> Техника, страница 80 > Склерометрия

Склерометрия

Склерометрия, отдел измерительной физики, количественно устанавливающий степень твердости физич. тел. Наибольшее практич. значение С. получила при испытании металлов и металлич. сплавов, минералов и горных пород, а также древесины и различных искусственных твердых материалов, относящихся к пластинкам. С. близка к малакомешрии (смотрите), но в отличие от последней имеет дело преимущественно с телами значительной твердости, тогда как малакометрич. испытаниям подвергаются тела, степень твердости которых чрезвычайно мала. Склерометрии. испытание принадлежит к числу важнейших в материаловедении и без С. не обходится ни одна металловедческая или металлотехнологич. работа, как равным образом це обходится ни одно минералогия, исследование. В связи с этим понятно обилие литературы по физич. основаниям, способам и приемам испытания и аппаратуре в области С Тем не менее важнейшие вопросы С. не получили еще достаточного разъяснения, и самое понятие твердости как характеристики материала—физической величины, подлежащей измерению,—остается смутным, многозначным и даже просто пестрым; мало того, рядом исследователей самое существование твердости как свойства, составляющего непротиворечивое содержание имеющегося или хотя бы возможного понятия, отрицается. В результате в литературе появлялись статьи, даже заголовки которых приводили термин «твердость» в кавычках: в самых же“ статьях предлагалось вовсе устранить этот термин. Провести подобную меру было бы конечно весьма не легко, поскольку в общественном сознании слово «твердостью несет службу едва ли не наиболее обычного ха-рактеризования материалов, им. б. именно ветвистость этого термина делает его особенно приемлемым в практич. жизни и в технике. С другой стороны, справедливые указания на многозначность и внутреннюю неотчетливость термина «твердость» свидетельствуют не столько о его недостатках, сколько о его рабочей ценности, ведущей к широкому многообразному употреблению, и о пристальном внимании исследователей; как известно всем, занимавшимся анализом терминов и понятий, всякий термин оказывается при внимательном исследовании многосложным, многозначным * и даже содержащим противоречия, то есть находящимся во внутреннем (диалектическом) движении. Чем теснее связан термин с практикой, тем ярче выступают эти его свойства. Т. о. отмеченная исследователями многозначность термина твердость должна считаться достаточным основанием вовсе не к вычеркиванию этого термина, а напротив, к поддержке, и не к уничтожению С., а к дальнейшему развитью ее.

Согласно наиболее широко принятому определению под твердостью разумеют сопротивление, которое оказывает тело внедрению в него другого тела. Это сопротивление зависит от формы и размеров внедряющегося тела, от скорости его внедрения и наконец от свойств, окружающей среды, если предположить все прочие условия, t° к другие, во всех случаях тождественными. Отсюда понятно, что в соответствий с родом того или другого из указанных факторов сопротивление, оказываемое телом, может получать характеристики твердости, разнящиеся не только количественно, но и качественно, по самому смыслу. Т. о. многозначность термина твердость объясняется тем, что соответственное свойство тел не может рассматриваться как абсолютное, безотносительное к чему бы то ни было, но, наоборот, соотнесено с тем воздействием на теле, при к-ром твердость обнаруживается. Механич. внедрение тела в другое тело идет на пограничной поверхности этого тела и в течение всего процесса остается на границе, вновь образующейся взамен разрушенной. Именно через эту границу происходит деформация тела, дающего в себе место внедряющемуся. Эта последняя м. б. либо упругой либо пластической. Третий вид деформации, то есть разрыв тела, относится к уже указанному моменту—образованию новой поверхности. Следовательно при внедрении тела в другое необходимо учитывать работу образования новой поверхности, то есть, иначе говоря, энергетич. зарядки поверхности в связи с растрескиванием, раздроблением и измельчением тела, затем работу упругой деформации тела, то есть энергетич. зарядки его объёма, далее работу пластич. деформации, по существу родственной раздроблению тела и энергетич. зарядке внутренних поверхностей (смотрите Пластичность); наконец в отдельных случаях сюда м. б. присоединены затраты работы на особые процессы—полиморфные превращения (сахар, сера и т. д.), свечение (сахар, слюда, мел, стекло и т. д.), электризацию, звук и т. д. наряду с неизбежным во всех случаях нагреванием. В зависимости от условий процесса внедрения наиболее выступает та или другая статья энергетич. расхода и в соответствии с нею—тот или другой из моментов в понятии твердости; отсюда идут различные и повидимому ничего общего не имеющие между собою направления С. Однако во всех способах испытания на твердость обнаруживается существенное отличие твердости от жесткости, характерно выступающее в резине: не обладая жесткостью, резина тверда (не царапается, не получает бринельско-го отпечатка и дает число Шора 40, тогда как у железа оно равно 38).

Разрушение поверхности. Способность тела выносить действие механических усилий, направленных на разрушение его поверхности, издавна признавалась наиболее важной характеристикой его твердости. В соответствии с этим возникли различные житейские приемы испытания тел на твердость, которые получили затем б. или μ. отчетливую технич. формулировку. Это именно царапание, сошлифовывание, истирание, сверление, резание, измельчение поверхности.

Царапание. Простейший из приемов— царапание ногтем, острым ребром камня, металл ич. острием и т. д. Среди техников и до настоящего времени живет деление лаковых смол и пленок на царапающиеся ногтем и не-царапающиеся. Дальнейшим усовершенствованием этого приема была общеизвестная десятичная шкала твердости, введенная в минералогию в 1822 г. Мосом (табл. 1).

Таблица 1.—Шкала твердости по Мосу.

Число твердости	Эталон твердости	Химическая формула	Характеристика
1	Тальк	4Si02-3Mg0 •Н О	Легко скоблится ногтем
2	Гипс	CaS04-2H20	Скоблится ногтем только на ребрах
3	Кальцит (известковый шпат)	СаСОз	Не скоблится ногтем, но легко скоблится ножом
4	Флюорит (плавиковый шпат)	Са F2	Скоблится лишь с трудом, но легко царапается
5	Апатит	(P04)Ca5F	Не скоблится и с трудом царапается
6	Ортоклаз	К2 Al-iSieO χ6	Стальное острие внедряется лишь при сильном давлении
7	Кварц	I Si О 2	(Царапают сталь; при
8	Топаз	I Si04Al2F2	} черчении их сталью оста-
9	Корунд	I А1*Оз	) ется серая черта с
10	Алмаз	1 с	(металлич. блеском

Испытание состоит в том, что гладкую поверхность испытуемого тела пробуют царапать острым ребром или углом одного из минералов шкалы и, сдувая частицы образовавшейся пыли, смотрят, образовалась ли на испытуемом теле царапина. Если она образовалась, то берется минерал шкалы менее твердый, если же царапина не образовалась, то берется минерал более твердый. Этими последовательными пробами устанавливают те два рядом стоящие минерала, из которых один царапает данное тело, а другой нет; числом твердости данного минерала считается тогда число, промежуточное между чи твердости означенных минералов. Может случиться, что один из минералов царапает испытуемое тело, но и сам царапается им; тогда балл твердости испытуемого тела признают равным ранговому числу минерала в шкале Моса. Чтобы не слишком портить мягкие эталоны шкалы, следует идти от более твердых к более мягким. В шкале Моса известные степени, или скорее ступени твердости, закрепляются в качестве неизменного свойства определенных 10 минералов, причем самые эталоны твердости допускают проверку лишь посредством отождествления данного образца минерала с известным минералогии. видом. Однако очевидно, что отождествление лишь приблизительное и для него остаются неуловимыми более тонкие минералогии, разности, а также особенности сложения минерала. Твердость каждого йз эталонов Моса, что бы ни разуметь под понятием твердости, не может считаться однозначно связанной не только с данным минералом, но даже и с данным образцом его, т. к. значение твердости тела несколько меняется с положением поверхности и направлением линии на ней и даже со смыслом движения по этой линии. Кроме того при испытании твердости царапанием может полу-

Т а б л. 2.—Д анные о значении твердост! царапанием для некоторых минерало! и металлов.

Характеризуемое тело	Балл по шкале Моса
Воск (при 0°).	1 0,2
Глина	0,3
Графит (условное значение),С	0,5—1
Каолин.	1
Тальк, 3MgO· - 4Si02-H20	1 ; i
Горшечный камень.	1
Кераргирит,: AgCl. ·	1
Молибденит, MoS2.	1—1,5 1,5
Свинец, РЬ.
Литое олово.	1,5
Озокерит.	1—2
Реальгар, AsS	1,5—2
Вивианит, 3FeO · • Ρ205·8Η20.	1,5—2
Аурипигмент, As^S3 - -.	1,5—2
Натровая се	1,5—2
литра, NaNOs
Сильвин, КС1.	2
Калиевая селитра, KNO3 · Железный купорос.	2
	2
Гипс, CaS04.	1,6—2
Сера, S.	1,5—2,5
Антрацит, С	2,2
Алюминий, А1.	2
Квасцы.	2—2,25
Бурый уголь, лигнит	2—2,5
Киноварь, HgS	2—2,5
Витерит, ВаС03	3—3,7
Малахит, 2СиО · • со2н2о.	3,5—1
Пироморфит, Р05С1[РО4]з.	3,5—1
Азурит, 2СиСОз-Си(ОНЦ	3,5—1
Халькопирит, СиFeS2.	3,5—1
Куприт, Со2О	3,5—1
Доломит, СаО· •MgO-2COa.	3,8—1
Стронцианит, SrC03.	1
Арагонит, СаСОз	1
Плавиковый шпат, CaF2. Барит, BaS04	4
	4
Манганит, Мп2-03Н20.	1,2—1,1
Платина, Pt.	4,3
Железо, Fe	1,5
Лейкофан, NaF· •Ca0-Be0-2Si02	1—5
Палладий, Pd.	4,8
Галмей, 2ZnO · •Si02*H20.	5
Мягкая сталь -	5
Оконное стекло	5
Асбест.	5
Апатит, ЗСа3-(P04)2*CaFCl.	5
Анатаз, ТЮ2 *	5—5,5
Магнетит, Fe304	5—5,5
Лепидокрокит, Fe203H20. ·	5,5
Роговая обманка.	5,5
Шмальтин.	5,5
Лазурит, 3Na2-0 · ЗА120з · •6Si02*2Na2S.	5,5
Брукит, ТЮ2.	5,5—6
Благородный опал.	5,5—6
Шпинель, MgO· А120з · «	8
Хризоберилл, ВеО · А120з	8,5
Твердая сталь	8,5
Корунд, А120з	9

Характеризуемое ^кале° ^тел0 I Моса

Мусковит, К20· •3Al203-6Si02-•2Н20.	2—2,5
Висмут, Bi.	2—2,5
Полибазит, 8Ag2S-Sb2S3.	2—2,5
Галит (каменная соль), NaCl.	2,5
Аргентин, Ag2S	2—2,5
Халькантит, CuS04-5H20.	2,5
Свинцовый блеск, PbS.	2,5
Серебро, Ag.	2,5—3
Янтарь	2,5—3
Медный блеск, Cu,S.	2,5—3
Биотит (К, Н)2-(Mg, Fch(Al, Fe)2 (Si04)3.	2,5—3
Медь, Си.	2,5—3
Золото, Au.	2,5—3
Известковый шпат (кальций), СаС03.	3
Мрамор.	3
Борнит, FeS* •2Cu;.S -CuS -	3
Тяжелый шпат, BaS04.	3,3
Сурьма, Sb	3—3,5
Сфалерит, ZnS Арагонит, СаС03	3,5
	3,5
, As.	3,5
Миметезит, РЬ5-C1[As04]3.	ц.? 1
Латунь.	3,0 !
Гематит, Fe203	5,5—6,5
Хорошая сталь	6 1
Адуляр.	6 i
Авгит.	6
Полевой шпат	6
Железный блеск	6 i
Иридий, 1г.	6 !
Бирюза, За1203-•СиО ·2Ρ205· •9Н20..	6 i
Пирит, FbS2.	ί 6—6,5
Рутил, ТЮ2.	6—6,5
Иридистая платина.	6,5
Сперрилит, Pt-As2	6,5 !
Марказит, FeS*	6,5
Гематит, Fe203	6,5
Франклинит (Zn, Fe, Mn)0-(Fe, Mn)203.	6,5
Хризолит.	6,5—7 1
Кремень, Si02.	7 i
Горный хрусталь, Si02. Кошачий глаз, Si02..	1 7 1
	7 ;
Яшма, Si02.	7 1
Агат, SiOa.	7
Гранат.	7
Турмалин.	7,5 j
Лаурит (Ru-
03bS3.	7,5
Циркон, Zr02· Si02.	7,5
Андалузит, Al2-03-Si02.	7,5
Берилл, ЗВеО* •Al203-6Si02	7,8
Изумруд.	7,5—8 I
Фенакит, Ве2-Si04.	7,5—8 !
Топаз, 2(a1F)0 · •Si02.	8 !
Сапфир.	9 1
Рубин ·.	9 !
Алмаз, С.	10
Черный алмаз	10 i

чаться ошибочный вывод из-за плоскостей спайности, когда минерал собственно не сцарапывается, а сдвигается по плоскости спайности; при весьма хорошо развитых плоскостях спайности, наир, у графита, суждение о твердости нередко высказывается существенно ошибочное. Наконец самый выбор эталонов твердости не вполне удачен, поскольку последовательные ступени твердости не равны между собою, и именно сравнительно малы в промежутках между баллами 3—4 и 4—5; т. о. за шкалою твердости Моса можно признать лишь ранговый порядок твердости, но и то условно, потому что не всегда удается расположить по твердости тела в один бесспорный ряд даже по ч Моса. Доказательством этого могут служить многочисленные учебники и справочники минералогии с их расходящимися сведениями о твердости различных минералов. Тем не менее шкала Моса, дающая определение чрезвычайно быстро, без приборов, вычислений и даже навыков, распространена чрезвычайно широко и едва ли м. б. оставлена. В виду ее практич. незаменимости делались и делаются различные дополнения и усовершенствования ее, позволяющие устанавливать более точно ранговое место испытуемого материала. Одна из попыток приведена в таблице 2. Затем был предложен в качестве шкалы твердости набор стальных брусочков разной закалки. Другая шкала твердости, более рациональная по замыслу, но трудно осуществимая практически, была предложена еще в 1722 г. Реомюром; шкала состояла из стандартного бруска, твердость которого изменялась от одного конца к другому и могла быть однозначно связана с расстоянием вдоль бруска. Стандартный брусок царапался испытуемым телом.

