Бринелля метад: асаблівасці і сутнасць

Каб вызначыць цвёрдасць матэрыялу, часцей за ўсё выкарыстоўваецца вынаходніцтва шведскага інжынера Бринелля - метад, які вымярае ўласцівасці паверхні і які дае дадатковыя характарыстыкі палімерных металаў.

ацэнка матэрыялу

Менавіта дзякуючы гэтаму адкрыццю цяпер ацэньваюцца шляху найбольш эфектыўнага прымянення пластыкаў. Ці не занадта высокай цвёрдасці пластмасы правяраюцца на эластычнасць і мяккасць, каб быць выкарыстанымі як герметызуецца, ўшчыльняльныя і прокладочный матэрыял. Распрацоўка Бринелля - метад, які дазваляе вызначыць трываласць і цвёрдасць матэрыялу, які будзе служыць у важных канструкцыях - у зубчастых колах і вянках, падшыпніках пад цяжкай нагрузкай, дэталях разьбовых злучэнняў і г.д.

Ацэнку трываласці найбольш дакладна дае менавіта гэты спосаб. Значэнне параметру, які пазначаецца Р1В, цяжка пераацаніць. Найбольш часта для гэтай мэты прымяняецца распрацоўка Бринелля - метад, пры якім пятимиллиметровый сталёвы шарык ўціскаецца ў матэрыял. Па глыбіні уціскання шарыка і вызначаецца ДАСТ.

гісторыя

У 1900 году інжынера з Швецыі Юхана Аўгуста Бринелля метад, прапанаваны ім сусветнаму матэрыялазнаўству, зрабіў знакамітым. Ён не толькі быў названы ў гонар вынаходніка, але і стаў найбольш шырока выкарыстоўвацца, стандартызаваны.

Што такое цвёрдасць? Гэта асаблівая ўласцівасць матэрыялу, ня зведвае пластычную дэфармацыю ад кантактнага мясцовага ўздзеяння, якое часцей за ўсё зводзіцца да ўкаранення индектора (больш цвёрдага цела) у матэрыял.

Адноўленая і неадноўленымі цвёрдасць

Метад Бринелля дапамагае вымераць адноўленую цвёрдасць, якая вызначаецца стаўленнем велічыні нагрузкі да аб'ёму адбітка, плошчы праекцыі або плошчы паверхні. Такім чынам, цвёрдасць бывае аб'ёмная, праекцыйная і павярхоўная. Апошняя вызначаецца стаўленнем: нагрузка да плошчы адбітка. Аб'ёмная цвёрдасць вымяраецца стаўленнем нагрузкі да аб'ёму яго, а праекцыйная - нагрузка да плошчы праекцыі, якую пакінуў адбітак.

Неадноўленымі цвёрдасць па метадзе Бринелля вызначаецца па тых жа параметрах, толькі асноўны вымяранай велічынёй становіцца сіла супраціву, адносіны якой да плошчы паверхні, аб'ёме або праекцыі паказвае укаранёны ў матэрыял индектор. Такім жа чынам разлічваецца аб'ёмная, праекцыйная і павярхоўная цвёрдасць: стаўленнем сілы супраціву альбо да плошчы паверхні укаранёных часткі индектора, альбо да плошчы праекцыі яго, альбо да аб'ёму.

вызначэнне цвёрдасці

Здольнасць да супраціву пластычнай і пругкай дэфармацыі пры ўздзеянні на матэрыял больш цвёрдага индектора - гэта вызначэнне цвёрдасці, гэта значыць, фактычна гэта тэст матэрыялу на уцісканне. Метад вымярэння цвёрдасці па Бринеллю - вымярэнне, наколькі глыбока индектор пракраўся ў матэрыял. Каб ведаць дакладнае значэнне цвёрдасці дадзенага матэрыялу, трэба вымераць глыбіню пранікнення. Для гэтага існуе метад Бринелля і Роквеллу, радзей ужываецца метад Виккерса.

Калі метад Роквеллу вызначае непасрэдна глыбіню пранікнення шарыка ў матэрыял, то Виккерс і Бринелль вымераюць адбітак па плошчы яго паверхні. Атрымліваецца, што чым глыбей индектор ў матэрыяле, тым адбітак атрымліваецца большай плошчы. На цвёрдасць можна тэставаць абсалютна любыя матэрыялы: мінералы, металы, пластмасы і да таго падобнае, але вызначаецца цвёрдасць кожнага з іх уласным метадам.

