כדי לקבוע את הקשיות של חומר, נעשה לרוב שימוש בהמצאה של המהנדס השוודי ברינל - שיטה המודדת תכונות פני השטח ונותנת מאפיינים נוספים של מתכות פולימריות.
הערכת חומרים
הודות לתגלית זו מוערך כעת השימוש היעיל ביותר בפלסטיק. פלסטיקים לא קשיחים מדי נבדקים לגמישות ורכות על מנת לשמש כחומר איטום, איטום וריפוד. הפיתוח של ברינל הוא שיטה לקביעת חוזק וקשיות של חומר שישמש ביישומים חשובים - בגלגלי שיניים וחישוקים, מיסבים בעומס כבד, אביזרי הברגה וכו'.
שיטה זו נותנת את הערכת החוזק המדויקת ביותר. קשה להפריז בערכו של הפרמטר, המסומן ב-P1B. השימוש הנפוץ ביותר למטרה זו הוא פיתוח של ברינל, שיטה שבה לוחצים כדור פלדה בגודל חמישה מילימטר לתוך החומר. לפי עומק ההזחה של הכדור, GOST נקבע.
היסטוריה
בשנת 1900, מהנדס משוודיה יוהאן אוגוסט ברינל, השיטה שהציע לעולםמדעי החומרים, שהתפרסם. זה לא רק נקרא על שם הממציא, אלא הפך להיות הנפוץ ביותר, הסטנדרטי.
מהי קשיות? זוהי תכונה מיוחדת של חומר שאינו חווה דפורמציה פלסטית כתוצאה מפעולת מגע מקומית, אשר מסתכמת לרוב בהחדרת אינדקס (גוף קשה יותר) לחומר.
קשיות משוחזרת ולא משוחזרת
שיטת Brinell עוזרת למדוד את הקשיות המשוחזרת, אשר נקבעת על פי היחס בין גודל העומס לנפח ההדפסה, שטח ההקרנה או שטח הפנים. לפיכך, הקשיות יכולה להיות נפחית, הקרנה ומשטח. זה האחרון נקבע על ידי היחס: עומס לאזור ההטבעה. קשיות בתפזורת נמדדת על ידי היחס בין העומס לנפח שלו, וקשיות ההקרנה היא העומס לאזור ההקרנה שהטביעה הותירה.
קשיות לא משוחזרת בשיטת ברינל נקבעת לפי אותם פרמטרים, רק כוח ההתנגדות הופך לערך הנמדד העיקרי, שהיחס שלו לשטח הפנים, הנפח או ההקרנה מוצג לפי האינדקס המוטבע בחומר. הנפח, ההקרנה וקשיות פני השטח מחושבים באותו אופן: לפי היחס של כוח ההתנגדות או לשטח הפנים של החלק המוטבע של האינדקס, או לשטח ההקרנה שלו, או לנפח.
קביעת קשיות
היכולת להתנגד לעיוותים פלסטיים ואלסטיים כאשר הם נחשפים לחומר קשה יותרהאינדקס הוא קביעת קשיות, כלומר למעשה מדובר בבדיקת הזחה של החומר. שיטת הקשיות של ברינל היא מדידה של כמה עמוק חדר משרן לחומר. כדי לדעת את הערך המדויק של הקשיות של חומר נתון, יש צורך למדוד את עומק החדירה. לשם כך יש את שיטת ברינל ורוקוול, שיטת ויקרס פחות נפוצה.
אם שיטת Rockwell קובעת ישירות את עומק החדירה של הכדור לתוך החומר, אז Vickers ו-Brinell מודדים את ההטבעה לפי שטח הפנים שלו. מסתבר שככל שהאינדקס בחומר עמוק יותר, כך שטח ההדפסה גדול יותר. ניתן לבדוק קשיות של כל חומרים לחלוטין: מינרלים, מתכות, פלסטיק וכדומה, אך הקשיות של כל אחד מהם נקבעת לפי השיטה שלו.
