Твердость, прочность и вязкость: ключевые свойства металлов

Твердость, прочность и вязкость — основные важные свойства металлов и других материалов. Одно или несколько из них определяют пригодность для конкретного применения. В быту слова «прочный», «вязкий», «твердый» используются интуитивно, не зная их точного значения в металлургии.

Напряжение и деформация

Напряжение — мера силы, действующей на объект. Различают по направлению сил относительно материала: сжатие, растяжение, сдвиг. Сжатие действует по продольному направлению, сжимая объект. Растяжение — противоположное, расширяющее. Крутильное напряжение — результат сил в противоположных направлениях, вызывающих скручивание.

Деформация — мера изменения размеров материала относительно исходных. Материал под напряжением реагирует деформацией или разрушением.

Инженеры научились предсказывать реакцию материалов на силы разного уровня, что позволило классифицировать материалы по свойствам: хрупкость, вязкость, эластичность, твердость, вязкость (toughness), прочность.

Что такое твердость?

Твердость — способность материала сопротивляться трению. Известна как износостойкость. Мера сопротивления локальной деформации, вызванной абразивным износом (силы трения) или вдавливанием (постоянные боковые механические силы).

Алмаз — твержайшее вещество на Земле, невероятно трудно поцарапать. В промышленности редко используется в критичных приложениях, требующих твердости. Однако алмазные сверла широко распространены для сверления металлов и пород.

На субатомном уровне твердость определяется силой межмолекулярных связей. Но твердость не отвечает за сопротивление большим силам. Например, алмаз легко разбить кувалдой. Здесь проявляется разница между твердостью и вязкостью.

Что такое вязкость (toughness)?

Вязкость — способность поглощать энергию без разрушения. Материал (металл, пластик, дерево) выдерживает определенную силу до поломки. Может претерпеть эластичную деформацию (возвращающуюся в исходную форму) или пластичную (остаточную). Если материал деформируется перед разрушением — он вязкий. Вязкий материал можно считать жестким (tough).

Вязкость определяется вязкостью (ductility) и прочностью. Пример: металлы и пены равны по вязкости. Их поведение при напряжении и деформации совершенно разное, но точки текучести похожи.

Металлы выдерживают мало деформации до разрыва, но требуют огромную силу для деформации. Пены деформируются при обычном сжатии, но разрушаются при той же силе, что и металлы. Резина уникальна: достаточно прочна, чтобы выдерживать силу до деформации, и не разрушается внезапно при деформации. Резина обладает и прочностью, и вязкостью — уникальный жесткий материал.

Что такое прочность?

Прочность — сила, которую материал может выдержать, сопротивляясь деформации. Чем больше сила для изменения формы, тем прочнее материал. Среди свойств прочность — самая сложная. Также мера силы, которую объект выдерживает до пластической деформации (необратимой, остаточной деформации). После пластической деформации материал не возвращается в исходную форму после снятия нагрузки.

Например, сталь трудно разорвать — высокая прочность. Но она быстро деформируется в разные формы под малой силой.

Разница между прочностью и вязкостью: вязкость измеряет силу для полного разрушения, прочность — силу для достижения пластической деформации. Для очень хрупких материалов (керамика) прочность и вязкость практически совпадают.

Существуют разные виды прочности, соответствующие типам напряжений: сжатие, растяжение, сдвиг. Материал может иметь уникальные значения прочности на сжатие и растяжение. Все материалы имеют сдвиговую прочность — способность выдерживать сдвиговые напряжения до скользящего разрушения.

Краткое различие

• Твердость — сопротивление трению (износу)
• Вязкость (toughness) — поглощение энергии до разрушения
• Прочность — сопротивление деформации (переход в пластическое состояние)

Заключение

Твердость, вязкость и прочность — принципиально разные свойства различных материалов. В статье рассмотрены напряжение и деформация как основа этих свойств для металлов, дерева, резины и др., а также их отличия.