Твердость это в физике кратко

Обновлено: 05.07.2024

Единого общепринятого определения твердости не существует, т.к. методов определения этой метрологической величины огромное множество и все они разнообразны.

Тем не менее наиболее подходит следующий термин:

Твердость – способность материала сопротивляться деформации или разрушению в поверхностном слое.

2. В чем измеряется и как обозначается твердость

Для большинства методов измерения твердости основная единица измерения - кгс/мм 2

Однако следует понимать, есть методы со своей единицей.

Обозначение твердости так же зависит от метода.

HB – по методу Бринеля (вдавливание шарика из стали)
HRA – по методу Роквелла, шкале A (вдавливание алмазного или стального конуса)
HRB – по методу Роквелла, шкале B
HRC – по методу Роквелла, шкале C
HV – по методу Викерса (вдавливание алмазной пирамиды)
HSD – твердость по Шору и тп. (метод отскока)

3. Для чего измеряется твердость

Твердость необходимо знать для уверенности в надежности и долговечности изделия/конструкции. Ее требуется замерять при проведении входного и выходного контроля качества сырья или продукции. Твердомеры широко используются металлургии, машиностроении, энергетике, строительстве, да почти во всех сферах промышленности.

4. От чего зависит твердость

Твердость полностью зависит от элементного состава материала.

Например, если в первом сплаве (черная сталь) преимущественно железо и углерод, а во втором (нержавейка) – хром, никель, титан, то второй сплав будет значительно тверже первого. Просто потому что каждый элемент в составе тверже.

5. Какие требования предъявляются к изделию для измерения

Твердость прямопропорциональна нагрузке для ее определения. Высокая твердость – высокая нагрузка.

Чем точнее метод, тем выше требования к подготовке поверхности изделия. Поверхность изделия, на которой определяется твердость, должна отвечать ряду требований:

6. Какие существуют методы определения твердости

Условно все методы можно разделить на 3 группы:

Методы вдавливания (внедрения)
Методы царапания
Методы упругого отскока

Методы вдавливания (внедрения). Смысл методов заключается во вдавливании в испытуемый металл так называемого индентора – твердого предмета определенной формы (обычно стального шарика или алмазной пирамиды) с определенным усилием. После вдавливания замеряется диаметр (для шарика) или глубина (для пирамиды) полученного отпечатка.

В этом случае твердость определяется как отношение величины нагрузки к площади отпечатка после вдавливания.

Наиболее распространенными являются методы Бринеля (HB) и Роквелла (HRA, HRB, HRC).

Методы измерения толщины вдавливанием:

Прибор Бринеля
Прибор Роквелла
Прибор Виккерса
Метод Лудвика
Метод Герца
Метод Дрозда
Монотрон Шора
Метод Берковича
Метод Егорова
Метод Хрущова
Метод Лидса
Микротвердомер Цейсса-Ганеманна
ПМТ-2, ПМТ3 (Хрущов, Беркович)
Метод Эмерсона, Кнупа, Петерса

Методы царапания. Простые методы. Если наконечник, которым производится царапина, оставляет след на испытуемом металле, то твердость металла меньше твердости наконечника. При этом твердости наконечника изначально известны (используются корундовые, алмазные, гипсовые и др. наконечники). Наиболее популярен метод Мооса.

Испытание по Моосу
Прибор Мартенса
Микрохарактеризатор Бирбаума
Испытание напильником, Барба
Прибор Хенкинса
ПМТ-3 (Беркович)
ПМТ-3 (Григорович)
Склерометр О’Нейля

Методы упругого отскока. Редко используются. На испытуемую поверхность с фиксированной высоты свободно падает боек. Под действием упругой отдачи материала боек отскакивает на определенную высоту. Твердость материала пропорциональна высоте отскока. Наиболее популярен метод Шора.

