Твёрдость

Материал из Циклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Твёрдость — способность материала проявлять сопротивление нагрузке.

При приложении нагрузки различные материалы ведут себя по-разному: деформируются (упруго или пластически), хрупко разрушаются[1]. В методе инструментального индентирования твёрдость можно определить как среднее контактное давление, приложенное к образцу[2]. Для того, чтобы провести эксперимент по испытанию твёрдости неизвестного материала, нужно иметь объект, с помощью которого будет прикладываться нагрузка и который не разрушится в процессе этого эксперимента. Такой объект называется индентором[3].

История[править]

Шкала твёрдости Мооса

Измерения твёрдости упоминаются в работах Мооса. Моос ввёл относительную шкалу, состоящую из десяти минералов, твёрдость которых он сравнивал друг с другом путём царапания одним материалом другого[4]. В шкалу входят эталоны:

  • тальк — 1;
  • гипс — 2;
  • кальцит — 3;
  • флюорит — 4;
  • апатит — 5;
  • ортоклаз — 6;
  • кварц — 7;
  • топаз — 8;
  • корунд — 9;
  • алмаз — 10.

Если минерал, твёрдость которого требуется оценить, царапает эталон, его твёрдость по шкале Мооса выше; если он царапается эталоном — ниже. Например, если минерал не царапается кварцем, но царапается топазом, то его твёрдость находится в диапазоне от 7 до 8. Шкала Мооса предназначена для ориентировочной оценки относительной твёрдости минералов и используется для быстрой диагностики минералов[5]. На текущий момент материалом для изготовления большинства инденторов является алмаз. Ряд испытаний металлов может быть проведён с помощью сферических наконечников из твёрдых сплавов[1]. Изготовление сферического наконечника из алмаза — крайне трудоёмкий процесс, связанный в том числе с наличием «жёстких» и «мягких» направлений в алмазе[6]. Огранить алмаз относительно легко, а вот придать ему форму сферы, близкой к идеальной — сложная задача. В последнее время получили распространение методы изготовления изделий из алмаза при помощи лазера[7] или фокусированного ионного пучка[8].

Одна из первых теорий твёрдости была предложена Генрихом Герцем в 1881 году. Он решил задачу о взаимодействии тела известной формы с полупространством, заложив основы механики твёрдого деформируемого тела[1]. Герц высказался о твёрдости так:

Твёрдость — общепонятное свойство, и каждый, проходящий перед моими окнами считает, что знает о твёрдости не меньше, чем я.
 — Генрих ГерцО'Нейль. Твёрдость металлов. ГТТИ, 1940.

Методы определения[править]

Метод измерения твёрдости по Виккерсу
Метод измерения твёрдости по Бринеллю

Способы получения числовых значений, соответствующих тому или иному физическому свойству, регламентируются государственными стандартами на измерения. Величина твёрдости — не исключение. В зависимости от вида материала и способа испытания (направления приложения нагрузки, типа жёсткого наконечника, внедряемого в материал) исследователь руководствуется разными нормативными документами. Например, методом измерения твёрдости металлов по Бринеллю[9] (в этом методе в качестве индентора выступает сферический наконечник).

Если известны площадь отпечатка (А), прикладываемая нагрузка (P), то твёрдость образца (H) можно рассчитать из следующего соотношения[10]:

Обозначение площади A (от английского «area») выбрано вместо S, так, как S — это жёсткость контакта (от английского «stiffness»). Площадь в этой формуле может быть взята различной. Государственные стандарты на измерения предполагают, что физическая величина будет получена указанным методом с указанной точностью. Одним из первых стандартов по измерению твёрдости стал ГОСТ 9450-76[3], введённый в 1976 году. В данном ГОСТ описывается метод измерения твёрдости по Виккерсу при помощи четырехгранной пирамиды, имеющей угол между противоположными гранями 136 градусов. После внедрения такого индентора на образце остаётся отпечаток, который при наблюдении в оптический микроскоп имеет форму четырёхугольника. На рисунке показано схематичное изображение отпечатка-ромба. Площадь, участвующая в расчёте твёрдости, в данном случае — это площадь проекции: A = 1/2*d, где d — это среднее арифметическое от двух диагоналей. Если точность изготовления индентора соответствует ГОСТ, а образец расположен перпендикулярно линии приложения нагрузки, то точность измерения твёрдости будет определяться разрешением оптики.

В общем случае индентор, вступая в контакт с поверхностью материала, создаёт ямку, форма которой зависит от формы самого индентора. Вокруг ямки в ряде случаев (например, при индентировании металлов) появляются «вспучивания» (пластические валы). Если не брать в расчёт площадь, занимаемую пластическими валами, то значения твёрдости будут завышены (твердость обратно пропорциональная площади, смотри формулу выше). Наблюдение остаточных отпечатков в объёме стало доступно благодаря созданию атомно-силовых микроскопов[11]. К современным более быстродействующим способам получения 3D-изображений поверхности образца можно отнести оптическую конфокальную профилометрию[12].

