51

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: Ознакомиться с методами измерения твёрдости материалов. Определить твёрдость различных материалов по методу Бринелля.

Приборы и оборудование: установка для определения твёрдости по методу Бринеля, измерительный микроскоп, набор гирь, образцы из свинца, меди, алюминия и разных пломбировочных материалов.

Теория работы

Все материалы характеризуются механическими, физическими, химическими и технологическими свойствами. К механическим свойствам относится способность материалов сопротивляться деформирующему и разрушающему воздействию внешних механических сил в сочетании со способностью при этом упруго и пластически деформироваться. К основным механическим свойствам относятся: твёрдость, прочность, пластичность и усталость материалов.

Чтобы получить количественное выражение любого свойства, материал подвергают механическим испытаниям с помощью специальных машин и приборов. При этом на материал воздействуют статическими и динамическими нагрузками, подвергая его деформациям растяжения, сжатия, изгиба, кручения, удара и т.п. Испытания проводят на образцах определённых размеров с соблюдением всех технологических особенностей и в соответствии с установленными государственными стандартами. Результаты испытаний принято выражать в определённых единицах, что позволяет сравнивать материалы по их механическим свойствам.

Одним из важнейших показателей многих конструкционных и пломбировочных материалов является их твердость. Твёрдостью называется способность тела оказывать сопротивление при внедрении в его поверхность другого тела.

Испытание на твердость всегда производится на поверхности образ­ца или на поверхности его разреза и носит характер внедрения через нее в материал дру­гого тела небольших размеров, более твердого, нежели исследуемый материал. Твердость определяется по результатам локальной пластической деформации материа­ла в пределах мало­го объема. Способы и условия получения деформации при этом весьма разнообразны. По этой причине существует много методов определения твердости, отли­чающихся: а) формой проникающего тела и б) способами про­никновения. Общим условием любого метода определения твердости является осуществление сосредоточенного на поверхности образца механического давления, которое создается для данного метода одним и тем же телом оп­ределенных размеров и формы, которые не должны изменяться под на­грузкой.

Величины, характеризующие твердость, называются числами твердости. Определяемые разными спосо­бами, они различны по величине и по размерности и всегда со­провождаются указанием способа их определения.

Наибольшее применение получили следующие методы измерения твёрдости материалов: статическое вдавливание стального шарика (Бринель, обозначение твердости H_B). Для более твёрдых материалов вдавлиают алмазные конуса (Роквелл; обозначение твердости H_R) или пирамиды (Виккерс, обозначение Н_W). Из других способов следует отметить царапание материала алмазным конусом. В последнее время успешно развивается метод определения микротвердости по результатам вдавливания в поверхность испытуемых образцов при небольших нагрузках малых алмазных нако­нечников и последующем измерением по­лученных микроскопических отпечатков.

Такие исследования расширяют знания о механических характеристиках естественных и искус­ственных материалов. Исследование твердости естественных зубов позволяет выявить наиболее «опасные» зоны в зубных рядах и отдельных зубах. Знание твердости стоматоло­гических материалов позволяет вырабатывать рекомендации об использовании их для протезирования в рото­вой полости.

Для сравнения в таблице 1 приведены значения микротвёрдости некоторых зубных тканей и пломбировочных материалов.

Таблица 1

№	Материал	Микротвердость НВ, кГ/мм2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10	Зубная ткань: эмаль дентин цемент Амальгама: медная марки МО серебряная Цемент: силидонт силицин Пластмасса: норакрил дентоксин	324 75 54 200 141 112 120 90 22 28

В настоящей работе проводится определение твер­дости различных материалов по методу Бринеля. Схема испы­тания приведена на рис. 1.

Сущность ис­пытания заключается в том, что в образец вдавливают стальной шарик определенного диаметра D. Шарик выдерживают некоторое время (60 с) под нагрузкой, в результате чего на поверхности образца остается отпечаток (лунка) диаметром d. Отношение нагрузки в килограммах к площади поверхности отпечатка в квадратных миллиметрах называется числом твердости по Бринелю.

. [Н_В] = Н/м² . (1)

Площадь поверхности отпечатка можно вычислить по формуле

. (2)

Таким образом, число твердости по Бринелю являет­ся функцией диаметра отпечатка d, который зависит от величины нагрузки F и от диаметра шарика D.

Описание установки

На рис. 2 представлено схематическое изображение установки для измерения твёрдости материалов. На основании 1 установлена скоба 2, на верхнем конце которой закреплен держатель 3. В держатель 3 вставлена направляющая муфта 4, внутри которой скользит с очень малым трением шток 7. На верхнем конце штока располагается платформа 6, на которую для создания нагрузки в процессе работы устанавливают гири 5. На нижнем конце штока закреплён держатель 8 с шариком 9. Образец 10 располагается под шариком 9 на подъёмном столике 11. Поднятие и опускание столика осуществляется маховичком 12. Закрепление подъёмного столика в рабочем положении о существляется фиксатором 13.

Порядок выполнения работы

1. Извлечь фиксатор 13 и маховичком 12 опустить подвижный столик 11 до упора вниз.

2. Поместить на подвижный столик 11образец из исследуемого материала.

3. Вращая маховичок 12, медленно поднять столик 11 до соприкосновения шарика 9 с поверхностью образца.

4. Продолжая вращение, приподнять шток вместе с платформой и гирями на несколько мм вверх.

5. С помощью фиксатора, который вставляют в отверстие расположенное внизу столика, закрепить платформу в этом положении (фиксатор на рисунке не показан).

6. Выждав 60 секунд, фиксатор извлечь, а столик опустить до упора вниз.

7. Передвинуть образец и при тех же условиях получить ещё два отпечатка.

8. С помощью измерительного микроскопа измерить диаметры d полученных отпечатков по двум взаимно перпендикулярным направлениям и найти их среднее значение. (Цена деления окулярной сетки микроскопа дана).

9. По формуле (2) рассчитать площадь S поверхности отпечатков.

10. Вычислить по формуле (1) значение твёрдости H_В материала, используя известное значение диаметр шарика D.

11. Полученные в процессе работы данные, занести в таблицу 2.

Таблица 2

№ отпечатка	Диаметр отпечатка, мм			Площадь отпечат­ка м2	Усилие сжатие Н	Число твердости по Бринелю НB, Н/м2
	1 изме­рение	2 изме­рение	среднее значение
1 2 3 4 5

Исследования выполняют для образцов из свинца, меди и других материалов.

Контрольные вопросы

1. Что понимается под твердостью материала?

2. Перечислите основные методы определения твер­дости материалов. Чем они отличаются?

3. Любой ли материал можно испытать на твердость по методу Бринеля?

4. Для чего в работе при определении твердости вы­держивают образец под давлением в течение 60 с?

5. Связана ли твердость материала с его проч­ностью?

6. Почему необходимо знать твёрдость стоматологических материалов?

7. Что понимают под механическими свойствами материалов?

8. Назовите основные механические свойства материалов.