В материаловедении твердость (антоним: мягкость ) является мерой сопротивления локализованной пластической деформации , такой как вмятина (по площади) или царапина (линейная), вызванная механическим путем либо при нажатии , либо при истирании . Как правило, разные материалы различаются по твердости; например, твердые металлы, такие как титан и бериллий, тверже, чем мягкие металлы, такие как натрий и металлическое олово , или дерево и обычные пластмассы . Макроскопическая твердость обычно характеризуется прочными межмолекулярными связями , но поведение твердых материалов под действием силы сложное; поэтому твердость можно измерить по-разному, например, по твердости при царапинах , твердости при вдавливании и твердости при отскоке. Твердость зависит от пластичности , упругой жесткости , пластичности , деформации , прочности , ударной вязкости , вязкоупругости и вязкости . Обычными примерами твердого вещества являются керамика , бетон , некоторые металлы и сверхтвердые материалы , которые можно противопоставить мягкому веществу .
Существует три основных типа измерения твердости: царапина, вдавливание и отскок. Внутри каждого из этих классов измерений существуют индивидуальные шкалы измерений. По практическим причинам таблицы преобразования используются для преобразования одного масштаба в другой.
Твердость к царапинам — это мера устойчивости образца к разрушению или необратимой пластической деформации из-за трения об острый предмет. [1] Принцип заключается в том, что предмет из более твердого материала поцарапает предмет из более мягкого материала. При тестировании покрытий под твердостью к царапинам понимают силу, необходимую для прорезания пленки до подложки. Наиболее распространенным тестом является шкала Мооса , которая используется в минералогии . Одним из инструментов для проведения этого измерения является склерометр .
Другим инструментом, используемым для проведения этих испытаний, является карманный твердомер . Этот инструмент состоит из весового рычага с градуированной маркировкой, прикрепленного к четырехколесной каретке. Инструмент для царапин с острым краем устанавливается под заданным углом к испытательной поверхности. Для его использования к весовому рычагу на одной из градуированных отметок добавляется гиря известной массы, затем инструмент проводят по испытательной поверхности. Использование веса и маркировки позволяет применять известное давление без необходимости использования сложного оборудования. [2]
Твердость при вдавливании измеряет устойчивость образца к деформации материала из-за постоянной сжимающей нагрузки от острого предмета. Испытания на твердость при вдавливании применяются преимущественно в машиностроении и металлургии . Испытания основаны на измерении критических размеров отпечатка, оставленного индентором определенного размера и с нагрузкой. Распространенными шкалами твердости при отпечатке являются, среди прочего, Роквелл , Виккерс , Шор и Бринелль .
Твердость отскока , также известная как динамическая твердость , измеряет высоту «отскока» молотка с алмазным наконечником, брошенного с фиксированной высоты на материал. Этот тип твердости связан с эластичностью . Устройство, используемое для проведения этого измерения, известно как склероскоп . [3] Две шкалы, которые измеряют твердость отскока, — это тест твердости по отскоку Либа и шкала твердости Беннета. Метод ультразвукового контактного импеданса (UCI) определяет твердость путем измерения частоты колеблющегося стержня. Стержень состоит из металлического вала с вибрирующим элементом и ромба пирамидальной формы, закрепленного на одном конце. [4]
Существует пять процессов закалки: упрочнение Холла-Петча , нагартование , упрочнение твердым раствором , дисперсионное твердение и мартенситное превращение .
В механике твердого тела твердые тела обычно имеют три реакции на силу , в зависимости от величины силы и типа материала:
Прочность — это мера диапазона упругости материала или диапазонов упругости и пластичности вместе взятых. Это количественно выражается как прочность на сжатие , прочность на сдвиг и прочность на растяжение в зависимости от направления действующих сил. Предельная прочность — это инженерная мера максимальной нагрузки, которую может выдержать деталь определенного материала и геометрии.
Хрупкость в техническом использовании — это склонность материала к разрушению с очень незначительной пластической деформацией или вообще без нее. Таким образом, с технической точки зрения материал может быть как хрупким, так и прочным. В повседневном использовании «хрупкостью» обычно называют склонность к разрушению под действием небольшой силы, что проявляется как хрупкостью, так и недостатком прочности (в техническом смысле). Для совершенно хрупких материалов предел текучести и предел прочности одинаковы, поскольку они не испытывают заметной пластической деформации. Противоположностью хрупкости является пластичность .
Прочность материала — это максимальное количество энергии , которое он может поглотить перед разрушением, которое отличается от величины силы , которую можно приложить. Прочность хрупких материалов обычно невелика, поскольку упругие и пластические деформации позволяют материалам поглощать большое количество энергии.
Твердость увеличивается с уменьшением размера частиц . Это известно как соотношение Холла-Петча . Однако при размере зерна ниже критического твердость снижается с уменьшением размера зерна. Это известно как обратный эффект Холла-Петча.
Твердость материала к деформации зависит от его микропрочности или небольшого модуля сдвига в любом направлении, а не от каких-либо свойств жесткости или жесткости , таких как модуль объемного сжатия или модуль Юнга . Жесткость часто путают с твердостью. [5] [6] Некоторые материалы более жесткие, чем алмаз (например, осмий), но не тверже и склонны к растрескиванию и отслаиванию в чешуйчатой или игольчатой форме.
