Για τον προσδιορισμό της σκληρότητας ενός υλικού, χρησιμοποιείται συχνότερα η εφεύρεση του Σουηδού μηχανικού Brinell - μια μέθοδος που μετρά τις ιδιότητες της επιφάνειας και δίνει πρόσθετα χαρακτηριστικά των πολυμερών μετάλλων.
Αξιολόγηση υλικού
Χάρη σε αυτήν την ανακάλυψη αξιολογείται τώρα η αποτελεσματικότερη χρήση των πλαστικών. Τα όχι πολύ σκληρά πλαστικά ελέγχονται για ελαστικότητα και απαλότητα προκειμένου να χρησιμοποιηθούν ως υλικό σφράγισης, σφράγισης και αντικραδασμικής προστασίας. Η ανάπτυξη της Brinell είναι μια μέθοδος για τον προσδιορισμό της αντοχής και της σκληρότητας ενός υλικού που θα χρησιμεύσει σε σημαντικές εφαρμογές - σε γρανάζια και ζάντες, ρουλεμάν υπό βαρύ φορτίο, εξαρτήματα με σπείρωμα κ.λπ.
Αυτή η μέθοδος δίνει την πιο ακριβή εκτίμηση της δύναμης. Η τιμή της παραμέτρου, η οποία συμβολίζεται με P1B, είναι δύσκολο να υπερεκτιμηθεί. Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη για το σκοπό αυτό είναι η ανάπτυξη της Brinell, μιας μεθόδου κατά την οποία μια χαλύβδινη σφαίρα πέντε χιλιοστών πιέζεται μέσα στο υλικό. Σύμφωνα με το βάθος της εσοχής της μπάλας, προσδιορίζεται το GOST.
Ιστορία
Το 1900, ένας μηχανικός από τη Σουηδία Johan August Brinell, τη μέθοδο που πρότεινε στον κόσμοη επιστήμη των υλικών, έγινε διάσημη. Όχι μόνο πήρε το όνομά του από τον εφευρέτη, αλλά έγινε το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο, τυποποιημένο.
Τι είναι η σκληρότητα; Αυτή είναι μια ειδική ιδιότητα ενός υλικού που δεν υφίσταται πλαστική παραμόρφωση από δράση τοπικής επαφής, η οποία συνήθως καταλήγει στην εισαγωγή ενός δείκτη (σκληρότερο σώμα) στο υλικό.
Σκληρότητα που έχει ανακτηθεί και δεν έχει ανακτηθεί
Η μέθοδος Brinell βοηθά στη μέτρηση της αποκατασταθείσας σκληρότητας, η οποία καθορίζεται από την αναλογία του μεγέθους του φορτίου προς τον όγκο της εκτύπωσης, την περιοχή προβολής ή την επιφάνεια. Έτσι, η σκληρότητα μπορεί να είναι ογκομετρική, προβολή και επιφάνεια. Το τελευταίο καθορίζεται από την αναλογία: φορτίο προς την περιοχή του αποτυπώματος. Η μαζική σκληρότητα μετριέται από την αναλογία του φορτίου προς τον όγκο του και η σκληρότητα προβολής είναι το φορτίο στην περιοχή προβολής που άφησε το αποτύπωμα.
Η σκληρότητα που δεν έχει αποκατασταθεί με τη μέθοδο Brinell προσδιορίζεται από τις ίδιες παραμέτρους, μόνο η δύναμη αντίστασης γίνεται η κύρια μετρούμενη τιμή, η αναλογία της οποίας προς την επιφάνεια, τον όγκο ή την προβολή φαίνεται από τον δείκτη που είναι ενσωματωμένος στο υλικό. Η ογκομετρική, η προβολή και η επιφανειακή σκληρότητα υπολογίζονται με τον ίδιο τρόπο: από την αναλογία της δύναμης αντίστασης είτε προς την επιφάνεια του ενσωματωμένου τμήματος του δείκτη είτε προς την περιοχή προβολής είτε προς τον όγκο.
Προσδιορισμός σκληρότητας
Η ικανότητα αντίστασης στην πλαστική και ελαστική παραμόρφωση όταν εκτίθεται σε πιο σκληρό υλικόΟ δείκτης είναι ένας προσδιορισμός της σκληρότητας, δηλαδή, στην πραγματικότητα, πρόκειται για μια δοκιμή εσοχής του υλικού. Η μέθοδος σκληρότητας Brinell είναι μια μέτρηση του πόσο βαθιά ένας επαγωγέας έχει διεισδύσει σε ένα υλικό. Για να γνωρίζουμε την ακριβή τιμή της σκληρότητας ενός δεδομένου υλικού, είναι απαραίτητο να μετρήσουμε το βάθος διείσδυσης. Για να γίνει αυτό, υπάρχει η μέθοδος Brinell και Rockwell, η μέθοδος Vickers χρησιμοποιείται λιγότερο συχνά.