Потребность выразить твердость на царапание количественно привела к изобретению новых приборов, называемых склерометр а-м и. Склерометр Зеебека (1833 г.) состоит из равноплечего рычага, на, одном конце которого сверху укреплена чашка для груза р, а снизу— вертикальное стальное или алмазное острие s (фигура 1). Пластинка к испытуемого тела устанавливается горизонтально на подвижную пластинку прямо под острием. Подставка может двигаться в разных направлениях и кроме того может сдвигаться параллельно себе. На чашку кладут груз до появления царапины, когда пластинка движется. Твердость тела вы- I

ражается нагрузкою чашки. Ч~~1

_Й, шв

_

1 fi

Фигура 1. Фигура 2.

Процесс царапания, сопровождаясь некоторым внедрением острия в испытуемое тело (фигура 2), дает реакцию тела, нормальную к поверхности острия, и т. о. возникает наряду с вертикальной слагающей, выталкивающей острие из тела и равной нагрузке на острие, также горизонтальная слагающая, тормозящая относительное движение острияитела. Р. Франц (1850 г.) измерял обе слагающие. Прибор, подобный склерометру Зеебека, построил Тернер (1887 г.), причем твердость измерялась минимальной нагрузкой (в г) на алмаз,

к-рый производил заметную царапину на поверхности испытуемого тела. Из более новых склерометров распространением пользуется прибор-

Фигура з.

A. Мартенса(1888 г.) (фигура 3). На доске с уравнительными винтами помещено на призме коромысло, снабженное на одном конце алмазом, вершина которого отшлифована под углом 90°, а на другом—указателем, позволяющим проверять горизонтальность коромысла. С помощью противовеса е и перемещающейся гайки х груз м. б. уравновешен; перемещением же груза с вдоль рычага дается различная нагрузка алмазу. Испытуемое тело А укрепляется (воском или менделеевской мастикой) на платформе

B, допускающей перемещение по вертикали и параллельно себе, перпендикулярно к направлению рычага, а кроме того скользящей под алмазом в направлении рычага под действием пружины. Мерою твердости принимается или нагрузка, дающая черту шириною 0,01 миллиметров (Мартенс) или еле заметную черту (Тернер).

В некоторых случаях при ускоренных испытаниях измеряется ширина d черты, соответствующая некоторой определенной нагрузке Р, и за меру твердости принимается ~ или ~ или число R_M(Е. Мейер, 1908 г.). Если число твердости по Мейеру, как и число твердости по Мартенсу найдены при одной и той же ширине черты 0,01 миллиметров, a R_M измерено в т/мм², то число Мейера равно 25,5 числа Мартенса, Нахождение чисел Мартенса и Мейера довольно кропотливо, т. к. заранее неизвестно, при какой нагрузке ширина черты будет 0,01 миллиметров, то поэтому сперва вычерчивается кривая зависимости между шириною черты и соответствующей нагрузкой, а затем по этой кривой интерполяцией находят искомую нагрузку. Вид подобных кривых показан на фигуре 4 (по Е. Мейеру) для металлов и на фигуре 5 (по П. А. Флоренскому) для плас-тич. масс. Значение кривых: 1—прокатанная медь, 2 и 3—алюминиевые сплавы, 4—литое железо (Flusseisen), 5—11—железо-никелевые сплавы, 12—литой чугун, 13—литой белый чугун, 14 и 15—битумены из торфа, 16—биту-

мен из сапропеля, 17—асфальт джунгарский, 18—смолка для заливки элементов, 19—Карболит К, 20—карболит Ф, 21—карболит Шж, 22—

карболит Пр, 23—карболит Ж, 24—сежеит. Как выяснено П. А. Флоренским, нагрузка Р связана с шириной черты х ф-ией вида Р=Ае, где А и а—постоянные вещества (значение их приведено в таблице 3, причем Р должен быть выражено в г,

Таблица 3 .—3 начение параметров марте н-с о в с к о и кривой царапания.

Тело		А	J а
Карболит Ф.		10,67 8,03	0,091629
»	К.		0,018053
»	Ж.	20,01	0,075583
»	Фур.	7,6	0,015006
»	Пр.	9,78	0,103282
»	Шш.	10,67	0,091629
Сешеит		14,9	0,115418
Джунгарский асфальт. Битумен из сапропеля.		9,85 11,12	0,068934 0,040347
»	» торфа.	19,01 15,04	0,029305
»	» »..		0,024477
Смолка	«магма».	4,455	0,018909

Фигура 6.

a d—в 0,01 миллиметров). Изогнутость кривых Мартенса обусловлена формою царапающего алмаза. Применяя алмазы других типов, а именно трех, из которых один представлен на фигуре 6, Генкино получил прямолинейную зависимость между нагрузкою и квадрант#* том ширины цара пины; на фигуре 7 показана означенная зависимость для такого случая (1—закаленная хромовая сталь, 2—отпущенная инструментальная сталь, 3—никель, 4—мягкая сталь, 5—медь, в—свинец). Продолжения всех прямых сходятся в точке с координатами g и <р, близкой к началу координат, но с ним не совпадающей. Генкинс предложил характеризовать твердость как постоянную вещества ве-г личиною к, где к=·

В. Д. Кузнецовым и Ю. В. Гр диной построен склерометр, позволяющий измерять как верти кальную, так и горизонтальную слагающую царапающего усилия (фигура 8). Легкий (6 г) алюминиевый рычаг 1, изогнутый под прямым углом, может вращаться около точки А. С нижним концом этого вертикального колена рычага 1 посредством шарикового подшипника соединен второй рычаг 2, подвешиваемый на крючок 3 и снабженный нагруженным $ резцом 4. На гори- | зонтальном колене I рычага 1 зажима ет- | ся в желаемом ме- | сте острие 5; оно i касается мембраны J

6, служащей крыш- 1 _и

кою цилиндряч. коробки 7. Жидкость, содержащаяся в указанной коробке, соединена с узкой капиллярной трубкой, по которой может отсчитываться уровень жидкости. Алюминиевый диск 8, помещенный в масле, служит демпфером. Изменение чувствительности прибора производится с помощью перемещения скоб 9 в прорезах неподвижной поперечины 10: т. о. изменяется расстояние между центром мембраны и осью рычага. Перемещение испытуемого образца производится по

средством электродвигателя 11 с фрикционной передачей 12. Прибор градуируется с помощью нагрузки рычага рядом определений грузов. Царапающим органом служил стальной резец в виде круглого конуса с углом при вершине ок. 90°. На^этом приборе Кузнецовым и Грдиной найдена для связи между шириною черты h и нагрузкою Р зависимость h=кРМ + с. Для опытов с каменной солью найдено к=0,795 ·

• КГ⁵ и с=2,8 ДО"⁴. Наличие с объясняется плоским срезом острия и соответствует диаметру этого притупления. Работа т удаления объёма

выражается соотноше-

А. Iя 1 ю 1 за 1.

4m Р

нием г - ьг + сг, где m угловой коэф. прямой, выражающий зависи-мость горизонтального усилия от нагрузки Р, а b и с—поперечники верхнего и нижнего ос-нований царапины. На фигуре 9 показана зависи-мость удельной работы царапания от нагрузки для каменной соли.

Т

i

20 40 60 80 100 Нагрузка па резец 6 г Фигура 9.

Точность измерений со всеми склерометрами, даже наиболее совершенными, весьма невелика, и это связано гл. обр. с затруднительностью точно измерить ширину царапины h. В самом деле, ошибка в 1 μ при измерении величин h уже соответствует ошибке в 10—14% от значения твердости по Мартенсу и то при измерении царапины на металле и пластич. теле, обладающей ровными краями. При царапании же более крупнозернистых тел, и в особенности кристаллов, острие склерометра нередко издает характерный поющий звук и дает черту с зазубренными краями, т. ч. не представляется никакой возможности установить, идет ли край царапины по выступающим или по вдающимся углам этих зубцов; в этом случае ошибка достигает 100 и 200% измеряемой величины. Но кроме того опыт показывает значительную неоднородность многих тел, и в том числе кристаллических, так что ширина царапины даже при ровности их краев может существенно расходиться в разных местах одной и той же поверхности. Во всяком случае получить б. илим. надежные результаты склерометрически можно лишь при пользовании микроскопом с значительным увеличением и снабженным окулярным нитяным микрометром и притом производя измерения во многих местах черты. Соответствие восходящего ряда твердости по Мартенсу ряду твердости по Мосу получается устойчивое, как это показано примером табл. 4. По своему общему смыслу

Таблица 4 .—С опоставление данных о твердости царапанием по Мартенсу и по Мосу.

1 ; Материал -	Тв. по Мартенсу, нагрузка в г, дающая черту в 0,01 миллиметров	Тв. по Мосу
Свинец ..	17	1,5
Олово..	23—28	1,8
Медь..	34—40	3
1 Цинк..	43	2—2,5
Латунь..	41—53	—
Никель..	56	4—5
Сталь мягкая.	70—76	—
Стекло.,.	115	5—5,5
Сталь твердая.	137—111	6—6,5

испытание тел на твердость царапанием характеризует поверхностную энергию тела. Однако кроме количественной разницы в отношении условий царапания тела различаются между собою также и с качественной стороны, по характеру самого процесса царапания, поскольку он сопровождается также упругими и пластическими деформациями. О. Леман (1888 r.j различает пять видов означенного процесса: 1) Продавливание борозды: перед царапающим острием подымается валик вещества, тем более высокий, чем глубже входит в испытуемую поверхность острие. Этот валик расходится по обе стороны образующейся борозды (фигура 10). 2) Если движение острия слишком быстро или тело недостаточно пластично, то в валике по направлению наибольшего усилия возникают трещины, не идущие далеко, валик задирается и постепенно образует сгибающуюся стружку в виде кольца, как показано пунктиром (фигура 11);

Фигура 10. Фигура 11. Фигура 12.

при движении, неперпендикулярном к передней поверхности острия, стружка получается спиральной. 3) Если испытуемое тело не обладает заметной пластичностью или растяжимостью и потому весьма хрупко, то трещина, образовав

шаяся в валике, распространяется далеко, сначала углубляясь в тело, затем вновь подымаясь к поверхности. Т. о. возникает раковинистып обломок, оставляющий в теле соответственное углубление (фигура 12). 4) Тело настолько хрупко, что все трещины обратных поверхностей соединяются в одну, идущую б. или м. вглубь тела, и уже не заворачивают кнарулей. В этом случае бороздки в собственном смысле слова не образуются вовсе или, точнее, почти не образуются; таков случай резания алмазом стекла. 5) Если острие немногим тверже испытуемой поверхности и движется медленно, то оно вовсе не производит трещины, а только выламывает мелкие кусочки испытуемого тела, оставляя за собою след в виде порошкообразной черты. Перечисленные виды царапания переходят друг в друга в зависимости от ряда условий царапания: Г, давления на острие, скорости движения острия, наклона острия, направления процарапанной линии, наконец от среды, соприкасающейся с испытуемой поверхностью.

Все эти обстоятельства делают результаты царапания довольно условными, и потому не удивительно, что данные различных исследователей стоят в противоречии между собой вероятно в связи с какими-либо неотмеченными особыми обстоятельствами опыта. Зависимость твердости от кристаллографического направления была указана уже давно на ряде минералов, у к-рых.2· твердость по Мо-1^-су по разным гра- | ням оказалась раз- | личной; наиболее о⁴⁰ выпуклый пример | представляет мине-1 рал дистен, или киа- ² нит (Al₂0₃-Si0₂) с твердостью по Мосу

4-5 на грани (100) и твердостью 7 на грани (010). Точно так же на одной и той же грани твердость изменяется с направлением и потому оказываются различны мартенсовские характеристики. На фигуре 13 показаны такие кривые, полученные П. А. Флоренским для флогопита со Слюдянки: линия а получена при царапаний параллельно главной оси, а линия б—при царапании по биссектрисе осей. В табл. 5 приводятся данные Пешля о твердости царапания (определяемой р как 1 для ряда материалов, и в том числе для нек-рых кристаллов, по разным направлениям. Р. Франц-{1850 г.) с помощью своего прибора установил на примере известкового шпата тензорный и даже векторный характер твердости, измеряемой способом царапания. Если при одной и той же нагрузке острие описывает на плоскости спайности кальцита окружность, то ширина черты этой окружности оказывается существенно зависящей как от направления касательной к цтой окружности, так йот смысла этой касательной. На фигуре 14 показано это изменение толщины окружностей противоположного смысла; на основании его Франц составил векторную диаграмму твердости (фигура 15). Более тщательно подобные нее диаграммы для кальцита получены А. Рейсом и Л. Циммерма-

Фигура 14-

Фигура 15.

Материал

Условия царапания

Значение твердости при различных нагрузках, кг/мм2

		100 г	50 г	20 3	10 з	5 з	2 з 1	Среднее
Тальк	По спайности..	_	_	__	5,7 21	8,7	8,9	7,8
Алюминий Каменная соль	Полированная пластинка. По спайности:	—	—	—		15	20	18
» »	II ребру куба..	—	—	—	13,7	12,5 17,3	10,2	12,1
» * »	90° от предыд. направления.	—	—	—	17,4 18,9		20,0	18,2
» 1>	II ребру куба на др. плоскости.	—	—	22,1		15,5	31,3 21,7	21,9
» »	II ребру куба, третья плоскость	—	—	—	22,6 35	15,4		20,9
Медь Кальцит	Полированная пластинка. Спайный кусок:	—	—	41		25	—	34,7
»	II ребру ромбоэдра.	—	—	50	41,5	50	41	46,1
»	i короткой диагонали.	—	—	61,5	41,5 100	139,0	—	81,7
Апатит	Призматич. грань.	148	114	89		—	—	ИЗ
Платина Пирит	Со штриховкой:	226	196	200	276	—	—	225
»	II ребру куба, _!_ к штриховке.	276	255	217	—	—	—	1 259
» 1	JL ребру куба, || к штриховке.	111	125	111	100			1 112

ном (фигура 16, 17). Наконец на фигуре 18, 19, 20 даны подобные же диаграммы Экснера для каменной соли, называемые этим исследователем розеткой т в ер-д ости; радиус-вектор здесь пропорционален нагрузке на острие при царапании поверхности в данном направлении. Фигура 18 дает диаграмму на грани (100) куба каменной соли, фигура 19—на грани (110) и наконец фигура 20—на грани (111), причем сплошная кривая характеризует процесс царапания при движении острия от центра, тогда как пунктирная соответствует средним значениям при движении от центра и к центру. Подобные исследования произведены и другим наблюдателем. Зависимость

Фигура 16.

Фигура 18. Фигура 19.