Як знайсці спосаб

Метад вызначэння цвёрдасці па Бринеллю вельмі добры для неаднародных матэрыялаў, для сплаваў, якія не занадта цьвёрдыя. Не толькі выгляд матэрыялу вызначае спосаб вымярэння, але і самі параметры, якія трэба вызначыць. Цвёрдасць сплаваў вымяраецца як бы Асераднёны, паколькі ў іх суседнічаюць матэрыялы з рознымі характарыстыкамі. Напрыклад, чыгун. У яго вельмі неаднастайная структура, там прысутнічаюць цэменту, графіт, перліт, ферыт, а таму вымераная цвёрдасць чыгуну - велічыня Асераднёны, складаю з цвёрдасці усіх складнікаў.

Вымярэнне цвёрдасці металаў па метадзе Бринелля праводзіцца з выкарыстаннем вялікага индектора, каб адбітак атрымаўся на большай плошчы ўзору. Такім чынам і на чыгуне можна атрымаць у гэтых умовах значэнне, якое з'яўляецца сярэднім па многіх і розных фазах. Вельмі добры гэты метад пры вымярэнні цвёрдасці сплаваў - чыгуну, каляровых металаў, медзі, алюмінія і таму падобнага. Досыць сапраўды гэты метад паказвае значэнне цвёрдасці пластмас.

Метад Роквеллу ў параўнанні

Ён добры для цвёрдых і сверхтвёрдых металаў, і атрыманае значэнне цвёрдасці таксама усреднено. Индектором служыць такі ж сталёвы шарык або конус, але акрамя іх выкарыстоўваецца і алмазная піраміда. Адбітак на матэрыяле пры вымярэнні па метадзе Роквеллу таксама атрымліваецца вялікім, а лік цвёрдасці па розных фазах усреднено.

Метады Бринелля і Роквеллу адрозніваюцца ў прынцыпе: у першага вынік прадстаўлены ў выглядзе прыватнага пасля дзялення сілы уціскання на паверхню плошчы адбітка, а вось Роквеллу вылічае суадносіны глыбіні пранікнення да адзінкі шкалы прыбора, які вымярае глыбіню. Менавіта таму цвёрдасць па Роквеллу практычна беспамерная, а па Бриннелю яна выразна вымяраецца ў кілаграмах на квадратны міліметр.

метад Виккерса

Калі ўзор замалы або неабходныя вымярэння аб'екта меншага, чым велічыня адбітка индектора, якімі вымяраецца цвёрдасць па Роквеллу або Бринеллю, трэба выкарыстоўваць метады микротвёрдости, сярод якіх самы папулярны - метад Виккерса. Индектором служыць алмазная піраміда, а адбітак вывучаецца і вымяраецца аптычнай сістэмай, падобнай на мікраскоп. Будзе вядома таксама асераднёнае значэнне, але цвёрдасць вылічаецца па значна меншай плошчы.

Калі маштаб вымяранага аб'екта зусім малы, то выкарыстоўваецца микротвердомер, які ўмее зрабіць адбітак у асобным збожжы, фазе, пласце, і нагрузку уціскання можна выбраць самастойна. Металазнаўства дазваляе з выкарыстаннем гэтых метадаў вызначыць і цвёрдасць, і микротвёрдость металаў, а матэрыялазнаўства такім жа чынам вызначае микротвёрдость і цвёрдасць матэрыялаў неметалічных.

дыяпазон

Існуе тры дыяпазону для вымярэння цвёрдасці. У макродиапазоне рэгламентуецца велічыня нагрузкі ад 2 Н да 30 кн. Микродиапазон абмяжоўвае не толькі нагрузку на индектор, але і глыбіню ўкаранення. Першая велічыня не перавышае 2 Н, а другая - больш за 0,2 мкм. У нанодиапазоне рэгламентуецца толькі глыбіня ўкаранення индектора - менш за 0,2 мкм. Вынік дае нанотвёрдость матэрыялу.

Параметры вымярэнняў залежаць, перш за ўсё, ад нагрузкі, якая прыкладваецца да индектору. Гэтая залежнасць нават атрымала адмысловую назву - размерный эфект, па па-ангельску - indentation size effect. Характар размерного эфекту можна вызначыць формай индектора. Сферычны - цвёрдасць павялічваецца з павелічэннем нагрузкі, стала быць, гэты размерный эфект адваротны. Піраміда Виккерса або Бярковіч памяншае цвёрдасць з павелічэннем нагрузкі (тут звычайны або прамой размерный эфект). Конус-сфера, які выкарыстоўваецца для метаду Роквеллу, паказвае, што павелічэнне нагрузкі спачатку прыводзіць да павелічэння цвёрдасці, а затым, пры ўкараненні сферычнай часткі, памяншаецца.

Матэрыялы і метады вымярэння

Самыя цвёрдыя на сённяшні дзень з існуючых матэрыялаў - дзве мадыфікацыі вугляроду: Лонсдейл, напалову праўзыходны алмаз па цвёрдасці, а таксама Фуллер, які пераўзыходзіць алмаз ў два разы. Практычнае прымяненне гэтых матэрыялаў толькі пачынаецца, а пакуль з распаўсюджаных самым цвёрдым з'яўляецца алмаз. Менавіта з яго дапамогай усталёўваецца цвёрдасць ўсіх металаў.

Метады вызначэння (самыя папулярныя) былі пералічаныя вышэй, але, каб зразумець іх асаблівасці і зразумець сутнасць, трэба разгледзець і іншыя, якія можна ўмоўна падзяліць на дынамічныя, то ёсць ударныя, і статычныя, якія былі ўжо разгледжаны. Метад вымярэння інакш называецца шкалой. Неабходна нагадаць, што самай папулярнай з'яўляецца ўсё-ткі шкала Бринелля, дзе цвёрдасць вымяраецца па дыяметры адбітка, які пакідае сталёвы шарык, ўціскаюцца ў паверхню матэрыялу.

Азначэнне ліку цвёрдасці

Метад Бринелля (ДАСТ 9012-59) дазваляе запісаць лік цвёрдасці без адзінак вымярэння, пазначаючы яе НВ, дзе Н - цвёрдасць (hardness), а В - уласна Бринелль. Плошчу адбітка вымяраецца як частка сферы, а не плошча круга, як гэта робіць шкала Мейера напрыклад. Метад Роквеллу адрознівае тое, што вызначэннем глыбіні які ўвайшоў у матэрыял шарыка або конусу з алмаза цвёрдасць атрымліваецца беспамернай. Пазначаецца яна HRA, HRC, HRB або HR. Формула вылічанай цвёрдасці выглядае так: HR = 100 (130) - kd. Тут d з'яўляецца глыбінёй уціскання, а k - каэфіцыентам.

Метадам Виккерса цвёрдасць можна вызначыць па адбіткі, якое пакінуў четырёхгранной пірамідай, ўціскаюцца ў паверхню матэрыялу, у суадносінах з нагрузкай, якая была прыкладзеная да піраміды. Плошчу адбітка - ня ромб, а частка плошчы піраміды. Памерам адзінак па Виккерсу варта лічыць кгс на мм ^2, пазначаецца адзінка HV. Таксама існуе метад вымярэння па Шору (уцісканне), часцей выкарыстоўваецца для палімераў і мае дванаццаць шкал вымярэння. Адпаведныя Шору шкалы Аскер (японская мадыфікацыя для матэрыялаў мяккіх і эластычных) шмат у чым падобныя на папярэдні метад, толькі параметры вымяральнага прыбора адрозніваюцца і выкарыстоўваюцца іншыя индекторы. Яшчэ адзін метад па Шору - з адскокам - для высакамодульных, гэта значыць вельмі цвёрдых матэрыялаў. Адсюль можна зрабіць выснову, што ўсе метады, вымяраюць цвёрдасць матэрыялу, дзеляцца на дзве катэгорыі - дынамічныя і статычныя.

Прылады і прыборы

Прыборы для вызначэння цвёрдасці называюцца твёрдомерами, гэта вымярэння інструментальныя. Тэставанне па-рознаму ўздзейнічае на аб'ект, таму метады могуць быць разбуральнымі яго і ня разбуральнымі. Паміж усімі гэтымі шкаламі прамой ўзаемасувязі няма, паколькі ні адзін з метадаў не адлюстроўвае фундаментальных уласцівасцяў матэрыялу цалкам.

Тым не менш пабудаваныя ў дастатковай меры набліжаныя табліцы, дзе звязваюцца шкалы і розныя метады для катэгорый матэрыялаў і асобных іх груп. Стварэнне гэтых табліц стала магчыма пасля правядзення шэрагу эксперыментаў і тэставанняў. Аднак тэорый, якія б дазвалялі адным з разліковых метадаў пераходзіць ад аднаго спосабу да іншага, пакуль не існуе. Канкрэтны метад, якім вызначаецца цвёрдасць, звычайна выбіраюць, зыходзячы з наяўнай апаратуры, задач вымярэння, умоў правядзення яго, і, вядома, з уласцівасцяў самога матэрыялу.