Εάν η μέθοδος Rockwell καθορίζει άμεσα το βάθος διείσδυσης της μπάλας στο υλικό, τότε οι Vickers και Brinell μετρούν το αποτύπωμα με την επιφάνεια της. Αποδεικνύεται ότι όσο πιο βαθύ είναι το ευρετήριο στο υλικό, τόσο μεγαλύτερη είναι η περιοχή εκτύπωσης. Απολύτως οποιοδήποτε υλικό μπορεί να ελεγχθεί για σκληρότητα: ορυκτά, μέταλλα, πλαστικά και παρόμοια, αλλά η σκληρότητα καθενός από αυτά καθορίζεται με τη δική του μέθοδο.
Πώς να βρείτε έναν τρόπο
Η μέθοδος σκληρότητας Brinell είναι πολύ καλή για ανομοιογενή υλικά, για κράματα που δεν είναι πολύ σκληρά. Όχι μόνο ο τύπος του υλικού καθορίζει τη μέθοδο μέτρησης, αλλά και οι ίδιες οι παράμετροι που πρέπει να προσδιοριστούν. Η σκληρότητα των κραμάτων μετριέται, λες, κατά μέσο όρο, αφού σε αυτά συνυπάρχουν υλικά με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Για παράδειγμα, χυτοσίδηρος. Έχει μια πολύ ετερογενή δομή, υπάρχουν τσιμεντίτης, γραφίτης, περλίτης, φερρίτης, και επομένως η μετρούμενη σκληρότητα του χυτοσιδήρου είναι μια μέση τιμή, που αποτελείται από τη σκληρότητα όλων των συστατικών.
Η μέτρηση της σκληρότητας των μετάλλων με τη μέθοδο Brinell πραγματοποιείται με τη χρήση μεγάλου δείκτη, έτσι ώστε το αποτύπωμα να λαμβάνεται σε μεγαλύτερη επιφάνεια του δείγματος. Έτσι, υπό αυτές τις συνθήκες, είναι επίσης δυνατό να ληφθεί μια τιμή για το χυτοσίδηρο, η οποία είναι ένας μέσος όρος για πολλές και διαφορετικές φάσεις. Αυτή η μέθοδος είναι πολύ καλή κατά τη μέτρηση της σκληρότητας των κραμάτων - χυτοσίδηρο, μη σιδηρούχα μέταλλα, χαλκό, αλουμίνιο και τα παρόμοια. Αυτή η μέθοδος υποδεικνύει με ακρίβεια την τιμή σκληρότητας των πλαστικών.
Σύγκριση Rockwell
Είναι καλό για σκληρά και εξαιρετικά σκληρά μέταλλα και η τιμή σκληρότητας που προκύπτει είναι επίσης κατά μέσο όρο. Η ίδια χαλύβδινη σφαίρα ή κώνος χρησιμεύει ως δείκτης, αλλά εκτός από αυτά χρησιμοποιείται και μια πυραμίδα διαμαντιού. Το αποτύπωμα στο υλικό όταν μετράται με τη μέθοδο Rockwell αποδεικνύεται επίσης μεγάλο και ο αριθμός σκληρότητας για διαφορετικές φάσεις υπολογίζεται κατά μέσο όρο.
Οι μέθοδοι Brinell και Rockwell διαφέρουν κατ' αρχήν: η πρώτη παρουσιάζει το αποτέλεσμα ως πηλίκο μετά τη διαίρεση της δύναμης εσοχής με την επιφάνεια της περιοχής αποτύπωσης, ενώ η Rockwell υπολογίζει τον λόγο του βάθους διείσδυσης προς τη μονάδα κλίμακας το όργανο που μετρά το βάθος. Γι' αυτό η σκληρότητα Rockwell είναι πρακτικά αδιάστατη και σύμφωνα με τον Brinell μετριέται ξεκάθαρα σε κιλά ανά τετραγωνικό χιλιοστό.
