Твердость -Hardness

Твердость (антоним: мягкость ) является мерой сопротивления локализованной пластической деформации , вызванной либо механическим вдавливанием , либо истиранием . Как правило, разные материалы различаются по своей 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 существуют разные измерения твердости:твердость царапания , твердость вдавливания и твердость отскока .

Твердость зависит от пластичности , упругой жесткости , пластичности , деформации , прочности , ударной вязкости , вязкоупругости и вязкости .

Типичными примерами твердой материи являются керамика , бетон , некоторые металлы и сверхтвердые материалы , которые можно противопоставить мягкой материи .

Измерение твердости

Твердомер по Виккерсу

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 между одним масштабом и другим.

Твердость к царапинам

Твердость к царапанию — это мера устойчивости образца к разрушению или остаточной пластической деформации из-за трения об острый предмет. Принцип заключается в том, что предмет из более твердого материала будет царапать предмет из более мягкого материала. При испытании покрытий твердость при царапании относится к силе, необходимой для разрезания пленки до подложки. Наиболее распространенным тестом является шкала Мооса , которая используется в минералогии . Одним из инструментов для проведения таких измерений является склерометр .

Еще одним инструментом, используемым для проведения этих испытаний, является карманный твердомер. Этот инструмент состоит из шкалы с градуированной маркировкой, прикрепленной к четырехколесной каретке. Инструмент для царапания с острым краем устанавливается под заданным углом к ​​поверхности контроля. Чтобы использовать его, к плечу весов добавляют груз известной массы на одной из градуированных отметок, затем инструмент проводят по испытательной поверхности. Использование веса и маркировки позволяет применять известное давление без необходимости использования сложного оборудования.

Твердость вдавливания

Твердость при вдавливании измеряет сопротивление образца деформации материала из-за постоянной сжимающей нагрузки от острого предмета. Испытания на твердость при вдавливании применяются главным образом в машиностроении и металлургии . Испытания основаны на измерении критических размеров отпечатка, оставленного индентором с определенными размерами и нагрузкой.

Распространенными шкалами твердости при вдавливании являются , среди прочего , Роквелл , Виккерс , Шор и Бринелль .

Жесткость отскока

Твердость отскока, также известная как динамическая твердость , измеряет высоту «отскока» молотка с алмазным наконечником, падающего с фиксированной высоты на материал. Этот тип твердости связан с эластичностью . Устройство, используемое для проведения этого измерения, известно как склероскоп .

Двумя шкалами, которые измеряют твердость отскока, являются тест твердости отскока Либа и шкала твердости Беннета .

Метод ультразвукового контактного импеданса (UCI) определяет твердость путем измерения частоты колеблющегося стержня. Стержень состоит из металлического стержня с вибрирующим элементом и ромба пирамидальной формы, закрепленного на одном конце.

Закалка

Существует пять процессов упрочнения: упрочнение Холла-Петча, деформационное упрочнение , упрочнение на твердый раствор , дисперсионное упрочнение и мартенситное превращение .

Физика

Диаграмма кривой напряжения-деформации , показывающая взаимосвязь между напряжением (силой, приложенной на единицу площади) и деформацией или деформацией пластичного металла.

В механике твердых тел твердые тела обычно имеют три реакции на силу , в зависимости от величины силы и типа материала:

  • Они обладают эластичностью — способностью временно изменять форму, но возвращаться к исходной форме при снятии давления. «Твердость» в диапазоне упругости — небольшое временное изменение формы при заданной силе — известна как жесткость в случае данного объекта или высокий модуль упругости в случае материала.
  • Они обладают пластичностью — способностью постоянно изменять форму в ответ на воздействие силы, но оставаться цельными. Предел текучести – это точка, в которой упругая деформация сменяется пластической деформацией. Деформация в пластической области носит нелинейный характер и описывается кривой напряжения-деформации . Эта реакция создает наблюдаемые свойства твердости при царапании и вдавливании, как описано и измерено в материаловедении. Некоторые материалы проявляют как эластичность , так и вязкость при пластической деформации; это называется вязкоупругостью .
  • Они ломаются — раскалываются на две или более частей.

Прочность - это мера диапазона эластичности материала или диапазонов упругости и пластичности вместе. Это количественно определяется как прочность на сжатие, прочность на сдвиг , прочность на растяжение в зависимости от направления действующих сил. Предел прочности — это инженерная мера максимальной нагрузки, которую может выдержать деталь из определенного материала и геометрии.

Хрупкость , в техническом смысле, — это склонность материала к разрушению с очень незначительной пластической деформацией или без нее. Таким образом, с технической точки зрения материал может быть как хрупким, так и прочным. В повседневном использовании «хрупкость» обычно относится к склонности к разрушению под действием небольшого усилия, что проявляется как хрупкостью, так и недостатком прочности (в техническом смысле). Для совершенно хрупких материалов предел текучести и предел прочности одинаковы, потому что они не испытывают заметной пластической деформации. Противоположностью хрупкости является пластичность .

