Оценка твердости материалов: понимание сопротивления деформации

Твердость — это способность материала противостоять локальной постоянной деформации, например, вдавливанию (индентации). Рассечение, абразивное изнашивание, проникновение и царапание также вызывают деформацию, поэтому твердость можно определять как сопротивление материала деформации.

Твердость измеряет сопротивление вещества локальной пластической деформации. Пластическая деформация — это постоянное изменение формы, в отличие от упругой, когда материал возвращается в исходное состояние после снятия нагрузки.

Что такое твердость материала?

Твердость — метод оценки сопротивления материала локальной пластической деформации, вызванной механической индентацией или абразией. Твердость варьируется: твердые металлы (титан, бериллий) тверже мягких (натрий, олово), дерева и обычных полимеров.

Макроскопическая твердость описывается сильными межмолекулярными связями, но поведение твердых тел под нагрузкой сложно, поэтому выделяют три метрики: твердость на царапание (scratch), индентационная твердость (indentation) и отскокная твердость (rebound). На твердость влияют: вязкость, упругая жесткость, пластичность, деформация, прочность, вязкость, вязкоупругость.

Примеры твердых материалов: керамика, бетон, некоторые металлы, сверхтвердые материалы. Их противопоставляют мягким материалам.

Некоторые материалы обладают высокой естественной твердостью. Вольфрам — очень твердый металл, используемый как легирующая добавка в инструментальных сталях, обеспечивающая износостойкость при резании при высоких температурах. Вольфрам входит в состав твердых сплавов (твердых сплавов на основе карбида вольфрама), применяемых во фрезах. Эти сменные режущие пластины многократно увеличивают ресурс режущего инструмента.

Другие материалы, напротив, слишком мягки для практического использования. Чистое золото так мягко, что его легко поцарапать или согнуть. Для повышения твердости к нему добавляют серебро, медь, алюминий.

У некоторых материалов термическая обработка позволяет повысить поверхностную твердость, сохраняя объемные свойства. Это стандартная операция для валов станков для увеличения ресурса. При проектировании инженер также учитывает соотношение твердостей. Например, в парe «втулка — вал» втулка должна быть мягче, так как ее легче заменить. При трении изнашивается одна деталь, и инженер решает, какая именно.

Виды твердости и методы измерения

Способность материала сопротивляться деформации проверяется стандартным испытанием, измеряющим сопротивление поверхности индентации. Основные параметры теста: форма индентатора, его размеры и приложенная нагрузка.

Выделяют три базовых типа испытаний на твердость: на царапание, индентационный, отскокный. У каждого класса свои шкалы. Для практического перевода используют таблицы пересчета.

Твердость на царапание (Scratch hardness)

Сопротивление образца трещинообразованию или постоянной пластической деформации под действием трения от острого предмета. Принцип: более твердый предмет царапает более мягкий. При испытании покрытий измеряют силу, необходимую для проглаживания пленки до подложки. Наиболее распространенная шкала — шкала Мооса (в минералогии). Инструмент — склерометр.

Также применяют портативный твердомер по Моосу: шкала с делением на рычаге, закрепленном на четырехколесной тележке. Острый царапающий инструмент закреплен под фиксированным углом. Нагрузку создают известным грузом на делении шкалы, затем проводят инструментом по поверхности. Позволяет задать известное давление без дорогого оборудования.

Индентационная твердость (Indentation hardness)

Сопротивление образца деформации под статическим компрессионным нагрузкой от острого индентатора. Наиболее употребительны в инженерии и металлографии. Принцип: измерение критических размеров следа от индентатора заданной геометрии и нагрузки. Популярные шкалы: Роквелл (Rockwell), Викерс (Vickers), Шор (Shore), Бринелль (Brinell).

Отскокная твердость (Rebound / Dynamic hardness)

Измеряют высоту подскока алмазного молоточка, упавшего с фиксированной высоты. Связана с упругостью. Прибор — стереоскоп (scleroscope). Шкалы: тест Либа (Leeb rebound hardness test) и шкала Беннетта (Bennett hardness scale).

Метод ультразвукового контактного импеданса (UCI) оценивает твердость по частоте колебации стержня. Стержень — металлический стержень с пьезоэлементом и пирамидальным алмазом на конце.

Заключение

Твердость материала — критически важный фактор при инженерном проектировании. От нее зависят надежность и функциональность изделия. Иными словами, твердость материала — ключевой параметр конструкторского расчета. В этой краткой статье рассмотрены основы материальной твердости. Надеемся, информация была полезна — делитесь ею с коллегами. Спасибо за чтение!