твердости от смысла движения поясняется ими сравнениями: в одном случае острие движется по ворсу, а в другом—против ворса; если резцом выбирать наискось срезанную древесину, то усилие при движении, задирающем волокна, будет конечно иное, чем при движении, скользящем по волокнам. В частности различие твердости по кристаллографии, направлениям было обнаружено для ряда кристаллов и П. А. Фло-, ренским (1925—26 гг.). Напротив, в опытах В. Д. Кузнецова (1929 г.) никакой зависимости от направления при испытании каменной соли и слюды не обнаружилось,—обстоятельство, пока не получившее объяснения.

Царапание тела слагается, как указано выше, из деформации тела, упругой и пластической, и раздробления его, выражающегося в появлении трещин и отделении частиц (стружка, опилки, порошок). Процесс раздробления энергетически представляет работу внешних сил против сил сцепления, связывающих разделяемые части по плоскости раздела, и потому по вышает потенциальную энергию означенных сил; иными словами, раздробление тела сопровождается энергетич. зарядкой вновь образовавшихся поверхностей. Со стороны же физич. механизма раздробление тела ведет к удвоенно-сти молекулярных связей поверхностных частиц, так как все связи, бывшие ранее обращенными вовне от мысленной поверхности, ставшей поверхностью раздела, после раздробления становятся свободными, направляются внутрь и тем укрепляют поверхностный слой. Адсорбция этою поверхностью какого-либо активного вещества, то есть удержание ей ионов или диполей последнего, происходит за счет вышеуказанных дополнительных связей поверхностных частиц тела, то есть расслабляет этот слой и следовательно делает его легче царапаемым и потому менее твердым (П. А. Ребиндер). Энергетически указанный процесс выражается уравнением Гибса; согласно этому ур-иго вещества с положительной адсорбцией понижают поверхностное натяжение тела, а вещества с отрицательной адсорбцией увеличивают его. Твердость может изменяться не только при адсорбции, но также и при действии среды с диэлектрич. коэф-том, отличным от диэлект-рич. коэф-та, тела: вовлекая в себя силовой поток электрич. связей между частицами тела, внешняя среда меняет прочность этих связей, а потому и твердость тела. Изменение твердости в этих случаях было доказано рядом наблюдений (П. А. Флоренский). Как пример тако-

рюссинского мусковита при смачивании царапаемой поверхности слюды различными жидкостями (а—сухая слюда, б—смоченная анилином, в—цитронеллолом, г—водой, д—вазелиновым маслом, в—ксилолом). Как видно из этих данных, при одной и той же нагрузке на острие царапины эти при одних условиях м. б. вдвое ши-

ре, чем при других. Разрушающее усилие Р при царапании поверхности слагается из величины, пропорциональной нормальному сечению разрушенного поверхностного слоя толщиною S, и нормального сечения разрушенного объёмного слоя. На основании этого м. б. вычислены коэф-ты и 1₂ твердости поверхностной и объёмной, определяемые как удельная работа разрушения единицы объёма поверхностной и внутренней частей тела соответственно. А именно, если разрушающие усилия и Р₂ дают ширину царапины Н_г и Н₂ соответственно, то

₁ _НР₁Н₂-Р₂Н₁) 4Р₁-Й₂я₁² _ 4P₂-fe₂H|

²⁼³ Н_г-Н_хН ’ k ²~ 4(5Н^а 4(5Я₂а ’

где а и к₂—нек-рьте числовые коэф-ты. В наших опытах для мусковита объёмная твердость 1₂оказалась 40—50 килограмм/мм² независимо от среды, бывшей на поверхности слюды, и вдвое большей, чем коэф. объёмной прочности при испытании слюды на разрыв. Значение поверхностной твердости 1_г для зеленоватого мусковита дано в таблице 6. Т. о. поверхностная твердость—

Таблица 6.—П оверхностная прочность /j на царапание для мусковита.*

1 · · Состояние поверхности j слюды 1	Нагрузка при царапании, кг			Среднее для трех нагрузок, кг/мм2
	7,5	20	50
	llt кг/мм2
1 Сухая ..	0,91-103	0,13-103	0,08-103	0,37-103
Смоченная вазелино-
1 вым маслом.	1,7-103	2,2-103	3,4-103	2,4-103
Смоченная цитронел-
лолом.	2,1-103	2,4-103	3,2-103	2,6-103
! Смоченная водой.	2,0-103	2,66-103	2,7-103	2,45-103
» анилином.	1,7-103	1,87-103	1,73-103	1,77-103
» ксилолом. 1	4,2-103	4,18-103	4,21-103	1,2-103
* Принято (5=10-6 см.

порядка 10³ кг/мм² и примерно в 50 раз превосходит твердость объёмную 1₂ при смачивании же слюды ксилолом поверхностная твердость увеличивается еще примерно в 11 раз.

Истирание. Различные виды процесса истирания тела можно рассматривать как одновременное царапание во многих местах, причем эти царапины обычно не получают какого-либо преобладающего направления. Поэтому характеристика тел пробой на истирание должна иметь приблизительно тот же смысл, что и характеристика пробой на царапание. Этот способ испытания на твердость был введен Тула. Образец водился вперед и назад под нек-рым давлением по основанию, на к-рое было насыпано определенное количество порошка; трение продолжалось, пока порошок не становился недеятельным. За меру твердости минерала принималась потеря его веса (собственно обратная величина). Розиваль (1896 г.) помещал 50— 100 мг шлифовального порошка на стеклянную или металлич. плоскость и тер непосредственно рукою минерал о порошок в течение 5—6 мин.; потеря веса пересчитывалась на объём, к-рый и служил характеристикой твердости. Борг-стрем (1919 г;) установил на образцах в 3 см,³ и 50 мг порошка, что разница в характеристиках твердости возрастает с длительностью истирания. Подтверждающие данные в относительных числах (истираемость кальцита принята за 100) приводятся в таблице 7. Далее Боргстремом установлено при помощи шлифовки минералами

Таблица 7.—3 а в и с и м о с т ь относительной истираемости от времени истирания и истирающего зерна (по Боргстрему).

Истираемый материал	Наждак, зерно <0,1 миллиметров			Корунд, зер- 1 но 0,2—0,4 миллиметров
	Время истирания, минуты
	1	10	18	4	! 10
1 Кальцит.	100	100	100	100	100
Плавиковый
шпат.	—	—	—	90	45
Апатит.	42	30	20	80	28
Стекло.	10	8	7	_	_
Кварц.	3	2	—	2,6	1,2

шкалы Моса, что относительные числа твердости расходятся между собою тем больше, чем ближе по твердости истирающий порошок к истираемому минералу. Примеры приведены в таблице 8. На основании этих и других данных

Таблица 8.—О тношение истираемости минералов в зависимости от истирающего порошка.

	Отношение истирае
Порошок	мости ------1
	*1 1	* 2 ί;
Алмазный ..	1 2,8	1 1
Корундовый..	5,4	1,6 1
Топазовый..	5,8
Кварцевый..	4	1,7 j
Полевошпатный.	—	2 I
* i Полевого шпата и апатита. * з		Апатита и j
плавикового шпата.		1

Боргстрема м. б. охарактеризована истирающая способность различных абразивов; так, для полевого шпата, шлифованного кварцем, топазом, корундом и алмазом, значения истирающей способности относятся как 1 : 1,6 : 1,7:

: 11,0, а для кальцита — как 1 : 1,5 : 1,6 : 2,9. При испытании на истираемость необходимо учитывать вышеуказанные выводы и применять абразивы достаточно твердые. В частности Гольмквистом (1911,

1914, 1916 годы) установлена большая близость твердостей апатита и плавикового шпата, вследствие чего из 767 минералов лишь 8,61 % оказываются в промежутке 4—5 шкалы Моса, и кривая ста-тистич. распределения минералов обнаруживает между 3 и 5 минимум. Напротив, при соединении ступеней 3—4 и 4—5 шкалы Моса в одну, минералов средней твердости получалось бы свыше 30%, и кривая распределения имела бы для средних твердостей максимум (фигура 22).

Как испытание царапанием, так и испытание шлифованием слагаются из двух различных процессов: разрушения поверхности тангенциальными силами, действующими на острие, и внедрения этого острия в поверхность силами нормальными; но в первом случае преобладают тангенциальные силы, а во втором, особенно при твердости абразива и мелкости его зерна,—

Фигура 22.

силы нормальные. Этим различием объясняется по Боргстрему неполный параллелизм результатов испытаний тем и другим способом, особенно при твердом и мелкозернистом абразиве; тем не менее известный параллелизм между испытанием царапанием и испытанием шлифованием все-таки имеется, как показывает табл. 9 (Боргстрем). Подобное же соответствие

Таблица 9.—Соответствие твердости царапания с твердостью внедрения.

1 Тв. цара-! пания по 1 Мосу	Тв. внедрения (примерное значение), кг/мм2	Тв. царапания по Мосу	Тв. внедрения (примерное значение), кг/мм^
1	10	6	250—300
2	20	7	300—500
3	100	8	500—750 ?
4	150	9	1 000 ?
5	200	10	—

Табл, 10.—Соответствие твердости царапания с твердостью шлифования.

Тв. царапания по Мосу	Минерал	Тв. сошли-фовыва-ния, кг/см^
i ; 1	Тальк ..	49,6
1 2	Каменная соль ..	109
3 ^	Известковый шпат (среднее
	значение)..	202
! 4	Плавиковый шпат.	210
1 5	Апатит..	322
1 в	Ортоклаз (на конечных гранях)	947
i 6	Ортоклаз (на длинных гранях)	1 395
7	Кварц ..	5 950

дано (по Розивалю) в таблице 10, причем твердость выражается в килограммахм работы, необходимой для сошлифования 1 см³ испытуемого материала. Для испытания твердости истиранием служат различные специальные приборы, общее представление о которых может дать круг стирания

Баушингера. Схема его дана на фигуре 23. Это—горизонтальный чугунный круг А диам. 1,5 м, приводимый во вращение вокруг вертикальной оси с помощью зубчатых колес и шкивов со скоростью 22 об/мин. Испытуемый образец В в виде плитки или кубика закрепляется в особой рамке и прижимается к кругу рычагом, нагрузка которого может меняться так, чтобы давление было всякий раз одно и то же. При вращении круг посыпается нормированным наждачным порошком(Наксосский наждак №3) в определенном количестве (20 г). О твердости породы судят по потере массы р образца с поверхностью истирания в 50 см², и именно твердость Н определяется по формуле Н=^, где <5—плотность.

Обыкновенно взвешивание производят 5—10 раз, через каждые 100 оборотов и находят среднюю потерю массы на 100 оборотов. Для примера м. б. указано, что при поверхности истирания в 50 см² и нагрузке 10—30 килограмм после 200 оборотов круга твердые породы (базальты, порфиры, граниты) теряют 8—20 г своей массы, а мягкие (известняки и песчаники)—20—80г, то есть в 3—4 раза больше. Испытание на твердость способом шлифования может вестись, как перед

Фигура 24.

ложено Робеном (1911 год), при помощи наждачной бумаги, наклеиваемой на вращающийся круг. Скорость вращения, род применяемого наждака и распределение его по диску могут менять результаты и потому должны быть нормированы.

Приборы, подобные кругу стирания Баушингера, построены различными фирмами, в частности Ам-слер-Лафона; схема такого прибора дана на фигуре 24: Ί—испытательный диск, 2 —прижимающая пружина. Из других установок должен быть упомянуты машины Деригона, Шпинделя (фигура 25: 1—образец, 2—нагрузка, 3—истирающий диск,

4—груз для уравновешивания рамы) и др^. Брииель предложил вариант, представленный в разрезе на фигуре 26; прибор этот выпускает

вращается около горизонтальной оси. К нему прижимается с определенным давлением образец Р. Между образцом и диском проходит равномерная струя кварцевого песка, спускающегося из воронки Т через вентиль V, причем направляющие канала F не позволяют песку разлетаться в стороны. О твердости материала су-дат по времени, к-рое необходимо, чтобы вышлифовать в материале определенную выемку, или по углублению ее, достигаемому за определенное время. Этот способ испытания применяется как к металлам, так и к другим материалам, например дереву, коже и т. д. Испытание сотплифо-ванием может производиться также посредством песчаной струи, выбрасываемой сжатым (3 atwt) воздухом или сухим водяным паром; в последнем случае пар просушивается, прежде чем соприкоснется с песком, и отсасывается, чтобы не попасть на поверхность образца. Песок должен быть нормирован и проходить через сито в 120 отверстий. Примененный песок не м. б. использован для испытания вторично. Сравнимость результатов зависит от однородности и характера песка, давления воздуха и т. д. Испытание песчаной струей было разработано М. Гари (1901 1910 гг.), Н. Абрамовым (1913 год), Нойманом (1926 год). Испытуемая поверхность была в виде круга диаметром 6 см, а время испытания поверхности—2 мин. Для испытания песчаной струей существует специальный аппарат, устройство которого показано ниже на фигуре 27.

Испытанию твердости истиранием можно считать родственным то, к-рое производится в ша-рэвой мельнице и других подобных приборах. В этом случае ряд мелких ударов изъязвляет поверхность, в силу чего испытуемый материал постепенно измельчается. Один из таких приборов, предназначенный гл. обр. для дорожностроительных целей, а именно для испытания щебня,—это барабан Деваля. Он состоит из двух вращающихся около диагонали барабанов (фигура 28), снабженных плотными крышками. В один из барабанов насыпается 5 килограмм испытуемого щебня, а в другой—5 килограмм принятого для сравнения; ще-1 бень должен быть про-] мыт, высушен и взвешен. После определенного числа оборотов щебни промываются на сите, высушиваются и взвешиваются; по потере массы определяется твердость соответственной породы и сравнивается с твердостью породы нормальной. Приборы, подобные барабану Деваля, предложены Ваврциниоком, Гренком и другими. При всех вышеуказанных процессах испытания разрушается поверхностный слой тела, и потому можно заранее предвидеть, что прочность на истирание должна стоять в зависимости от среды, в которой происходит испытание, и в частности от адсорбированных истираемой поверхностью веществ (хотя и не только от них). Опыты подтверждают такой вывод. Так, уже в 1879 году 3. Лудвиг, отмечая трудность растирания слюды в агатовой ступке, указывает, что это растирание идет легко под слоем воды, а В. Куниц предложил делать это под слоем а. Опыты

Фигура 27.

IL А. Флоренского над помолом мусковита в шаровой мельнице показали, что смачиванием слюды водою процесс помола ускоряется сравнительно мало, но ксилол оказывается в этом отношении весьма активным (табл. 11).