Методы упругого отскока:

Склероскоп Шора
Метод Мартеля
Вертикальный копер Николаева
Пружинный прибор Шоппера
Пружинный прибор Баумана
Прибор Польди
Маятниковый копер Вальцеля
Маятник Герберта
Маятниковый склерометр Кузнецова

7. Твердость гальванических покрытий

В случае гальванических покрытий следует учитывать, что из-за их небольшой толщины многие методы (особенно методы вдавливания) могут не подойти. Наиболее распространены методы Мооса и Викерса.

Для измерения твердости требуется нанести покрытие с минимальной толщиной в 2мкм. Если требуется меньшая толщина – используйте ГОСТ 9013-59, ГОСТ 9012-59, ГОСТ 22761-77

Принцип измерения тот же. После нанесения покрытия и его сушки в отделе контроля качества производится замер и выносится решение – отгружать изделие или отправлять его на перепокрытие.

Важную роль здесь играет как электролит, в котором наносится покрытие, так и режим нанесения покрытия (температура, плотность тока). Так например в одном электролите хромирования можно получить хромовое покрытие с твердостью от 500 до 1100 кгс/мм 2 .

Если говорить об электролите – важнейшую роль играет количество и качество блескообразователей в нем. Матовое цинковое покрытие будет значительно мягче, чем блестящее. Поэтому если Вы хотите суперблестящее покрытие – имейте в виду, оно будет твердое, возникнет вероятность его растрескивания или отслоения при малейшей гибке изделия.

8. Заказать контроль твердости в Екатеринбурге

Мы занимаемся измерением твердости только для наших гальванических покрытий. Если Вам необходимо замерить – свяжитесь с нами, мы бесплатно предоставим контакты наших партнеров – предприятий машиностроения и лабораторий.

Что тверже – гранит или мрамор, никель или алюминий? И что такое твердость вообще? На эти вопросы мы попробуем ответить в нашей статье. Проблемой определения твердости минералов и веществ занимался целый ряд зарубежных ученых. Среди них – Альберт Шор, Фридрих Моос, Юхан Август Бринелль, Уильям Виккерс и другие. Однако единственного и общепринятого метода расчета твердости в науке до сих пор не существует.

Что такое твердость?

Каждое из известных науке веществ обладает целым рядом определенных физических свойств и качеств. В этой статье речь пойдет о том, что такое твердость. Это способность того или иного материала сопротивляться внедрению в него другого, более прочного тела (например, режущего или колющего инструмента).

Твердость веществ чаще всего измеряется в специальных единицах – кгс/мм 2 (килограмм-сила на квадратный миллиметр площади). Обозначается она латинскими буквами HB, HRC или HRB, в зависимости от выбранной шкалы.

Самым твердым минералом на Земле считается алмаз. Если же говорить о материалах искусственного происхождения, то самым прочным является фуллерит. Это молекулярный кристалл, который образуется при высоких температурах (около 300 градусов по Цельсию) и чрезвычайно высоком давлении (свыше 90 000 атмосфер). Согласно исследованиям ученых, фуллерит примерно в полтора раза тверже алмаза.

Какой бывает твердость?

Различают три основных варианта твердости:

Поверхностная (определяется соотношением величины нагрузки к площади поверхности отпечатка).
Проекционная (отношение нагрузки к площади проекции отпечатка).
Объемная (отношение нагрузки к объему отпечатка).

Помимо этого, твердость физических тел измеряется в четырех диапазонах:

Нанотвердость (величина нагрузки составляет менее 1 гс).
Микротвердость (1 – 200 гс).
Твердость при малых нагрузках (200 гс – 5 кгс).
Макротвердость (более 5 кгс).

Твердость металлов

Из 104 элементов периодической системы Менделеева 82 являются металлами. А общее количество известных человеку сплавов достигает пяти тысяч! Область применения металлов в современном мире невероятно широка. Это военная и химическая промышленность, металлургия, электротехника, космическая отрасль, ювелирное дело, кораблестроение, медицина и т. д.

Среди всех физико-химических характеристик металлов твердость играет далеко не последнюю роль. Ведь она наглядно демонстрирует:

степень износоустойчивости металла;
сопротивляемость давлению;
его способность разрезать другие материалы.

