Определение твердости металлов и сплавов

Существуют различные методы определения твердости: вдавливанием, царапанием, упругой отдачей.

Наибольшее распространение получил метод 

-вдавливания:

-вдавливание в металл стального шарика, (метод Бринелля)

-вдавливание в металл алмазного конуса, (метод Роквелла) вдавливание алмазной пирамиды(метод Виккерсса)

Определение твердости вдавливанием шарика проводят с помощью стальных шариков c d=2,5;5;10 мм, чем толще материал, тем большего диаметра применяют шарик. Чем тверже материал, тем больше нагрузка на шарик и больше время выдержки под нагрузкой. Твердость металла определяется отношением нагрузки F, действующей на шарик, к площади S, отпечатка шарика на материале.   

Определенная таким образом твердость называется твердостью по Бринеллю (в Па) и обозначается НВ:

       

(1.5)

 

 

  Где d иД- соответственно диаметр отпечатка на материале (d) и диаметр шарика (Д).

Недостатки определения твердости по Бринеллю:

можно определять твердость до 450 НВ. В противном случае возможна деформация стального шарика и искажение результатов;

нельзя определять твердость тонких поверхностных слоев толщиной менее 1-2 мм, т.к. стальной шарик продавливает тонкий слой металла;

от вдавливания шарика остаются заметные следы на образцах, и тонкие образцы выходят из строя.

По методу Роквелла твердость определяют при вдавливании алмазного конуса с углом 120 градусов или стальным шариком Д=1,58 мм. (Для нетвердых металлов до 220 НВ) при нагрузке 981Н(100кГс). Твердость по Роквеллу является величиной условной, характеризующей разность глубин отпечатков от предварительной нагрузки(98Н) и основной нагрузки(1471).Число твердости по Роквеллу обозначается HR с добавлением индекса, шкалы по которой проводилось испытание(НRВ, НRС).

Очень твердый материал испытывают при нагрузке 588Н(60кГс) число твердости обозначается HRA.

HRB- красная шкала при вдавливании стального шарика до 220HR.

HRC- черная шкала при вдавливании алмазного конуса.

По методу Виккерса твердость определяется по формуле:

 

                      HV=l,854P/d²                                                          (1.6)

где Р- нагрузка (1-100кГс), 

   d- среднее арифметическое значение длины обеих диагоналей отпечатка, после снятия нагрузки.

Замерение отпечатка по диагонали производится с помощью микроскопа, находящегося на приборе. По этому методуожно определять твердость оксидных пленок, стекла и т.д.

Недостатков метода Виккерса при определении твердости вдавливанием алмазной пирамиды нет. В этом случае в материал вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136 градусов, нагрузка- 1-100 кГс

Твердость чистых металлов в отожженном состоянии по Бринеллю составляет у Na- НВ 0,07, свинца НВ З,9 А1-НВ 25, Cu-HB35, Fe-HB50,W-HB202.

Тепловые характеристики

Температура плавления (Т_пл) и температура размягчения (Т_р) определяются у материалов соответственно кристаллического и аморфного строения. При этом, если температура Т_{пл –}  строго фиксированная величина для каждого кристаллического материала, то Т_р – несколько условная величина, зависящая от способа ее определения.

Температура плавления—температура перехода из твердого состояния в жидкое, связанное с разрушением

кристаллической решетки. По Т_пл все металлы разделяются на

  - легкоплавкие - Т_пл < 500⁰ С (галлий, -29,7⁰ С, индий – 156⁰ С, кадмий -321⁰ С, олово - 232⁰ С, свинец - 327⁰ С, цинк 410⁰ С);

- тугоплавкие - Т_пл >1700⁰ С (вольфрам - 3400⁰ С, молибден-2620⁰ С, ниобий-2500⁰ С,тантал-3000⁰ С, хром- 1900⁰ С, рений- 3180⁰ С);

-со средней температурой плавления-500⁰С<Т_пл<1700⁰С (алюминий- 11660⁰ С, медь-1083⁰ С, серебро- 961⁰ С, железо- 1540⁰ С, никель- 1453⁰ С и др.)

