost;
• otpornost:
• nule;
• abraziju;
• rezanje;
• naprezanje:
• savijanja;
• razbiti;
• promjena oblika.

Što je veća tvrdoća, to je veći stupanj otpornosti materijala. Na temelju tako raznolike manifestacije ovog svojstva postoje različiti načini mjerenja.

Načini mjerenja tvrdoće

Značajno je da se ispitivanje tvrdoće provodi češće od određivanja svih drugih svojstava materijala - čvrstoće, relativnog izduženja i drugih. Postoji nekoliko načina da saznate koliko je tvrdi čelik ili bilo koji drugi mineral. Ali sve se temelje na općem načelu: na uzorak za ispitivanje utječe drugi objekt, primjenjujući određeni pritisak. To može biti lopta, piramida, udarac.

Tvrdoća se određuje dubinom penetracije i indikatorima tlaka. Minimalni napor i velika dubina govore o niskim svojstvima materijala. Ekvivalentno i obrnuto, veliki napor i plitka dubina - tvrdoća je visoka.

U ovom slučaju, testovi mogu biti dva glavna tipa:

• Statična.
• Dinamički.

Ako se kontakt između ispitnog uzorka i objekta pojavi unutar određenog vremenskog razdoblja, ispitivanje je statično. Inače, to je dinamičan način određivanja tvrdoće.

Trenutno, za određivanje tvrdoće korištenih materijala:

• Vickersova metoda (GOST 2999-75).
• Brinellova metoda (GOST 9012-59).
• Rockwell-ova metoda (GOST 9013-59).
• Shore metoda.
• Mohsova metoda.

Izbor određenog testa ovisi o specifičnoj upotrebi dijelova, traženoj točnosti rezultata, kao io sposobnosti reprodukcije istraživanja pod različitim uvjetima.

Vickersov način

Što je tvrdoća po Vickersu? Suština ove tehnike sastoji se u tome da se u uzorak pritisne piramida izrađena od dijamanta. U piramidalnom indenteru, omjer širine i visine mora biti strogo definiran. Kao rezultat ispitivanja na ispitnom uzorku ostaje otisak u obliku dijamanta, a ponekad može biti nepravilnog oblika.

Tvrdoća je označena s dva latinična slova - HV - i postavljena je ovisno o dijagonalnoj vrijednosti dobivenog romba. Ponekad se koristi aritmetička sredina obje dijagonale.

Oprema s kojom se mjeri tvrdoća po Vickersu je statički i može biti stacionarna ili prenosiva. U ovom slučaju, postupak se izvodi na sljedeći način:

• Uzorak se stavlja na radnu površinu opreme s ispitivanom površinom prema gore. Zatim se, zajedno sa stolom, podigne do lakog kontakta s radnim vrhom.
• Pomoću vremenskog releja postavlja se određeni sat izlaganja, nakon čega ostaje spuštanje poluge koja aktivira mehanizam za punjenje. Na kraju vremena ispitivanja, teret se uklanja s dijela i vrh se vraća u svoj prethodni položaj.
• Oprema je opremljena mikroskopom za čitanje, tako da nakon završetka operacije trebate proširiti stol s uzorkom i izmjeriti dijagonalu otiska.

U nekim slučajevima, tvrdoća čelika ili bilo kojeg drugog materijala prema ovoj metodi naznačena je s vrijednošću opterećenja. Na primjer, takva oznaka HV ₅₀ 940 pokazuje da je tvrdoća jednaka 940 jedinica kada je izložena opterećenju koje je jednako 50 kg.

Prednosti ove metode ispitivanja su:

• Moguće je mjeriti dijelove s gotovo bilo kojom debljinom zbog male površine koju zauzima indenter (najekstremniji položaj).
• Visoka točnost rezultata, zahvaljujući idealnom stupnju tvrdoće dijamantnog vrha. Kao rezultat toga, on sam ne podliježe deformacijama.
• Raspon mjerenja je prilično širok i može pokriti i relativno slabe metale kao što su aluminij i bakar te čelike i legure visoke čvrstoće.
• Moguće je odrediti tvrdoću jednog sloja metala. Na primjer, uzorak je podvrgnut procesu cementiranja, ili je kemijski sastav promijenjen na dijelu zbog površinskog otvrdnjavanja ili dopiranja.

Kao što praksa pokazuje, raspon mjerenja tvrdoće kreće se od 145 do 1000 HV. Za mjerenje tvrdoće velikog broja uzoraka postoji automatizirana oprema tvrtke Reicherter iz Njemačke, koja ima hidraulički ili elektromehanički pogon. Izračun rezultata provodi se automatski, a zatim prikazuje na monitoru.

Brinellova tvrdoća

Tvrdoća ovom metodom također je označena s dva, ali u drugim slovima - HB - i također je statički test. Temperatura u ispitivanju treba biti u granici od 20 ± 10 ° C. Njegova suština je sljedeća: uzorak je komprimiran čeličnom kuglom. U opremu je također uključena još jedna kugla, izrađena od volfram-kobalta tvrda legura. To vam omogućuje povećanje raspona mjerenja tvrdoće.