Помимо всего прочего, твердость металла показывает, можно ли подвергать его обработке на тех или иных станках, поддается ли он шлифовке и тому подобное. Кстати, учеными уже давно доказано, что твердость металла во многом определяет и другие механические его свойства.

Какова твердость железа, меди и алюминия? И какой из металлов является самым твердым и прочным?

К наиболее мягким металлам причисляют магний и алюминий. Значения их твердости колеблются в пределах 5 кгс/мм 2 . Примерно вдвое тверже – никель и медь (около 10 кгс/мм 2 ). Твердость железа оценивается в 30 кгс/мм 2 . Ну а к самым твердым металлам естественного происхождения относят титан, осмий и иридий.

Определение твердости: методы, способы и подходы

Как измеряют твердость физического тела? Для этого в образец внедряется так называемый индентор. Его роль может выполнять сверхпрочный металлический шарик, пирамида либо алмазный конус. После прямого контактного воздействия индентора на испытуемом образце остается отпечаток, по размеру которого и определяется твердость материала.

На практике применяют две группы методов измерения твердости:

При этом прилагаемая нагрузка во время внедрения индентора в тело может быть осуществлена посредством царапания, вдавливания (чаще всего), разрезания или же отскока.

В наши дни существует несколько различных подходов по определению твердости:

по Роквеллу;
по Бринеллю;
по Виккерсу;
по Шору;
по Моосу.

Соответственно, есть ряд разных шкал твердости материалов, прямой взаимосвязи между которыми нет. Тот или иной метод измерения выбирают исходя из целого ряда факторов (например, свойств конкретного материала, условий проведения эксперимента, используемой аппаратуры и пр.). Приборы, определяющие твердость металлов или минералов, принято называть твердомерами.

Метод Роквелла

Величина твердости по Роквеллу определяется по глубине отпечатка алмазного конуса или металлического шарика, оставленного на поверхности тестируемого образца. Причем она является безразмерной и обозначается буквами HR. Слишком мягкие материалы могут иметь отрицательные значения твердости.

Так называемый твердомер Роквелла был изобретен в начале прошлого века американцами Хью Роквеллом и Стэнли Роквеллом. В следующем видеоролике вы можете увидеть, как он работает. Крайне важным фактором для этого метода является толщина тестируемого образца. Она не должна быть менее значения десятикратной глубины проникновения индентора в испытуемое тело.

В зависимости от типа индентора и прилагаемой нагрузки существуют три измерительные шкалы. Их обозначают тремя латинскими буквами: A, B и C. Значение твердости по Роквеллу имеет числовой вид. Например: 25,5 HRC (последняя буква обозначает шкалу, которая была использована в тесте).

Метод Бринелля

Величину твердости по Бринеллю определяют по диаметру отпечатка, оставленному стальным закаленным шариком на поверхности тестируемого металла. Единицей измерения служит кгс/мм 2 .

Метод предложил в 1900 году шведский инженер Юхан Август Бринелль. Испытание проводится следующим образом: вначале задается предварительная нагрузка индентора на образец, а уж затем – основная. Причем материал под этой нагрузкой выдерживают до 30 секунд, после чего измеряется глубина вдавливания. Твердость по Бринеллю (обозначается как HB) рассчитывается как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности полученного отпечатка.

Некоторые значения твердости для различных материалов (по Бринеллю):

Древесина – 2,6-7,0 HB.
Алюминий – 15 HB.
Медь – 35 HB.
Мягкая сталь – 120 HB.
Стекло – 500 HB.
Инструментальная сталь – 650-700 HB.

Метод Виккерса

Твердость по методу Виккерса определяется посредством вдавливания в образец алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырехугольной пирамиды. После снятия нагрузки измеряют две диагонали, образовавшиеся на поверхности материала, и рассчитывают среднее арифметическое значение d (в миллиметрах).

Твердомер Виккерса достаточно компактен (см. фото ниже). Испытание проводится при комнатной температуре (+20 градусов). Значение твердости тела обозначается буквами HV.