Теплоемкость С (Дж/⁰C Дж/К) – это отношение количества теплоты, сообщенной телу, к соответствующему повышению температуры. Удельная теплоемкость с (Дж/(кг.К)) – это отношение теплоемкости к единице массы материала.

 

Таблица 1.2 - Коэффициенты теплопроводности некоторых материалов

	l (Вт/(м.К))	материал	l (Вт/(м.К))
воздух	0,05	вода	0,58
асбестоцемент	0,087	фарфор	1,6
битум	0,09	графит	18
бумага	0,1	железо	68
лакоткань	0,13	латунь	109
текстолит	0,25	дюралюминий	172
фторопласт	0,252	алюминий	218
гетинакс	0,35	медь	406

Коэффициент теплопроводности l (Вт/(м.К)) характеризует способность материала переносить теплоту от более нагретых частей материала к менее нагретым и определяется как коэффициент пропорциональности в уравнении Фурье: ∆Q=l∆ TS/(∆ℓ), где ∆Q- мощность теплового потока, Вт, сквозь площадку материала S, м², перпендикулярную потоку; ∆T/∆ℓ- градиент температуры, К/м. Некоторые значения l приведены в таблице 1.2

Температурный коэффициент линейного расширения a_ℓ  характеризует изменение линейных размеров материала при изменении температуры. Этот коэффициент необходимо особенно учитывать в случаях совместной или сопряженной работы различных материалов, например, металл-стекло, металл-керамика и т.д. Количественные значения a_l  контактирующих материалов должны быть близки, чтобы не возникали недопустимые напряжения на стыках, в спаях и т.п., приводящие к разрушению одного из материалов. Величина a_l   определяется выражением,

                                    (1.7)

 

которое показывает, во сколько раз изменится линейный размер (длина) образца материала при изменении температуры на один градус.

Численные значения a_l  металлов колеблются в широких пределах, от 4 10^-6 К^-1 (для вольфрама) до 182 10^-6 К^-1 для ртути.

 

Теплостойкость позволяет оценить стойкость диэлектриков к кратковременному нагреву. Она зависит от способа ее определения(по Мартенсу, по Вика) и характеризуется температурой, при которой образцы начинают претерпевать либо опасную деформацию, либо существенно изменять твердость.

 Температура вспышки паров жидких диэлектриков – это температура, при которой пары и газы, образующиеся при постоянном нагревании заданного объема жидкости, вспыхивают (но продолжительно не горят) при соприкосновении их с открытым пламенем. Эта характеристика представляет собой интерес при оценке трансформаторного масла и растворителей для лаков.

Класс нагрево-стойкости	Предельно допустимая температура, С0	Класс нагрево-стойкости	Предельно допустимая температура, С0
Y	90	H	180
A	105	200	200
E	120	220	220
B	130	250	250
F	155	и т.д. через 25 С0

 

Таблица1.3 - Классы нагревостойкости

электроизоляционных материалов

 

 Нагревостойкость — это способность   электроизоляционного материала длительно выдерживать предельно допустимую температуру без ухудшения его свойств. В зависимости отзначений допустимых при эксплуатации температур диэлектрики различают по классам нагревостойкости (таблица 1.3)

В настоящее время вместо класса нагревостойкости все чаще употребляют температурный индекс, соответствующий температуре (в ⁰С), при которой срок службы материала равен 20 000 ч.

Холодостойкость позволяет оценить способность материалов противостоять действию низких температур. При низких температурах электрические свойства диэлекриков, как правило, улучшаются, но механические ухудшаются, поэтому холодостойкость определяется на основе изучения механических характеристик.

Тропикостойкость определяется у электроизоляционных материалов, предназначенных для электрооборудования, работающего в условиях тропического климата. В таких условиях на материал влияют следующие факторы; высокая температура воздуха(до 55⁰С), резкое изменение ее в течение суток (на 40⁰С и более), высокая (до95%) и низкая влажность воздуха, интенсивная солнечная радиация, плесневые грибки, наличие в воздухе пыли и песка, насекомые и т.д.