Что такое твёрдость мы все интуитивно понимаем. Но, чтобы сравнивать между собой различные материалы по их твёрдости, необходимо определить твёрдость как понятие, как физическую величину, ввести единицы и разработать методы измерения твёрдости.
Твёрдость как понятие формулируется достаточно просто: это способность материала оказывать сопротивление внедрению в него более твёрдого тела.
А вот с единицами измерения твёрдости всё гораздо сложнее. Дело в том, что материалы настолько сильно различаются по своей твёрдости, что оказалось невозможным использовать единый метод и, соответственно, ввести единую единицу твёрдости для всех материалов.
В настоящее время применяются несколько различных методов измерения, и в каждом из них используется своя единица твёрдости. Поэтому, когда приводят численное значение твёрдости какого-либо материала, всегда указывают, каким методом оно определено.
Все существующие методы определения твёрдости основываются на внедрении в исследуемый образец какого-либо стандартного тела – индентора и на изучении отпечатка, остающегося после внедрения. Статические методы используют внедрение индентора под действием постоянной силы в течение определённого промежутка времени. Динамические методы используют либо выстреливание индентора в образец, либо падение индентора на образец с определённой высоты.
Среди статических методов наиболее распространёнными являются методы Бринелля, Виккерса и Роквелла, среди динамических – метод Шора.
По Бринеллю твёрдость определяется как отношение нагрузки к площади сферического сегмента – отпечатка в образце от действия шарика-индентора. Числа твёрдости HB по Бринеллю (ГОСТ 9012-59) соответствуют величине этого отношения, когда нагрузка выражена в килограммах силы (кгс), а площадь в квадратных миллиметрах. Иногда твёрдость по Бринеллю выражают в мегапаскалях (1 Мпа = 9,81 кгс/мм2).
Метод Виккерса (ГОСТ 2999-75) отличается использованием алмазного индентора в виде правильной четырехгранной пирамиды и тем, что при испытаниях определяется среднее арифметическое диагоналей оставляемого индентором следа. Числа твёрдости HV по Виккерсу имеют ту же размерность, что и числа твёрдости HB по Бринеллю. Более того, для материалов малой и средней твёрдости оба метода дают близкие результаты. И только у очень твёрдых материалов числа твёрдости HV по Виккерсу значительно превышают значения HB, полученные по методу Бринелля.
В методе Роквелла в качестве индентора используют алмазный конус или стальной шарик и измеряют глубину проникновения индентора в образец. Для оценки твёрдости по Роквеллу используют условную единицу HR, которая соответствует глубине проникновения 0,002 мм. Кроме того, в методе Роквелла используют различные шкалы, обозначаемые буквами латинского алфавита. Соответственно, числа твёрдости по Роквеллу имеют обозначения: HRA, HRB, HRC...
Для определения статической твёрдости древесины согласно ГОСТ-16483.17-81 используется методика, основанная на методе Бринелля. Однако, в ней имеются отличия от классического метода Бринелля. В качестве индентора используется пуансон с полусферическим наконечником радиуса r = 5,64 мм. Пуансон медленно нагружают до тех пор, пока полусферический наконечник не погрузится полностью в образец, и измеряют величину F нагрузки, которая для этого потребовалась. Твёрдость определяют как отношение величины F к площади основания полусферического наконечника, которая равна 100 квадратным миллиметрам. Согласно ГОСТ-16483.17-81 твёрдость древесины измеряют в ньютонах на квадратный миллиметр.
Т.к. древесина – не изотропный материал, твёрдость определяют на поверхностях тангентального, радиального и поперечного разрезов древесины.
ГОСТ-16483.17-81 предусматривает и такие случаи, когда образцы раскалываются при внедрении индентора. В случае раскалывания образцов наконечник пуансона погружают на половинную глубину (2,82 мм), а полученный результат умножают на 4/3.
Древесина – гигроскопичный материал, и её твердость существенно зависит от влажности. Поэтому согласно ГОСТ-16483.17-81 испытания на твёрдость обязательно сопровождаются определением влажности образцов. Твёрдость, определённую при влажности в момент испытаний, затем приводят к твёрдости при стандартной влажности 12% с помощью формулы приведения (ГОСТ-16483.17-81).
Пользование справочными данными о твёрдости различных пород древесины затруднено тем, что многие авторы используют разные единицы силы и площади. Несмотря на то, что ГОСТ-16483.17-81 однозначно устанавливает в качестве единицы твёрдости древесины Н/мм2, часто встречаются данные, где твёрдость измеряется в кгс/мм2 и даже в кгс/см2. Поэтому при пользовании справочными данными нужно внимательно относиться к тому, какие единицы использует автор, и не забывать об известных соотношениях: 1 кгс/мм2 = 9,81 Н/мм2 = 100 кгс/см2.