Твердість
Тве́рдість — властивість матеріалу протидіяти проникненню в нього іншого тіла.
Загальний опис
За ДСТУ 2825-94: твердість — здатність матеріалу чинити опір деформуванню та руйнуванню під дією місцевих контактних зусиль[1].
Найтвердішим із відомих матеріалів є ультратвердий фулерит (приблизно в 1,17—1,52 разів твердіший за алмаз). Однак цей матеріал доступний лише у мікроскопічних кількостях. Найтвердішою з поширених речовин є алмаз (10 одиниць за шкалою Мооса, див. нижче).
Твердість не є фізичною величиною, оскільки не входить в жодне з фізичних рівнянь, а лише у емпіричні формули, тобто є порядковою величиною. Тому, в Міжнародній системі одиниць SI, яка побудована на базі Міжнародної системи фізичних величин, немає одиниці для вимірювання твердості. Твердість вимірюється за різними порядковими шкалами. Характерною особливістю таких шкал є відсутність одиниці вимірювання, тобто ці шкали є неметричними.
Область вимірювання
Розрізняють область вимірювання: нано-, мікротвердість, твердість за малих навантажень, макротвердість.
| Область вимірювання | Навантаження | Діагональ відбитку, мк | Об'єм невідновленого відбитку, мк3 |
|---|---|---|---|
| Мікротвердість | 1 ÷ 200 гс (5 ÷ 100 гс) | 3 ÷ 50 | 1 ÷ 3000 |
| Твердість за малих навантажень | 0,2 ÷ 5 кгс (0,2 ÷ 2 кгс) | 30 ÷ 300 | 640 ÷ 640000 |
| Макротвердість | Понад 5 кгс | Понад 300 | Понад 640000 |
Методи вимірювання твердості
Для вимірювання твердості є кілька шкал (методів вимірювання):
- Метод Брінелля — твердість визначається за діаметром відбитка, який залишає металева кулька, що втискується у поверхню. Твердість обчислюється як відношення зусилля, прикладеного до кульки, до площі відбитка (причому площа відбитка береться як площа частини сфери, а не як площа кола). Твердість, визначена за цим методом, позначається HB, де H = hardness (твердість, анг.), B — найменування шкали. Вимірювання проводяться відповідно до стандарту ДСТУ ISO 6506-1:2007.
- Метод Роквелла — твердість визначається за глибиною відбитка металевої кульки чи алмазного конуса у поверхні тестованого матеріалу. Твердість, визначена за цим методом, є безрозмірнісною і позначається HR, HRB, HRC і HRA; твердість обчислюється за такою формулою HR = 100 − kd, де d — глибина втиснення наконечника після зняття основного навантаження, а k — коефіцієнт. Отже, нескінченній твердості відповідає HR 100; м'які матеріали можуть мати негативні значення твердості.
- Метод Віккерса — твердість визначається за величиною відбитка, залишеного чотирикутною алмазною пірамідкою, яка втискується у поверхню. Твердість обчислюється як відношення зусилля, докладеного до пірамідки, до площі відбитка (причому площа відбитка береться як площа частини поверхні піраміди, а не як площа квадрата); одиницею твердості служить кгс/мм². Твердість, визначена за цим методом, позначається HV.
- Метод Шора:
- Твердість за Шором (метод втискання) — твердість визначається за глибиною проникнення в матеріал спеціальної загартованої стальної голки (індентера) під дією каліброваної пружини[2]. У цьому методі вимірювальний прилад має назву «дюрометр». Зазвичай метод Шора використовується для визначення твердості низькомодульних матеріалів (полімерів). Найчастіше використовуються шкали A (для м'яких матеріалів) або D (для твердіших). Твердість, визначена цим методом, позначається буквою типу шкали, що записується після числа і з вказанням назви методу. Наприклад: «Твердість за Шором 80A».