Μέθοδος Vickers
Εάν το δείγμα είναι πολύ μικρό ή είναι απαραίτητο να μετρηθεί ένα αντικείμενο μικρότερο από το μέγεθος του αποτυπώματος της εσοχής, το οποίο μετρά τη σκληρότητα Rockwell ή Brinell, θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν μέθοδοι μικροσκληρότητας, μεταξύ των οποίων η μέθοδος Vickers είναι η πιο δημοφιλής. Ο δείκτης είναι μια διαμαντένια πυραμίδα και το αποτύπωμα εξετάζεται και μετράται από ένα οπτικό σύστημα παρόμοιο με ένα μικροσκόπιο. Η μέση τιμή θα είναι επίσης γνωστή, αλλά η σκληρότητα υπολογίζεται απόπολύ μικρότερη περιοχή.
Εάν η κλίμακα του μετρούμενου αντικειμένου είναι πολύ μικρή, τότε χρησιμοποιείται ένας ελεγκτής μικροσκληρότητας, ο οποίος μπορεί να αποτυπώσει σε ξεχωριστό κόκκο, φάση, στρώμα και το φορτίο εσοχής μπορεί να επιλεγεί ανεξάρτητα. Η επιστήμη μετάλλων επιτρέπει τη χρήση αυτών των μεθόδων για τον προσδιορισμό τόσο της σκληρότητας όσο και της μικροσκληρότητας των μετάλλων και η επιστήμη των υλικών καθορίζει με τον ίδιο τρόπο τη μικροσκληρότητα και τη σκληρότητα των μη μεταλλικών υλικών.
Εύρος
Υπάρχουν τρεις περιοχές για τη μέτρηση της σκληρότητας. Στο εύρος macro, το φορτίο ρυθμίζεται από 2 N έως 30 kN. Το μικροεύρος περιορίζει όχι μόνο το φορτίο στον δείκτη, αλλά και το βάθος διείσδυσης. Η πρώτη τιμή δεν υπερβαίνει τα 2 N και η δεύτερη - περισσότερο από 0,2 μm. Στο νανοπορτοκαλί, μόνο το βάθος ενσωμάτωσης του δείκτη ρυθμίζεται - λιγότερο από 0,2 μm. Το αποτέλεσμα δίνει τη νανοσκληρότητα του υλικού.
Οι παράμετροι μέτρησης εξαρτώνται κυρίως από το φορτίο που εφαρμόζεται στον δείκτη. Αυτή η εξάρτηση έλαβε ακόμη και ένα ειδικό όνομα - το εφέ μεγέθους, στα αγγλικά - εφέ μεγέθους εσοχής. Η φύση του εφέ μεγέθους μπορεί να προσδιοριστεί από το σχήμα του δείκτη. Σφαιρικό - η σκληρότητα αυξάνεται με την αύξηση του φορτίου, επομένως, αυτό το φαινόμενο μεγέθους αντιστρέφεται. Η πυραμίδα Vickers ή Berkovich μειώνει τη σκληρότητα με την αύξηση του φορτίου (εδώ, το συνηθισμένο ή άμεσο αποτέλεσμα μεγέθους). Η κωνική σφαίρα, η οποία χρησιμοποιείται για τη μέθοδο Rockwell, δείχνει ότι η αύξηση του φορτίου οδηγεί πρώτα σε αύξηση της σκληρότητας και στη συνέχεια, όταν εισάγεται το σφαιρικό τμήμα,μειώνεται.
Υλικά και μέθοδοι μέτρησης
Τα σκληρότερα υλικά που υπάρχουν αυτή τη στιγμή είναι δύο τροποποιήσεις άνθρακα: ο λονσδαλεΐτης, που είναι κατά το ήμισυ σκληρότερος από το διαμάντι και ο φουλερίτης, που είναι δύο φορές πιο σκληρός από το διαμάντι. Η πρακτική εφαρμογή αυτών των υλικών μόλις αρχίζει, αλλά προς το παρόν, το διαμάντι είναι το πιο σκληρό από τα κοινά. Με τη βοήθειά του εδραιώνεται η σκληρότητα όλων των μετάλλων.
Μέθοδοι προσδιορισμού (οι πιο δημοφιλείς) αναφέρθηκαν παραπάνω, αλλά για να κατανοήσετε τα χαρακτηριστικά τους και να κατανοήσετε την ουσία, πρέπει να λάβετε υπόψη άλλες που μπορούν να χωριστούν υπό όρους σε δυναμικές, δηλαδή κρουστά και στατικές, οι οποίες έχουν ήδη εξεταστεί. Η μέθοδος μέτρησης ονομάζεται αλλιώς κλίμακα. Θα πρέπει να υπενθυμίσουμε ότι η πιο δημοφιλής εξακολουθεί να είναι η κλίμακα Brinell, όπου η σκληρότητα μετριέται με τη διάμετρο του αποτυπώματος, η οποία αφήνει μια χαλύβδινη σφαίρα πιεσμένη στην επιφάνεια του υλικού.
