เพื่อระบุความแข็งของวัสดุ มักใช้การประดิษฐ์ของวิศวกรชาวสวีเดน Brinell ซึ่งเป็นวิธีการที่วัดคุณสมบัติพื้นผิวและให้คุณสมบัติเพิ่มเติมของโลหะโพลีเมอร์
การประเมินวัสดุ
การค้นพบครั้งนี้ทำให้การประเมินการใช้พลาสติกอย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุดในขณะนี้ พลาสติกที่ไม่แข็งเกินไปจะผ่านการทดสอบความยืดหยุ่นและความนุ่มนวลเพื่อใช้เป็นวัสดุปิดผนึก ปิดผนึก และกันกระแทก การพัฒนาของ Brinell เป็นวิธีการกำหนดความแข็งแรงและความแข็งของวัสดุที่จะนำไปใช้ในการใช้งานที่สำคัญ - ในเฟืองและขอบล้อ, แบริ่งภายใต้ภาระหนัก, ข้อต่อเกลียว ฯลฯ
วิธีนี้ให้การประเมินความแข็งแกร่งที่แม่นยำที่สุด ค่าของพารามิเตอร์ซึ่งแสดงโดย P1B นั้นยากที่จะประเมินค่าสูงไป ที่นิยมใช้กันมากที่สุดเพื่อจุดประสงค์นี้คือการพัฒนา Brinell ซึ่งเป็นวิธีการที่ลูกเหล็กขนาดห้ามิลลิเมตรถูกกดลงในวัสดุ ตามความลึกของการเยื้องของลูกบอล GOST ถูกกำหนด
ประวัติศาสตร์
ในปี 1900 วิศวกรจากสวีเดน Johan August Brinell วิธีที่เขาเสนอให้โลกรู้วัสดุศาสตร์ที่มีชื่อเสียง ไม่เพียงแต่ได้รับการตั้งชื่อตามนักประดิษฐ์เท่านั้น แต่ยังกลายเป็นชื่อที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและเป็นมาตรฐานอีกด้วย
ความแข็งคืออะไร? นี่เป็นคุณสมบัติพิเศษของวัสดุที่ไม่มีการเสียรูปของพลาสติกจากการสัมผัสในพื้นที่ ซึ่งส่วนใหญ่มักเกิดจากการนำตัวทำดัชนี (ตัวที่แข็งกว่า) เข้าไปในวัสดุ
ความแข็งที่คืนตัวและไม่คืนตัว
วิธี Brinell ช่วยในการวัดความแข็งที่คืนสภาพซึ่งกำหนดโดยอัตราส่วนของขนาดของโหลดต่อปริมาตรของการพิมพ์ พื้นที่ฉาย หรือพื้นที่ผิว ดังนั้นความแข็งอาจเป็นปริมาตร การฉายภาพ และพื้นผิว หลังถูกกำหนดโดยอัตราส่วน: โหลดไปยังพื้นที่ของสำนักพิมพ์ ความแข็งจำนวนมากวัดจากอัตราส่วนของน้ำหนักบรรทุกต่อปริมาตร และความแข็งในการฉายภาพคือโหลดไปยังพื้นที่ฉายภาพที่รอยประทับเหลือ
ความแข็งที่ไม่มีการคืนค่าโดยวิธี Brinell ถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์เดียวกัน เฉพาะแรงต้านทานเท่านั้นที่จะกลายเป็นค่าที่วัดได้หลัก อัตราส่วนของค่าต่อพื้นที่ผิว ปริมาตร หรือการฉายภาพจะแสดงโดยดัชนีที่ฝังอยู่ในวัสดุ ปริมาตร การฉายภาพ และความแข็งผิวคำนวณในลักษณะเดียวกัน: โดยอัตราส่วนของแรงต้านทานต่อพื้นที่ผิวของส่วนที่ฝังตัวของดัชนี หรือพื้นที่ฉาย หรือปริมาตร
การหาค่าความแข็ง
