5.2. Измерения шероховатости

Шероховатость - совокупность неровностей поверхности с малым шагом и амплитудами. При небольших выступах и впадинах (до 10-20 мкм), а также при плавных переходах неровностей характеристикой шероховатости является средняя арифметическая величина неровностей на некоторой базовой длине L:

(5.1)

Отсчет ведется от некоторой базовой линии, имеющей форму номинального профиля, проведенного так, что среднее квадратическое отклонение профиля от этой линии минимально (рис. 5.7).

Рис. 05.07. К определению параметров шероховатости поверхностей

При больших шероховатостях и в особенности при наличии явно выраженных бугров и впадин шероховатость характеризуют параметром R^, который является суммой модулей размеров пяти наибольших бугров и пяти наибольших впадин на базовой длине L, т. е.

(5.2)

Опыт показывает, что обычно справедливо равенство:

(5.3)

В зависимости от вида обработки задается чистота поверхности или квалитет. Регламентируются параметры RR_a, RR_z и число базовых длин m, необходимых для набора статистики. Основные виды обработки и их параметры даны в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Размеры шероховатости (мкм) для поверхностей различного вида обработки

Вид обработки	Класс частоты	Rа, мкм	Базовая длина L, мм	Число базовых длин
Точение	4 5	6,3 3,2	2,5 2,5	2 2
Шлифовка	6 7 8	1,6 0,8 0,4	0,8 0,8 0,8	3 3 4
Полировка	9 10 11 12	0,2 0,1 0,05 0,025	0,25 0,25 0,25 0,25	6 6 7 7
Доводка	13 14	0,012 0,006	0,08 0,08	8 10

Шероховатость измеряется визуальным неконтактным профилометром - микроскопом Линника. В этом приборе шероховатая поверхность освещается под углом 45° через объектив микроскопа пучком света, имеющем вид узкой щели. Если объект имеет неровности в виде ступенек или шероховатостей, то изображение краев щели будет неровным. Принцип регистрации поясняется рис. 5.8.

Рис. 05.08. Регистрация неровностей в микроскопе Линника

Наблюдаемое в окуляр смещение изображения будет равно размеру неровности, умноженному на увеличение микроскопа и на косинус угла наблюдения, равного 1,41 для угла в 45°, т. е.

(5.4)

Если b - расстояние между максимумами впадин и бугров измерено в микрометрах, то значение h сразу дает величину RR_z (см. рис. 5.9).

Рис. 05.09. Вид в окуляр микроскопа Линника: а) нижний край размытия: б) верхний край размытия

Кроме визуальных методов измерения шероховатости последнюю можно измерять ощупыванием щупом, по рассеянию светового пучка, измерением сопротивления воздуха, вытекающего из сопла, закрытого шероховатой поверхностью.

5.3. Измерения твердости

Твердостью в технике называют характеристику материала, отражающую способность к неупругой деформации. Наиболее часто твердость определяют методом вдавливания в материал шарика (метод Бринеля), призмы (метод Роквелла) или алмазной пирамиды (метод Виккерса).

В методе Бринеля твердость определяется как отношение силы, вдавливающей шарик из стали стандартного размера, к площади опечатка. Твердостью по шкале Бринеля в так называемых градусах Бринеля определяется так:

(5.5)

где Р - сила нагрузки в килограммах силы (1 кгс = 9,8 Ньютона); D - диаметр шарика, мм; d - диаметр лунки, мм.

Соответственно твердость по Бринелю измеряется в градусах Бринеля, имеющих размерность в практической системе единиц кгс/мм².

В методе Роквелла характеристикой твердости является отношение вдавливающей силы к глубине внедрения стандартного шарика или призмы в материал.

В методе Виккерса алмазная пирамида внедряется острием в тело со шлифованной поверхностью. Твердость определяется как отношение силы вдавливания к 1 мм²площади отпечатка. По аналогии ствердостью Бринеля твердость по Виккерсу равна:

(5.6)

где S_отп- площадь отпечатка пирамиды на шлифованной поверхности.

Разнообразие методов определения твердости связана с необходимостью контролировать эту величину как для пластичных материалов с низкой твердостью, так и для очень твердых веществ и минералов.

В геологии широко используется оценка твердости веществ по эффекту, который проявляется при контакте одного тела с поверхностью другого. Характеристикой твердости является факт наличия царапины, которую оставляет более твердое тело на поверхности менее твердого. В качестве стандартов твердости на практике используют две шкалы - шкала Моса ишкала Брейтгаупта. В обеих шкалах самым мягким стандартом является тальк, а самым твердым - алмаз. В шкале Моса диапазон твердости разбит на 10 частей, в шкале Брейтгаупта - на 12. Стандартные по твердости минералы перечислены в табл. 5.2.

Таблица 5.2

Стандартные образцы твердости по Мосу и Брейтгаупту

Минерал	Твердость по шкале Моса	Твердость по шкале Брейнтгаупта
1. Тальк	1	1
2. Гипс	2	2
3. Слюда	-	3
4. Известковый шпат	3	4
5. Плавиковый шпат	4	5
6. Апатит	5	6
7. Роговая обманка	-	7
8. Полевой шпат	6	8
9. Кварц	7	9
10. Топаз	8	10
11. Корунд	9	11
12. Алмаз	10	12

Для определения твердости по шкале Моса или Брейтгаупта достаточно поцарапать поверхность исследуемого материала минералами, приведенными в табл. 5.2. Самое мягкое из перечисленных веществ, оставляющее царапину на исследуемом образце, определяет твердость либо по Мосу (от 1 до 10), либо по Брейнтгаупту (от 1 до 12).