Προσδιορισμός του αριθμού σκληρότητας
Η μέθοδος Brinell (GOST 9012-59) σας επιτρέπει να σημειώσετε τον αριθμό σκληρότητας χωρίς μονάδες μέτρησης, δηλώνοντάς τον HB, όπου H είναι σκληρότητα (σκληρότητα) και B είναι η ίδια η Brinell. Το εμβαδόν ενός αποτυπώματος μετριέται ως μέρος μιας σφαίρας, όχι ως το εμβαδόν ενός κύκλου, όπως κάνει η κλίμακα Meyer, για παράδειγμα. Η μέθοδος Rockwell διακρίνεται από το γεγονός ότι με τον προσδιορισμό του βάθους μιας διαμαντένιας μπάλας ή κώνου που έχει εισέλθει στο υλικό, η σκληρότητα είναι αδιάστατη. Ονομάζεται HRA, HRC, HRB ή HR. Ο τύπος υπολογισμένης σκληρότητας μοιάζει με αυτό: HR=100 (130) - kd. Εδώ d είναι το βάθος της εσοχής και k είναι ο συντελεστής.
Η σκληρότητα Vickers μπορεί να είναικαθορίζεται από το αποτύπωμα που αφήνει μια τετραεδρική πυραμίδα που πιέζεται στην επιφάνεια του υλικού, σε σχέση με το φορτίο που ασκήθηκε στην πυραμίδα. Η περιοχή του αποτυπώματος δεν είναι ρόμβος, αλλά μέρος της περιοχής της πυραμίδας. Οι μονάδες Vickers πρέπει να θεωρούνται ως kgf ανά mm2, που συμβολίζεται με τη μονάδα HV. Υπάρχει επίσης μια μέθοδος μέτρησης σύμφωνα με το Shore (εσοχή), που χρησιμοποιείται συχνότερα για πολυμερή και έχει δώδεκα κλίμακες μέτρησης. Οι ζυγαριές Asker που αντιστοιχούν στην ακτή (ιαπωνική τροποποίηση για μαλακά και ελαστικά υλικά) είναι από πολλές απόψεις παρόμοιες με την προηγούμενη μέθοδο, μόνο οι παράμετροι της συσκευής μέτρησης είναι διαφορετικές και χρησιμοποιούνται διαφορετικοί δείκτες. Μια άλλη μέθοδος σύμφωνα με το Shore -με ανάκαμψη- για υψηλού συντελεστή, δηλαδή πολύ σκληρά υλικά. Από αυτό μπορούμε να συμπεράνουμε ότι όλες οι μέθοδοι που μετρούν τη σκληρότητα ενός υλικού χωρίζονται σε δύο κατηγορίες - δυναμικές και στατικές.
Εργαλεία και συσκευές
Οι συσκευές για τον προσδιορισμό της σκληρότητας ονομάζονται ελεγκτές σκληρότητας, αυτές είναι μετρήσεις οργάνων. Η δοκιμή επηρεάζει ένα αντικείμενο με διαφορετικούς τρόπους, επομένως οι μέθοδοι μπορεί να είναι καταστροφικές ή μη καταστροφικές. Δεν υπάρχει άμεση σχέση μεταξύ όλων αυτών των κλιμάκων, καθώς καμία από τις μεθόδους δεν αντικατοπτρίζει τις θεμελιώδεις ιδιότητες του υλικού στο σύνολό του.
Ωστόσο, έχουν κατασκευαστεί επαρκώς κατά προσέγγιση πίνακες, όπου οι κλίμακες και οι διαφορετικές μέθοδοι συνδέονται για κατηγορίες υλικών και τις επιμέρους ομάδες τους. Η δημιουργία αυτών των πινάκων έγινε δυνατή μετά από μια σειρά πειραμάτων και δοκιμών. Ωστόσο, οι θεωρίες ότιεπιτρέπεται σε μία από τις μεθόδους υπολογισμού να μετακινηθεί από τη μία μέθοδο στην άλλη δεν υπάρχει ακόμη. Η συγκεκριμένη μέθοδος με την οποία προσδιορίζεται η σκληρότητα επιλέγεται συνήθως με βάση τον διαθέσιμο εξοπλισμό, τις εργασίες μέτρησης, τις συνθήκες μέτρησης και, φυσικά, από τις ιδιότητες του ίδιου του υλικού.
