Материалдардың жергілікті деформацияға қарсы кедергісі

Кіріспе

Материалдар ғылымында қаттылық (антоним: жұмсақтық) – материалдың жергілікті пластикалық деформацияға қарсы тұру шамасы, яғни механикалық қысым немесе сығу арқылы туындаған ойыс (бір аймақта) немесе сызат (сызықты) сияқты деформацияларға төзімділігі. Әдетте, әртүрлі материалдардың қаттылығы әртүрлі болады; мысалы, титан және бериллий сияқты қатты металдар, натрий және металл қалайы, сондай-ақ ағаш және қарапайым пластиктерге қарағанда қаттырақ. Макроскопиялық қаттылық көбінесе күшті молекулалық байланыстармен сипатталады, бірақ қатты денелердің күш әсеріне қатысты мінез-құлқы күрделі болғандықтан, қаттылықты әртүрлі әдістермен өлшеуге болады, мысалы, сызат арқылы қаттылықты, басып кіру арқылы қаттылықты және кері серпілу арқылы қаттылықты. Қаттылық – соғымдылыққа, серпімділікке, пластикалыққа, деформацияға, беріктікке, тұтқырлыққа, вискоэластикалыққа және тұтқырлыққа байланысты. Қатты заттардың кең таралған мысалдары – керамика, бетон, кейбір металдар және аса қатты материалдар, оларды жұмсақ заттармен салыстыруға болады.

Іс-шаралар

Қаттылықты өлшеудің үш негізгі түрі бар: сызат, басып кіргізу және кері секіру. Осы өлшемдер кластарының әрқайсысының ішінде жеке өлшем шкалалары бар. Бір шкаладан екіншісіне ауысу үшін, практикалық себептермен түрлендіру кестелері пайдаланылады.

Қатаңдық

Сырқалу қаттылығы – сынаманың өткір нысанмен сүрткен кезде сынуға немесе тұрақты пластикалық деформацияға қаншалықты төзімді екенін өлшейтін көрсеткіш. Принцип мынада: қатты материалдан жасалған нысан жұмсақ материалдан жасалған нысанды сызып алады. Жабындарды сынау кезінде сырқалу қаттылығы – пленканы негізге дейін кесіп өтуге қажетті күшті білдіреді. Ең көп қолданылатын тест – минералогияда пайдаланылатын Мосс шкаласы. Бұл өлшеуді жүзеге асыру үшін қолданылатын құралдардың бірі – склерометр. Осы сынақтарды жүргізу үшін қолданылатын тағы бір құрал – қалталық қаттылық сынағыш. Бұл құрал төрт дөңгелекті шассиге бекітілген, градуировкаланған белгілері бар таразыдан тұрады. Сызық салу құралы өткір жиегімен сынақ бетіне белгілі бір бұрышпен орнатылады. Оны пайдалану үшін таразының белгілі бір бөлігіне белгілі салмақ қосылады, содан кейін құрал сынақ бетінен жүргізіледі. Салмақ пен белгілерді пайдалану күрделі жабдықтарсыз белгілі бір қысымды қолдануға мүмкіндік береді.

Ішінді қаттылығы

Ерікті қаттылық – өткір нысанның тұрақты қысыммен түсіруінен материалдың деформациялануына үлгінің қарсылығын өлшейтін көрсеткіш. Ерікті қаттылықты анықтау сынақтары негізінен инженерлік және металлургия салаларында қолданылады. Сынақтардың негізгі қағидасы – нақты өлшемдермен және жүктемемен жасалған басымның қалдырған іздерінің маңызды өлшемдерін өлшеу болып табылады. Көп қолданылатын ерікті қаттылық шкалалары – Роквелл, Виккерс, Шор және Бринелл, сондай-ақ басқалары.

Қайталау қаттылығы

Қайталау қаттылығы, сондай-ақ динамикалық қаттылық деп аталады, алмасты ұшы бар балғаны белгіленген биіктіктен материалға түсірген кездегі "секіру" биіктігін өлшейді. Бұл қаттылық түрі серпімділікке байланысты. Осы өлшемді алуға қолданылатын құрал склероскоп деп аталады. Қайталау қаттылығын өлшейтін екі шкала бар: Либ қайталау қаттылығы сынағы және Беннет қаттылық шкаласы. Ультрадыбыстық контакттық кедергі (UCI) әдісі тербелмелі таяқтың жиілігін өлшеу арқылы қаттылықты анықтайды. Таяқ металл біліктен, дірілдегіш элементтен және бір жағында пирамида пішіндес алмас орнатылғаннан тұрады.

Қаттылау

Қаттылудың бес процесі бар: Холл-Петч нығайту, пластикалық деформация арқылы нығайту, қатты ерітінді нығайту, тұнба нығайту және мартенситтік трансформация.

