Твёрдость материалов: методы измерения и характеристики

Введение

Измерение сопротивления материала локализованной пластической деформации

В материаловедении твердость (антоним: мягкость) является мерой сопротивления локализованной пластической деформации, такой как вдавливание (на определенной площади) или царапина (линейная), вызванной механическим воздействием посредством прессования или абразивного износа. Как правило, различные материалы различаются по твердости; например, твердые металлы, такие как титан и бериллий, тверже мягких металлов, таких как натрий и олово, древесины и обычных пластмасс. Макроскопическая твердость обычно характеризуется прочными межмолекулярными связями, однако поведение твердых материалов под нагрузкой является сложным, поэтому твердость можно измерять различными способами, включая твердость на царапину, твердость на вдавливание и твердость по отскоку. Твердость зависит от пластичности, упругой жесткости, пластичности, деформации, прочности, вязкости, вязкоупругости и вязкости. Типичными примерами твердых веществ являются керамика, бетон, определенные металлы и сверхтвердые материалы, которые противопоставляются мягким веществам.

Меры

Существует три основных типа измерений твердости: сопротивление царапанию, вдавливанию и упругому отскоку. В каждом из этих классов измерений существуют отдельные шкалы твердости. Для практического применения используются таблицы перевода для преобразования показаний с одной шкалы на другую.

Жёсткость на царапинах

Жесткость на царапины – это мера сопротивления материала разрушению или необратимой пластической деформации под воздействием трения об острый предмет. Принцип заключается в том, что более твердый материал оставляет царапину на более мягком. При испытании покрытий жесткость на царапины определяет силу, необходимую для прорезания покрытия до основания. Наиболее распространенным тестом является шкала Мооса, используемая в минералогии. Для измерения используется склерометр. Другой инструмент – карманный тестер твердости. Он состоит из рычага со шкалой и градуировкой, закрепленного на четырехколесном основании. Режущий инструмент с острым краем устанавливается под заданным углом к испытываемой поверхности. Для проведения теста к рычагу добавляется груз известной массы, соответствующий одной из отметок на шкале, после чего инструмент проводят по поверхности. Использование груза и шкалы позволяет приложить известное давление без применения сложного оборудования.

Твердость прореза

Твердость по вдавливанию измеряет сопротивление образца деформации под действием постоянной сжимающей нагрузки от острого предмета. Испытания на твердость по вдавливанию в основном используются в инженерии и металлургии. В основе этих испытаний лежит измерение критических размеров отпечатка, оставленного индентором с определенными размерами и при определенной нагрузке. Наиболее распространенные шкалы твердости по вдавливанию – Роквелла, Виккерса, Шора и Бринелля, среди прочих.

Твердость отскока

Степень отскока, также известная как динамическая твердость, измеряет высоту «отскока» алмазного молотка, упавшего с фиксированной высоты на материал. Этот тип твердости связан с упругостью. Прибор, используемый для проведения этого измерения, называется склероскопом. Две шкалы для измерения твердости по отскоку – это тест твердости по отскоку Либа и шкала твердости Беннетта. Метод ультразвукового контактного импеданса (UCI) определяет твердость путем измерения частоты колебаний стержня. Стержень состоит из металлического корпуса с вибрирующим элементом и пирамидального алмаза, закрепленного на одном конце.

Упрочнение

Существует пять способов упрочнения: упрочнение по Холлу-Петчу, упрочнение деформационным упрочнением, упрочнение растворами, упрочнение осаждением и мартенситное превращение.