איך למצוא דרך
שיטת הקשיות של Brinell טובה מאוד לחומרים לא הומוגניים, לסגסוגות שאינן קשות מדי. לא רק סוג החומר קובע את שיטת המדידה, אלא גם הפרמטרים עצמם שצריך לקבוע. הקשיות של סגסוגות נמדדת, כביכול, בממוצע, שכן חומרים בעלי מאפיינים שונים מתקיימים בהם במקביל. לדוגמה, ברזל יצוק. יש לו מבנה הטרוגני מאוד, ישנם צמנטיט, גרפיט, פרליט, פריט, ולכן הקשיות הנמדדת של ברזל יצוק היא ערך ממוצע, המורכב מהקשיות של כל הרכיבים.
מדידה של קשיות מתכות בשיטת ברינל מתבצעת באמצעות אינדקס גדול, כך שההטבעה מתקבלת על שטח גדול יותר של המדגם.כך, בתנאים אלו, ניתן לקבל גם ערך עבור ברזל יצוק שהוא ממוצע לשלבים רבים ושונים. שיטה זו טובה מאוד כאשר מודדים קשיות של סגסוגות - ברזל יצוק, מתכות לא ברזליות, נחושת, אלומיניום וכדומה. שיטה זו מציינת במדויק את ערך הקשיות של פלסטיק.
השוואת רוקוול
זה טוב למתכות קשות וסופר קשות, וגם ערך הקשיות המתקבל הוא ממוצע. אותו כדור פלדה או חרוט משמש כאינדיקטור, אך בנוסף אליהם משתמשים גם בפירמידת יהלומים. גם ההחתמה על החומר כאשר נמדדת בשיטת רוקוול מתבררת כגדולה, ומספר הקשיות עבור שלבים שונים נמדד בממוצע.
שיטות ברינל ורוקוול שונות בעקרון: הראשונה מציגה את התוצאה כמנה לאחר חלוקת כוח ההזחה במשטח של שטח ההטבעה, בעוד שרוקוול מחשבת את היחס בין עומק החדירה ליחידת קנה המידה של המכשיר שמודד את העומק. לכן קשיות רוקוול כמעט חסרת ממדים, ולפי ברינל היא נמדדת בבירור בקילוגרמים למילימטר רבוע.
שיטת ויקרס
אם המדגם קטן מדי או שיש צורך למדוד אובייקט קטן מגודל טביעת ה-indenter, המודד קשיות Rockwell או Brinell, יש להשתמש בשיטות מיקרו-קשיות, ביניהן שיטת Vickers היא הפופולרית ביותר. האינדקס הוא פירמידת יהלום, והטביעה נבדקת ונמדדת על ידי מערכת אופטית הדומה למיקרוסקופ. הערך הממוצע יהיה ידוע גם, אבל הקשיות מחושבת משטח קטן בהרבה.
אם קנה המידה של האובייקט הנמדד קטן מאוד, אזי נעשה שימוש בבודק מיקרו-קשיות, שיכול להטביע טביעה בגרגר נפרד, פאזה, שכבה, וניתן לבחור את עומס ההזחה באופן עצמאי. מדעי המתכות מאפשרים שימוש בשיטות אלו כדי לקבוע הן את הקשיות והן את הקשיות של מתכות, ומדע החומרים קובע באותו אופן את הקשיות והקשיות של חומרים לא מתכתיים.
טווח
יש שלושה טווחים למדידת קשיות. בטווח המאקרו, העומס מוסדר מ-2 N ל-30 kN. המיקרו-טווח מגביל לא רק את העומס על האינדקס, אלא גם את עומק החדירה. הערך הראשון אינו עולה על 2 N, והשני - יותר מ 0.2 מיקרומטר. בטווח הננו, מוסדר רק עומק השילוב של המדד - פחות מ-0.2 מיקרומטר. התוצאה נותנת את קשיחות הננו של החומר.
פרמטרי מדידה תלויים בעיקר בעומס המופעל על האינדקס. התלות הזו אף קיבלה שם מיוחד - אפקט הגודל, באנגלית - אפקט גודל הזחה. ניתן לקבוע את אופי אפקט הגודל לפי צורת האינדקס. כדורית - הקשיות גדלה עם הגדלת העומס, לכן, אפקט גודל זה מתהפך. הפירמידה של ויקרס או ברקוביץ' מפחיתה את הקשיות עם העומס הגובר (כאן, אפקט הגודל הרגיל או הישיר). כדור החרוט, המשמש לשיטת רוקוול, מראה שהגדלת העומס מובילה תחילה לעלייה בקשיות, ולאחר מכן, כאשר החלק הכדורי מוכנס,פוחת.