Механизмдер мен теория

Қаттылық механизмін түсінудің кілті – металл микроқұрылысын, яғни атомдардың атомдық деңгейдегі құрылымы мен орналасуын түсіну. Шын мәнінде, бүгінгі тауарларды өндіруге қажетті ең маңызды металл қасиеттерінің көпшілігі материалдың микроқұрылысымен анықталады. Атомдық деңгейде металл атомдары үш өлшемді реттік құрылымға, яғни кристалл торға орналасады. Бірақ, шындығында, металдың берілген үлгісінде біркелкі кристалл тор кездеспейді. Металдың берілген үлгісінде көптеген түйіршіктер болады, әр түйіршіктің өзіне тән реттік үлгісі болады. Одан да кішкентай масштабта, әр түйіршікте де жетілмеушіліктер болады. Материалдың қаттылығына жауапты микроқұрылымның түйіршік деңгейіндегі екі түрлі жетілмеушілік бар: нүктелік және сызықтық ақаулар. Нүктелік ақау – бұл түйіршіктің жалпы үш өлшемді торындағы бір тор қуысы. Үш негізгі нүктелік ақау бар. Егер реттік құрылымнан атом жоғалса, бос орын ақауы пайда болады. Егер тор қуысында металл атомы орналасуы тиіс болса, орнына басқа типті атом келсе, алмастыру ақауы пайда болады. Егер атом әдетте болмауы керек жерде орналасса, аралық ақау пайда болады. Бұл мүмкін, себебі кристалл тордағы атомдар арасында бос кеңістік бар. Нүктелік ақаулар кристалл тордағы бір ғана жердегі жетілмеушіліктер болса, сызықтық ақаулар атомдардың жазықтығындағы жетілмеушіліктер. Дислокациялар – бұл жазықтықтардың бұрыс орналасуымен байланысты сызықтық ақаулардың бір түрі. Шеттік дислокацияда атомдардың жартылай жазықтығы екі жазықтықтың арасына еніп орналасады. Бұрандалы дислокацияда екі жазықтық спиральді құрылым арқылы өзара ығыстырылады. Шыныларда қаттылық желідегі атомдар арасындағы топологиялық шектеулердің санына тура пропорционал болып көрінеді. Сондықтан, қаттылық теориясы құрамына қарай қаттылық мәндерін болжауға мүмкіндік береді. Дислокациялар атомдардың жазықтықтарының сырғанауына, демек, пластикалық немесе тұрақты деформацияға мүмкіндік береді. Дислокациялар аралық атомдармен өзара әрекеттесу арқылы да тұрақтандырылуы мүмкін. Егер дислокация екі немесе одан көп аралық атомдармен жанасса, жазықтықтардың сырғанауы тоқтатылады. Аралық атомдар қиылысқан дислокациялар сияқты тірек немесе бекіту нүктелерін жасайды. Аралық атомдардың мөлшерін және дислокациялардың тығыздығын өзгерту арқылы нақты металдың қаттылығын бақылауға болады. Бұл интуицияға қарсы болғанымен, дислокациялардың тығыздығы артқан сайын, көбірек қиылыстар пайда болады, нәтижесінде көбірек бекіту нүктелері құрылады. Сол сияқты, аралық атомдардың мөлшері артқан сайын, дислокациялардың қозғалысына кедергі келтіретін көбірек бекіту нүктелері пайда болады. Нәтижесінде, бекіту нүктелері неғұрлым көп болса, материал соғұрлым қатты болады.

The key to understanding the mechanism behind hardness is understanding the metallic microstructure, or the structure and arrangement of the atoms at the atomic level. In fact, most important metallic properties critical to the manufacturing of today’s goods are determined by the microstructure of a material. At the atomic level, the atoms in a metal are arranged in an orderly three dimensional array called a crystal lattice. In reality, however, a given specimen of a metal likely never contains a consistent single crystal lattice. A given sample of metal will contain many grains, with each grain having a fairly consistent array pattern. At an even smaller scale, each grain contains irregularities. There are two types of irregularities at the grain level of the microstructure that are responsible for the hardness of the material. These irregularities are point defects and line defects. A point defect is an irregularity located at a single lattice site inside of the overall three dimensional lattice of the grain. There are three main point defects. If there is an atom missing from the array, a vacancy defect is formed. If there is a different type of atom at the lattice site that should normally be occupied by a metal atom, a substitutional defect is formed. If there exists an atom in a site where there should normally not be, an interstitial defect is formed. This is possible because space exists between atoms in a crystal lattice. While point defects are irregularities at a single site in the crystal lattice, line defects are irregularities on a plane of atoms. Dislocations are a type of line defect involving the misalignment of these planes. In the case of an edge dislocation, a half plane of atoms is wedged between two planes of atoms. In the case of a screw dislocation two planes of atoms are offset with a helical array running between them. In glasses, hardness seems to depend linearly on the number of topological constraints acting between the atoms of the network. Hence, the rigidity theory has allowed predicting hardness values with respect to composition. Dislocations provide a mechanism for planes of atoms to slip and thus a method for plastic or permanent deformation. A dislocation can also be anchored by the interaction with interstitial atoms. If a dislocation comes in contact with two or more interstitial atoms, the slip of the planes will again be disrupted. The interstitial atoms create anchor points, or pinning points, in the same manner as intersecting dislocations. By varying the presence of interstitial atoms and the density of dislocations, a particular metal's hardness can be controlled. Although seemingly counter intuitive, as the density of dislocations increases, there are more intersections created and consequently more anchor points. Similarly, as more interstitial atoms are added, more pinning points that impede the movements of dislocations are formed. As a result, the more anchor points added, the harder the material will become.

Қаттылық саны мен кернеу-жітіс қисығының арасындағы байланыс

Қаттылық саны мен материалдың кернеу-деформация қисығы арасындағы байланысты мұқият ескеру қажет. Бұл қисық, әдетте тартылу сынағы арқылы алынады, материалдың (көбінесе металл) толық пластикалық қасиеттерін көрсетеді. Бұл, іс жүзінде, (нағыз) фон Мизес пластикалық деформациясының (нағыз) фон Мизес кернеуіне тәуелділігі болып табылады, бірақ бұл номиналды кернеу-деформация қисығынан (мойын пайда болу кезеңіне дейін) оңай алынуы мүмкін, ал ол тартылу сынағының тікелей нәтижесі. Бұл қатынасты материалдың кез келген жүктеме жағдайына қалай реакция ететінін сипаттау үшін пайдалануға болады, көбінесе шекті элементтер әдісін (FEM) қолдану арқылы. Бұл, сонымен қатар, қысым сынағының нәтижесіне де қатысты (қысымдағыштың белгілі бір пішіні мен мөлшері және қолданған жүктемесі бар). Дегенмен, қаттылық саны кернеу-деформация қатынасына байланысты болғанымен, соңғысын біріншісінен анықтау оңай емес және дәстүрлі қаттылық сынағы кезінде қатаң түрде жасалмайды. (Шындығында, идентациялық пластометрия әдісі, идентация сынағының итеративті FEM модельдеуін қамтиды, идентация арқылы кернеу-деформация қисығын алуға мүмкіндік береді, бірақ бұл дәстүрлі қаттылық сынау шеңберінен тыс). Қаттылық саны – пластикалық деформацияға қарсы тұрудың жартылай сандық көрсеткіші ғана. Қаттылықтың көптеген түрлері үшін анықтамасы ұқсас болғанымен – әдетте жүктеме байланыс ауданына бөлінеді, – нақты материал үшін алынған мәндер әртүрлі сынақ түрлері үшін және тіпті бірдей сынақтарда әртүрлі жүктемелер қолданғанда да өзгеше болуы мүмкін. Кернеу-деформация қисығының ерекшеліктерін, әсіресе беріктік шегі мен максималды тартылу кернеуін (UTS) белгілі бір қаттылық санынан алуға мүмкіндік беретін қарапайым аналитикалық формулаларды анықтауға кейде тырысады. Алайда, олардың барлығы эмпирикалық корреляцияларға негізделген, көбінесе нақты қоспа түрлеріне тән: тіпті осындай шектеулер болған жағдайда да, алынған мәндер көбінесе сенімсіз болады. Негізгі мәселе – беріктік шегі мен жұмысқа қатысты қатаю сипаттамаларының әртүрлі комбинацияларына ие металдар бірдей қаттылық санын көрсетуі мүмкін. Қаттылық сандарын кез келген сандық мақсатта қолдану, ең жақсы жағдайда, едәуір сақтықпен қарастырылуы керек.

Careful note should be taken of the relationship between a hardness number and the stress strain curve exhibited by the material. The latter, which is conventionally obtained via tensile testing, captures the full plasticity response of the material (which is in most cases a metal). It is in fact a dependence of the (true) von Mises plastic strain on the (true) von Mises stress, but this is readily obtained from a nominal stress – nominal strain curve (in the pre necking regime), which is the immediate outcome of a tensile test. This relationship can be used to describe how the material will respond to almost any loading situation, often by using the Finite Element Method (FEM). This applies to the outcome of an indentation test (with a given size and shape of indenter, and a given applied load). However, while a hardness number thus depends on the stress strain relationship, inferring the latter from the former is far from simple and is not attempted in any rigorous way during conventional hardness testing. (In fact, the Indentation Plastometry technique, which involves iterative FEM modelling of an indentation test, does allow a stress strain curve to be obtained via indentation, but this is outside the scope of conventional hardness testing.) A hardness number is just a semi quantitative indicator of the resistance to plastic deformation. Although hardness is defined in a similar way for most types of test – usually as the load divided by the contact area – the numbers obtained for a particular material are different for different types of test, and even for the same test with different applied loads. Attempts are sometimes made to identify simple analytical expressions that allow features of the stress strain curve, particularly the yield stress and Ultimate Tensile Stress (UTS), to be obtained from a particular type of hardness number. However, these are all based on empirical correlations, often specific to particular types of alloy: even with such a limitation, the values obtained are often quite unreliable. The underlying problem is that metals with a range of combinations of yield stress and work hardening characteristics can exhibit the same hardness number. The use of hardness numbers for any quantitative purpose should, at best, be approached with considerable caution.