Метод Шора

Твердость по Шору измеряется в диапазоне от 20 до 140 единиц. Ста единицам соответствует высота отскока в 13,6 мм (± 0,5 мм). По стандарту эта величина является твердость закаленной углеродистой стали. Современный прибор для измерения твердости материалов по Шору называют склероскопом или дюрометром (его можно увидеть на фото ниже).

Шкала Мооса

Шкала твердости по Моосу является относительной и применяется она исключительно для минералов. В качестве эталонных выбрано десять минералов, которые были расположены в порядке возрастания их твердости (на фотосхеме ниже). Соответственно, шкала имеет 10 баллов (от 1 до 10).

Минералогическая шкала твердости была предложена немецким ученым Фридрихом Моосом еще в 1811 году. Тем не менее в геологии она используется до сих пор.

Как определить твердость конкретного минерала по шкале Мооса? Это можно сделать при помощи внимательного рассмотрения царапины, оставленной образцом. При этом удобно пользоваться ногтем, медной монетой, куском стекла или стальным ножом.

Итак, если тестируемый минерал пишет по бумаге, не царапая ее, то его твердость равна единице. Если камень легко царапается ногтем, его твердость – 2. Три балла имеют минералы, которые легко царапаются ножом. Если же нужно приложить некоторые усилия, чтобы оставить на камне отметку, то его твердость равна 4 или 5. Минералы с твердостью 6 или выше сами оставляют царапины на лезвии ножа.

В заключение…

Итак, что такое твердость? Это способность физического тела противостоять разрушению и деформированию при воздействии местных контактных усилий. Самым твердым минералом на Земле считается алмаз, а самым прочным металлом – иридий. В современной науке и технике используется несколько методик измерения твердости (по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, Шору и Моосу).

Твёрдость — способность тела сопротивляться воздействию другого тела. Твёрдость вещества определяют, царапая его каким-либо другим веществом.

Существуют различные шкалы твёрдости. Одна из них составлена в \(1811\) году немецким минералогом Фридрихом Моосом.

Алмаз в 58 раз твёрже стоящего на втором месте по твёрдости минерала корунда, из которого изготавливают рубины и сапфиры. Алмаз можно разбить молотком, а поцарапать — только другим алмазом при высоком давлении.

Прочность — способность вещества сопротивляться разрушению. У каждого материала имеется свой предел прочности.

Меня, как человека с материаловедческим образованием (материаловедение – наука о материалах, в которой изучаются изменения свойств материалов под действием некоторых факторов), раздражает, когда люди путают такие понятия как прочность и твердость! Это совершенно разные свойства, которые не имеют ничего общего!

Твердость – свойство материала сопротивляться внедрению в него более твердого тела.

Это означает, что чем больше у материала твердость, тем сложнее его проткнуть или оставить царапину.

Прочность – свойство материала разрушаться под действием внешних сил.

Это означает, что чем больше у материала прочность, тем сложнее его сломать или разорвать.

Например, одним из самых твердых тел является алмаз.

Но если из него сделать гвоздь и ударить молотком, то он сломается. А гвоздь из стали (самый обычный) – не сломается, так как он прочнее.

Все знают такой инструмент как напильник.

Он нужен для того, чтобы можно было “где-то что-то лишнее сточить” под действием силы трения. То есть он твердый, так как при своей работе (например стачивании шляпки гвоздя) его поверхность практически не стирается. Но если им начать забивать гвозди, да побольше и потолще, то он может расколоться. Так как он твердый, но при этом не прочный, а хрупкий.

И наоборот, молоток предназначен для забивания гвоздей, при своей работе он не ломается, так как прочный. Но при этом не составит труда на его поверхности что-нибудь нацарапать.

Таким образом, твердые материалы обычно не прочные, а хрупкие. А прочные материалы обычно не твердые, а мягкие.

Хотя, в некоторых случаях необходимо сделать деталь прочную, но с твердой поверхностью (например шестеренка, которая не должна стираться при трении о другие шестеренки, но при этом ее зубцы не должны откалываться). И при специальной обработке удается достигнуть совокупности этих свойств, чтобы оно было прочное, но при этом его поверхность была еще и твердой.

Читайте также: