Do określenia twardości materiału najczęściej stosuje się wynalazek szwedzkiego inżyniera Brinella - metodę, która mierzy właściwości powierzchni i daje dodatkowe właściwości metali polimerowych.
Ocena materiału
To właśnie dzięki temu odkryciu ocenia się obecnie najbardziej efektywne wykorzystanie tworzyw sztucznych. Niezbyt twarde tworzywa sztuczne są testowane pod kątem elastyczności i miękkości w celu wykorzystania ich jako materiału uszczelniającego, uszczelniającego i amortyzującego. Opracowanie Brinella to metoda określania wytrzymałości i twardości materiału, który będzie służył w ważnych zastosowaniach - w kołach zębatych i felgach, łożyskach pod dużym obciążeniem, złączach gwintowanych itp.
Ta metoda daje najdokładniejszą ocenę siły. Wartość parametru oznaczanego przez P1B jest trudna do przeszacowania. Najczęściej stosowanym do tego celu jest opracowanie Brinella, metody, w której pięciomilimetrowa stalowa kulka jest wciskana w materiał. Zgodnie z głębokością wgłębienia kulki określa się GOST.
Historia
W 1900 roku inżynier ze Szwecji Johan August Brinell, metoda, którą zaproponował światumateriałoznawstwo, rozsławione. Został nie tylko nazwany na cześć wynalazcy, ale stał się najczęściej używanym, ustandaryzowanym.
Co to jest twardość? Jest to szczególna właściwość materiału, który nie ulega odkształceniom plastycznym w wyniku działania lokalnego kontaktu, co najczęściej sprowadza się do wprowadzenia indeksatora (twardszego korpusu) do materiału.
Odzyskana i nieodzyskana twardość
Metoda Brinella pomaga zmierzyć przywróconą twardość, która jest określana przez stosunek wielkości obciążenia do objętości wydruku, obszaru projekcji lub powierzchni. Tak więc twardość może być objętościowa, rzutowa i powierzchniowa. O tym ostatnim decyduje stosunek obciążenia do powierzchni nadruku. Twardość w masie jest mierzona stosunkiem obciążenia do jego objętości, a twardość projekcji jest obciążeniem do obszaru projekcji, jaki pozostawił nadruk.
Twardość nieprzywrócona metodą Brinella jest określana przez te same parametry, tylko siła oporu staje się główną wartością pomiarową, której stosunek do pola powierzchni, objętości lub rzutu pokazuje wskaźnik wbudowany w materiał. Twardość objętościowa, rzutowa i powierzchniowa jest obliczana w ten sam sposób: przez stosunek siły oporu albo do pola powierzchni osadzonej części wskaźnika, albo do jego obszaru rzutu lub do objętości.
Oznaczanie twardości
Zdolność do wytrzymania plastycznych i elastycznych odkształceń po wystawieniu na twardszy materiałIndeks jest określeniem twardości, czyli w rzeczywistości jest to próba wgniecenia materiału. Metoda twardości Brinella to pomiar głębokości penetracji materiału przez cewkę indukcyjną. Aby poznać dokładną wartość twardości danego materiału, należy zmierzyć głębokość penetracji. W tym celu istnieje metoda Brinella i Rockwella, rzadziej stosowana jest metoda Vickersa.
Jeśli metoda Rockwella bezpośrednio określa głębokość penetracji kulki w materiał, wówczas Vickers i Brinell mierzą odcisk według jego powierzchni. Okazuje się, że im głębszy indeks w materiale, tym większy obszar zadruku. Absolutnie każdy materiał może być testowany pod kątem twardości: minerały, metale, tworzywa sztuczne i tym podobne, ale twardość każdego z nich jest określana własną metodą.
