Кіріспе

Қаттылықтың кез келген өлшемі, ол енуге қарсы келуге негізделген. Ену қаттылығын сынаулар машина жасау саласында материалдың деформацияға төзімділігін анықтау үшін қолданылады. Мұндай сынақтардың бірнеше түрі бар, онда зерттелетін материал із қалғанша басылады; бұл сынақтар макроскопиялық немесе микроскопиялық деңгейде жүргізілуі мүмкін. Металдарды сынау кезінде, ену қаттылығы созылу күшімен шамамен сызықтық байланыста болады, бірақ бұл байланыс әрбір ену геометриясы үшін күш пен қаттылықтың шағын диапазондарымен шектелген кемшілікке ие. Бұл қатынас металлдің көп мөлшердегі партияларын жеңіл, тіпті тасымалданатын құралдармен, мысалы, қолмен ұсталатын Rockwell қаттылық сынағыштарымен экономикалық тұрғыдан маңызды, құрылымды бұзбай сынауға мүмкіндік береді.

Материалдың қаттылығы

Материалдық сипаттамаларды кіші масштабта мөлшерлеу үшін әртүрлі техникалар қолданылады. Мысалы, жұқа пленкалар сияқты материалдардың механикалық қасиеттерін өлшеу дәстүрлі бір осьті созу сынақтарымен жүргізілмейді. Осыған байланысты, осы қасиеттерді бағалауға тырысу үшін материалды өте кішкентай із қалдырып басу арқылы материалдың "қаттылығын" сынау техникалары әзірленді. Қаттылық өлшемдері материалдың пластикалық деформацияға қарсы тұруын мөлшерлейді. Индентациялық қаттылық сынақтары материалдың қаттылығын анықтау үшін қолданылатын процестердің басым бөлігін құрайды және макро-, микро- және наноиндентациялық сынақтарға бөлінеді. Сондықтан, әртүрлі қаттылық техникаларының әртүрлі масштабтары болғандықтан, қаттылық материалдың пластикалық деформацияға қарсы тұруын салыстырмалы түрде ғана көрсете алады. Қаттылықтың теңдеуге негізделген анықтамасы – индентер мен сынақ үлгісі арасындағы контактілік аймаққа қолданылатын қысым. Осының салдарынан, қаттылық мәндері әдетте қысым бірліктерінде беріледі, бірақ бұл қысым тек индентер мен беткей арасындағы интерфейс толығымен тегіс болған жағдайда ғана "нағыз" болып саналады.

Микроиндентациялық сынақтар

"Микроқаттылық" термині материалдардың төмен күштермен сынау арқылы қаттылығын сипаттау үшін әдебиетте кеңінен қолданылады. Көбірек дәлдік үшін "микроиндетациялық қаттылық сынағы" термині қолданылады. Микроиндетациялық қаттылық сынағында, белгілі геометриясы бар алмаз индентер сынақ нұсқасының бетіне 1-ден 1000 гф-қа дейінгі белгілі күшпен (көбінесе "жүктеме" немесе "сынақ жүктемесі" деп аталады) басылады. Микроиндетациялық сынақтар әдетте 2 Н (шамамен 200 гф) күшке ие және шамамен 50 мкм тереңдіктегі іздерді қалдырады. Олардың ерекшелігіне байланысты, микроқаттылықты сынау микроскоптық деңгейдегі қаттылықтың өзгеруін бақылау үшін қолданылуы мүмкін. Өкінішке орай, микроқаттылық өлшемдерін стандарттау қиын; кез келген материалдың микроқаттылығы оның макроқаттылығынан жоғары екені анықталды. Сонымен қатар, микроқаттылық мәндері жүктемеге және материалдардың жұмыс істеу кезінде қатаю әсеріне байланысты өзгереді. Олар, сынақ нұсқасы үшін Бринелл қаттылық сандарына ең жақын нәтиже алу үшін қарама-қарсы жақтары арасында 136° бұрышы бар пирамида тәрізді пішінді таңдады. Викерс сынағының үлкен артықшылығы – барлық материалдарды сынау үшін бір қаттылық шкаласын пайдалану мүмкіндігі. Төмен жүктемелі Викерс индентері туралы алғашқы сілтеме 1932 жылы Ұлттық физикалық зертхананың жылдық есебінде жарияланды. Липс және Сак 1936 жылы төмен жүктемелерді қолданатын алғашқы Викерс сынағышын сипаттады. Микроқаттылықты сынауға қолданылатын жүктеме диапазоны туралы әдебиетте әртүрлі пікірлер бар. Мысалы, ASTM E384 спецификациясында микроқаттылықты сынау үшін жүктеме диапазоны 1-ден 1000 гф-қа дейін деп көрсетілген. 1 кгф және одан төмен жүктемелер үшін Викерс қаттылығы (HV) келесі теңдеумен есептеледі, онда жүктеме (L) грамм күшпен, ал екі диагональдің (d) орташасы миллиметрмен беріледі:

Кез келген жүктеме үшін қаттылық диагональ ұзындығы төмен болғанда жылдам өседі, бұл эффект жүктеме азайған сайын күшейеді. Осылайша, төмен жүктемелерде өлшеу қателіктерінің кішкентай өзгерулері қаттылықтың үлкен ауытқуларына әкелуі мүмкін. Сондықтан, кез келген сынақта мүмкіндігінше ең жоғары жүктемені қолдану керек. Сонымен қатар, қисықтардың тік бөлігінде өлшеу қателіктерінің кішкентай өзгерулері қаттылықтың үлкен ауытқуларына әкелуі мүмкін.

Қате көздері

Кеуекті сынаулардағы қателіктердің негізгі көздері – нашар техника, жабдықтың дұрыс калибрленбеуі және процестің кернеуді қатаңдату әсері. Алайда, «кернеусіз қаттылық сынақтары» арқылы тәжірибе жүзінде кіші кеуектіліктерде бұл әсердің минималды екені анықталды. Бөлшектің және кеуектің беткі өңделуі, егер кеуектің көлемі беттік тегіссіздікпен салыстырғанда үлкен болса, қаттылық өлшеміне әсер етпейді. Бұл практикалық беттердің қаттылығын өлшеу кезінде пайдалы. Сонымен қатар, беткі қабатты аз қалдырғанда да тиімді, себебі мұқият ойылған кеуектің іздерін тегіс кеуектің іздерінен қарағанда оқу оңайырақ. Кеуекті жасағаннан кейін, жүктеме алынған соң қалған іздер «қалпына келеді» немесе сәл кері қайтады. Бұл құбылыс тереңдеу деп аталады. Сфералық кеуектің пішіні симметриялық және сфералық болып қалады, бірақ радиусы үлкенейеді. Өте қатты материалдарда радиус кеуектің радиусынан үш есе артық болуы мүмкін. Бұл эластикалық кернеулердің босатылуымен байланысты. Осы әсердің салдарынан кеуектің диаметрі мен тереңдігінде қателіктер пайда болады. Диаметрдің өзгеруінен туындаған қателік бірнеше пайызды құрайды, ал тереңдіктегі қателік одан да жоғары. Жүктеменің кеуектің айналасындағы материалдың үйілуіне немесе шұңқырына түсуіне әсер ететін тағы бір факторы бар. Металл жұмыспен қатаңданған болса, ол үйіліп «кратер» құрайды. Металл қыздырылған болса, кеуектің айналасына сіңіп кетеді. Бұл екі фактор да қаттылықты өлшеу қателігін арттырады.