Что такое твердость материаловедение

Твердость — это способность материала сопротивляться проникновению в него более твердого тела.

У некоторых материалов существует определенная взаимозависимость между твердостью и прочностью. Приближенные способы проверки прочности бетона или металла в конструкций основаны на измерении их твердости.

Шкала твердости минералов по Моосу

N° по шкале (показатель твердости)Минерал
1Тальк или мел
2Каменная соль или гипс
3Кальций или ангидрид
4Плавиковый шпат
5Апатит
6Ортоклав
7Кварц
8Топаз
9Корунд
10Алмаз

Существует несколько способов определения твердости материалов. Твердость металлов, древесины, бетона определяют, вдавливая в образцы стальной шарик; о величине твердости судят по глубине вдавливания шарика или по диаметру полученного отпечатка.

Твердость однородных (каменных) материалов определяют по шкале твердости Мооса, в которой подобраны 10 специальных минералов. Эти минералы расположены в таблице в таком порядке, что каждым последующим минералом можно прочертить линию на минерале, который ему предшествует.

Если образец какого-нибудь материала оставляет черту на гипсе, а сам чертится кальцитом, то численное значение его твердости равно 2,5.

«Материаловедение для штукатуров,
плиточников, мозаичников»,
А.В.Александровский

Что такое твердость материаловедение

Теплоемкость — свойство материала поглощать определенное количество тепла при нагревании и выделять его при охлаждении. Теплоемкость характеризуется коэффициентом теплоемкости (обозначается латинской буквой с), который равен количеству тепла, необходимого для нагревания 1 кг материала на 1 °С. В таблице приведены значения коэффициентов теплоемкости для некоторых материалов. Коэффициент теплоемкости некоторых материалов Наименование материала Коэффициент теплоемкости в ккал…

Что такое твердость материаловедение

Звукопроводность — это свойство материала пропускать звук. Для изоляции помещений от шумов важно, чтобы строительные конструкции имели низкую звукопроводность. Оштукатуривают стены, в частности, и для того, чтобы уменьшить их звукопроводность. Различают два рода шумов, передаваемых стенами и перекрытиями: ударные и воздушные. Ударные шумы хорошо поглощаются пористыми материалами, для погашения воздушных шумов (от радиоприемников, громкой речи)…

Что такое твердость материаловедение

Под морозостойкостью понимают способность насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения, т. е. без образования трещин, выкрашивания, расслаивания и без значительной потери прочности и веса. Вода, находящаяся в порах материала, превратившись в лед, увеличивается в объеме примерно на 10%. При этом в материале возникают большие внутренние напряжения, которые постепенно его…

Что такое твердость материаловедение

Свойства материалов определяются внутренним строением вещества, из которого они состоят. Согласно молекулярно-кинетической теории все тела, как твердые, так и жидкие и газообразные, состоят из мельчайших отдельных частиц — молекул, которые состоят из еще меньших частичек — атомов, а те в свою очередь из еще меньших, так называемых элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов и др.). Мельчайшей…

Что такое твердость материаловедение

Прочность — это способность материала сопротивляться разрушению под влиянием внутренних напряжений, возникающих в результате действия внешних нагрузок или других факторов. Внешние воздействия, которым подвергаются строительные материалы, могут вызывать у них напряжения сжатия, растяжения, изгиба, сдвига. Чаще всего строительные материалы работают на сжатие или изгиб. Прочность строительных материалов при сжатии, растяжении и т. п. характеризуется пределом…

Твердостью металла называют его свойство оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии (внедрении) стандартного тела-наконечника (индентора) на поверхностные слои материала. Измерение твердости вследствие быстроты и простоты осуществления получило широкое применение для контроля качества изделий. Испытание на твердость — основной метод оценки качества термообработки изделия.

Читайте также:  Магнитные приспособления для сварки

Определение твердости по методу Бринелля. Метод основан на том, что в плоскую поверхность под нагрузкой Р внедряют стальной шарик диаметром D (рис. 5.6, а). Число твердости НВ определяется отношением нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка — лунки (шарового сегмента) Е диаметром d.