Ударная вязкость материала — это максимальное количество энергии , которое он может поглотить до разрушения, которое отличается от количества силы , которая может быть приложена. У хрупких материалов вязкость обычно невелика, потому что упругие и пластические деформации позволяют материалам поглощать большое количество энергии.

Твердость увеличивается с уменьшением размера частиц . Это известно как отношение Холла-Петча . Однако ниже критического размера зерна твердость уменьшается с уменьшением размера зерна. Это известно как обратный эффект Холла-Петча.

Твердость материала к деформации зависит от его микропрочности или мелкомасштабного модуля сдвига в любом направлении, а не от каких- либо свойств жесткости или жесткости , таких как объемный модуль упругости или модуль Юнга . Жесткость часто путают с твердостью. Некоторые материалы жестче алмаза (например, осмий), но не тверже и склонны к скалыванию и отслаиванию в виде чешуек или игл.

Механизмы и теория

Изображение кристаллической решетки, показывающее плоскости атомов.

Ключом к пониманию механизма твердости является понимание металлической микроструктуры или структуры и расположения атомов на атомном уровне. Фактически, наиболее важные свойства металлов, необходимые для производства современных товаров, определяются микроструктурой материала. На атомном уровне атомы в металле расположены в упорядоченном трехмерном массиве, называемом кристаллической решеткой . В действительности, однако, данный образец металла, скорее всего, никогда не содержит последовательной монокристаллической решетки. Данный образец металла будет содержать много зерен, каждое из которых имеет довольно постоянный рисунок массива. В еще меньшем масштабе каждое зерно содержит неровности.

Существует два типа неровностей на уровне зерен микроструктуры, отвечающих за твердость материала. Эти неровности представляют собой точечные дефекты и линейные дефекты. Точечный дефект представляет собой неровность, расположенную в одном узле решетки внутри общей трехмерной решетки зерна. Есть три основных дефекта. Если в массиве отсутствует атом, образуется вакансионный дефект . Если в узле решетки, который в норме должен быть занят атомом металла, находится другой тип атома, образуется дефект замещения. Если в месте, где в норме его быть не должно, есть атом, образуется междоузельный дефект . Это возможно, потому что между атомами в кристаллической решетке существует пространство. В то время как точечные дефекты представляют собой неровности в одном месте 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 вклинивается между двумя плоскостями атомов. В случае винтовой дислокации две плоскости атомов смещены, и между ними проходит спиральный массив.

В стеклах твердость, по-видимому, линейно зависит от количества топологических ограничений, действующих между атомами сетки. Следовательно, теория жесткости позволила предсказать значения твердости по отношению к составу.

Плоскости атомов расщеплены краевой дислокацией.

Дислокации обеспечивают механизм скольжения плоскостей атомов и, таким образом, метод пластической или постоянной деформации. Плоскости атомов могут переворачиваться с одной стороны дислокации на другую, эффективно позволяя дислокации проходить через материал и постоянно деформировать материал. Движение, допускаемое этими дислокациями, вызывает уменьшение твердости материала.

Способ затормозить движение плоскостей атомов и, таким образом, сделать их более твердыми, 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 привязки и не позволяет плоскостям атомов продолжать скользить друг по другу. Закрепление дислокации может происходить и за счет взаимодействия с межузельными атомами. Если дислокация соприкоснется с двумя или более межузельными атомами, скольжение плоскостей снова будет нарушено. Межузельные атомы создают точки привязки или точки закрепления точно так же, как и пересекающиеся дислокации.

Изменяя присутствие межузельных атомов и плотность дислокаций, можно контролировать твердость конкретного металла. Хотя это кажется нелогичным, по мере увеличения плотности дислокаций создается больше пересечений и, следовательно, больше опорных точек. Точно так же, по мере добавления дополнительных межузельных атомов, образуется больше точек закрепления, препятствующих движению дислокаций. В результате, чем больше точек крепления будет добавлено, тем тверже станет материал.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Чинн, Р.Л. (2009). «Твердость, подшипники и Роквеллы». Передовые материалы и процессы . 167 (10): 29–31.
  • Дэвис, младший (ред.). (2002). Поверхностное упрочнение сталей: Понимание основ. Парк материалов, Огайо: ASM International.
  • Дитер, Джордж Э. (1989). Механическая металлургия. Адаптация метрики SI. Мейденхед, Великобритания: McGraw-Hill Education. ISBN  0-07-100406-8
  • Мальцбендер, Дж. (2003). «Комментарий к определениям твердости». Журнал Европейского керамического общества . 23 (9): 9. doi : 10.1016/S0955-2219(02)00354-0 .
  • Реванкар, Г. (2003). «Введение в определение твердости». Механические испытания и оценка , ASM Online Vol. 8.

внешние ссылки