ความสามารถในการต้านทานการเสียรูปของพลาสติกและยางยืดเมื่อสัมผัสกับวัสดุที่แข็งขึ้นดัชนีเป็นตัวกำหนดความแข็ง ซึ่งอันที่จริง นี่คือการทดสอบการเยื้องของวัสดุ วิธีความแข็งแบบบริเนลคือการวัดว่าตัวเหนี่ยวนำทะลุผ่านวัสดุได้ลึกเพียงใด หากต้องการทราบค่าความแข็งที่แน่นอนของวัสดุที่กำหนด จำเป็นต้องวัดความลึกการเจาะ ในการทำเช่นนี้มีวิธี Brinell และ Rockwell วิธี Vickers นั้นไม่ค่อยใช้
หากวิธีของ Rockwell กำหนดความลึกของการเจาะลูกบอลเข้าไปในวัสดุโดยตรง Vickers และ Brinell จะวัดรอยประทับตามพื้นที่ผิวของมัน ปรากฎว่ายิ่งดัชนีในวัสดุลึกเท่าใด พื้นที่การพิมพ์ก็จะยิ่งมากขึ้น วัสดุทุกชนิดสามารถทดสอบความแข็งได้อย่างแน่นอน ไม่ว่าจะเป็นแร่ธาตุ โลหะ พลาสติก และอื่นๆ แต่ความแข็งของวัสดุแต่ละชนิดนั้นพิจารณาจากวิธีการของมันเอง
วิธีหาทาง
วิธีความแข็งแบบบริเนลนั้นดีมากสำหรับวัสดุที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน สำหรับโลหะผสมที่ไม่แข็งเกินไป ไม่เพียงแต่ชนิดของวัสดุที่กำหนดวิธีการวัด แต่ยังรวมถึงพารามิเตอร์ที่ต้องกำหนดด้วย โดยเฉลี่ยแล้วความแข็งของโลหะผสมนั้นวัดได้เนื่องจากวัสดุที่มีคุณสมบัติต่างกันมีอยู่ร่วมกัน ตัวอย่างเช่น เหล็กหล่อ มีโครงสร้างที่แตกต่างกันมาก มีซีเมนต์ กราไฟต์ เพอไลท์ เฟอร์ไรท์ ดังนั้นค่าความแข็งที่วัดได้ของเหล็กหล่อจึงเป็นค่าเฉลี่ย ซึ่งประกอบด้วยความแข็งของส่วนประกอบทั้งหมด
การวัดความแข็งของโลหะด้วยวิธี Brinell ดำเนินการโดยใช้ตัวทำดัชนีขนาดใหญ่ เพื่อให้ได้รอยประทับบนพื้นที่ขนาดใหญ่ของตัวอย่างดังนั้น ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ จึงเป็นไปได้ที่จะได้ค่าของเหล็กหล่อ ซึ่งเป็นค่าเฉลี่ยสำหรับเฟสต่างๆ มากมายและแตกต่างกัน วิธีนี้เป็นวิธีที่ดีมากในการวัดความแข็งของโลหะผสม เช่น เหล็กหล่อ โลหะที่ไม่ใช่เหล็ก ทองแดง อะลูมิเนียม และอื่นๆ วิธีนี้ระบุค่าความแข็งของพลาสติกได้อย่างแม่นยำ
เปรียบเทียบร็อคเวลล์
เหมาะสำหรับโลหะแข็งและโลหะแข็งพิเศษ และค่าความแข็งที่ได้จะนำมาเฉลี่ยด้วย ลูกเหล็กหรือกรวยเดียวกันทำหน้าที่เป็นตัวบ่งชี้ แต่นอกเหนือจากนั้นยังใช้ปิรามิดเพชรด้วย รอยประทับบนวัสดุเมื่อวัดโดยวิธี Rockwell ก็กลายเป็นขนาดใหญ่ และค่าเฉลี่ยจำนวนความแข็งสำหรับเฟสต่างๆ นั้นเฉลี่ย
หลักการของ Brinell และ Rockwell ต่างกัน: วิธีแรกแสดงผลลัพธ์เป็นผลหารหลังจากหารแรงเยื้องด้วยพื้นผิวของพื้นที่สำนักพิมพ์ ในขณะที่ Rockwell คำนวณอัตราส่วนของความลึกการเจาะต่อหน่วยมาตราส่วนของ เครื่องมือที่ใช้วัดความลึก นั่นคือเหตุผลที่ความแข็งแบบร็อคเวลล์นั้นแทบไม่มีมิติ และตามข้อมูลของ Brinell แล้วมันวัดได้อย่างชัดเจนเป็นกิโลกรัมต่อตารางมิลลิเมตร
วิธีวิคเกอร์