Диаметр шарика выбирают в зависимости от толщины изделия: D= 10; 5; 2,5 мм.

Метод Роквелла (обобщенно обозначается символом Н R) основан на статическом вдавливании в испытываемую поверхность наконечника под определенной нагрузкой (рис. 5.6, б). В качестве наконеч-

Что такое твердость материаловедение

Рис. 5.6. Схемы определения твердости по Бринеллю (а), по Роквеллу (б), по Виккерсу (в)

ников для материалов с твердостью до 450 HR используют стальной шарик. В этом случае твердость обозначают как HRB. В зависимости от нагрузки на наконечник при использовании алмазного конуса твердость обозначают как HRA и HRC.

Твердость по методу Виккерса определяют путем статического вдавливания в испытуемую поверхность алмазной четырехгранной пирамиды с углом а = 136° между противоположными гранями (рис. 5.6, в). Число твердости определяют по формуле

Что такое твердость материаловедение

где d — диагональ отпечатка; Р= 5—100 кгс.

При испытании измеряют обе диагонали (d< и d2) отпечатка с точностью до 0,001 мм при помощи микроскопа, который является составной частью прибора Виккерса. Числа твердости определяют как среднеарифметическое значение <+ d2)/2 обеих диагоналей.

Метод микротвердости предназначен для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплавов (например, зерен феррита в стали), очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра). По существу метод микротвердости не отличается от метода Виккерса. Различие состоит лишь в том, что наконечник — четырехгранная пирамида — имеет меньшие размеры и нагрузки при вдавливании такой пирамиды составляют от 5 до 500 гс.

Твердость — свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твёрдого тела — индентора.

Твёрдость определяется как отношение величины нагрузки к площади поверхности, площади проекции или объему отпечатка.

Различают поверхностную, проекционную и объемную твёрдость:

— поверхностная твёрдость — отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка;

— проекционная твёрдость — отношение нагрузки к площади проекции отпечатка;

— объёмная твёрдость — отношение нагрузки к объёму отпечатка.

Твёрдость определяется как отношение силы сопротивления к площади поверхности, площади проекции или объему внедренной в материал части индентора. Различают поверхностную, проекционную и объемную твёрдость:

— поверхностная твёрдость — отношение силы сопротивления к площади поверхности внедренной в материал части индентора;

— проекционная твёрдость — отношение силы сопротивления к площади проекции внедренной в материал части индентора;

— объёмная твёрдость — отношение силы сопротивления к объёму внедренной в материал части индентора.

Твёрдость измеряют в трёх диапазонах: макро, микро, нано. Макродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор от 2Н до 30 кН. Микродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор до 2 Н и глубину внедрения индентора больше 0,2мкм. Нанодиапазон регламентирует только глубину внедрения индентора, которая должна быть меньше 0,2 мкм. Часто твердость в нанодиапазоне называют нанотвердостью (nanohardness).

Читайте также:  Оптический нивелир как с ним работать

Измеряемая твердость, прежде всего, зависит от нагрузки, прикладываемой к индентору. Такая зависимость получила название размерного эффекта, в англоязычной литературе — indentation size effect. Характер зависимости твердости от нагрузки определяется формой индентора:

— для сферического индентора — с увеличением нагрузки твердость увеличивается — обратный размерный эффект (reverse indentation size effect);

— для индентора в виде пирамиды Виккерса или Берковича — с увеличением нагрузки твердость уменьшается — прямой или просто размерный эффект (indentation size effect);

— для сфероконического — с увеличением нагрузки твердость сначала увеличивается, когда внедряется сферическая часть индентора, а затем начинает уменьшаться (для сфероконической части индентора).

Косвенно твердость также может зависеть от:

1. Межатомных расстояний.

2. Координационного числа — чем выше число, тем выше твёрдость.

4. Природы химической связи

5. От направления (например, минерал дистен — его твёрдость вдоль кристалла 4, а поперёк — 7)

6. Хрупкости и ковкости

7. Гибкости — минерал легко гнётся, изгиб не выпрямляется

8. Упругости — минерал сгибается, но выпрямляется

9. Вязкости — минерал трудно сломать (например, жадеит)

11. и ряда других физико-механических свойств материала.