характеризовали твердость глубиною высверленного при равных условиях (нагрузка, скорость и т. д.) отверстия. Кесснер приспособил к сверлильной маши-

<jp—

Г

не записывающий аппарат, вычерчивающий кривую зависимости между числом оборотов и глубиною отверстия (фигура 29). Сверло 1 прижимается к испытуемому образцу 2 с помощью постоянного груза 3, опускание сверла во время работы фиксируется поворотом барабана 4, связанного при помощи гибкой нити 5, 6, 7 с рычагом 8—9. Движение карандаша по вертикали вычерчивает на вращающемся барабане 4 кривую,

по виду которой можно судить о твердости различных слоев материала (фигура 30). Кривая 7—нормальная, а изгиб в А указывает на работу сверла не по всей кромке. Кривая 6 относится к материалу с наружной мягкой кор-t кой, тогда как кри-

§! вая 5—с жесткой.

J______Наконец переломы

^ ^ν кривых 3 и 4 ука зывают на. неоднородность материала (w—твердая жила, a h—мягкая). Зависимость скорости сверления от среды, смачивающей обрабатывающий материал, и в особенности от присутствия поверхностно-активных тел подтверждает, что этот способ обработки направлен на поверхность тела. Поэтому понятно отсутствие соответствия между обрабатываемостью сверлением и твердостью по Бринелю, что наглядно показано на диаграмме фигура 31.

Торможение колебания. Учет работы, идущей на разрушение поверхности тела, особенно удобно может производиться по затуханию колебаний маятника, своим движением производящего это разрушение. Чем тверже тело, тем меньше будет разрушение его поверхности и следовательно тем слабее будет этим телом тормозиться колебание маятника. Разработанный на этом начале способ за-

IШубина отверстия

Фигура 3 0.

Таблица 11.—Размол зеленоватого мусковита в зависимости от условий опыта.

№ опыта	Условия опыта	Продолжит. помола в часах	Общий вес размолотой СЛЮДЫ, г	>3	3	Размер петель сита, ли 2 И/2 1			И 1/2	! ги
					Вес размолотой слюды,				г
1 1	Слюда сухая ..	135	246,4		0,1	1,0	5,5	15,5	46,3	178,0
2	Слюда, смоченная ксилолом.	135	2 49,9	0,1	0,1	0,2	0,8	1,2	32,2	215,3
3	Слюда, смоченная ксилолом.	159	251,0	—	—	—	0,2	0,5	1,8	218,5
4	Слюда сухая ..	159	250,8	—	0,9	2,9	3,5	1,9	33,5	208,1
1 5	Слюда, смоченная водой.	159	216,7	15,0	4,5	5,5	5,5	1,5	18.0	196,7
: 6	Слюда сухая..	159	249,3	4,0	4,3	2.7	4,2	3,7	32,8	197,7

Сверление. Попытки применить сверление к испытанию твердости делались неоднократно. А. Леон (1912 год) и П. Лудвиг (1918 год)

тухающих колебаний (В. Д. Кузнецов, 1929 г.) весьма удобен и чувствителен, а кроме того требует сравнительно простой аппаратуры. Схема прибора представлена на фигуре 32: железная рамка 1 снабжена на одном конце двумя конусообразными остриями или призмами 2 из закаленной стали; угол при вершине конуса 90°. На другом конце прикреплен стержень с диском 3 для помещения гирь 4; стержень оканчивается

Твердость по Бринелю	Металл	Обрабатываемость по Керснеру
~Ш Ш Ш 250 150. 50		0 1 2 3 4 5
£ & (2 кГ 1	Сталь В 0.5. Литейный чугун N.G2.	i I ; < 1 I М- го! !
243,5шя±ЦЬшщ	Никелист.стальС.2201	1 I —234 !
2252 ·β·^·*··ί	Литейный чугун N.0.1.	i 1 iii· 4jk
205.0	Сталь 4.3.	ι-ι·« ;
189,7 шШш—.	Сталь А.2	^ϊί i
173,5	Сталь ВО.З.
172,7—	Латунь М. 19	h·» i !
169,4<Шш+Ш	Томпак Т.2	ΕΓ : i
1адн-i	Сталь В.01
141,6	Дельта-металл D1.
128.0 ш—	Сталь А. 1.
124,5 ш—	Сталь B.RL.1.	яштяфт 3.09 !
120,7 шт	Латунь M.R.F1	m—bmfml70
120,7 ш—	Латунь M.R.H.1.	4145
110,0 mmt	Медь ИЗ. *	: : i
1022**	Латунь Itf.R.D 1.

Фигура 31.

иглою 5; испытуемый образец 6 помещается на кронштейне или перекладине 7. Под иглой помещается диск 8 с нанесенными окружностями различных радиусов; его можно подымать, опускать и перемещать в стороны. Вес прибора 174,5 г и расстояние от острия 2 до конца иглы о равно 27,8 см. Испытание с маятником ведется в следующем порядке: испытуемый образец устанавливается на перекладину 7 или зажимается так, чтобы испытуемая поверхность была горизонтальна. Затем на образец подвешивается маятник и устанавливается диск 8 центром против острия 5. Маятник отклоняется нитью, привязанной к диску 3, до определенной окружности диска 8 и отпускается для качания. При помощи секундомера наблюдают время, в течение которого от амплитуды А _г качание дошло до амплитуды А₂. Тогда энергия U== α(Α? — AJ); а—постоянная, равна работе разрушения поверхности тела. Время колебаний этого маятника (ок. 1 ск.) не зависит от материала, находящегося под острием. Чертеж прибора Кузнецова показан на фигуре 33. Опыт показывает, что время затухания от А_г до А₂ соответствует твердости, определяемой царапанием; пример дан в таблице 12. Ценность способа затухания колебания—в его очень большой чувствительности и в возможности определять твердость в данной точке по данному направлению. Поэтому для испытания не только не требуется крупных образцов, но даже и в малых образцах возможно охарактеризовать определенную точку, например зернышко поликристаллич. систем. Чувствительность способа повышается с уменьшением начальной амплитуды и нагрузки. Заставляя маятник колебаться в определенном направлении, можно охарактеризовать твердость по данному направлению; пример тензорной

Фигура 32.

Таблица 12.— Значение времени затухания маятника от амплитуды 3,0 сантиметров до амплитуды 2,0 сантиметров (по В. Д. Кузнецову).

	Время затухания
	маятника, ск.
Испытуемое тело
	1,125 килограмм	2,00 килограмм
Свинец..	15,8	12,0
Висмут..	19,0	17,1
Кадмий ..	25,8	21,1
Алюминий..	33,0	30,2
Цинк..	51,6	35,7
Медь..	56,2	39,0
Железо..	116	79,3
Сталь незакаленная.	_	84,3
Стекло ..	—	511

диаграммы, получающейся при этом, показан на фигуре 34, относящийся к плоскости пинако-ида (010) гипса. Однако при подобных испыта

ниях необходимо иметь в виду, что маятник сам собой вращается к направлению наименьшей твердости и потому должен быть искусственно удерживаем в той плоскости, для которой ищется характеристика твердости.

Абсолютная твердость. Г.

Герц (1882 г.) определил твердость как наибольшее давление,выдерживаемое телом без образования трещины. Для измерения этой характеристики он предложил прижимать к плоской поверхности тела сферич. чечевицу радиуса R из практически недеформируемого материала; т. к. давление возрастает от краев чечевицы к центру и именно пропорционально величине

1 — ^j², где г—расстояние от вершины чечевицы до данной точки, то по диаметру D круга касания радиуса г и прижимающему усилию Р можно вычислить среднее давление на эту площадь. Тогда давление в середине составляет ³/₂ от среднего давления

Если при нек-ром нажимающем усилии Р возникла трещина, то абсолютная твердость по

Герцу определяется как Н_н=~~. При этом

Герц предполагает усилие статическим, то есть накладываемым достаточно медленно, а Н— независящим от радиуса кривизны R чечевицы. Ф. Ауэрбах (1891—1900 гг.) пытался воспользоваться определением Герца для практич. целей, причем делал чечевицу из того же материала, что и испытуемая плоская поверхность. При этом обнаружилось, что твердость на самом деле зависит от кривизны чечевицы, а именно убывает с возрастанием R; поэтому абсолютная твердость по Ауэрбаху определяется как

Н_А =

6Р 3

^|

Q

Предельное значение для Н получается при бесконечном возрастании кривизны, то есть при соприкосновении плоскости не со сферою, а с острием; следовательно предельное значение абсолютной твердости по Ауэрбаху равносильно твердости внедрения. Бенедикс подтвердил выводы Ауэрбаха. В табл. 13 даны значения образца определенной формы, изготовленного из того же материала (фигура 35). Реомюр (1722 г.) применял для этой цели две прямоугольные призмы, пересекающиеся накрест под прямым углом, причем за меру твердости принималась глубина взаимного внедрения призм.

АдФёппль (1896 г.) предложил применять для той же цели 2 цилиндра диаметром 4 см, которые перекрещиваются подпрямым углом. Шесть различных нагрузок подбираются так, чтобы диаметр наибольшего отпечатка был 3—4 миллиметров; за меру твердости принимают арифметическую среднюю из частных от деления нагрузки на площадь отпечатка. Способ Фёппля удобен, как указано Руделоф-фом (1920 год), для испытания тонких проволок. Гейг (1920—22 гг.) применил для той же цели призмы квадратного сечения; призматич. твер

Реомюр

Феппль Фигура 35.

Гейг

Таблица 13.—Сопоставление данных Боргстрема и Пешля о значении твердости. измеренной различными способами.

Материал	Твердость по Мосу	Объем борозды по Петлю 1	Твердость по Петлю	Тв. по Пе- шлю как Р d2	Абсолютная тв. по Ауэрбаху как 6Р з πϊ)2	j Тв. по Борг- i стрему как Р d
Тальк ..	1	1 225	5	! 8	j 5
Алюминий ..	2	—	—	17	1 52	—
i Каменная соль ..	2	289	21	, 20	i 20	24—33 1
Гипс..	1,6—2		—	21	14	13—20 ;
Свинцовый блеск..	2,5	1	—	32	—	I — i
Антимонит..	2	1 —	—	32	—	, —
Медь	2,5—3		—	34	95	1 105
Латунь..	3—4	j —	—	43	107	; 156 j
Реальгар ..	2	( —	—	44	—	I — ί
Кальцит ..	3	; 121	50	56	96	48—65 j
Барит. ..	3,3	1 _	—	56	—	—
Апатит ..	5	49	122	134	237	200—325
Плавиковый шпат.	4	36	167	160	110	128—235 1
Полевой шпат..	6	25	240	! 216	253	450—550.
Платина..	4,3	—	—	224	—	— <
Пирит..	6,3	—	—	259	—	—
Опал..	4—6	—	—	271	113	—
1 Кварц..	7	9	667	! 625	308	560—1 080
Топаз..	8	6	1 000	i 1240	525	625
i Корунд ..	9	—	—	—	1 250	—
Алмаз.. ;	10	1		1 _ ί	(2 500)

абсолютной твердости по Ауэрбаху, сопоставленные с баллами твердости по Мосу и значениями твердости царапания. Из таблицы видно, что различные ряды твердости по своему ходу соответствуют друг другу. Однако необходимо иметь в виду, что способ Герца-Ауэрбаха применим лишь к хрупким телам, дающим трещину, и неприменим к телам пластичным, внедрение в которые происходит с постоянною скоростью. Измерение абсолютной твердости не вошло в практику; равным образом не были усвоены предложения Круллы (1921 год) за меру твердости считать предел упругости или предел пропорциональности при испытании на сжатие и предложение Кикка (1890—1891 г.) и Ш. Фремона (1909 год) принять за эту меру прочность на срез. В технике восторжествовало измерение твердости по значению остаточной деформации; наиболее известна из испытаний этого рода шариковая проба.

Вдавливание. Существуют испытания твердости материала посредством вдавливания достью (Prism hardness Ph) Гейг называет число —, где Р—нагрузка в ш, а х—длина деформированного ребра призмы. Наконец Штрибек (1907 год) пользовался для измерения твердости двумя шарами из испытуемого вещества диам. D (в миллиметров); прижимая их с силою Р=5Н²(Р в килограммах) и измеряя диаметр отпечатка d, он опреде-

4р ляет твердость как величину —Преимущество перечисленных способов—в независимости испытания от постороннего материала, а потому и в отсутствии ограничения, представляемого в большинстве других способов слишком большой твердостью; однако необходимость в двух одинаковых образцах для испытания препятствует широкому распространению этого способа. Последнее обстоятельство повело к распространению таких способов испытания, при которых вдавливается тело, отличное от испытуемого и весьма твердое сравнительно с ним. Кальворт и Джонсон, а также Кирш (1891 г.)

пользовались стальным штемпелем и определяли давление, необходимое для внедрения его на определенную глубину; первые применяли цилиндр 5 миллиметров диам., заканчивающийся усеченным конусом с высотою 7 миллиметров и диам. нижнего основания 1,25 миллиметров. Требовалось определить нагрузку, при которой усеченный конус входит за полчаса в тело на 3,5 миллиметров. Штемпель Кирща представлял цилиндр диам. 5 миллиметров, укрепленный на усеченном конусе, в свой черед примыкающем к цилиндру диаметром 20 миллиметров. Испытуемый образец представляет собой цилиндр 30 миллиметров высотою и 20 миллиметров в диаметре; определяется нагрузка, необходимая для неизменяющегося далее вдавливания тонкого цилиндра на 0,01 миллиметров. Гюгени (1885 г.) для измерения твердости измеряет нагрузку, необходимую для вдавливания острого конуса на 0,1 миллиметров. Подобным же приспособлением пользуется Керпели (1888, 1891 гг.), измеряющий диаметр отверстия, проделанного конусом при определенной нагрузке. Американский Ordnance Department (1856 г.) стал характеризовать твердость металлов на основании объёма, выдавленного пирамидальным концом штемпеля под нагрузкою 4 500 килограмм (10 000 фн.); за единицу твердости был принят объём в 0,5 дм³. Миддельберг (1885—86 г.) применил для подобных же целей долото шириною 20 миллиметров с гранями режущего конца, наклоненными друг к другу под углом в 30°; режущее ребро было изогнуто дугою радиуса 25 миллиметров] за меру твердости принималась длина линзообразною отпечатка при нагрузке на долото в 292 килограмма. Унвин (1897 г.) пользовался для подобной же цели штемпелем прямоугольного сечения и определял твердость как отношение нагрузки к глубине внедрения пирамидального острия в образец размерами γ х ~ х 2~·

Испытание шариком. Все описанные выше способы получили второстепенное значение сравнительно с опубликованным в 1901 году способом шведского инж. Бринеля. В этом способе в поверхность испытуемого тела вдавливается стальной шарик. Твердость этой стали должен быть не менее 630 килограмм [мм²] за твердость шарика принимается среднее давление Р=в килограммах[уьм²,

действующее на поверхности соприкосновения двух одинаково твердых шариков диам. D при сжатии их с силой Р=5D². Для обсуждения теории испытания по Бринелю необходимо ввести величины: D—диам. надавливаемого шарика в миллиметров] d—диам. отпечатка в миллиметров] h—глубина отпечатка в миллиметров] Р—приложенная нагрузка в килограммах. По Бринелю за меру твердости должен быть принято среднее давление, рассчитанное как вдавливающее усилие, отнесенное к площади отпечатка—лунки; эта площадь вычисляется по ф-ле:

Таблица 14.—Числа твердости для различных диаметров отпечатка шарика 0 i0 миллиметров.