หากตัวอย่างมีขนาดเล็กเกินไปหรือจำเป็นต้องวัดวัตถุที่มีขนาดเล็กกว่าขนาดของรอยประทับหัวกด ซึ่งวัดความแข็งแบบ Rockwell หรือ Brinell ควรใช้วิธีความแข็งระดับไมโคร ซึ่งวิธี Vickers เป็นที่นิยมมากที่สุด. ดัชนีคือพีระมิดเพชร และรอยประทับจะถูกตรวจสอบและวัดโดยระบบออปติคัลที่คล้ายกับกล้องจุลทรรศน์ ค่าเฉลี่ยก็จะทราบเช่นกัน แต่ความแข็งคำนวณจากพื้นที่เล็กกว่ามาก
หากมาตราส่วนของวัตถุที่วัดมีขนาดเล็กมาก จะใช้เครื่องทดสอบความแข็งระดับจุลภาค ซึ่งสามารถสร้างรอยประทับในเกรน เฟส ชั้น และโหลดการเยื้องแยกกันได้ วิทยาศาสตร์โลหะอนุญาตให้ใช้วิธีการเหล่านี้ในการพิจารณาทั้งความแข็งและความแข็งระดับจุลภาคของโลหะ และวิทยาศาสตร์วัสดุในลักษณะเดียวกันจะกำหนดความแข็งระดับจุลภาคและความแข็งของวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ
ช่วง
วัดความแข็งมีสามช่วง ในช่วงมาโคร โหลดจะถูกควบคุมตั้งแต่ 2 N ถึง 30 kN ไมโครเรนจ์ไม่ได้จำกัดเฉพาะโหลดบนตัวสร้างดัชนีเท่านั้น แต่ยังจำกัดความลึกในการเจาะด้วย ค่าแรกไม่เกิน 2 N และค่าที่สอง - มากกว่า 0.2 μm ในนาโนเรนจ์ ความลึกของการรวมตัวของดัชนีเท่านั้นที่ถูกควบคุม - น้อยกว่า 0.2 µm ผลลัพธ์ที่ได้จะให้ความแข็งระดับนาโนของวัสดุ
พารามิเตอร์การวัดขึ้นอยู่กับโหลดที่ใช้กับดัชนีเป็นหลัก การพึ่งพาอาศัยกันนี้ยังได้รับชื่อพิเศษ - เอฟเฟกต์ขนาด ในภาษาอังกฤษ - เอฟเฟกต์ขนาดเยื้อง ลักษณะของเอฟเฟกต์ขนาดสามารถกำหนดได้โดยรูปร่างของดัชนี ทรงกลม - ความแข็งเพิ่มขึ้นตามน้ำหนักที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นเอฟเฟกต์ขนาดนี้จึงกลับด้าน ปิรามิด Vickers หรือ Berkovich ช่วยลดความแข็งด้วยการเพิ่มภาระ (นี่คือเอฟเฟกต์ขนาดปกติหรือขนาดโดยตรง) ทรงกลมรูปกรวยซึ่งใช้สำหรับวิธีร็อกเวลล์ แสดงให้เห็นว่าการเพิ่มภาระก่อนนำไปสู่การเพิ่มความแข็ง จากนั้นเมื่อมีการแนะนำส่วนทรงกลมลดลง
วัสดุและวิธีการวัด
วัสดุที่แข็งที่สุดในปัจจุบันคือการดัดแปลงคาร์บอนสองแบบ: ลอนสเดลไลท์ ซึ่งแข็งเท่ากับเพชรครึ่งหนึ่ง และฟูลเลอร์ไรท์ ซึ่งแข็งเป็นสองเท่าของเพชร การใช้งานจริงของวัสดุเหล่านี้เพิ่งเริ่มต้น แต่สำหรับตอนนี้ เพชรเป็นเพชรที่แข็งที่สุดเมื่อเทียบกับเพชรทั่วไป มันช่วยให้ความแข็งของโลหะทั้งหมดถูกสร้างขึ้นด้วยความช่วยเหลือ
วิธีการกำหนด (ที่นิยมมากที่สุด) มีการระบุไว้ข้างต้น แต่เพื่อให้เข้าใจคุณลักษณะและเข้าใจสาระสำคัญ คุณต้องพิจารณาวิธีอื่นๆ ที่สามารถแบ่งออกเป็นไดนามิกตามเงื่อนไขได้ กล่าวคือ การกระทบและสถิตซึ่ง ได้รับการพิจารณาแล้ว วิธีการวัดเรียกว่ามาตราส่วน โปรดจำไว้ว่าที่นิยมมากที่สุดยังคงเป็นมาตราส่วน Brinell ซึ่งความแข็งวัดจากเส้นผ่านศูนย์กลางของรอยประทับ ซึ่งทำให้ลูกเหล็กกดลงบนพื้นผิวของวัสดุ
