Точное определение твердости материалов сопряженных деталей машин, их подбор по критерию твердости имеют первостепенное значение при конструировании и изготовлении машин. Очень часто надежность машин зависит от правильного выбора твердости рабочих поверхностей взаимодействующих деталей; например, для направляющих металлорежущих станков правильное назначение и обеспечение заданной твердости определяет их работоспособность в течение всего срока службы. Представим себе, как при работе станка его суппорт или рабочий стол с короткими направляющими перемещаются несчетное число раз по длинным направляющим станины станка. Если твердость коротких направляющих станочного узла будет значительно превышать твердость длинных направляющих («рельсов»), по которым он перемещается, то в процессе работы более твердые короткие направляющие «выроют яму» в длинных. В первые месяцы эксплуатации станка эта «яма» измеряется микрометрами, а через год-другой достигнет сотых и десятых долей миллиметра. В результате станок потеряет точность, станет неработоспособным. Восстановление же направляющих — очень трудоемкий процесс, поэтому станкостроители стараются, чтобы твердость длинных направляющих была более высокой, чем коротких. В таком случае короткие направляющие изнашиваются равномерно, а у длинных не изменяются размеры. И станки сохраняют точность длительное время.
Понятие «твердость» очень распространено и часто встречается в повседневной жизни. Впервые твердость вещества была измерена в минералогии. В 1811 году немецкий минералог Ф. Моос составил шкалу твердости различных минералов. Эта шкала так и называется — шкала Мооса. При составлении шкалы более твердым считался минерал, которым можно нанести царапину на поверхность другого минерала. Шкала Мооса выглядит следующим образом: 1 — тальк; 2— гипс; 3 — известковый шпат; 4 — плавиковый шпат; 5 — апатит; 6 — полевой шпат; 7 — кварц; 8 — топаз; 9 — корунд; 10 — алмаз.
Порядковый номер соответствует твердости по шкале Мооса. Здесь каждый предыдущий минерал мягче, чем последующий. Отсюда можно сделать вывод, что Моос понимал под термином «твердость» способность одного вещества оказывать сопротивление проникновению в него другого вещества. Он предложил следующее определение термина «твердость»: твердость — это сопротивление, оказываемое испытуемым телом внедрению в его поверхность другого, более твердого тела определенной формы и размеров. Применяют различные методы определения твердости материалов. При измерении твердости металлов применяют стандартные наконечники — инденторы, которые со строго нормированной силой вдавливают в испытуемый образец в течение строго определенного времени. По величине отпечатка судят о твердости материала: чем мягче материал, тем больше площадь отпечатка. Если твердость образца равна или превосходит твердость индентора, то никакого отпечатка на нем после испытания, конечно, не останется.
При определении твердости на предприятиях довольно часто смешивают понятия: измерение твердости и контроль твердости. Их необходимо четко разграничивать.
При измерении твердости сравнивают твердость испытуемого образца с твердостью образца из аналогичного материала. Результатом измерения является число, показывающее, сколько раз единица твердости содержится в числе, показывающем твердость испытуемого образца.
При контроле твердости устанавливают соответствие между твердостью испытуемого материала и ее значением по ГОСТ или ТУ.
Все методы измерения твердости можно разделить на группы: статические, динамические и специальные.
Наибольшее применение получили статические методы определения твердости. Динамические методы применяются чаще всего для экспресс измерений твердости непосредственно на производстве — в цехе, на участке.
Статические методы измерения твердости предусматривают медленное и непрерывное вдавливание индентора в испытуемый материал. Сила при этом строго регламентируется. В результате возникает местная деформация материала, имеющая, как и при сжатии, упругую и пластическую составляющие. Для определения твердости материала имеет значение лишь пластическая составляющая. Измеряют глубину отпечатка или величину его проекции и затем по формулам определяют твердость материала.
Основными статическими методами определения твердости в производственной практике и при проведении научно-исследовательских работ являются методы Бринелля, Роквелла и Виккерса.
В 1900 году шведский инженер Ю. А. Бринелль опубликовал описание метода определения твердости, основанного на вдавливании шарика в поверхность испытуемого материала. Тогда же на Всемирной выставке в Париже была продемонстрирована соответствующая аппаратура. Метод Бринелля получил широкое распространение во всем мире. Он стандартизован практически во всех промышленно развитых странах.
Суть метода Бринелля состоит в том, что шарик определенного диаметра D под действием приложенной нагрузки F вдавливается в испытуемый материал в течение заданного времени. Обычно это время составляет 10 с. Это необходимо и достаточно для того, чтобы процесс течения успел пройти до того, как будет снята нагрузка. В результате пластической деформации, которая происходит при вдавливании шарика, на поверхности возникает отпечаток сферической формы (рис. 11). Твердость по Бринеллю НВ рассчитывают как отношение силы, действующей на шарик, к площади отпечатка:
V-HB=/7s 0, где F — приложенная нагрузка; S0 — площадь отпечатка.
Площадь отпечатка является не чем иным, как хорошо знакомой из школьной геометрии площадью поверхности шарового сегмента. В формуле расчета твердости она фигурирует в приведенном виде:
So=nDt, где D — диаметр шарика; t — глубина отпечатка. Таким образом, твердость по Бринеллю рассчитывают по формуле