,57D(D - ι/D» - d*).

Диам. отпечатка, мм	Число твердости для нагрузки		Диам. отпечатка, мм	Число твердости для нагрузки
	3 ооо кг	500 килограмм		3 ооо кг	500 килограмм
2,00	916	158	4,50	179	29,7
2,05	898	150	4,55	174	29,1
2,10	857	143	4,60	170	28,4
2,15	817	1о6	4,65	166	27,8
2,20	<82	150	4,70	163	27,2
2,25 1	711	124	4,75	159	26,5
2, jo ;	713	119	4,80	156	25,9
2,35	683	114	4,85	153	25, 4
2,10	652	109	4,90	149	24,9
2,15	627	105	4,95	146	24,4
2,50 1	600	10О	5,00	143	23,ь
2,55	578	£6	£»,05	140	23,3
2,6Ό	555	93	5,10	137	22,8
2,65	532	8Э	5,15	13 4	22,3
2,70	512	86	5,20	131	21,8
2,75	495	83	5,25	И 8	21,5
2,80	477	80	5,30	126	21,0
2,85	460	77	о, 35	12 4	20,6
2,90	444	74	5,40	121	20,1
2,95	430	73	5,45	118	19,7
3,00	418	70	5,50	116	19,3
3,05	402	67	5,55	114	19,0
3,10	387	65	5,60	112	18,6
3,15	375	63	5,65	109	18,2
3,20	364	61	5,70	* 107	17,8
3,25	351	59	5,7j	105	17,5
3,30	340	57	5,80	103	17,2
3,35	332	55	5,85	ιοί·	16,9
3,40	321	54	5,90	99	16.6
3,45	311	52	5,95	97	16,2
8,50	302	50	6,00	95	15,9
3,55	293	49	6,05	94	15,6
3,60	286	48	6,10	92	15,3
3,65	277	46	6,15	90	15,1
3,70	269	45	6,20	89	14,8
3,75	262	44	6 25	87	14,5
3,80	255	43	6,30	86	14,3
3,85	248	41	6,35	84	14,0
3,90	2 41	40	6,40	82	13.8
3,95	235	39	6,45	81	13,5
4,00	228	38	6,50	80	13,3
4,05	223	37	6,55	79	13,1
4,10	217	36	6,60	77	12,8
4,15	212	35	6,65	76	12,6
4,20	207	34,5	6,70	74	12,4
4,25	202	33,6	6,75	73	12,2
4,30	196	32,6	6,80	71,5	11,9
4,35	192	32	6,85	70	11,7
4,40	187	31,2	6,90	69	11,5
4,45	183	30,4	6,95	68	11,3

nDh= D-

T. о. твердость по Бринелю H_Br выражается ф-лой:

H ^2P

^Br nD(D -YD*-di)

Для быстрого вычисления значений Нл_г* при разных значениях диам. В шарика и нагрузки Р существуют специальные таблицы. Как пример приводится табл. 14 для В=10 миллиметров и Р== 3 000 и 500 килограмм. Пересчет подобных таблиц от одной нагрузки к другой не составляет затруднения. Ряд исследователей (Боргстрем 1919 г., Бенедикс 1904 г., Мейер 1908 г.) полагает, что более естественно число твердости определить как среднее давление Р_м, то есть относя вдавливающее усилие к проекции отпечатка; в таком случае эта твердость по Мейеру

ΊΠΓ*

Числа твердости по Мейеру Ц_м и по Бринелю Н_Вг связаны между собою соотношением:

D 2 D

Нщ ₌ 9 ( ^{D2 D} -i ADa

нвг d у у

Вычисление площади лунки или ее проекции удобно производить по диаметру отпечатка. Однако определение диаметра отпечатка затрудняется искажениями краев—либо закруг-

Фигура 37.

лением (фигура 36) либо выпучиванием (фигура 37), когда вместо истинного диам. d берется либо преуменьшенный либо преувеличенный диам. d. Как показано Девризом и Р. Г. Бетсоном

(1923 год), более точные результаты получаются, если исходить из глубины h, а не от диам. d отпечатка. Однако это измерение должно производиться такими приборами, которые берут глубину отпечатка от первоначальной поверхности образца. Число твердости по Бетсону НBat вычисляется для D=10 миллиметров по ф-ле

jj _п _ р _ Р

^J±Bat - nDh ~ 31,416/г“

Кроме указанных побочных деформаций в образце необходимо считаться также и с побочными явлениями в самом шарике, а именно с его уплощением, упругим и пластическим, которое ведет к преуменьшенному значению глубины (фигура 38), меньшему, чем смещение центра шарика. Это уплощение тем больше, чем тверже испытуемый материал сравнительно с твердостью шарика. Ошибка, как это установлено Р. Г. Бетсоном (1923 год), А. Гультгреном (1924 год), Р. Майлендером (1925 год) и др., делается заметной при твердостях образца, превышающих 400—500 бринелей. Возникновение плас-тич. деформации шарика должен быть время от времени проверяемо с помощью стандартных пластинок, твердость которых известна. Для наиболее твер

дых материалов применяются специальные шарики—алмазные или карбид-вольфрамовые. Несмотря на свою крайнюю простоту шариковая проба по Бринелю требует соблюдения ряда предосторожностей, без чего она может повести к недопустимым ошибкам. Прежде всего обсуждаемое испытание сопровождается пластич. деформацией и как таковое должно зависеть от времени. Однако это естественное опасение м. б. рассеяно опытными данными, согласно которым происходящая деформация образца весьма быстро подходит к своему асимптотич. значению, и дальнейшая нагрузка уже не увеличивает диаметра отпечатка. Как показал Майн (1918 год), число твердости различных сталей не меняется в зависимости от времени испытания, к-рое изменялось от 10 до 120 ск. При более мягких материалах асимптотич. значение достигается в срок, больший 2 ск. Согласно Комиссии по нормам герм, пром-сти (D1N) испытание должно производиться на чистой плоской поверхности. Нагрузка должна подыматься равномерно без толчков в течение 15 ск. и своей конечной величины должна достигать через 30 ск. Для сталей с твердостью ^140 достаточно 10 ск. Второй существенный вопрос—о самом образце. Поверхность его должен быть плоская, гладкая. Площадь должен быть достаточно велика и именно такова, чтобы расстояние I центра отпечатка от края образца удовлетворяло неравенству 1> > 2,5d и во всяком случае никак не менее диаметра шарика; наименьшее взаимное расстояние многих отпечатков должен быть не менее 13 миллиметров. Толщина образца а при недостаточно твердой подкладке под образцом должен быть значительна; если же подкладка достаточно твердая, то а должно удовлетворять неравенству α^ΊΗ.

Испытание тонких образцов должно вестись согласно нормам Германского союза для испы тания технич. материалов (1918 год) с шариками меньших размеров. Для сравнимости чисел твердости испытание должно производиться так, чтобы лунки во всех случаях были геометрически подобны между собою (фигура 39), а это достигается, если соблюдено соотношение

При этом условии

Н

Вг ⁼

^r sin-

2 Р

1 - sin2

4Р

πΩ 2 sin² -

Поэтому значения твердости одного и того же материала при шариках разных диам. Ό_λ и будут тождественны, если подобрать соответственные нагрузки и Р₂, причем р₂ dI df

Твердость материала не должна зависеть от диам. шарика. Отсюда следует, что для каждого дйам. шарика существует определенная нагрузка, соответствующая нормированной нагрузке на шариках-эталонах диам. в 10 миллиметров. Бетсон (1923 год) на шариках диам. до 50,8 миллиметров подтвердил правило геометрии, подобия и установил,

что соотношение=Const достаточно для самых точных испытаний практики. В табл. 15

Таблица 15. —Нормальная нагрузка для шариков разного диаметра (по Бетсону).

Диам. шарика, миллиметров	Нормальная нагрузка
	3 000 килограмм	500 килограмм
1	30	5
2	120	20
5	750	125
10	3 000	500
15	6 750	1 125
20	12 000	2 000 1

показано соответствие диаметров и нагрузок, соответствующих нагрузке нормальной. На основании этого соотношения Германским союзом для испытания материалов предложены нормы нагрузок (1925 год), соответствующих определенному диам. шарика и определенной толщине образца при данной его твердости (табл. 16); значения ошибки, получающейся при раз-

Таблица 16.—Нормы DIN для проведения шариковой пробы.

Диам. шарика, мм	Нагрузка Р, кг			S, толщина образца; мм
	30 *ι	10 *2	2,5 *з
10	3 000	1 000	250	>6
5	750	250	62,5	6—3
2,5	187,5	62,5	15,6

*ι Литая сталь. ** Сталь, медь, латунь, бронза и др. *³ Более мягкие металлы. ных твердостях при измерении той или иной твердости соответственными нагрузками на шарик нормированного диаметра, сопоставлены в таблице 17. Как видно из данных этой таблицы, применение эталонных шариков в наиболее благоприятном случае дает ошибку 0,3%, но с весьма малыми шариками при больших твердостях ошибка оказывается значительной и дохо

Таблица 17.— С данных об ошибках шариковой пробы.

! Диам. 1 шарика, 1 миллиметров	Нагрузка, кг	Твер дость	Ошиб ка, О /о	Твер дость	Ошиб ка, %
1 10	3 000	70	0,3	300	0,9
! 5	750	70	0,7	300	1,9
: 2,5	189,5	70	1,4	800	3,8
i 1	30	70	3	800	9
1 ю	1 000	22	0,3	270	0,9
10	250	6	0,3	70	0,9

дит до 0,9%. Зависимость числа твердости от диам. ширина Dm. б. исключена на основании наблюдения К. Бенедикса (1904 год) о постоян-^ppD

стве выр ажения _А~, где А—площадь луночки; поэтому число Бринеля при шарике диам. Ώ и нагрузке в 100 килограмм будет pfy Mir;

. А

А. Лешателье (1906 год) предложил другую формулу для пересчета, тоже эмпирическую и приблизительную:

Н_Вг =

Pi £ ^1

i/0,lD

20000 ¹ 17000 + Pi

(индекс 1 относится к результатам испытания при данных условиях). Для одного и того же шарика, как доказано Мейером (1908 год), между нагрузкой Р и диаметром d отпечатка существует соотношение: Р=adⁿ, где а и п—постоянные величины. Значения коэф-тов а и п приведены в таблице 18. Постоянная п в соотношении

Таблица 18.—Значения постоянных а и η (по данным Мейера).

i Материал	Твердость Η при нагрузке 3 ООО кг	а, кг/ммb	п
Алюминий. ..	42,4	28,5	2,07
Сплав алюминия *А.	81,6	39	2,26 2,17
Сплав цинка *2..	87	49,5
Медь I ..	68,3 106,2	45	2,09
Медь II..		76	2,05
Латунь..	156,7	100	2,13
Белый чугун..	229,2	116	2,31
Серый чугун I.	181,7 134	81	2,38
» » II.		92,5	2,21 2,18
Железо I..	135,3	78,5
» II .·.	145,6	80,0	2,22
» III..	222	143,0	2,14
Сталь..	283	174	2,20
Никелевая сталь *3.	124	67	2,22
» »	145	76	2,22
» » * б	294	174	2,22
» » *6	338	186	2,30
» » *7	338	230	2,32
» » *8	464 !	258	2,32
*1 85% А1, 8% Си, 5% Sn, 2% Ni *2 86% Zn, 9% Sn, 5% Си, 0,4% AI *з 0,04% NiO, 0,16% СО, 0,07% MnO,		0,06% SiOa
*ι 3,01» » 0,05» » 0,11	» »	0,02 »	»
*5 3.15» » 0,43 » » 0,39 » »		0,4 »	»
*6 3,20 » » 0,85» » 0,38		0,24 »	»
*7 16,3 » » 0,15 » » 0,62	» »	0,01 »	»
*8 11,9 » » 0,25 » » 0,49 » »		0,16 »	»

Мейера не зависит от диаметра шарика, но сильно изменяется от наклепа, наир, по Кюрту (1908 год) от 2,52 до 2,01 при пределе текучести меди 1,25-7-28,10 килограмм/мм² соответственно. Этой зависимостью можно воспользоваться при обработке металлов с целью проверять степень наклепа, отжиг и т. д. Постоянная а в соотношении Мейера зависит от диаметра шарика, и именно значение ее удовлетворяет соотношению aDⁿ~^z= Const. Однако отношением Мейера можно пользоваться с осторожностью:

К. Такагаси (1928 год), изучавший его в пределах нагрузок 5—100 килограмм, установил непостоянство параметров а и п, причем а с давлением убывает, а п стремится к 2, если давление возрастает до бесконечности.

Испытание конусом. Условие геометрии, подобия, обеспечивающее независимость числа твердости от диам. шарика, соблюсти на практике бывает затруднительно. Лудвик (1908 г., см. фигура 40) предложил устранить недостаток, заменив шарик прямоугольным конусом; тогда все отпечатки должен быть

Фигура 40.

геометрически подобны между собою. Число твердости по ЛудвикуНх определяется как среднее давление на поверхности конич. отпечатка:

Н_т =

4Р

^0,9

πΡ2>^2 ^D2

где Ώ—опять-таки диам. отпечатка. По другому способу подсчета давление относится к проекции поверхности отпечатка:

4Р

Hr =

nD ²

Способ Лудвика не получил широкого распространения из-за ряда обстоятельств, искажающих на практике теоретически выгодное предложение: таковыми оказались выпучивание краев отпечатка, притупление л поломка острия конуса и т: д. В виду указанных обстоятельств Ун-вином (1918 год) сделано компромиссное предложение—принять конус усеченный. Однако преимущества подобного испытания до сих пор нр обнаружены и господствующим остается испытание по Мартенсу. Новейшим видоизменением конич. испытания твердости может считаться алмазный конус Роквелла с закругленным концом (фигура 41), где ОА=г — радиус сферического конца, s—отрезок ВС=0Д34г, I—отрезок BD=0,2887г=2,154 s.