- Твердість за Шором (метод відскоку) — метод визначення твердості твердих (високомодульних) матеріалів, переважно металів, за висотою відскоку стандартного бійка (основна частина склероскопа — вимірювального приладу для даного методу), що падає з певної висоти[3]. Твердість за цим методом оцінюється в умовних одиницях, що пропорційна висоті відскоку. Основні шкали — C і D. Твердість позначається, відповідно, HSC та HSD (наприклад, 85HSD).[4]
- Метод Кузнєцова — Герберта — Ребіндера — твердість визначається часом загасання коливань маятника, опорою якого є досліджуваний метал.
- Шкала Мооса — використовується головним чином як індикатор твердості мінералів. Визначається за тим, який із десяти стандартних мінералів дряпає тестований, і який матеріал із десятка стандартних шкрябається тестованим.
- Шкала Янка — шкала, що використовується для оцінки твердості деревини. Метод оцінки полягає у визначенні сили, необхідної для впровадження сталевої кульки діаметром 11,28 мм (0,444 дюйма) в деревину на глибину, що дорівнює половині її діаметра. Діаметр таким було обрано, щоб площа круга відбитку у плані становила 100 мм².
Для інструментального визначення твердості методом втиснення використовуються твердоміри. Великим плюсом твердості як характеристики матеріалу є те, що методи визначення твердості не руйнують досліджуваний матеріал і не вимагають багато часу.
Найпоширенішими і такими, що мають практичне значення, є твердість при пластичному втискуванні: кульки — твердість за Брінеллем та Роквеллом (шкала В);
конуса — твердість за Роквелом (шкала С);
піраміди — твердість за Вікерсом.
Позначення твердості відповідають буквам: НВ — твердість за Брінелем; НV — твердість за Вікерсом; HRB — твердість за шкалою В Роквела; HRC — твердість за шкалою С Роквела, HK — твердість за Кнупом.
Примітки
- ДСТУ 2825-94 Розрахунки та випробовування на міцність. Терміни та визначення основних понять.
- ГОСТ 24621-91 (ISO 868-85) Определение твёрдости при вдавливании с помощью дюрометра (твёрдость по Шору).
- ГОСТ 23273-78 Металлы и сплавы. Измерение твердости методом упругого отскока бойка (по Шору).
- Новый Политехнический Словарь / Гл. ред. А. Ю. Ишлинский. — М: Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 2000. — 671 с. — 15000 прим. — ISBN 5-85270-322-2
Див. також
Література
- Дрозд М. С. Новое число твердости и константы Мейера для стали //Заводская лаборатория. — 1960. — T.XXVI, N1.- C.90-93.
- Бернштейн М. Л., Займовский В. А. Механические свойства металлов. — М.: Металлургия, 1979. — 495 с.
- Гудков А., Славский Ю. Методы измерений твердости металлов и сплавов. М.: Металургия, 1982. — 168 c.
- Геллер Ю. А., Рахштадт А. Г. Материаловедение. М.: Металлургия, 1989.
- Асланян Э. Г., Козлов В. И., Кочин О. М., Дмитриев Г. П., Мироненко А. В. Совершенствование государственного эталона единиц твердости по шкалам Роквелла и Супер-Роквелла. — Методы и средства определения твердости материалов и изделий. Сб. материалов Всесоюзной н/т конференции. — Иваново, 1990/ — с. 162.
- Davis, J. R. (Ed.). (2002). Surface hardening of steels: Understanding the basics. Materials Park, OH: ASM International.
- Revankar, G. (2003). Introduction to hardness testing. Mechanical testing and evaluation, ASM Online Vol. 8.
- Колесников Ю. В., Морозов Е. М. Механика контактного разрушения. Изд.2, 2007. — 224 с.
- Chinn, R. L. (2009). Hardness, bearings, and the Rockwells. Advanced Materials & Processes, 167 (10), 29-31.
- Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Східний видавничий дім, 2013. — Т. 3 : С — Я. — 644 с.
Посилання
- Твердість // Термінологічний словник-довідник з будівництва та архітектури / Р. А. Шмиг, В. М. Боярчук, І. М. Добрянський, В. М. Барабаш ; за заг. ред. Р. А. Шмига. — Львів, 2010. — С. 186. — ISBN 978-966-7407-83-4.
- Переведення одиниць твердості (таблиця)