חומרים ושיטות מדידה
החומרים הקשים ביותר הקיימים כיום הם שני שינויים של פחמן: lonsdaleite, שהוא קשה בחצי מיהלום, ו-fullerite, שהוא קשה פי שניים מיהלום. היישום המעשי של חומרים אלה רק מתחיל, אך לעת עתה, היהלום הוא הקשה מבין הנפוצים שבהם. בעזרתו נקבעת הקשיות של כל המתכות.
שיטות הקביעה (הפופולריות ביותר) פורטו לעיל, אבל כדי להבין את תכונותיהן ולהבין את המהות, עליך להתחשב באחרות שניתן לחלק באופן מותנה לדינמיות, כלומר, כלי הקשה וסטטיים, אשר כבר נשקלו. שיטת המדידה נקראת אחרת סולם. יש לזכור שהפופולרי ביותר הוא עדיין סולם ברינל, שבו הקשיות נמדדת בקוטר ההטבעה, שמשאיר כדור פלדה נלחץ לתוך פני החומר.
קביעת מספר הקשיות
שיטת Brinell (GOST 9012-59) מאפשרת לרשום את מספר הקשיות ללא יחידות מדידה, ומציינת אותו HB, כאשר H היא קשיות (קשיות), ו-B היא Brinell עצמה. שטח ההטבעה נמדד כחלק מכדור, לא שטח של עיגול, כפי שעושה למשל סולם מאייר. שיטת רוקוול נבדלת בכך שעל ידי קביעת העומק של כדור יהלום או חרוט שנכנס לחומר, הקשיות היא חסרת מימד. זה מיועד HRA, HRC, HRB או HR. נוסחת הקשיות המחושבת נראית כך: HR=100 (130) - kd. כאן d הוא עומק השקע ו-k הוא המקדם.
קשיות ויקרס יכולה להיותנקבע על פי החותם שהותירה פירמידה טטרהדרלית הנלחצת אל פני החומר, ביחס לעומס שהופעל על הפירמידה. שטח ההטבעה אינו מעוין, אלא חלק משטח הפירמידה. יש להתייחס ליחידות Vickers כ-kgf לכל mm2, המסומן ביחידת HV. קיימת גם שיטת מדידה לפי שור (שקע), המשמשת לעתים קרובות יותר לפולימרים ובעלת שנים עשר סולמות מדידה. מאזני Asker המקבילים לחוף (שינוי יפני לחומרים רכים ואלסטיים) דומים במובנים רבים לשיטה הקודמת, רק הפרמטרים של מכשיר המדידה שונים ונעשה שימוש במדדים שונים. שיטה נוספת לפי שור - עם ריבאונד - לחומרים גבוהים, כלומר חומרים קשים מאוד. מכאן נוכל להסיק שכל השיטות המודדות קשיות של חומר מחולקות לשתי קטגוריות - דינמית וסטטית.
כלים ומכשירי חשמל
מכשירים לקביעת קשיות נקראים בודקי קשיות, אלו מדידות אינסטרומנטליות. בדיקה משפיעה על אובייקט בדרכים שונות, כך ששיטות יכולות להיות הרסניות או לא הרסניות. אין קשר ישיר בין כל הסולמות הללו, שכן אף אחת מהשיטות לא משקפת את התכונות הבסיסיות של החומר בכללותו.
עם זאת, נבנו טבלאות משוערות במידה מספקת, שבהן סולמות ושיטות שונות מחוברות לקטגוריות של חומרים וקבוצות בודדות שלהם. יצירת הטבלאות הללו התאפשרה לאחר סדרה של ניסויים ובדיקות. עם זאת, תיאוריות כיאפשרה לאחת משיטות החישוב לעבור משיטה אחת לאחרת עדיין לא קיימת. השיטה הספציפית שבה נקבעת הקשיות נבחרת בדרך כלל על סמך הציוד הזמין, משימות המדידה, תנאי המדידה, וכמובן, מתכונות החומר עצמו.