Испытание весьма твердых материалов. Деформация стального шарика при бринелевском испытании твердых материалов ведет к значительным ошибкам; как показалМай-лендер (1925 год), пренебречь ими можно^; лишь при условии, что твердость шарика не менее чем в

1 Λ, §
Λ							з ‘С «δ
i 5		>	У				1 *£
							Τ * η
1							и
		Чи<	:ло 1	ipuH	гля		~ά

1,7 раза больше твер во дости испытуемого образца. Кроме того практич. затруднительность соблюдать условия геометрич. подобия делает результаты испытания несравнимыми между со бой. А. Шор (1929 г.) предложил устранить пер-

m 200 Z00 400 500 600 700 800 h_RrФигура 42.

вый недостаток применением алмазного шарика диам. 0,75 миллиметров, а второй,—получая всегда одинаковый отпечаток определенной глубины h (стандатное h=45д по Шору), причем измеряется вдавливающее усилие. Этот способ устранить геометрическое неподобие отпечатков был предложен гораздо ранее А. Мартенсом и Е. Генном (1908 год), которые остановились на Ό=5 миллиметров и h=50 μ. Однако Шор показал, что неустраненность деформации шарика в способе Мартенса—Гейне ведет к большим ошибкам, например вместо 800 бринелей получается со стальным шариком всего лишь 600. Применение весьма твердых органов испытаний, предложенное Шором, усвоено в приборе «Альфа» с остроконечными алмазами и в приборе Роквелла с алмазом закругленным. Число твердости ха-

Твердость по Бринелю раКТврИЗувТСЯ ГЛу-

(шар 0 w миллиметров,то кг) биною отпечатка при

Фигура 43. стандартной загруз ке в 150 килограмм. На фигуре 42 показана взаимная зависимость чисел твердости «Альфа», Роквелла и Бринеля. Функциональная зависимость твердости по Роквеллу 1,2,5, Герберту 4 и Шору 3 от твердости по Бринелю показана на фигуре 43. В виду усиленного распространения прибора Роквелла, особенно в англо-саксонских странах, показания сто были подвергнуты подробному изучению. Переводные ф-лы от твердости по Роквеллу II_R и твердости по Бринелю Н_Вг, основанные на нек-рых упрощениях, имеют вид:

^Лдг= 130 -Я* ^{и H}Br= 1 iso-H.Ec’

ядесь а и b—константы, H_Rs—число Роквелла при испытании шариком, a H_Rc—при испытании конусом. Значения коэф-тов зависимости от диаметра шарика изучены специально в работе С. Н. Петренко (1930 г.). Здесь попутно должен быть отмечено отсутствие прямой связи между твердостью по Бринелю и твердостью царапанием по Мартенсу R. На фигуре 44 показан график

JD

зависимости между Н_Вг и величиною ; это

t±Br

отношение сперва падает, а затем, пройдя через минимум, начинает _Rподыматься :ί—мяг- н_ВГкая сталь, 2—отпо- Ζβ лированная инст- ₁₅рументальн. сталь,

3—хромоникелевая ¹° сталь, 4—хромони- о.5 келевая сталь, 5— _п

Закаленная Хроми- Твердость по бринелю ti_ar

стая сталь, 6—за- _{фиг> 44>}

каленная сталь. Однако для материалов одного рода между графиками твердости, испытанной различными способами, синдромность может быть утверждаема, как это видно например из диаграммы фигура 45, составленной Г. Заксом, где цифры у точек абсциссы означают: 1—вальцованая медь, 2 — алюминиевый сплав, 3 — цинковый сплав, 4 — сталь, 5 —11 — железоникелевые сплавы; цифры при кривых означают: 1—твердость на нажим шариком для ^=0,1; 2—то же для ~ =

*= 30; 3—твердость на нажим конусом; 4—твердость на царапание.

Аппаратура для испытания надавливанием. При испытании надавливанием требуется произвести деформацию при определенных условиях и затем измерить ее. Грубые измерения, примерно с точностью до 0,1 миллиметров, производятся с помощью прозрачной линейки с делениями или с помощью плоскоцилиндрич. линзы, которая накладывается на отпечаток так, чтобы две наклонные прямые, нацарапанные на ее плоской стороне, касались отпечатка.

Для более точных измерений— измерительная лупа с окулярным микрометром, снабженным делениями на 0,1 или 0,01мм. Следующая ступень точности (примерно до 0,005 миллиметров) достигается с помощью специального микроскопа, снабженного окулярным ступенчатым микрометром. В виду известной затруднительности дать надлежащее освещение отпечатку новейшие микроскопыэто-го рода снабжаются внутренней осветительной системой из электрической лампочки. В последнее время стал применяться прибор Шумана (1927 год), дающий на матовом стекле увеличенное объективное изображение отпечатка. Существуют приборы (напримео Вилька), позволяющие измерять диаметр отпечатка, когда надавливающий шар находится еще в нем; делается это на увеличенном профильном Изображении образца и шара, получаемом на матовом стекле. При всех измерениях описываемого рода необходимо иметь в виду, что отпечаток может получиться б. или м. овальным, а на анизотропных телах (например дереве) бывает даже значительно вытянутым; поэтому совершенно необходимо всякий раз измерять диаметры взаимно перпендикулярные с тем, чтобы в вычисление ввести среднее значение (арифметическое или лучше геометрическое). Далее, для лучшей видимости отпечаткц пользуются шариком, слегка протравленным, чтобы получить матированную поверхность. Можно также протереть сажей поверхность образца с отпечатками. Чтобы обеспечить нормальное направление нажима-, I— --»

ющей силы, испытуемый образец r-Ч 3jjl!0 гЧ накладывают на пластину со сфе- ¹—

рически сегментным основанием, ⁴ |pff4 которое может свободно сколь-зить в сферической чашке того | щ. же радиуса. Для производства | Ш испытания надавливанием не об-ходимо иметь установку, осуще- Agapsss ствляющую значительные давле- i

ния. В качестве такой установ- i

ки применяется либо гидравли- фигура 46. ческий пресс с манометром, позволяющим производить точный учет давления, либо рычажный пресс. Схема первого представлена на фигуре 46: 1—образец, 2—нагрузка, 3—поршень, 4—жидкость, передающая давление; схема второго—на фигура 47: 1—образец, 2—передвижной груз, 3—нажимной стержень,

в

Г. Э. т. XXI.

4—подставка, 5—направляющая. Как та, так и другая установка занимают довольно много места, весьма тяжелы и представляют то неудобство, что с помощью их невозможно производить испытания непосредственно на крупных изделиях и частях машин. Поэтому наряду с установками указанного рода применяются также переносные приборы для испытания твердости. Деформация производится нажимом с помощью особых клещей или иного подобного приспособления, снабженного винтами или рычагами и динамометром, показывающим произведенное усилие. Одно из таких приспособлений—испытатель твердости Секу. Аналогичное приспособление Мора и Федергафа представлено на фигуре 48. Прибор охватывает испытуемую ось или вал и зажимается на нем, но может также применяться в положении, обозначенном пунктиром. В одних из этих приборов нажатие шарика на металл осуществляется ударом падающего тела, в других—ударом с помощью спускаемой пружины. Приборов того и другого рода существует много.

Из большего числа приборов ударного действия можно отметить следующие: 1) прибор Баумана, в к-ром удар постоянной силы на боек с шариком производится спуском заряженной пружины. Подобные пружинные мо-

w/z/J/h,

Фигура 47.

лотки построены Гравеном и Вильком. Все подобные приборы построены по принципу са-моударяющих курков, и удар происходит, как только натяжение пружины доведено до определенной степени; в молотке Баумана это предельное натяжение может быть двояким; 2) прибор Польди или Польди-Хют-т e (Poldi-Hutte), в к-ром действием удара произвольной силы получаются два отпечатка—на испытуемом образце и на эталонном стальном бруске. Подобный диференциальный способ был разработан также Мореном и Бри-нелем (бринельметр). Кербер и Симонсон нашли, что бринельметр и вообще диференциальный способ дают более точные результаты, если отношение бринелевских твердостей приравнивается не к квадрату отношения диаметров отпечатков, а к некоторой иной степени, а именно, если положить н_вг= (£)·н“_г>

где Н_Вг и Н_Вг — бринелевские твердости испытуемого образца и эталона, a df и d"—диам. отпечатков при ударе. Если испытуемое вещество тверже эталона, то полученное значение твердости, вычисленное по отпечатку, меньше бринелевского, если же оно мягче эталона, то Полученная твердость больше бринелевской.

Прибор Польди-Хютте (фигура 49) состоит из головки b, ввинченной в оправку а. Концы этой головки пружинят и удерживают стальной шарик /. Внутрь оправки вставлен боек д с запле-чйком h и спиральная пружина г. В окно d головки b вставляется эталонный стержень е прямоугольного сечения с равномерной и заранее известной твердостью.

При производстве испытания прибор держат в левой руке и накладывают шарик на испытуемую поверхность. Если теперь правой рукой нанести удар по бойку д, то на испытуемой поверхности и на эталонной поверхности появятся луночки. Твердость Н_Вгиспытуемого образца выражается через твердость эталона Н_Вг, как в других диферен-циальных способах; 3) прибор

В ю с т а и

Барденгейера; здесь стальной шарик, составляющий одно целое с наконечником бабы, дает отпечаток под действием удара постоянной силы, к-рый производится свободным падением бабы. Подобные же приборы были построены Эдвардсом и Виллисом. Испытания на этих приборах подтвердили формулу Мейера Н=adⁿ с п =4 для всех металлов. Вюст и Барденгейер отметили следующую зависимость: с возрастанием падающего груза убывает значение твердости, но оно практически перестает изменяться при нагрузках, превосходящих 1,2—1,4 килограмма. Значение твердости убывает также и с уменьшением диаметра шарика; для производства испытаний рекомендуется нагрузка 1,5 килограмм, диам. шарика 5 жми работа внедрения 300—500 килограмм- миллиметров; 4) прибор Шварца и близкий к нему прибор Николаева, в которых боек с шариком надавливается ударом стальной бабы, падающей внутри металлич. трубы; прибор Николаева несколько проще, чем прибор Шварца, и менее удобен в работе; энергия удара у него больше, что не признается выгодным. Существуют кроме того еще различные приборы. В отношении всех этих приборов необходимо отметить подмену статич. деформации по Бри-нелю деформацией динамической, что вовсе не одно и то же; кроме того, как показано опытами Класса (1927 год), соотношения сопротивлений, оказываемых

металлом статич. и динамич. деформациям, вовсе не одинаковы для разных металлов, и потому для каждого металла необходимо заранее составить эмпирически построенную кривую для перехода от ударной твердости к твердости по Бри-нелю. Николаев дает параболич.зависимость между диаметром отпечатка d_Br, полученного по Бринелю, и диаметром отпечатка d_N, полученного ударным способом: d_5r=0,215d^; однако опыты Н. А. Шапошникова и Р. Р. Сыромятникова (1931 г.) не подтвердили этой зависимости и установили необходимость эмпирии, кривых для каждого из металлов. На фигуре 50 показан вид этой зависимости для разных сталей. Но, с другой стороны, выяснилось, что с достаточной точностью можно вычислять Н_Вг непосредственно по d_N, причем ошибка оказывается не более ±10%.

К числу переносных приборов для испытания вдавливанием относится маятник Герберта (1924 год), представленный на фигуре 51. Прибор этот состоит из массивной металлич. дуги с массою 2 или 4 килограмма. Примерно в ц. т. этой дуги находится опора—рубиновый или стальной шарик диам. 1 миллиметров. Микрометрия, винтами возможно перемещать ц. т. в точку опоры, а также выше или ниже ее. При нормальных испытаниях прибор устанавливается в устойчивом положении при длине маятника, равной 0,01 ми. Предмет закрепляется особыми тисками так, чтобы испытуемая поверхность была горизонтальна. Накладывая шарик опоры на эту поверхность, получают под давлением веса прибора луночку, по которой затем находят число Брине-ля. Но кроме этого способа маятник Герберта

применяется и двумя другими. Один из них, т. н. угловой способ (Wmkelverfahren), состоит в отклонении маятника на угол ок. 45°, переводе нуля на шкале уровня к пузырьку и наблюдении, до какого деления отклонится пузырек при первом качании маятника, предоставленного себе; число делений S служит мерою твердости и характеризует способность материала обрабатываться резцами. Третий временный способ (Zeitverfahren) применения маятника Герберта состоит в наблюдении времени 10 качаний. Это время характеризует твердость Р, связанную с твердостью по Бринелю соотношением H_Br=ЮТ (при Т > 33V₃), Н_Вг=0,ЗТ² (при Т < 337з). Временным способом характеризуется твердость внедрения, угловым же— совместное противодействие внедрению, скольжению и обработке. Числа S и Т для одного и того же материала мало связаны между собою, и потому значения их не идут синдромно для различных материалов, например для чугуна и марганцовистой стали значения Т почти одинаковы, тогда как значение S почти на 50% у марганцовистой стали выше, чем у чугуна.

Динамическое испытание. В одних из описанных выше способов испытания твердости производная усилия по времени характеризовалась

Высота отскока в миллиметров. Фигура 52.

весьма малым значением, в других испытаниях значение этой производной весьма значительно, и в этом смысле подобные испытания стоят на переходе от статических к динамическим. Однако всем описанным выше испыта- ₁ниям свойствен об-. щий признак—из- * _SQn мерение уже про-изведенной дефор- %₄₀. мации. Наряду с Ί, испытаниями по-добного рода суще-ствуют и собствен- <§ ^и но динамические, при которых значение производной усилия по времени весьма велико и деформация наблюдается в самом процессе ее возникновения. Значение самого усилия, как и время его воздействия на материал, при испытаниях такого рода весьма незначительны; отсюда происходят два важных преимущества подобных способов: во-первых, практич. неповреж-даемость испытуемой поверхности и, во-вторых,

возможность производить испытаниеповерхности нагретой, т. к. испытательный аппарат не успевает заметно нагреться за краткое время прикосновения к испытуемой поверхности. Физич. основания построения подобных приборов были установлены рядом исследователей. Мартель (1895 г.) установил, изучая падение пирамидального бойка, что объём отпечатка пропорционален высоте падения и массе бойка, но не зависит от формы ударника; кроме того было выяснено, что отношение энергии удара к объёму отпечатка представляет характерную постоянную испытуемого вещества. Другими исследователями (Шнейдер, К. М. Юрьев и А. М. Жуков, 1931 г.) была установлена пропорциональность для данного тела высоты падения бойка и высоты отскока; на фигуре 52 приведены графики зависимости высоты отскока от высоты падения по двум последним авторам; кривые 1,2,

3, 4, 5 относятся к §50 углеродистой стали g (86% С) различной %⁴⁰ термической обра-ботки, Ж—к железу |

ВИТД—к латуни ка- J 20 таной, Ц—к литому цинку, А—к литому алюминию, С—к литому свинцу;бойком служил стальной шарик с диам. 5 миллиметров. На фигуре 53 показана зависимость высоты отскока от твердости ударяемой поверхности (II_Вг) для высот падения 75, 50 и 25 сантиметров (кривые а, б, в соответственно); как видно из хода этих кривых, высота отскока возрастает с твердостью, причем различие высот от-

*6

0 100 200 300 400 500

Числа твердости по Вринелю

Фигура 53.

