7. Твердость. Методы определения твердости

Твердость характеризует сопротивление материала проникновению в него более твердого тела (например, при вдавливании или царапании). Твердость связана с прочностью материала и в определенной степени характеризует его сопротивление износу.

Твердость обычно характеризуют числом твердости. Для пластичных материалов (металлов и сплавов), тканей зуба число твердости определяется как отношение нагрузки F, действующей на вдавливаемое тело (индентор), к площади S поверхности отпечатка, образовавшегося в материале после снятия нагрузки.

Методы измерения твердости различаются между собой формой индентора и материалом, из которого он сделан. Например, при определении твердости методом Бринелля в образец вдавливается стальной шарик, а методом Виккерса и Кнуппа – алмазная пирамидка.

Обозначения твердости: Н_B (или НВ) – твердость по Бринеллю, Н_V (или HV) – твердость по Виккерсу, Н_К (или HК) – твердость по Кнуппу.

Метод Бринелля используется в стоматологической практике для определения макротвёрдости металлов и их сплавов. В данном случае в испытуемый образец под действием нагрузки (Р) в течение определённого времени вдавливается металлический шарик. После снятия нагрузки на поверхности образца остается сферический отпечаток площадью S и диаметром М (рис. 8). Величина отпечатка зависит от твёрдости металла: чем он твёрже, тем меньше величина отпечатка.

Рис. 8 Схематичное представление испытания материала на твердость по методу Бринеля

Число твердости по Бринеллю обозначается НВ и определяется по формуле: или

,

где D –диаметр шарика; М – диаметр отпечатка; Р – нагрузка на шарик.

В случае определения твёрдости НВ шариком с D = 10 мм при нагрузке Р = 3000 кгс и времени выдержки t = 10 с число твёрдости записывают так: НВ400, НВ250, НВ500 и т.д. При использовании других условий испытания индекс НВ дополняют цифрами, указывающими диаметр использованного шарика (мм), нагрузку (кгс) и продолжительность выдержки (с). Например, НВ 5/750/30-350 – это число твёрдости по Бринеллю (350 кгс/мм²), полученное при вдавливании шарика с D = 5мм нагрузкой Р = 750кгс, в течении t = 30 c.

Основными современными способами определения твёрдости следует считать метод Виккерса и его усовершенствованный вариант - метод Кнуппа.

При измерении твёрдости по методу Виккерса в поверхность испытуемого образца или изделия вдавливают алмаз в форме пирамиды, в основании которой лежит квадрат с углом между противоположными гранями 136°.

Рис. 9 Схематическое представление испытания на твердость по методу Виккерса

Число твердости по Виккерсу (HV), вычисляют по формуле:

HV= 1,854,

где Р - нагрузка, кгс; М - среднее арифметическое длин обеих диагоналей отпечатка, мм.

При испытаниях применяют нагрузки от 50 до 1000 Н (от 5 до 100 кгс). Обычными условиями испытания считаются: нагрузка 300 Н (30 кгс) и время выдержки 10 – 15с. В этом случае твёрдость по Виккерсу записывается, например HV400, т.е. она равна 400 кгс/мм². Если условия испытания другие, то это отражается цифрами, причём сначала указывается величина нагрузки, потом – время выдержки. К примеру, запись HV20/40 – 250 означает, что при нагрузке 200 Н (20 кгс) и времени выдержки 40 с, твёрдость по Виккерсу равна 250 кгс/мм².

Для оценки твёрдости в малых объёмах, например, на зёрнах металла и его структурных составляющих применяют способ измерения микротвердости по Виккерсу, где в качестве индентора используется пирамида Виккерса. Нагрузка на индентор в этом случае невелика 0,05–5Н (0,005 – 0,5кгс), а размер отпечатка 5–30мкм. Ценность данного метода состоит и в том, что при его использовании вследствие малых нагрузок вдавливания удается испытывать очень тонкие и хрупкие образцы, определять твёрдость тонких поверхностных слоев материала и различных фаз, входящих в его состав. Поэтому метод можно использовать также для определения твёрдости структур, форми­рующих зуб. Важно и то, что, в отличие от метода Бринелля, метод Виккерса позволяет определить твёрдость мелких готовых изделий, не разрушая и не портя их вследствие малой величины отпечатка.

При определении твердости по методу Кнуппа используется алмазный индентор в виде ромбической пирамиды. При этом создается отпечаток в виде ромба, в котором одна диагональ в 7 раз длиннее другой.

Число твёрдости, определённое по методу Кнуппа (НК) определяется по формуле:

HK =12,87,

где Р - нагрузка на пирамиду, Н; М - величина длинной диагонали, мм.

Метод Кнуппа наиболее универсален, так как позволяет измерять твёрдость зубной эмали, дентина, металлических сплавов, золота, фарфора, резины и т.д.

В основе метода Мооса лежит использование шкалы Мооса – десятибалльной шкала твёрдости материалов, предложенной немецким минерологом Ф. Моосом. В этой шкале за эталоны приняты твёрдости следующих 10 материалов, начиная с наиболее мягкого: талька – принята за 1, гипса – 2, кальция – 3, флюорита – 4, апатита – 5, ортоклаза – 6, кварца – 7, топаза – 8, корунда – 9, алмаза – 10. Для определения твёрдости и места в шкале Мооса какого-либо материала его пробуют царапаньем: он будет мягче того минерала, который оставляет на нём царапину и тверже того, на котором он сам оставляет черту.

Твердость измеряется в СИ в H/м² = Па или для больших значений в МПа, ГПа (1 Па = 10^–9 ГПа = 10^–6 МПа). Однако на практике часто используют внесистемные единицы, в первую очередь, кгс/мм²:

1 кгс (килограмм-сила) = 1кг  9,81 м/с² ≈ 10 кгм/с² = 10 Н;

1 кгс/мм² ≈ 10 Н/мм² = 10⁷ Н/м² = 10 МПа.