Ключом к пониманию механизма твердости является понимание микроструктуры металла или структуры и расположения атомов на атомном уровне. Фактически, наиболее важные металлические свойства, имеющие решающее значение для производства современных товаров, определяются микроструктурой материала. [7] На атомном уровне атомы металла расположены в упорядоченном трехмерном массиве, называемом кристаллической решеткой . В действительности, однако, данный образец металла, вероятно, никогда не содержит единообразной монокристаллической решетки. Данный образец металла будет содержать множество зерен, причем каждое зерно имеет довольно последовательный рисунок массива. В еще меньшем масштабе каждое зерно содержит неровности.
На уровне зерен микроструктуры существуют два типа неровностей, отвечающих за твердость материала. Эти неровности представляют собой точечные дефекты и линейные дефекты. Точечный дефект – это неровность, расположенная в одном узле внутри общей трехмерной решетки зерна. Есть три основных дефекта. Если в массиве отсутствует атом, образуется вакансионный дефект . Если в узле решетки находится атом другого типа, который в норме должен быть занят атомом металла, образуется дефект замещения. Если атом находится в месте, где его обычно не должно быть, образуется межузельный дефект . Это возможно, потому что между атомами в кристаллической решетке существует пространство. В то время как точечные дефекты представляют собой неровности в одном узле кристаллической решетки, линейные дефекты представляют собой неровности на плоскости атомов. Дислокации — это тип линейного дефекта, связанный с несоосностью этих плоскостей. В случае краевой дислокации полуплоскость атомов заклинивается между двумя плоскостями атомов. В случае винтовой дислокации две плоскости атомов смещены, а между ними проходит спиральный массив. [8]
В стеклах твердость, по-видимому, линейно зависит от количества топологических ограничений, действующих между атомами сетки. [9] Таким образом, теория жесткости позволила предсказать значения твердости в зависимости от состава.
Дислокации обеспечивают механизм скольжения плоскостей атомов и, следовательно, метод пластической или остаточной деформации. [7] Плоскости атомов могут переворачиваться с одной стороны дислокации на другую, эффективно позволяя дислокации проходить сквозь материал, и материал постоянно деформируется. Движение, допускаемое этими дислокациями, приводит к снижению твердости материала.
Способ затормозить движение плоскостей атомов и тем самым усложнить их предполагает взаимодействие дислокаций друг с другом и межузельными атомами. Когда дислокация пересекается со второй дислокацией, она больше не может проходить через кристаллическую решетку. Пересечение дислокаций создает точку крепления и не позволяет плоскостям атомов продолжать скользить друг по другу [10]. Дислокация также может быть закреплена за счет взаимодействия с межузельными атомами. Если дислокация соприкоснется с двумя и более межузельными атомами, скольжение плоскостей снова нарушится. Межузельные атомы создают опорные точки, или точки закрепления, так же, как пересекающиеся дислокации.
Варьируя наличие межузельных атомов и плотность дислокаций, можно контролировать твердость конкретного металла. Хотя это кажется нелогичным, но по мере увеличения плотности дислокаций создается больше пересечений и, следовательно, больше опорных точек. Аналогичным образом, по мере добавления большего количества межузельных атомов образуется больше точек закрепления, которые препятствуют движению дислокаций. В результате, чем больше точек крепления будет добавлено, тем тверже станет материал.
Следует обратить особое внимание на взаимосвязь между показателем твердости и кривой растяжения-деформации, демонстрируемой материалом. Последний, который обычно получают посредством испытаний на растяжение , отражает полную реакцию пластичности материала (которым в большинстве случаев является металл). Фактически это зависимость (истинной) пластической деформации по Мизесу от (истинного) напряжения по Мизесу , но ее легко получить из кривой номинальное напряжение – номинальная деформация (в режиме предварительного образования шейки ), которая является непосредственным Результат испытания на растяжение. Это соотношение можно использовать для описания того, как материал будет реагировать практически на любую ситуацию нагрузки, часто с использованием метода конечных элементов (МКЭ). Это относится к результатам испытания на вдавливание (с заданным размером и формой индентора и заданной приложенной нагрузкой).
Однако, хотя число твердости, таким образом, зависит от соотношения напряжения и деформации, вывести последнее из первого далеко не просто и не предпринимается каким-либо строгим способом во время обычных испытаний на твердость. (На самом деле, метод индентационной пластометрии , который включает в себя итеративное моделирование испытания на вдавливание методом конечных элементов, позволяет получить кривую растяжения-деформации посредством вдавливания, но это выходит за рамки обычных испытаний на твердость.) Число твердости — это всего лишь показатель твердости. полуколичественный показатель сопротивления пластической деформации. Хотя твердость для большинства типов испытаний определяется одинаково – обычно как нагрузка, деленная на площадь контакта, – цифры, полученные для конкретного материала, различны для разных типов испытаний и даже для одного и того же испытания с разными приложенными нагрузками. Иногда предпринимаются попытки [11] [12] [13] [14] [15] определить простые аналитические выражения, которые позволяют получить характеристики кривой растяжения-деформации, в частности предел текучести и предельное напряжение растяжения (UTS), из определенный тип числа твердости. Однако все они основаны на эмпирических корреляциях, часто специфичных для конкретных типов сплавов: даже при таком ограничении полученные значения зачастую весьма ненадежны. Основная проблема заключается в том, что металлы с различными комбинациями предела текучести и характеристик наклепа могут иметь один и тот же показатель твердости. К использованию чисел твердости для каких-либо количественных целей следует в лучшем случае подходить со значительной осторожностью.
