Твердость. Методы определения твердости

 

Твердостьхарактеризует сопротивление материала проникновению в него более твердого тела (например, при вдавливании или царапании). Твердость связана с прочностью материала и в определенной степени характеризует его сопротивление износу.

Твердость обычно характеризуют числом твердости. Для пластичных материалов (металлов и сплавов), тканей зуба число твердости определяется как отношение нагрузки F, действующей на вдавливаемое тело (индентор), к площади S поверхности отпечатка, образовавшегося в материале после снятия нагрузки.

Методы измерения твердости различаются между собой формой индентора и материалом, из которого он сделан. Например, при определении твердости методом Бринелля в образец вдавливается стальной шарик, а методом Виккерса и Кнуппа – алмазная пирамидка.

Обозначения твердости: НB (или НВ) – твердость по Бринеллю, НV (или HV) – твердость по Виккерсу, НК (или HК) – твердость по Кнуппу.

Метод Бринелляиспользуется в стоматологической практике для определения макротвёрдости металлов и их сплавов. В данном случае в испытуемый образец под действием нагрузки (Р) в течение определённого времени вдавливается металлический шарик. После снятия нагрузки на поверхности образца остается сферический отпечаток площадью S и диаметром М (рис. 8). Величина отпечатка зависит от твёрдости металла: чем он твёрже, тем меньше величина отпечатка.

 

Рис. 8 Схематичное представление испытания материала на твердость по методу Бринеля

Число твердости по Бринеллю обозначается НВ и определяется по формуле: или

,

где D –диаметр шарика; М – диаметр отпечатка; Р – нагрузка на шарик.

В случае определения твёрдости НВ шариком с D = 10 мм при нагрузке Р = 3000 кгс и времени выдержки t = 10 с число твёрдости записывают так: НВ400, НВ250, НВ500 и т.д. При использовании других условий испытания индекс НВ дополняют цифрами, указывающими диаметр использованного шарика (мм), нагрузку (кгс) и продолжительность выдержки (с). Например, НВ 5/750/30-350 – это число твёрдости по Бринеллю (350 кгс/мм2), полученное при вдавливании шарика с D = 5мм нагрузкой Р = 750кгс, в течении t = 30 c.

Основными современными способами определения твёрдости следует считатьметод Виккерса и его усовершенствованный вариант - метод Кнуппа.

При измерении твёрдости по методу Виккерса в поверхность испытуемого образца или изделия вдавливают алмаз в форме пирамиды, в основании которой лежит квадрат с углом между противоположными гранями 136°.

Рис. 9 Схематическое представление испытания на твердость по методу Виккерса

 

Число твердости по Виккерсу (HV), вычисляют по формуле:

HV= 1,854 ,

где Р - нагрузка, кгс; М - среднее арифметическое длин обеих диагоналей отпечатка, мм.

 

При испытаниях применяют нагрузки от 50 до 1000 Н (от 5 до 100 кгс). Обычными условиями испытания считаются: нагрузка 300 Н(30 кгс) и время выдержки 10 – 15с. В этом случае твёрдость по Виккерсу записывается, например HV400, т.е. она равна 400 кгс/мм2. Если условия испытания другие, то это отражается цифрами, причём сначала указывается величина нагрузки, потом – время выдержки. К примеру, запись HV20/40 – 250 означает, что при нагрузке 200 Н (20 кгс) и времени выдержки 40 с, твёрдость по Виккерсу равна 250 кгс/мм2.

Для оценки твёрдости в малых объёмах, например, на зёрнах металла и его структурных составляющих применяют способ измерения микротвердости по Виккерсу, где в качестве индентора используется пирамида Виккерса. Нагрузка на индентор в этом случае невелика 0,05–5Н (0,005 – 0,5кгс), а размер отпечатка 5–30мкм. Ценность данного метода состоит и в том, что при его использовании вследствие малых нагрузок вдавливания удается испытывать очень тонкие и хрупкие образцы, определять твёрдость тонких поверхностных слоев материала и различных фаз, входящих в его состав. Поэтому метод можно использовать также для определения твёрдости структур, форми­рующих зуб. Важно и то, что, в отличие от метода Бринелля, метод Виккерса позволяет определить твёрдость мелких готовых изделий, не разрушая и не портя их вследствие малой величины отпечатка.