2332 5 6J Диаметры шариков в миллиметров

Фигура 54.

скока тем больше, чем больше высота падения; шарик в этих опытах был диам. 5 миллиметров. Наконец па фигура 54 и 55 показана зависимость высоты отскока от диаметра шарика при высоте падения 75 сантиметров (фигура 54) и 25 сантиметров (фигура 55); обозначения на этих фигурах те же, что на фигуре 52.

Энергетич. баланс всего процесса составляется из следующих слагаемых: U—энергия удара при падении бойка массы т с высоты Z со скоростью V, причем

U=^=mgZ

U₁—энергия, идущая на звук уда]ia, вообще говоря, весьма малая; U₂—работа пластической деформации, необратимо переходящая в тепловую; £/₃—работаобразования трещин l^JUr }, _Р {Высота падения 25chi~ общей поверхностью S с соответственным повышением потенциальной энергии поверхности; U i—работа разрушения поверхностного слоя; U_b—работа подъема на высоту бойка с начальной

Диаметры шариков в миллиметров Фигура 55.

£ отскакивающего скоростью v; —работа упругой деформации шарика; U₇—работа снятия упругой деформации шарика; U₈—работа упругой деформации испытуемого тела; £7₉— работа снятия этой деформации. Очевидно

U-U_x- U₂- и,- и,-£7,- С7₆ +

+ н₇-и₈ + и₉=о.

Т. к. последние слагаемые попарно взаимно уничтожаются, а и_г м. б. опущено, то

την 2

и-и,

U₂ Zjз H₄.

Т. о. энергия, необратимо потерянная в теле и следовательно характеризующая степень его податдивости (нетвердости), оценивается при данной энергии удара отношением высоты отскока к высоте падения; это отношение дает коэфициент восстановлен и я

Если Z постоянно, то твердость тела характеризуется высотою отскока z. Согласно Шульце (1923 год) твердость материала м. б. принята пропорциональной величине

Г

Ει Е₂

где Е_г и Е2—модули упругости образца и шарика соответственно. Отсюда следует, что высота отскока (собственно Vz) может считаться мерою твердости испытуемого материала или при бесконечно большом значении модуля упругости шарика или при несоблюдении этого условия, при практич. постоянстве модуля как шарика, так и всего ряда испытуемых тел. На принципе оценки твер¹ дости по высоте отскока построен ряд приборов. Первые приборы этого рода назывались ребондиметрами. В 1907 г. Шором и Геру, был построен прибор, получивший широкое распространение под на

Фигура 56.

званием склероскопа (фигура 56) и выпускаемый в различных моделях. Прибор состоит из градуированной стеклянной трубки, снабженной на верхнем конце приспособлением для спуска бойка посредством нажатия груши или кнопки, причем вторичное нажатие возвращает боек на прежнее место. Трубка м. б. устанавливаема строго вертикально. У нижнего конца трубки зажимается испытуемый образец, поверхность которого должен быть перпендикулярна к оси трубки. Высота отскока либо наблюдается наглаз, причем для облегчения у прибора имеется передвижной указатель, либо регистрируется особым приспособлением. Основание стеклянной трубки м. б. подымаемо на 20 см, т. ч. не исключено испытание образцов соответственной толщины. При испытании крупных предметов, например валов, трубка с оправой вынимается из штатива и ставится вертикально на испытуемую поверхность. Склероскоп Шора очень удобен, но применение его требует ряда предосторожностей, без которых пользование им может повести к значительным ошибкам. Прежде всего наличие двух бойков—«универсального» со слегка закругленным алмазным конич. наконечником и «стандартного» со стальным более тупым наконечником—ведет к нобходимости пересчета числа твердости, найденного при

	Ϊ
	Г

170 §00 150

JUo

|j0

1^0

Числа твердости для алмазного бойка Фигура 57.

Состояние поверхности образца Фигура 58.

стальном бойке (Н_ст), на число твердости при алмазном (Н_алм). Приближенно Н_алм=0,56 Н_сшили Н_СП1— 1,75 Е_алм однако эти соотношения пригодны лишь для небольших поверхностей и, как показывает диаграмма, зависимость Н_СШшот Н_алм (фигура 57) для углеродистой стали при больших твердостях H_cw> получает слишком малое значение. Кроме того стальной боек более алмазного чувствителен ко всякого рода неправильностям испытания. На фигуре 53 показана зависимость числа твердости углеродистой стали от состояния поверхности образца: кри вая я—стальной боек, б—алмазный боек; точки на оси абсцисс означают соответственно обработку поверхности: 1—полированая; 2—обработанная наждачной бумагой № 0; 3—то же № 1; 4—то же № 1, но другого з-да; 5—то же № 2; 6—обработка шлифным напильником; 7—обработка драчевым напильником; т. обр. грубая обработка дает для стального бойка 56% снижения твердости, а для алмазного— 46%. Чем мягче материал, тем менее зависит его число твердости от состояния поверхности. Установка прибора должен быть вертикальна, а поверхность—горизонтальна. При отклонениях прибора от вертикали на угол до 1° и перпендикулярности его оси к испытуемой поверхности, особых нарушений правильности работы прибора не наблюдается. При больших отклонениях высота отскока снижается по мере роста угла отклонения, причем это снижение на твер дых материалах обнаруживается сильнее, чем на мягких. Отклонение трубки от вертикали, если испытуемая поверхность горизонтальна (наир, при держании прибора рукою), при алмазном бойке сравнительно менее вредно, нежели при стальном, но в обоих случаях терпимо в пределах 1°. При работе со склероскопом всякий удар должен наноситься на свежее место, т. к. образующийся наклеп уже при втором ударе может увеличить число твердости на 40%; при дальнейшем повторении ударов по одному месту число твердости возрастает примерно до десятого-одиннадцатого удара, затем внезапно падает и далее снова начинает возрастать. Весьма существенное значение представляет род подставки, на которой лежит испытуемый образец. Так, по данным Рапаца (1926 год) у закаленной стали с уменьшением толщины наблюдается существенное увеличение числа твердости в зависимости от утончения образца, причем даже при толщине в 5 сантиметров кривые твердости не достигают своего предельного значения. Близость по своим физическим свойствам материала испытуемого к материалу наковальни ослабляет эту зависимость числа твердости от толщины образца. Равным образом менее чувствительны к роду вещества подставки и материала сравнительно мягкие образцы. Весьма тонкие образцы толщиною в 11 миллиметров дают в большинстве случаев ненормально высокий отскок; но твердость можно сделать почти не зависящей от толщины образца, если последний плотно накладывать на наковальню того же материала и той же термин, обработки. Значение твердости обусловлено не только толщиною образца, но при данной толщине также и объёмом образца, наир., если объём изменяется от 6 до ^х/₃ дм.³, то, как найдено Н. А. Минкевичем, твердость снижается от 102 до 78 или от 46 до 40,5. Согласно инструкции Шора масса испытуемого образца должен быть не менее 1 фн. Действие склероскопа существенно зависит от формы острия бойка, и потому можно заранее предвидеть значительное расхождение чисел твердости у одного и того же материала, полученных с разными склероскопами и разными экземплярами одной п той же модели. В табл. 19 сопоставлены дан-

Т а б л. 19.— Сходимость чисел твердости на склероскопах разных моделей.

	Закаленная сталь (эталон		Отожженная
	к прибору)		сталь
Модель склероскопа
	Среди. значе	Пре	Среди. значе	Пре
	ние	делы	ние	делы
Обыкновенная немецкая I.	I I 91,5 1	93—97	30,3	30—31
Обыкновенная немец
кая II.	1 10В	101—105	34	33—35
Америк, с автоматик.
отсчетом I. -	ί 93	88—95	20,2	18—23
Америк, с автоматик.	!
отсчетом II.	1 99,9	99—102 1	29,1	21—37

ные К. М. Юрьева и А. М. Жукова по сравнительному испытанию одних и тех же материалов склероскопами различных моделей. Подобные же данные получаются при сравнении других материалов и других моделей. Как видно из приведенных данных, недостаточная сходимость чисел твердости заставляет пользоваться одним илем же склероскопом, а при необходимости одновременного употребления нескольких—предварительно выяснить переводные ко-

эфициенты от одного к другому на эталонах различной твердости. Изучение показывает, что склероскопы с отсчетом наглаз (немецкая модель) надежнее склероскопов с автоматическим указателем (америк. модель), когда испытываются материалы сравнительно мягкие (твердость 36—20), и тут среднее отклонение может достигать 10%, тогда как в простых моделях оно не превосходит 1,5%. При испытании твердых материалов пригодны обе модели (среднее отклонение до 1,7%), но простая все-таки надежнее. Родственный склероскопу прибор построен Эвери (1912 год). Здесь шарик вставляется в боек, о к-рый ударяется маятник. В других маятниковых молотках шарик сидитвсамом маятнике, и удар наносится непосредственно последним. Твердость характеризуется по высотам поднятия и отброса маятника, прочитываемым на лимбе.

Вследствие сложности явлений удара и независимости друг от друга отдельных членов энергетич. баланса, которые при разных материалах могут иметь весьма различные соотношения между собой, нет оснований надеяться на какие-либо простые зависимости между дина-мич. твердостью Н_в и другими чи твердости. Исследователи, сопоставлявшие данные о материалах разного рода (наир. В. Д. Кузнецов и М. Я. Соколов, 1928 г.), действительно пришли к скептич. выводам в указанном отношении. Несовпадение чисел твердости, полученных разными способами, относится не только к количественным соотношениям, но даже и к ранговому порядку, как наир, это видно из данных табл. 20, относящихся к карболиту

Таблица 20. — Ранговый порядок твердости карболита разных марок.

1 ! Род твердости			Ход твердости
Динамическая	(по		ί
Шору).. Статическая	(по	Ир > Фур > К * > Ж > Ф
Бринелю)., Поверхностная	(по	Пр >	К > Фур > Ж > Ф
Мосу).. Поверхностная	(по	Ж >	К > Ф > Пр > Фур
Мартенсу).		Ж >	К > Ф > Пр > Фур

разных марок. Но тем; не менее для определенных .классов тел, б. или м. близких между собою, оказывается все-таки возможным установить некоторые связи динамич. твердости с другими ее видами. Так, по Вюсту и Барден-гейеру (1922 год) число твердости Шора H_s удовлетворяет соотношению H_s : Н_Вг=1,79, независимо от рода и обработки металла, если только Я_5г<500. По Шнейдеру (1911 год) и Берндту (1920 год) отношение H_s:H_Br убывает с возрастанием Н_Вг, но при термин, об-^ работке, не изменяющей модуля упру- & гости, отношение H_s%8 к Н_Вг у одной и той » я^е стали практиче- | ски не изменяется. I⁷ Для углеродистой *** стали H_Br=kH_Si причем коэф. к убывает с возрастанием образца, как показано на фигуре 59. При нормальных условиях испытания к ^7. Для более точного пересчета необходимо показание данного склероскопа сопоставить с чи Бринеля на

								— ·

4 6 8 10 12 14 16 18

Объем образца В см³

Фигура 59,

ряде эталонов и заранее построить номограмму. Согласно Валлихсу - Шальброху (1929 г.) Н_Вг=— 40 + 8,4Я₅- 0,03 Я| (ф-ла применима для мягкой стали с Н_Вг<300). И. Н. Калинников указывает на постоянство отношения H_s: q_max(где q_max — временное сопротивление) для данного рода материала. Так, углеродистая сталь характеризуется отношением 0,40, хромовая— 0,41, никелевая и хромоникелевая—0,42. Т. о. по числу Шора (помножением его на 2,52; 2,45; 2,38 соответственно) можно судить о временном сопротивлении указанных материалов. В виду существования связи между Н_Вг и q_max, с одной стороны, и Н_Вг и H_s,—с другой, для каждого рода материала м. б. составлена диаграмма, подобная представленной на фигуре 60, позволяющая делать пересчет от динамич. твердости H_s к временному сопротивлению Р_тах-Зависимость Н_В от числа твердости по Герберту м. б. для данного рода материала выражена графически, как это сделано например для углеродистой стали на фигуре 61; здесь за твердость по Герберту Н_н принято время (в ск.) десяти односторонних колебаний маятника массою в 4 килограмма. Заранее построенные номограммы такого рода

Фигура 60. Фигура 61.

обратно. Степень чувствительности склероскопа испытана сравнительно с чувствительностью испытания по Бринелю и по Виккерсу на ряде образцов из эвтектоидной стали, подвергнутой различной термич. обработке. При этом оказалось, что относительные изменения твердости (в %) по Шору с алмазным бойком и по Бринелю совпадают, число Шора со стальным бойком значительно отстает, а число Виккерса настолько же обгоняет повышение твердости по Бринелю. Так, если H_s со стальным бойком показывает возрастание на 100%, то Л_5ги H_s со стальным бойком дают возрастание на 180%, a H_w—на 265%. Число Шора связывается с числом Бринеля соотношением H_s + е=к_гН_Вг,

а число Роквелла—соотношением

Коэф-ты изменяются в зависимости от рода испытуемого материала.

Испытание утомлением. В отличие от ранее описанных способов деформации тела отпечаток на материале м. б. вызван небольшими, но многократными усилиями, хотя те же усилия при однократном наложении неспособны оставить какой-либо след на поверхности материала. Эта твердость на утомление может иметь практически весьма большое значение во всех случаях, где материалу по характеру службы приходится выдерживать постоянно повторяющееся напряжение, например рельсам в служ бе пути. Для подобных испытаний построен Η. Н. Давиденковым и Г. Н. Титовым (1928 год) особый прибор, названный ими репетиционным склерометром. Схема его представлена на фигуре 62. Стальной шарик диам. 1 дм. прикреплен к стерженьку Б, вращающемуся на неподвижной оси В, снабженной платиновым контактом Е. Подвешенный на цепочке железы, якорь Г, протягиваясь к электромагниту Д, заставляет шарик ударять по одной точке образца 3, зажатого в тиски, которые притягиваются к массивному бетонному фундаменту. Высота подскока шарика регулируется пружинкою контакта и измеряется микрометрен-ным винтом I. Испытание ведется в течение 2 ч. при высоте падения 35 миллиметров и частоте—5 ударов в ск. Через каждые 10—15 мин. измеряется диаметр отпечатка на восковых слепках с них. Как показал опыт, твердость на утомление (выносливость на смятие) не сводится к бри-нелевской твердости на вдавливание и обнаруживает особое свойство материала; точно так же она мало связана с пределом упругости и с пределом текучести, но обнаруживает большую зависимость от прочности на разрыв. Наибольшая закономерность связи .при изучении рельсовой стали оказалась у твердости на утомление с твердостью по Герберту (фигура 63).