Jak znaleźć sposób
Metoda twardości Brinella jest bardzo dobra dla materiałów niejednorodnych, dla stopów, które nie są zbyt twarde. Nie tylko rodzaj materiału determinuje metodę pomiaru, ale także same parametry, które należy określić. Twardość stopów mierzy się niejako średnio, ponieważ współistnieją w nich materiały o różnych właściwościach. Na przykład żeliwo. Ma bardzo niejednorodną strukturę, występują cementyt, grafit, perlit, ferryt, dlatego zmierzona twardość żeliwa jest wartością średnią, na którą składa się twardość wszystkich składników.
Pomiar twardości metali metodą Brinella odbywa się za pomocą dużego indeksatora, dzięki czemu nadruk uzyskuje się na większej powierzchni próbki. Zatem w tych warunkach możliwe jest również uzyskanie wartości dla żeliwa, która jest średnią dla wielu różnych faz. Metoda ta jest bardzo dobra przy pomiarach twardości stopów – żeliwa, metali kolorowych, miedzi, aluminium i tym podobnych. Ta metoda dokładnie wskazuje wartość twardości tworzyw sztucznych.
Porównanie Rockwella
Nadaje się do metali twardych i supertwardych, a wynikowa wartość twardości jest również uśredniana. Ta sama stalowa kulka lub stożek służy jako wskaźnik, ale oprócz nich używana jest również piramida diamentowa. Odcisk na materiale mierzony metodą Rockwella również okazuje się duży, a liczba twardości dla różnych faz jest uśredniana.
Metody Brinella i Rockwella różnią się w zasadzie: pierwsza przedstawia wynik jako iloraz po podzieleniu siły wgniecenia przez powierzchnię obszaru nadruku, natomiast Rockwell oblicza stosunek głębokości penetracji do jednostki skali instrument, który mierzy głębokość. Dlatego twardość Rockwella jest praktycznie bezwymiarowa i według Brinella jest wyraźnie mierzona w kilogramach na milimetr kwadratowy.
Metoda Vickersa
Jeżeli próbka jest zbyt mała lub konieczne jest zmierzenie obiektu mniejszego niż rozmiar odcisku wgłębnika, który mierzy twardość Rockwella lub Brinella, należy zastosować metody mikrotwardości, wśród których najpopularniejsza jest metoda Vickersa. Indeks to piramida diamentowa, a odcisk jest badany i mierzony za pomocą systemu optycznego podobnego do mikroskopu. Znana będzie również wartość średnia, ale twardość oblicza się zznacznie mniejszy obszar.
Jeżeli skala mierzonego obiektu jest bardzo mała, wówczas stosuje się tester mikrotwardości, który może wykonać odcisk w osobnym ziarnie, fazie, warstwie, a obciążenie wgniecenia można wybrać niezależnie. Metaloznawstwo pozwala za pomocą tych metod określać zarówno twardość, jak i mikrotwardość metali, a materiałoznawstwo w ten sam sposób określa mikrotwardość i twardość materiałów niemetalicznych.
Zakres
Istnieją trzy zakresy pomiaru twardości. W zakresie makro obciążenie regulowane jest od 2 N do 30 kN. Mikrozakres ogranicza nie tylko obciążenie indeksatora, ale także głębokość penetracji. Pierwsza wartość nie przekracza 2 N, a druga ponad 0,2 μm. W nanozakresie regulowana jest tylko głębokość wbudowania wskaźnika - mniej niż 0,2 µm. Wynik daje nanotwardość materiału.
Parametry pomiaru zależą przede wszystkim od obciążenia przyłożonego do indeksu. Ta zależność otrzymała nawet specjalną nazwę - efekt rozmiaru, po angielsku - efekt rozmiaru wcięcia. Charakter efektu wielkości może być określony przez kształt indeksu. Kulisty - twardość wzrasta wraz ze wzrostem obciążenia, dlatego ten efekt wielkości jest odwrócony. Piramida Vickersa lub Berkovicha zmniejsza twardość wraz ze wzrostem obciążenia (tutaj zwykły lub bezpośredni efekt wielkości). Stożek-kula, którą stosuje się w metodzie Rockwella pokazuje, że zwiększenie obciążenia najpierw prowadzi do wzrostu twardości, a następnie, gdy wprowadza się część kulistą,maleje.