Prema standardu, određeni uvjeti su definirani u odnosu na ono što je Brinell tvrdoća:

• Opterećenje uzorka je u rasponu od 12,25 do 29420 N.
• Veličina kuglica je 1-10 mm.
• Trajanje izlaganja ne smije biti dulje od 10-15 s.
• Otisak na uzorku ne smije prelaziti granice: 0,2 - 0,7 D (D je promjer lopte).

Postupak mjerenja odvija se ovako:

• Uzorak se stavlja na stol i pričvršćuje na graničnik.
• Pogon se postavlja na željenu vrijednost opterećenja, nakon čega se vreteno aktivira.
• Na kraju postupka radni vrh zauzima početni položaj. Na zaslonu možete vidjeti pokazivač strelice koji će označiti vrijednost promjera otiska. Sama tvrdoća se postavlja pomoću stola koji se nalazi na okviru opreme. Ako trebate promijeniti opterećenje, onda za to postoji skup reinstaliranih pinova.

Postoje prijenosni alati koji se dobro koriste na terenu. Opremljeni su stezaljkom na koju je pričvršćen uzorak, a opterećenje se stvara rukohvatom.

Radni raspon za mjerenje tvrdoće legura je 8-450 HB, što odgovara većini čelika i legura korištenih u proizvodnji različitih metalnih konstrukcija. No, samo treba preći gornju granicu mjerenja, jer točnost više nije istinita, što je posljedica deformacije indentera. Ne preporučuje se upotreba karbidnih kuglica ako je očekivana tvrdoća 350-450 HB.

Glavna prednost Brinellove metode može se smatrati sposobnošću određivanja tvrdoće vrućih uzoraka. Istodobno se ne može odrediti na rubovima ili rubovima dijelova ili na tankim uzorcima.

Rockwellova metoda

Slova koja označavaju Rockwell tvrdoću su HR. Ovom metodom se u uzorak utisne čelična kuglica ili dijamantni konus.

Ispitivanje se provodi pod sljedećim uvjetima:

• Napunjen je preliminarni uzorak, koji omogućuje da se izbjegne utjecaj brojnih površinskih čimbenika: hrapavosti, temperature, brzine umetanja indentera.
• Proizvedeno od glavnog opterećenja, što je izračun rezultata.
• Postupak se završava uklanjanjem tereta.

Ako se ova metoda usporedi s prethodnim metodama za određivanje tvrdoće, ovdje se pojavljuju tri skale.

• A - označen HRA, indent - dijamantni konus, mjerno područje: 60-80 HRA. Primjenjivo na legure s visokim udjelom ugljika alatni čelici, i tvrde legure.
• B - označen s HRB, kuglica s otvrdnutim otvorom, područje mjerenja: 35-100 HRB. Postala je srednje tvrda i legure obojenih metala.
• C - označen HRC, indent - dijamantni konus, mjerno područje: 20-90 HRC. Za čelike srednje tvrdoće.

Kada je riječ o specifičnim uvjetima za izračun tvrdoće, npr. Hladno valjanog lima, koristi se Super-Rockwell metoda s oznakom tvrdoće HRN i HRT.

Oprema također može biti stacionarna i prenosiva. U ovom slučaju, prvi tip se kontrolira elektromehaničkim ili hidrauličnim pogonom.

Rockwell mjerenja su teže provoditi, jer je potrebno odrediti primarnu, a zatim sekundarnu brzinu indentora. Osim toga, dijamantni radni vrh ima oblik konusa, što se odražava u primitku rezultata. I odrediti veličinu rezultirajućeg ispisa mnogo je teže.

Tvrdoća Shora

Metoda Shora ima glavnu značajku. Sve gore navedene metode za određivanje tvrdoće metala i drugih materijala imale su zajednički nedostatak - na površini ispitivanog uzorka pojavljuje se otisak. U tom slučaju, ako je potrebno, ispitni dio se ne može vratiti u sklop ili strukturu. Metoda Shorea potpuno eliminira takvu deformaciju.

Osim toga, mjerenje tvrdoće čelika, na primjer, već se odnosi na testiranje dinamičkog tipa, a njegova se suština svodi na sljedeće. Skleroskop (prijenosni ispitivač tvrdoće) se dovodi na površinu ispitivanog uzorka, unutar koje se nalaze čelični držači s dijamantnim vrhom. Tvrdoća se definira na sljedeći način: što je materijal mekši, manja je odbojna udaljenost, zbog apsorpcije udarca samog materijala. I što je uzorak teži, to će biti veći skok.

Mjerno područje je od 30 do 140 HS. Kaljeni čelik visokog ugljika odgovara vrijednosti od 100 HS. Budući da oprema ne oštećuje površinu proizvoda, ona je važna za ispitivanje onih dijelova koji su uključeni u projekt postojeće jedinice ili jedinice.