Наиболее твёрдыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода — лонсдейлит, на 58 % превосходящий по твёрдости алмаз и фуллерит. Однако практическое применение этих веществ пока маловероятно. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз.

Методы определения твёрдости по способу приложения нагрузки делятся на: 1)статические и 2) динамические (ударные).

Для измерения твёрдости существует несколько шкал:

— Метод Бринелля — твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части сферы, а не как площадь круга; размерность единиц твердости по Бринеллю МПа (кг-с/ммІ). Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012-59 записывают без единиц измерения. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness, B — Бринелль;

— Метод Роквелла — твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA; твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 (130) ? kd, где d — глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k — коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу по шкалам A и C составляет 100 единиц, а по шкале B — 130 единиц.

— Метод Виккерса — твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение нагрузки, приложенной к пирамидке, к площади отпечатка; размерность единиц твёрдости по Виккерсу кг-с/ммІ. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV;

— Твёрдость по Шору (Метод вдавливания) — твёрдость определяется по глубине проникновения в материал специальной закаленной стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины. В данном методе измерительный прибор именуется дюрометром. Обычно метод Шора используется для определения твердости низкомодульных материалов (полимеров). Метод Шора, описанный стандартом ASTM D2240, оговаривает 12 шкал измерения. Чаще всего используются варианты A (для мягких материалов) или D (для более твердых). Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается буквой используемой шкалы, записываемой после числа с явным указанием метода.

Читайте также:  Чем растворить ржавчину с металла

— Дюрометры и шкалы Аскер — по принципу измерения соответствует методу вдавливания (по Шору). Фирменная и нац. японская модификация метода. Используется для мягких и эластичных материалов. Отличается от классического метода Шора некоторыми параметрами измерительного прибора, фирменными наименованиями шкал и инденторами.

— Твёрдость по Шору (Метод отскока) — метод определения твёрдости очень твёрдых (высокомодульных) материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боёк (основная часть склероскопа — измерительного прибора для данного метода), падающий с определённой высоты. Твердость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка. Основные шкалы C и D. Обозначается HSx, где H — Hardness, S — Shore и x — латинская буква, обозначающая тип использованной при измерении шкалы.

Следует понимать, что хотя оба этих метода являются методами измерения твёрдости, предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие названия и совпадающие обозначения шкал это — не версии одного метода, а два принципиально разных метода с разными значениями шкал, описываемых разными стандартами.

— Метод Кузнецова — Герберта — Ребиндера — твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл;

— Метод Польди (двойного отпечатка шарика) — твердость оценивается в сравнении с твердостью эталона, испытание производится путем ударного вдавливания стального шарика одновременно в образец и эталон;

— Шкала Мооса — определяется по тому, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый материал, и какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом.

— Метод Бухгольца — метод определения твердости при помощи прибора «Бухгольца». Предназначен для испытания на твердость (твердость по Бухгольцу) полимерных лакокрасочных покрытий при вдавливании индентора «Бухгольца». Метод регламентируют стандарты ISO 2815, DIN 53153, ГОСТ 22233.

Методы измерения твёрдости делятся на две основные категории: статические методы определения твёрдости и динамические методы определения твёрдости. Для инструментального определения твёрдости используются приборы, именуемые твердомерами. Методы определения твердости, в зависимости от степени воздействия на объект, могут относиться как к неразрушающим, так и к разрушающим методам. Существующие методы определения твёрдости не отражают целиком какого-нибудь одного определённого фундаментального свойства материалов, поэтому не существует прямой взаимосвязи между разными шкалами и методами, но существуют приближенные таблицы, связывающие шкалы отдельных методов для определённых групп и категорий материалов. Данные таблицы построены только по результатам экспериментальных тестов и не существует теорий, позволяющих расчетным методом перейти от одного способа определения твердости к другому. Конкретный способ определения твёрдости выбирается исходя из свойств материала, задач измерения, условий его проведения, имеющейся аппаратуры и др.

В СНГ стандартизированы не все шкалы твёрдости.