การหาค่าความแข็ง
วิธี Brinell (GOST 9012-59) ให้คุณเขียนตัวเลขความแข็งโดยไม่ต้องมีหน่วยวัด โดยกำหนดให้เป็น HB โดยที่ H คือความแข็ง (ความแข็ง) และ B คือ Brinell เอง พื้นที่ของรอยประทับจะวัดเป็นส่วนหนึ่งของทรงกลมไม่ใช่พื้นที่ของวงกลมเช่นมาตราส่วนของเมเยอร์เป็นต้น วิธีการของ Rockwell แตกต่างไปจากข้อเท็จจริงที่ว่าโดยการกำหนดความลึกของลูกบอลเพชรหรือกรวยที่เข้าสู่วัสดุ ความแข็งนั้นไม่มีมิติ มันถูกกำหนดให้เป็น HRA, HRC, HRB หรือ HR สูตรความแข็งที่คำนวณได้มีลักษณะดังนี้: HR=100 (130) - kd โดยที่ d คือความลึกของการเยื้อง และ k คือสัมประสิทธิ์
ความแข็งของวิคเกอร์ก็ได้กำหนดโดยรอยประทับที่เหลือโดยปิรามิดทรงสี่เหลี่ยมจตุรัสกดลงบนพื้นผิวของวัสดุ สัมพันธ์กับภาระที่นำไปใช้กับปิรามิด พื้นที่ของรอยประทับไม่ใช่รูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน แต่เป็นส่วนหนึ่งของพื้นที่ของปิรามิด หน่วย Vickers ควรพิจารณาเป็น kgf ต่อ mm2 แสดงโดยหน่วย HV นอกจากนี้ยังมีวิธีการวัดตามชอร์ (เยื้อง) ซึ่งมักใช้สำหรับพอลิเมอร์และมีสเกลวัดสิบสองสเกล เครื่องชั่ง Asker ที่สัมพันธ์กับชายฝั่ง (การดัดแปลงของญี่ปุ่นสำหรับวัสดุที่อ่อนนุ่มและยืดหยุ่น) นั้นคล้ายกับวิธีการก่อนหน้านี้ในหลาย ๆ ด้าน มีเพียงพารามิเตอร์ของอุปกรณ์วัดเท่านั้นที่แตกต่างกันและมีการใช้ดัชนีที่แตกต่างกัน อีกวิธีหนึ่งตามชอร์ - ด้วยการตอบสนอง - สำหรับโมดูลัสสูง นั่นคือ วัสดุที่แข็งมาก จากนี้เราสามารถสรุปได้ว่าวิธีการทั้งหมดที่วัดความแข็งของวัสดุแบ่งออกเป็นสองประเภท - ไดนามิกและคงที่
เครื่องมือและอุปกรณ์
อุปกรณ์สำหรับวัดความแข็งเรียกว่าเครื่องทดสอบความแข็ง ซึ่งเป็นเครื่องมือวัด การทดสอบมีผลกับวัตถุในรูปแบบต่างๆ ดังนั้นวิธีการจึงสามารถทำลายหรือไม่ทำลายได้ ไม่มีความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างสเกลเหล่านี้ เนื่องจากไม่มีวิธีการใดที่สะท้อนถึงคุณสมบัติพื้นฐานของวัสดุโดยรวม
อย่างไรก็ตาม มีการสร้างตารางโดยประมาณที่เพียงพอแล้ว โดยที่เครื่องชั่งและวิธีการต่างๆ เชื่อมโยงกันสำหรับประเภทของวัสดุและแต่ละกลุ่มของวัสดุ การสร้างตารางเหล่านี้เกิดขึ้นได้หลังจากการทดลองและการทดสอบหลายครั้ง อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีที่ว่าอนุญาตให้ใช้วิธีการคำนวณวิธีหนึ่งเพื่อย้ายจากวิธีหนึ่งไปอีกวิธีหนึ่งยังไม่มีอยู่ วิธีการเฉพาะที่ใช้กำหนดความแข็งมักจะถูกเลือกโดยพิจารณาจากอุปกรณ์ที่มีอยู่ งานวัด เงื่อนไขการวัด และแน่นอนจากคุณสมบัติของวัสดุเอง