Tehnika je jednostavna za provedbu, procjena se obavlja prilično brzo i dio se može ponovno sastaviti u čvor. Sve se to može smatrati glavnim prednostima. Međutim, postoje neka ograničenja.

Skala tvrdoće HS nema standard, ali postoje tablice i grafikoni koji vam omogućuju pretvoriti jedinice na temelju vrijednosti Shore u HV, HR ili HB vrijednosti. Značajka kao što je Youngov modul utječe na udaljenost povratnog odbijanja. Stoga je nemoguće usporediti HS jedinice različitih materijala.

Osim toga, tvrdoća SHOR-a je samo usporedna vrijednost. Osim toga, točnost rezultata je značajno niža od točnosti svih gore navedenih analoga.

Mohsova skala

Njemački znanstvenik Friedrich Moos, davne 1811. godine, predložio je vlastitu metodu za određivanje tvrdoće različitih materijala. Međutim, njezina ljestvica sadrži vrijednosti od 1 do 10, koje odgovaraju najčešćim mineralima, počevši od talka (najmekšeg kamena) i završavajući s dijamantom (najteže).

Sama tehnika je vrlo jednostavna i temelji se na otpornosti ispitivanog uzorka na ogrebotine. Na primjer, objekt B može izgrebati tijelo C, ali ne utječe na dio A. Ili, naprotiv, materijal A samo neznatno ogreba dio B, ali može ozbiljno oštetiti objekt C.

Unatoč činjenici da je metoda određivanja tvrdoće po Mohsovoj ljestvici predložena prije nešto više od dva stoljeća, uspješno se koristi i danas. Samo dobiveni rezultat daje daleko od potpune informacije, jer ne postoje apsolutne vrijednosti i nije moguće odrediti omjer po tvrdoći. Drugim riječima, ne može se reći koliko je puta jedan od materijala tvrđi ili mekši od drugog.

Standardi Mohsove tvrdoće

Kao mjerilo za određivanje tvrdoće prema Mohsovoj metodi uzimaju se 10 minerala (dodijeljena vrijednost bit će naznačena u zagradama):

1. Talk.
2. Gips.
3. Kalcit.
4. Fluorit.
5. Apatita.
6. Ortoklas.
7. Kvarc.
8. Topaz.
9. Korund.
10. Diamond.

Što su ti minerali? U nastavku ih sve ukratko opisujemo.

Pet najboljih

Talc je tako mekan da možete izgrebati nokat. Ista tvrdoća u olovkama (točnije grafit). Skala odgovara jednoj. To je poznato mnogim ljudima, kao što je i napravljeno dječji prašak.

Sljedeći u tvrdoći je gips (2), koji je također lako izgreban i ima posebnu osobinu. To bi trebao biti slomiti u prah i pomiješati s vodom - dobivate masu ploča, koja se može dati bilo koji oblik. Osim bijele boje, postoje izvorne verzije žute nijanse.

Na trećem mjestu je kalcit ne slučajno (3). Ne možete je počešati noktom, ali to možete učiniti pomoću bakrenog novčića. Isti stupanj tvrdoće u zlatu i srebru. Drugo ime je biomineralno i sastoji se od školjki.

Fluorit se drugačije naziva fluorit i prevodi se kao "fluid". Ne čere se noktom ili kovanicom, što nije slučaj sa staklom ili običnim nožem. Njegova tvrdoća, kao što možete razumjeti, je - 4.

Na petom je mjestu apatit (5), koji je još uvijek podložan grebanju nožem ili staklom (lapis lazuli se može pohvaliti istim karakteristikama). Uz pomoć ovog minerala se ekstrahira fosfor ili fosforna kiselina.

Druga pet

Šesti na popisu je ortoklas, koji više ne uzima staklo, ali ne može izdržati dosje. Za industriju je vrijedan kao izvor za proizvodnju elektrokeramike i porculana. Opal ima sličnu tvrdoću, samo što se ne može upotrijebiti kao referenca, jer ima mnogo varijanti i svi imaju svoje osobine snage.

Na sedmom mjestu u našem "rejtingu" svojstava tvrdoće nalazi se dobro poznati kvarc, koji odgovara njegovom pokazatelju - 7. Mnogi ljudi to znaju kao običan pijesak. Međutim, može biti u drugim oblicima: u obliku kamena, ahata, ametista.

Među razmatranim mineralima najteže je topaz (8). Teško ga je obraditi i za to se u većini slučajeva koristi dijamant. Prvi put je otkriven na otoku Topazios, koji se nalazi u Crvenom moru. Otuda i njegovo ime.

Čini se da je korund istovjetan u tvrdoći dijamanta, ali su njegove karakteristike ipak određene drugim tehnikama. I kao rezultat - dijamant je mnogo teži od korunda (90-180 puta). Rubini i safiri također su jednaki ovom mineralu, a zbog svoje tvrdoće idealni su za izradu abrazivnih alata.

Dijamant zatvara svih deset najboljih, na koje od svih postojećih minerala nema jednakih snaga, a njegov pokazatelj na ljestvici tvrdoće je zasluženi 10!