Materiały i metody pomiaru
Najtwardszymi obecnie istniejącymi materiałami są dwie odmiany węgla: lonsdaleit, który jest o połowę twardszy od diamentu i fullerit, który jest dwa razy twardszy od diamentu. Praktyczne zastosowanie tych materiałów dopiero się zaczyna, ale na razie diament jest najtwardszy z powszechnie stosowanych. To z jego pomocą ustalana jest twardość wszystkich metali.
Metody wyznaczania (najbardziej popularne) zostały wymienione powyżej, ale aby zrozumieć ich cechy i zrozumieć istotę, należy wziąć pod uwagę inne, które można warunkowo podzielić na dynamiczne, czyli perkusyjne, oraz statyczne, które zostały już rozważone. Metoda pomiaru jest inaczej nazywana skalą. Należy przypomnieć, że najpopularniejszą nadal jest skala Brinella, w której twardość mierzy się średnicą odcisku, który pozostawia stalową kulkę wciśniętą w powierzchnię materiału.
Wyznaczanie liczby twardości
Metoda Brinella (GOST 9012-59) pozwala zapisać liczbę twardości bez jednostek miary, oznaczając ją HB, gdzie H to twardość (twardość), a B to sam Brinell. Powierzchnia odcisku jest mierzona jako część kuli, a nie powierzchnia koła, jak np. skala Meyera. Metoda Rockwella wyróżnia się tym, że poprzez określenie głębokości kulki lub stożka diamentowego, który wszedł w materiał, twardość jest bezwymiarowa. Jest oznaczony jako HRA, HRC, HRB lub HR. Obliczona formuła twardości wygląda następująco: HR=100 (130) - kd. Tutaj d to głębokość wgłębienia, a k to współczynnik.
Twardość Vickersa może byćokreślany przez odcisk pozostawiony przez czworościenną piramidę wciśniętą w powierzchnię materiału, w stosunku do obciążenia, które zostało przyłożone do piramidy. Obszar odcisku nie jest rombem, ale częścią obszaru piramidy. Jednostki Vickersa należy traktować jako kgf na mm2, oznaczone jako jednostka WN. Istnieje również metoda pomiaru według Shore'a (wcięcia), częściej stosowana dla polimerów i posiadająca dwanaście skal pomiarowych. Skale Askera odpowiadające brzegowi (japońska modyfikacja dla materiałów miękkich i elastycznych) są pod wieloma względami podobne do poprzedniej metody, różnią się jedynie parametrami urządzenia pomiarowego i stosuje się różne wskaźniki. Inna metoda według Shore'a - z odbiciem - dla materiałów wysokomodułowych, czyli bardzo twardych. Z tego możemy wywnioskować, że wszystkie metody pomiaru twardości materiału dzielą się na dwie kategorie - dynamiczną i statyczną.
Narzędzia i urządzenia
Urządzenia do określania twardości nazywane są twardościomierzami, są to pomiary instrumentalne. Testowanie wpływa na obiekt na różne sposoby, więc metody mogą być niszczące lub nieniszczące. Nie ma bezpośredniego związku między wszystkimi tymi skalami, ponieważ żadna z metod nie odzwierciedla podstawowych właściwości materiału jako całości.
Niemniej jednak stworzono wystarczająco przybliżone tabele, w których dla kategorii materiałów i ich poszczególnych grup powiązane są skale i różne metody. Stworzenie tych tablic stało się możliwe po serii eksperymentów i testów. Jednak teorie, które…pozwoliło na przejście jednej z metod obliczeniowych z jednej metody na drugą, jeszcze nie istnieje. Konkretna metoda, za pomocą której określa się twardość, jest zwykle wybierana na podstawie dostępnego sprzętu, zadań pomiarowych, warunków pomiaru i oczywiście właściwości samego materiału.