Связь между твердостью и физико-химическими характеристиками тела. Твердость тел как проявление молекулярных связей, препятствующих выделению известной группы молекул или взаимному их смещению, должна находить себе соответствие в других свойствах тела, обусловленных теми же молекулярными силами. Соотношения этого рода изучены пока весьма недостаточно, но тем не менее уже и сейчас м. б. намечены известные соотношения. На первом месте тут стоит связь твердости с атомной концентрацией. Г. Кенготт (1852 г.) указал на взаимную связь твердости, уд. в и мол. в у изоморфных веществ. С возрастанием частного от деления уд. в на молекулярный, то есть числа молекул на единицу объёма, или т. н. относительного уд. в., возрастает и твердость изоморфных тел; пример: корунд и гематит. Шредер-фан-дер-Кольк (1912 год) расширил указанное правило с изоморфных тел на любые (однако с известными исключениями), заменив относительные уд. в компактностью минерала, под которой этот исследователь разумел произведение из относительного уд. в на число атомов в молекуле; с возрастанием компактности увеличивается и твердость тела. Боргстрем (1921 год) подверг указанное соотношение новому видоизменению, выразив компактность тел частным от деления уд. в на средний ат. вес (где средний ат. в получается как частное от деления мол. в на число атомов в молекуле). Из этого выражения видно, что компактностью характеризуется число атомов в единице объёма; чем больше

Фиг это число, тем более твердо соответственное тело—соотношение, подмеченное на ряде химии. элементов уже Боттоном (1876 г.); Бене-дикс (1901 год) подтвердил выводы Боттона и предложил назвать число атомов в единице объёма атомной концентрацией. А т. к. кристаллич. решетка построена из атомов, а не молекул, то на основании указанного соотношения возникает аналогия как качественная, так и количественная между твердостью тела и давлением газа, состоящего из указанных атомов. Чтобы сжать газ из хлора и паров натрия до плотности каменной соли, необходимо давление 15 килограмм/мм²; твердость каменной соли на самом деле 20 килограмм/мм². П. П. Лазарев (1918 год) подошел к той же связи между твердостью и атомной концентрацией и показал пропорциональность между силой, необходимой для вырывания атома с поверхности, и числом атомов в единице объёма. Твердость, а также другие характеристики, к ней близкие, например предел упругости, возрастают параллельно атомной концентрации (табл. 21).

Т а б л. 21 .—С оотношение атомной концентрации с пределом упругости у элементарных тел (по Π. II. Лазареву).

Элементарное тело	At. вес	Ат. концентрация 200 xc	Предел упругости G
РЬ	207	11,0	0,3
Sn	118	12,38	4
Ag	108	19,26	11
Zn	65	21,51	10
Au	197	19,6	14
Pt	197,4	21,8	26
Po	107	22,11	27
Cu	63	28,28	12
Fe	56	27,5	32

Связь между силой, необходимой для удаления поверхностных атомов тела, с его твердостью Н заставляет предполагать связь между твердостью тела и скрытой теплотой его плавления Q, отнесенной к грамм-атому. Как показывает вычисление, произведенное Π. П. Лазаревым, отношение этих величин действительно обладает известной устойчивостью между 1 и 1,23; однако в отдельных случаях возможны резкие отступления как в одну сторону (3,96 А1, 2,40 Pt, 1,58 Pd), так и в другую (0,106 Ni, 0,11 Fe); последняя пара исключений вероятно связана с ферромагнитными свойствами. Подобным образом намечаются соотношения между твердостью и тепловым расширением тела, причем эти свойства идут антидромно: чем труднее удалить друг от друга атомы, тем менее увеличивается расстояние между ними при повышении t°. Пример этой антидромности показан в таблице 22; однако необходимо отметить, что указанное правило в ряде случаев оказывается нарушенным, в частности например на кар-болитах. Твердость тела существенно связана с его поверхностным натяжением; t°_nJl^ должна поэтому возрастать вместе с поверхностным натяжением. В табл. 23 даны характерные соот-

Т а б л. 22.- Антидромность теплового расширения и твердости тел.

Наименование ма	Коэф. теплового	Тв. по	Абсолютн.
териала	расширения α· 108	шкале Моса	ТВ. по Ауэрбаху
Алмаз.	1,1	1 1Q	2 500
Топаз.	7,0	8	525
Стекло.	7,1—8,8	6,5—4,5	300—200
Железо.	12,1	4	280
Золото.	14,6	2,5	97
Серебро.	19,3-	2,5	91
Олово.	22,3	1,5 1	11

Таблица 23.—Данные о поверхностном натяжении галоид о-щ елочных солей.

Соли	Поверхностное натяжение, эрг1см“		£ °пл·
	при 0° К	! *
NaCl.	150	114	800
NaBr..	118	106	740
NaJ.	96	86	768
КС1.	107	96	661
KBr.	92	86	728
kj. :.	75	75	667
* В расплавленном состоянии При t° : выше t°njl.			несколько

ветствия между поверхностным натяжением и 1°_пл% для галоидных солей Na и К: при переходе от хлорида к иодиду через посредство бромида поверхностное натяжение и 1°_пЛг падают. Однако при оценке твердости необходимо иметь в виду, что даже для кристаллич. тел твердость может зависеть от способа получения кристаллов и в частности у кристаллов из раствора меньше, чем при получении их из расплава (табл. 24). Связь твердости с атом-

Таблица 24.—3 а в и с и м о с т ь твердости гало· и д о-щ елочных солей от происхождения (по В. Д. Кузнецову).

	Число колебаний маятника *
Соли	Кристалл из раствора	Кристалл из расплава
К J.	20,0	33,0
КС1.	21,8	29,2
* Колебания затухают между амплитудами 2,0 и 1,0 сантиметров при нагрузке 1,125 килограмм.

ным строением тела, и тем самым с рядом других свойств, особенно наглядно выступает при распределении элементарных тел по атомному весу, что дает периодичность соответственных графиков. В табл. 25 сопоставлены значения

Таблица 25.—Периодичность твердости (по Мосу) у элементарных тел.

Li	Be	В	с											N	0	F
0,6	(3,0)	9,5	10,0*1	_	_	_	_	_	—	—	—	—	—	(0,2)·2	(0,5) *2	(0,2) *2 j
Na	Mg	А1	Si	_	_	_	_	__	—	—	—	—	—	P	S	Cl
0,4	2,6	2,9	6—7	_	_	_	_	_	_	—	—	—	—	0,5	0,2	(0,t)·2|
К	Са	Sc	Ti	У	Sr	Μη	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br )
0,5	1,5	(3,0)	ο,ο)	(6,0)	9,0	(6,0)	4,5	(5,0)	(5,0)	3,0	2,5	1,5	(3,0)	3,5	2,0	(0,6) 1
п	Sr	Y	Zr	Nb	Mo		Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Те	J J
0,3	1,8	(3,0)	(4,5)7,5	(6,0)	8,5		6,5	6,0	4,8	2,7	2,0	1,2	1,8	3,0	2,3	(0,8) j
Cs	Ва	La	Ce	Та	W	_	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi	—	— ;
0,2	(2,0)	(3,0)	(3,0)	(7,0)	(9)7		7,0	6,5	4,3	2,5	(1,5)·2	1,3	1,5	1,85		“ i

*ι Алмаз.

*2 в твердом состоянии. твердости по Мосу у элементарных тел, а па фигура 64 значения коэфициента теплового расширения а, атомного объёма б и сжимаемости в с обратными значениями абсолютной 1°_пл. г и

твердости д по Мосу. По Эдвардсу (1918 год) подобная же неоио-
^120 1100 1.	•Правильная центриг _®Правильная центр ut -Тетрагональная —·Ромбическая *Гексагональная					я- S	<ая тая	?	Cr	дичность получается и бринелевской твердостью. Извест-ная связь между бринелевской твердостью и t°nJl чис-тых металлов ил-люстрируется диа-
								Ϊ
80 о> g s0 S 20								Ш
				Sb		Си		’ Ге
		Cd	*2П	Mg ;	Γα /q	4и		Pd	А.
	Najn	5»	b	41
	>гζοΰ 400 600 800 юоо 1200 1400 1600 то0 i рам мою ±. оакьа Оплавления (фигура 65). СВЯЗЬ MO-Фигура 65. совской твердости сложных тел с ион-

ным потенциалом составных частей этих тел установлена Гольдшмидтом (1926 год); данные Гольдшмидта приведены в таблице 26, где Ф

Габл. 26.—С вязь м о с о в с к о и твердости соединений с ионным потенциалом их составных частей (по Гольдшмидту).

V Ф (катион)

Υ Ф (анион)	Ве++	Mg+J	Zn++	Cd++	Ca++	Hg*+	Sr++	Ba++
1	2,54	1,76	1,61	1,14	1,12	1,35	1,33	1,21
i О"" 1,19	9	6,5	5	__	4,5	_	3,5	3,3
1 S-" 1,01	7,5	1,5—5	4	3,2	4,0	3	~ 3,3	~ 3
Se-" 1,00	5,5	3,5	3—4	3,0	3,2	2,8	~2,9	~2,7
i Те-- 0,95 1	3,8	—	3,0	2,8	2,9	2,6	2,8	~2,6
	NaF		MgO		ScN		TiC
Твердость	3,2		6	,5	7—8		8-	-9
}Гф (катион)	1	,02	1,	76	1,	92	2	13
Y Ф (анион)	0,83		1,19		1,32		1,	24

означает ионный потенциал в произвольных единицах. Синдромная связь между твердостью, поверхностным натяжением, 1°_пл., теплотою плавления и величиною из произведения теплоемкости на уд. в., деленного на коэф. теплового расширения, и наконец величиной обратной легкости диссоциации от ультрафиолетовых лучей однако нарушается, как выяснено Н. А. Гезехусом (1913г.) в отношении ферро магнетиков.^ К ряду указанных синдромных свойств необходимо присоединить еще трибо-электрич. способность, причем большая твердость (при данном химич. составе) ведет к положительному знаку электризации.

Лит.: Тинзберг А. С., О твердости минералов, «Материалы по изучению естеств. производит., сил России», Л., 1924, 48; Т и м о-шенко С.и Лесельс Д., Прикладная теория упругости, пер. с англ., 2 изд., М.—Л., 1931; Т а-манн Г., Металлография, пер, с нем., Л., 1931; О д и н г И., Современные методы испытания металлов, 2 издание, М.— Л., 1932-е г о же, Прочность металлов (металловедение), М.—Л., 1932; Болдырев А., Кристаллография, Л., 1930; Николаев, Определение твердости металлов, Л., 1928; К е-л е р Э., К вопросу об определении пористости керамич. черепков методом водопоглощения, «Труды Гос. исследоват. керамич. ин-та», М._г1929, вып. 18; Лаппаран, Минералогия, пер. с франц., М., 1899; Зильберминц В. и Крестовников В., К вопросу о методике определения пористости горных пород, «Труды Гос. науч-но-исследоват.нефтяного ин-та», М., 1928, вып. 2; Лазарев П., О связи твердости и атомной концентрации элементов, «Известия Российской Академии Наук», П., 1918, серия 6, т. 12, ч. 2, 12; Л и-повский М., Связь между твердостью материалов и их коэфициентом расширения, «Изв. Уральского по-литехнич. ин-та», 1926, т. 5; Маковицкий А„ К вопросу о строении молекул, элементов .и соединений, там же, 1926, т. 5; Шапошников Н. и Сыромятников Р., Прибор инж. Николаева для определения твердости металлов, «Сообщение Всесоюзного института металлов», М.—Л., 1931, 5—6; Ребиндер П., Поверхностные явления и дисперсные системы в применении к технике, «Сорена», М., 1932, вып. 1; Флоренский П., Германн Н., МантровН., Наблюдения в области поверхностных свойств слюды, «Вестник электротехники», М.—Л., 1931, 2, раздел 3; Циннии А., «Изв. Киевского политехнич. ин-та», Киев,

1910, т. Ю, стр. 133; его же, «Ж», 1912, т. 44, вып. 2, стр. 190; Юрьев К. и Жуков А., Определение твердости металлов методом измерения отскока бойка, «Сообщение Ленинградского ин-та металлов», М.—Л., 1931, 9; Кузнецов В., Метод затухания колебаний для определения твердости, «Журнал прикладной физики», 1929, т. 6, вып. 1; Минкевич Н., «ЖРМО»,

1911, стр 660—698 и 731—768; Кузнецов В. и Соколов М., Исследование метода Шора для определения твердости, «Журн. прикладной физики», 1928, т. 5, вып. 2; Давиденков Н. и Титов Г., Репетиционный склерометр, там же, 1928, т. 5, вып. доп., стр. 29—36; Грдина 10. и Кузнецов В., Исследование метода царапания для определения твердости на крист каменной соли, там же, 1929, т. 6, вып. 5; Гезехус Н., Электризация прикосновения и твердость, «Ж», 1901, т. 33; Но llna gel Н. Р., Hardness Numbers a. Their Relation, «Iron Age», N. Y., 1924, 32; Sachs G., Beitrag zum Harteprobleme, «Ztschr. f. techn. Phys.», Lpz., 1927, Jg. 8, H. 4; Petrenko S., Relationships between Rockwell a. Brinell Numbers, «Bureau of Standards, J. of Research», Wsh., 1930, Oct·; Stager H. u. Tschudi H., Beitrag zur Hartepru-iung von Isolierstoffen, «Schweizer. Elektrotechn. Ver.», Bull., 1930, Jg. 21, 7; M a 1 a m J. E., Rockwell, Hardness Test, «Journal of Institute of Metals», L., 1928, v. 40, p. 375—394, corresp. 395—400; «Engineering», 1928,v. 126, p. 569—571; Takahasi K., Relation between the Pressure a. Diameter of the Impression of the Hardness Test, «Tohoku University, Sc. Rep.», 1928, 17 July, p. 843—8 6; Jahrbuch d. Radioaktivitat, B., 1914, B. 11, p. 1; Sachs G., Plastische Verformung, Handbuch d. Experimentalphysik, hrsg. v. W. Wien u. F. Harms, Lpz., 1930, B. 5, p. 328—373, 465—474; Der metallische Werkstoff, hrsg. v. W. Guertler, В. 1, Leipzig, 1929, B. 2, Leipzig, 1925. П. Флоренский.