Измерение твердости материалов

Под твердостью понимается способность тела противостоять внедрению в поверхностные слои инородных тел. Эта способность зависит от свойств материала и формы и свойств контртела. Методы определения твердости изоляционных материалов, в частности пластмасс, развивались аналогично методам определения твердости металлов, а также в соответствие с региональными традициями. В большинстве европейских стран принято определять твердость пластмасс по Бринеллю, а в Англии и США – по Роквеллу.

В обоих методах в поверхность материала внедряется металлический шарик.

Метод Бринелля (ГОСТ 4670-77): в поверхность образца, помещенного на стальную плиту, вдавливается при помощи специального пресса стальной шарик диаметром 5 мм.

Нагрузка, действующая на шарик, в течение нескольких секунд плавно увеличивается до максимального значения, а затем поддерживается постоянной в течение определенного времени. С помощью специального прибора измеряется глубина вдавливания шарика h (в мм) после снятия нагрузки.

Твердость по Бринеллю

H_b = , [Па], где d – диаметр шарика, P – нагрузка на шарик.

Образцы для определения твердости по Бринеллю должны иметь толщину 4 – 10 мм. Максимальная нагрузка составляет 49 – 1470 Н. При использовании приборов для определения твердости по Бринеллю необходимо помнить, что глубина отпечатка шарика должна измеряться под нагрузкой, т.к. для полимерных материалов характерна обратимость деформаций, и глубина отпечатка быстро уменьшается. Это отличает методы определения твердости пластмасс и металлов.

Тем не менее измерение твердости по размеру отпечатка после разгрузки используется для определения твердости пластмасс по Роквеллу. ГОСТ 24622-81 «Пластмассы. Метод определения твердости пластмасс по Роквеллу» определяет сущность метода, как – вдавливание стального шарика в поверхность испытуемого образца под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок – предварительной и общей, которая равна сумме предварительной и основной нагрузок.

Твердость по Роквеллу (H_R) определяют по глубине внедрения шарика, которая равна разности между глубиной вдавливания шарика в испытуемый образец под действием общей нагрузки и измеренной после снятия основной нагрузки, но под действием предварительной нагрузки, и глубиной вдавливания шарика в испытуемый образец под действием предварительной нагрузки.

H_R = 130 – е ,

где 130 – условный коэффициент, е – глубина вдавливания шарика после снятия основной нагрузки, но под действием предварительной нагрузки, в единицах кратных 0,002 мм. Величина е измеряется за 1 раз.

Анализируя формулу, можно увидеть, что за единицу твердости по Роквеллу принята величина вертикального перемещения шарика 0,002 мм.

Толщина образцов должна быть не менее 6 мм, при этом стандарт допускает использовать составные образцы.

Тведость по Роквеллу выражают число, которому предшествует буква, обозначающая шкалу по Роквеллу. Например, R50, L80, M110. Шкал твердости по Роквеллу шесть (R, L, M, E, K, B), которые различаются общей нагрузкой (Н) и диаметром полированного стального шарика (мм):

Шкала Роквелла	Предварительная нагрузка, Н (кГс)	Общая нагрузка, Н (кГс)	Диаметр шарика, мм
R	98,07 (10)	588,4 (60)	12,7 ± 0,015
L	98,07 (10)	588,4 (60)	6,35 ± 0,015
M	98,07 (10)	980,7 (100)	6,35 ± 0,015
E	98,07 (10)	980,7 (100)	3,175 ± 0,015
K	98,07 (10)	1472 (150)	3,175 ± 0,015
B	98,07 (10)	980,7 (100)	1,588 ± 0,015

Число определений твердости по Роквеллу должно быть не менее 5. Приборы для определения твердости по Роквеллу принципиально мало отличаются от приборов для определения твердости по Бринеллю.

Для сравнения твердости, определенную по методу Роквелла, с твердостью по методу Бринелля стандарт предписывает использовать так называемый метод «Роквелл-α» (Р = 588,4 Н, диаметр шарика – 12,7 мм).

Если материал имеет меньшую твердость, чем этого требует шкала R метода Роквелла, то твердость определяют с помощью методов Шора (ГОСТ 24621-81).

Сущность методов (метод А и Д) заключается в измерении в условных единицах глубины вдавливания индентора в виде конусной иглы под действием заданной нагрузки. Для испытаний берутся плоскопараллельные образцы толщиной не менее 5 мм (А метод) и не менее 3 мм (метод Д).

Применяют прибор (твердомер) со стальным закаленным индентором, калиброванными пружинами и шкалой на 100 делений. Инденторы по обеим методам представлены на рисунке.

После подготовки образцов они помещаются на твердую ровную горизонтальную поверхность. Твердомер устанавливают на образец вертикально и плавно, без ударов и толчков, прижимают индентор до полного соприкосновения опорной поверхности с поверхностью образца. Отсчет показаний по шкале прибора проводят через 15 ± 1 с после прижатия. Допускается проводить отсчет в течение 1 с после прижатия. Число измерений должно быть не менее 3-х.