 

При определении твердости по методу Кнуппаиспользуется алмазный индентор в виде ромбической пирамиды. При этом создается отпечаток в виде ромба, в котором одна диагональ в 7 раз длиннее другой.

Число твёрдости, определённое по методу Кнуппа (НК) определяется по формуле:

HK =12,87 ,

где Р - нагрузка на пирамиду, Н; М - величина длинной диагонали, мм.

Метод Кнуппа наиболее универсален, так как позволяет измерять твёрдость зубной эмали, дентина, металлических сплавов, золота, фарфора, резины и т.д.

В основе метода Моосалежит использование шкалы Мооса– десятибалльной шкала твёрдости материалов, предложенной немецким минерологом Ф. Моосом. В этой шкале за эталоны приняты твёрдости следующих 10 материалов, начиная с наиболее мягкого: талька – принята за 1, гипса – 2, кальция – 3, флюорита – 4, апатита – 5, ортоклаза – 6, кварца – 7, топаза – 8, корунда – 9, алмаза – 10. Для определения твёрдости и места в шкале Мооса какого-либо материала его пробуют царапаньем: он будет мягче того минерала, который оставляет на нём царапину и тверже того, на котором он сам оставляет черту.

Твердость измеряется в СИ в H/м2 = Па или для больших значений в МПа, ГПа (1 Па = 10–9 ГПа = 10–6 МПа). Однако на практике часто используют внесистемные единицы, в первую очередь, кгс/мм2:

1 кгс (килограмм-сила) = 1кг × 9,81 м/с2 ≈ 10 кг×м/с2 = 10 Н;

1 кгс/мм2 ≈ 10 Н/мм2 = 107 Н/м2 = 10 МПа.

Ударная вязкость

Ударная вязкость характеризует способность материала сопротивляться действию ударных нагрузок (удару).

Ударная вязкость определяется как величина работы Ан, которую надо затратить на разрушение образца при ударных нагрузках(работа нагрузки), деленная на площадь его поперечного сечения S: а =

При экспериментальном определении ударной вязкости в месте удара с обратной стороны делают надрез с определенной площадью поперечного сечения S0. В зависимости от вида надреза (U или V-образный) ударная вязкость обозначается как KCU либо KCV:

KCU = или KCV = .

Чем меньше ударная вязкость материала, тем более хрупким он является.

Размерность ударной вязкости в СИ – , но часто употребляется внесистемная единица измерения = 105 .

Ударная вязкость, определенная при стандартных условиях испытания, т.е. на образцах с концентраторами U или V при комнатной температуре, максимальной энергии удара маятника 300 Дж, глубине концентратора (выреза) 2 мм и ширине образца 10 мм, обозначается следующим образом: KCU 60 (или КСV 60). Это означает, что при стандартных условиях испытания с концентратором вида U (или V) ударная вязкость равна 60 .

При других условиях испытания дополнительно цифрами указываются условия испытания в следующей последовательности:

1. обозначение используемого метода (символ) (КС);

2. обозначение вида концентратора (выреза) (U или V);

3. температура испытания (образца) (0С);

4. максимальная энергия удара (Дж);

5. глубина концентратора (мм);

6. ширина образца (мм);

7. значение ударной вязкости.

Например, запись КСV -4050/2/5 – 50 означает, что ударная вязкость определена на образцах с концентратором вида V при температуре -400С, максимальной энергии удара маятника 50 Дж, при глубине концентраторе 2 мм и ширине образца 5 мм, и ее значение составляет 50 .