Механизмы и теория

Ключ к пониманию механизма, лежащего в основе твердости, – это понимание металлической микроструктуры, то есть структуры и расположения атомов на атомном уровне. На самом деле, большинство важных свойств металлов, критически важных для производства современных изделий, определяются микроструктурой материала. На атомном уровне атомы металла расположены в упорядоченном трехмерном массиве, называемом кристаллической решеткой. Однако в реальности, конкретный образец металла, скорее всего, никогда не содержит полностью однородную кристаллическую решетку. Данный образец металла будет содержать множество зерен, и каждое зерно будет иметь достаточно упорядоченную структуру. В еще меньшем масштабе каждое зерно содержит дефекты. Существует два типа дефектов на уровне зерен микроструктуры, которые отвечают за твердость материала: точечные и линейные дефекты. Точечный дефект – это дефект, локализованный в одной точке кристаллической решетки внутри общей трехмерной решетки зерна. Существует три основных типа точечных дефектов. Если в массиве отсутствует атом, образуется вакансия. Если в узле решетки находится атом другого типа, чем тот, который должен там быть, образуется примесный дефект замещения. Если атом находится в позиции, где его обычно не должно быть, образуется интерстициальный дефект. Это возможно, поскольку между атомами в кристаллической решетке есть свободное пространство. В то время как точечные дефекты – это дефекты в одной точке решетки, линейные дефекты – это дефекты, охватывающие плоскость атомов. Дислокации – это тип линейного дефекта, связанный с нарушением выравнивания этих плоскостей. В случае краевой дислокации, полуплоскость атомов вклинивается между двумя плоскостями атомов. В случае винтовой дислокации, две плоскости атомов смещены относительно друг друга по спирали. В аморфных материалах, таких как стекла, твердость, по-видимому, линейно зависит от количества топологических ограничений, действующих между атомами сети. Следовательно, теория жесткости позволяет предсказывать значения твердости в зависимости от состава. Дислокации обеспечивают механизм для скольжения плоскостей атомов и, следовательно, способ пластической, или необратимой, деформации. Дислокация также может быть закреплена взаимодействием с интерстициальными атомами. Если дислокация приходит в контакт с двумя или более интерстициальными атомами, скольжение плоскостей снова нарушается. Интерстициальные атомы создают точки закрепления, или препятствия, подобно пересекающимся дислокациям. Варьируя количество интерстициальных атомов и плотность дислокаций, можно контролировать твердость конкретного металла. Хотя это может показаться нелогичным, увеличение плотности дислокаций приводит к увеличению числа их пересечений и, следовательно, числа точек закрепления. Аналогично, добавление большего количества интерстициальных атомов приводит к образованию большего числа препятствий, замедляющих движение дислокаций. В результате, чем больше точек закрепления, тем тверже становится материал.

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.

Связь между числом твердости и кривой напряжения-разрыва

Следует тщательно учитывать взаимосвязь между числом твердости и диаграммой деформирования материала. Последняя, обычно получаемая в результате испытания на растяжение, отражает полную пластичность материала (который в большинстве случаев является металлом). Фактически, это зависимость (истинного) пластического напряжения фон Мизеса от (истинной) пластической деформации фон Мизеса, однако ее легко получить из диаграммы номинального напряжения – номинальной деформации (в области до начала шейки), которая является непосредственным результатом испытания на растяжение. Эта зависимость может быть использована для описания поведения материала при практически любой нагрузке, часто с применением метода конечных элементов (FEM). Это применимо и к результатам испытания на вдавливание (при заданном размере и форме индентора и заданной приложенной нагрузке). Однако, хотя число твердости зависит от диаграммы деформирования, обратное заключение – определение диаграммы деформирования по числу твердости – далеко не просто и не предпринимается строго в ходе стандартных испытаний твердости. (Фактически, метод индентационной пластометрии, включающий итерационное FEM-моделирование испытания на вдавливание, позволяет получить диаграмму деформирования по результатам вдавливания, но это выходит за рамки стандартных испытаний твердости.) Число твердости – это лишь полуколичественный показатель сопротивления пластической деформации. Хотя твердость определяется схожим образом для большинства типов испытаний – как правило, как отношение нагрузки к площади контакта – значения, полученные для конкретного материала, различаются для разных типов испытаний и даже для одного и того же испытания при разных нагрузках. Иногда предпринимаются попытки установить простые аналитические зависимости, позволяющие определить характеристики диаграммы деформирования, в частности предел текучести и предел прочности (UTS), по определенному числу твердости. Однако все они основаны на эмпирических корреляциях, часто специфичных для конкретных типов сплавов: даже при таком ограничении полученные значения часто оказываются недостаточно надежными. Основная проблема заключается в том, что металлы с различными комбинациями предела текучести и характеристик упрочнения могут демонстрировать одинаковое число твердости. При использовании чисел твердости в каких-либо количественных целях следует, по крайней мере, проявлять значительную осторожность.

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.