Если значения твердости, полученные по методу А, превышают 90 условных единиц, то определение проводят по методу Д, а при получении по методу Д значений твердости менее 20 работают по методу А.

Результаты испытаний записывают по следующей форме:

H_A/45/15 или H_Д/60/1.

45 и 60 – показания шкалы прибора.

15 и 1 – время в секундах.

Большую группу методов определения твердости составляют методы склерометрии, характеризующие стойкость материалов к нанесению царапин. Простейший из них осуществляется с помощью карандашей различной твердости, при этом твердость выражается номером карандаша, который разрушает поверхность образца. Этот метод применяется для минералов, керамики, стекол и подобных им материалов.

Минералогическая шкала твердости (шкала Мооса) представляет из себя последовательность минералов с возрастающей твердостью, каждый из которых царапает предыдущий, а сам царапается последующим:

1. тальк;

2. каменная соль;

3. известковый шпат;

4. плавиковый шпат;

5. апатит;

6. полевой шпат;

7. кварц;

8. топаз;

9. корунд;

10. алмаз.

Определение эластичности

Эластичность характеризует способность материала возвращать часть энергии, сообщенной извне при толчках, ударах и других кратковременных воздействиях. Потери ее связаны с гистерезисом, т.е. неполной отдачей энергии.

Рассмотрим, как метод применяется при испытаниях резин и каучуков. Для испытаний применяется прибор, который называется маятниковый упругомер.

Шкала 8 градуируется в процентном отношении высоты отскока маятника к высоте его падения.

Образцы представляют собой шайбу диаметром 40 мм или квадрат 40х40 мм, толщина которых составляет 6 ± 0,25 мм, что позволяет исключить влияние твердости подложки.

Маятник отпускают и после удара его по образцу ловят рукой, не допуская повторного удара. Производят 4 удара. В ходе их происходит стабилизация образцов, вследствие эффекта размягчения резины, что обеспечивает получение более близких результатов. За показатель эластичности в данной точке принимают показания шкалы после четвертого удара маятника по образцу. Из каждой пробы испытывают 2 образца в трех разных точках. Расстояния от края образца до точек и между ними должно быть не менее 10 мм.

За показатель эластичности принимают среднее арифметическое результатов замеров эластичности двух образцов. Допустимое отклонение от среднего значения составляет ± 5%.

S = , [%] .

Долговечность клеевых соединений

Для прогнозирования прочности соединений, работающих под нагрузкой, следует использовать зависимости, вытекающие из кинетической теории прочности. Соблюдение этих зависимостей позволяет экстраполировать временные кривые прочности за один-два порядка. Например, при экспериментах продолжительностью 10⁶ – 10⁷ с допустима экстраполяция до 10⁸ – 10⁹ с, чего, как правило, достаточно для практических целей.

Прочность полимеров, характеризующая долговечность , определяется на основании уравнения Журкова, устанавливающего связь между , значением приложенной нагрузки σ, температурой Т и активационным барьером разрушения полимера.

. с, U₀ – энергия активации разрушения на одну химическую связь. γ – коэффициент.

В основе метода термофлуктуационная кинетическая концепция разрушения полимера, находящегося под нагрузкой.

Метод Журкова требует от нескольких недель до нескольких месяцев испытаний при повышенной Т и не позволяет четко выявить влияние предыстории образца (продолжительность старения и его Т) на характер изменения долговечности.

Этот недостаток устраняется расчетным путем на основании зависимости прочности материала от скорости нагружения и принципа суммирования разрушения (критерий Бейли).

Условие разрушения Бейли

.

- долговечность образца при любом данном режиме испытания, dt – бесконечно малый промежуток времени, в течение которого изменяющееся напряжение σ можно считать постоянным, - долговечность при постоянном растягивающем напряжении, которая определяется выражением

(*).

При постоянной скорости V нагружения напряжение σ пропорционально t, т.е.

σ= V·t , где ( ).

Подставив и σ в интеграл, получим

. Интегрируем ;

После интегрирования

; ; ; 1 << e^ασ.

Поэтому после логарифмирования

(**).

Имея экспериментальную зависимость σ от lgV в виде прямой линии, можно по углу наклона прямой к линии абсцисс найти α. Экстраполируя прямую к нулевой скорости, получим σ^’, позволяющее определить А из уравнения Тогда можно подставить А и α в (**) и (*) и, следовательно, определить долговечность.

Следует помнить, что к механическим испытаниям диэлектриков относятся методы определения истираемости, гибкости, пластичности, адгезии, воздействия вибрации, стойкости к надрыву, раздиру и т.п. Клеи испытываются на определение прочности при сдвиге и отрыве.