Твердость
ТВЕРДОСТЬ
ТВЕРДОСТЬ, способность материала сопротивляться плас-тич. деформации или разрушению при местном силовом воздействии; одно из осн. механических свойств материалов. Зависит от структуры материала и др. его мех. характеристик, гл. обр. модуля упругости при деформации и предела прочности при разрушении, количеств. связь с к-рыми устанавливается теорией упругости.
Экспериментально твердость определяют статич. и динамич. методами. Статич. методом твердость определяют вдавливанием в пов-сть материала к.-л. твердого предмета -инден-тора, деформацией к-рого можно пренебречь, или царапанием пов-сти образца. твердость оценивается твердость наз. числом твердости, характеризующим сопротивление материала деформации. Размерность чисел определяется принципом измерения.
Наиб. распространение получили методы измерения твердость по Бринеллю, Виккерсу и Роквеллу. При определении по Бри-неллю в испытуемую пов-сть металла вдавливают закаленный шарик диаметром d 2,5, 5 или 10 мм при заданной нагрузке P от 625 H до 30 кН. Число твердость по Бринеллю (в МПа)-НВ- отношение нагрузки к площади пов-сти отпечатка. Для получения сопоставимых данных относительно твердые материалы (НВ > 1300) испытывают при отношении P/d2 = 30, материалы средней твердости (НВ 300-1300)-при P/d2 = 10, мягкие (НВ < 300)-при P/d2 = 2,5. Испытания проводят на стационарных или переносных твердомерах при плавном приложении нагрузки и постоянстве выдержки ее в течение определенного времени (обычно 30 с). При определении твердость по Виккерсу в пов-сть материала вдавливают алмазный индентор в виде наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды с двугранным углом при вершине в 136°. Вдавливающая нагрузка выбирается от 50 до 1000 H в зависимости от твердости и толщины образца или изделия. Число твердость по Виккерсу-HV-определяется так же, как при измерении по Бринеллю.
При определении твердость материалов (гл. обр. металлов) по Роквеллу в пов-сть вдавливают алмазный индентор в виде конуса с углом при вершине 120° (шкалы А и С)-для сверхтвердых и твердых материалов или в виде стального шарика диаметром 1,588 мм или 1/16 дюйма (шкала В)-для материалов с низкой твердость; числа твердость-соотв. HRA и HRB. За единицу твердость принята величина, соответствующая осевому перемещению конуса на 0,002 мм при нагрузке 100 Н. Испытание проводят твердомерами, снабженными числовым индикатором.
При определении твердость резин, каучуков и др. эластичных материалов в их пов-сть вдавливают конусную иглу с затупленной вершиной-метод Шора. Глубину погружения измеряют во время действия нагрузки и характеризуют величиной деформации пружины, подпирающей индентор. В случае резины твердость, равная 0, соответствует полной глубине погружения иглы, твердость, равная 100,-силе выталкивания иглы из резины (8,06 H и более).
К статич. методам относят метод склерометрии - царапания пов-сти нек-рых металлов, сплавов, пластмасс и лакокрасочных материалов индентором в виде алмазной пирамиды, конуса, шара или карандашами разл. твердости. твердость оценивают по нагрузке, необходимой для создания царапины, по ширине царапины, образующейся при данной нагрузке, или по усилию, необходимому для царапания. Для определения относительной твердость минералов используют шкалу Мооса (см. Минерал).
Динами ч. методы основаны на нанесении отпечатка шариком при ударной нагрузке, когда твердость определяется как сопротивление материала пластич. деформированию при ударе или по отскоку от материала свободно падающего бойка или маятника с бойком. В последнем случае твердость определяется как сопротивление материала упругой и упру-гопластич. деформации. Иногда используют метод определения твердость по затуханию колебаний маятника при его контакте с испытуемым материалом, по сопротивлению абразивному изнашиванию, резанию, шлифованию и др.
*** ТВЕРДОСТЬВ романе Александра Дюма "Двадцать лет спустя" есть такой эпизод: д'Артаньян и Портос, расставаясь с Атосом и Арамисом после неудачной экспедиции в Англию, договариваются между собой о том, как они будут сообщать друг другу о своих дальнейших передвижениях. "В каждой гостинице, в каждом доме, где мы будем останавливаться, - говорит д'Артаньян,мы будем писать ножом на стене или алмазом на стекле какие-нибудь знаки, которыми смогут руководиться в своих поисках те, кто останется на свободе". Эта фраза свидетельствует: д'Артаньян, как и многие люди до него, знал, что алмаз - самое твердое вещество на земле, и им можно "писать" на любом другом материале.
Твердость - это степень сопротивления вещества какому-либо механическому воздействию на него, обычно царапанью или вдавливанию. Первую шкалу для определения относительной твердости минералов предложил немецкий ученый Ф. Моос в 1811 г. Он приписал самому мягкому веществу - тальку - твердость, равную единице, а алмазу - 10. Промежуточные значения твердости заняли: гипс (2), кальцит(3), флюорит (4), апатит (5), ортоклаз (6), кварц (7), топаз (8), корунд (9). Моос расположил эти эталоны твердости так, что каждый последующий царапает все предыдущие.
Твердость по шкале Мооса определяется следующим образом. Если, скажем, гипс не оставляет царапины на исследуемом образце, а кальцит оставляет, то твердость испытуемого минерала считается равной 2,5.
Для технических целей существуют более точные методы определения твердости материалов (Бринелля, Виккерса, Роквелла и др.), основанные на вдавливании в исследуемый образец разного типа наконечников (инденторов). Они могут представлять собой стальной шарик, алмазный конус, пирамиду и т. п. Твердость в этом случае определяется или как отношение нагрузки к площади отпечатка, выраженное в кгс/мм2 или Н/м2, или как величина, обратно пропорциональная глубине вдавливания при некоторой фиксированной нагрузке. Например, твердость золота по Бринеллю равна 180 МН, или 18 кгс/мм2.
Приборы для измерения твердости называются твердомерами. Они имеют шкалы, которые сразу показывают значение твердости. Приблизительно твердость можно определить подручными средствами. Для этого надо помнить, что у мягкого карандаша она равна 1, ногтя - 2-2,5, медной монеты - 3, железного гвоздя - 4-4,5, острия стального перочинного ножа или осколка оконного стекла - 5-6, стального напильника - 5,5-7.
На цветном рисунке показаны относительные твердости различных веществ по минералогической шкале Мооса. Отмечены их средние значения, так как обычно встречаются разновидности одного и того же вещества. Например, твердость самородной платины бывает от 3,5 до 5,5. Даже некоторые минералы, выбранные Моосом в качестве эталонных, имеют твердость, несколько отличающуюся в ту или другую сторону от точного значения, указанного на шкале. К примеру, твердость гипса лежит в пределах 1,5-2,5, а ортоклаза изменяется от 6 до 6,5.
Многие вещества анизотропны, поэтому величина твердости зависит от направления, в котором она измеряется. Например, твердость слюды принимает значения от 2,5 до 4 в зависимости от того, находилась ли она параллельно или перпендикулярно слоистости минерала.
*** Твердость - способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. *** ТвердостьСвойство материала сопротивляться местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела. Не является физической постоянной, а представляет собой сложное свойство, зависящее как от прочности и пластичности материала, так и от метода измерения (методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, Шора).