Особенным способом измерения твёрдости является методика, не предполагающая измерения размеров отпечатка. Метод измерения твёрдости получил название инструментального индентирования. Инструментальное индентирование — процесс, управляемый специальной испытательной установкой, представляющий собой вдавливание жесткого наконечника известной формы в материал под действием плавно возрастающей нагрузки с последующим ее снятием и регистрацией зависимости перемещения наконечника от нагрузки. Основы этого метода были разработаны в 1960-70 годы в СССР[13]. В методе инструментального индентирования могут использоваться нагрузки различных диапазонов: нано (глубина до 0,2 мкм), микро (нагрузка более 2 Н, глубина более 0,2 мкм), макро (нагрузка от 2 Н до 30 кН)[10].

Для исследования малых объектов, тонких плёнок, биологических образцов получила распространение техника наноиндентирования, поскольку она охватывает диапазон глубин внедрения индентора на уровне долей микрометра. В отличие от традиционного индентирования, в наноиндентировании значение твердости оценивается с помощью математической обработки зависимостей прикладываемой нагрузки от глубины проникновения индентора P(h). В статье Оливера и Фарра[14] приводится наиболее подробный анализ, сделавший эту технику широко распространенной. С 2002 года наноиндентирование является основой для международного стандарта механических испытаний ISO 14577, по которому разработан российский стандарт 2011 года: ГОСТ Р 8.748-2011[10]. В 2015 году вышло второе издание международного стандарта ISO 14577[15].

Направление нагрузки, приложенной к материалу, может быть различно. При вдавливании индентора перпендикулярно образцу твёрдость чаще всего измеряют, исходя из размеров остаточного отпечатка. При царапании, то есть приложении нагрузки вдоль поверхности образца одновременно со вдавливанием, твёрдость можно измерить по ширине оставшейся царапины. Такой метод называют склерометрией[16].

Метод измерения твёрдости Тип наконечника Единицы измерений Исследуемые материалы
по Виккерсу[3] алмазная четырёхгранная пирамида HV металлы, керамики
по Бринеллю[17] сферический HB металлы, сплавы
по Роквеллу[18] сферический из карбида вольфрама, алмазный конус HRB металлы, сплавы
по Шору[19] усечённый конус единицы Шора полимеры: пластмассы, каучуки
по Кнупу[20] алмазная пирамида с разными углами между парами четырёх противолежащих граней НК кристаллы, керамики
Наноиндентирование[15] алмазная трёхгранная пирамида ГПа любые материалы в твёрдом состоянии

Приборы для измерения твёрдости[править]

Приложить заданную с высокой точностью нагрузку вручную, то есть взяв в руки индентор (как это делал Моос для создания относительной шкалы), невозможно. Поэтому для определения чисел твёрдости используют специальное оборудование. Приборы для измерения твёрдости называются твердомерами[21].

Простейшими твердомерами являются приборы, состоящие из индентора, оптического микроскопа и комплекта грузов. В СССР был широко распространён твердомер ПМТ-3, внесённый в государственный реестр средств измерений в 1981 году[22]. Да и сейчас этот твердомер можно встретить среди приборов, предназначенных для лабораторных работ студентов материаловедческих специальностей.

Инструментальное индентирование, предполагающее запись показаний перемещения индентора и приложенной нагрузки, реализуется при помощи гораздо более сложных по своему устройству приборов — нанотвердомеров. Как правило, в их состав входят: электромагнитные актуаторы и дифференциальные емкостные датчики. Для удобства использования нанотвердомеры оснащаются моторизованными трансляторами и дополнительными модулями (атомно-силовыми микроскопами, конфокальными профилометрами)[23].

Практическое применение[править]

Испытание на твёрдость является способом контроля свойств деталей и механизмов без разрушения целого изделия, поскольку нагрузка прикладывается точечно. Ещё одним преимуществом индентирования можно считать то, что методы растяжения, принятые в материаловедческой практике, требуют изготовления образцов специальной формы, а измерения твёрдости можно проводить на поверхности, прошедшей минимальную пробоподготовку — шлифовку. Однако, измерения в нано- диапазоне глубин внедрения индентора возможны только при соблюдении требований к шероховатости поверхности образца. По ГОСТ Р 8.748 глубина внедрения индентора должна в 20 раз превышать среднюю величину шероховатости[10].

Знание твёрдости материалов наравне с пределом текучести[24] используется при расчете конструкций с использованием теории сопротивления материалов. Для моделирования поведения материалов под действием нагрузок используются специальные программные пакеты: например, ANSYS, ABAQUS[25].

Источники[править]

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов. — М., 1976.
  2. ↑ Головин Ю.И. Наноиндентирование и механические свойства материалов в субмикро- и наношкале. Недавние результаты и достижения (обзор) // Физика Твердого Тела : журнал. — 2021. — Vol. 63. — № 1.
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 ГОСТ 9450-76 (СТ СЭВ 1195-78) Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников (1977-01-01). Проверено 5 июня 2023.
  4. ↑ Твёрдость (рус.). БРЭ (15 марта 2023 г.). Проверено 30 мая 2023.
  5. ↑ Шкала Мооса (2022-09-07). Проверено 5 июня 2023.
  6. ↑ Doronin M.A., Polyakov S.N., Kravchuk K.S., Molchanov S.P., Lomov A.A., Troschiev S.Y., Terentiev S.A. Limits of single crystal diamond surface mechanical polishing // Diamond and Related Materials : журнал. — 2018. — Vol. 87. — ISSN 09259635.
  7. ↑ Padmanabham G. Bathe Ravi Laser Materials Processing for Industrial Applications // Proceedings of the National Academy of Sciences India Section A - Physical Sciences : журнал. — 2018. — Vol. 88. — № 3. — С. 359—374.
  8. ↑ Baek Seung-Yub Design and fabrication of nano-scale single crystal diamond cutting tool by focused ion beam (FIB) milling // Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering : тезисы конференции. — 2015. — № 9524.
  9. ↑ МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ МЕТАЛЛЫ Метод измерения твердости по Бринеллю (1960-01-01). Проверено 8 июня 2023.
  10. ↑ 10,0 10,1 10,2 10,3 ГОСТ Р 8.748-2011 (ИСО 14577-1:2002) НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственная система обеспечения единства измерений МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ. ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ И ДРУГИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОМ ИНДЕНТИРОВАНИИ (2013-05-01). Проверено 5 июня 2023.
  11. ↑ Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. — РАН Институт физики микроструктур, 2004.
  12. ↑ Webb R.H. Confocal optical microscopy. — Reports on Progress in Physics, 1996. — 427 с.
  13. ↑ Булычев С.И., Алехин В.С., Шоршоров М.Х., Терновский А.П., Шнырев Г.Д. Определение модуля Юнга по диаграмме вдавливания индентора (рус.) // Заводская лаборатория : журнал. — 1975. — Vol. 41. — № 9. — С. 1137—1140.
  14. ↑ Oliver W.C., Pharr G.M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments // J. Mater. Res. : журнал. — 1992. — Vol. 7. — С. 15—64.
  15. ↑ 15,0 15,1 ISO 14577-1:2015 Metallic materials — Instrumented indentation test for hardness and materials parameters — Part 1: Test method (англ.) (2015-07). Проверено 5 июня 2023.
  16. ↑ Хрущова М. М. Склерометрия. Теория, методика, применение испытаний на твердость царапанием. — М.: Наука, 1968.
  17. ↑ ГОСТ 9012-59. Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю.
  18. ↑ ГОСТ 9013-59 Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу.
  19. ↑ ГОСТ 24621 — 2015 (ISO 868:2003) ПЛАСТМАССЫ И ЭБОНИТ Определение твердости при вдавливании с помощью дюрометра (твердость по Шору).
  20. ↑ ГОСТ Р ИСО 4545-1 - 2015 МАТЕРИАЛЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ Определение твердости по Кнупу.
  21. ↑ Струтынский А. В., Худяков С. А. Сравнение характеристик малогабаритных твердомеров // Вестник МГУ: серия «Судостроение и судоремонт». Владивосток: Морской государственный университет : сборник. — 2007. — С. 84—94.
  22. ↑ Микротвердомеры ПМТ-3. Проверено 5 июня 2023.
  23. ↑ Решетов В.Н., Красногоров И.В., Соловьев В.В., Гладких Е.В., Усеинов А.С. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО ИНДЕНТИРОВАНИЯ – ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ // Наноиндустрия : журнал. — 2022. — № 7—8.
  24. ↑ Предел текучести и предел прочности. Проверено 8 июня 2023.
  25. ↑ Андриашин А. А., Демичев Д. В., Соловьев М. Е. Расчет напряженно-деформированного состояния плоского кругового резинового образца, продавливаемым в центре сферическим индентором // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология : журнал. — 2010. — Vol. 53. — № 4. — С. 103—104.
Znanie.png Одним из источников этой статьи является статья в википроекте «Знание.Вики» («znanierussia.ru») под названием «Твёрдость», находящаяся по адресам:

«https://baza.znanierussia.ru/mediawiki/index.php/Твёрдость»

«https://znanierussia.ru/articles/Твёрдость».

Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий.
Всем участникам Знание.Вики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?»

Источник — http://cyclowiki.org/w/index.php?title=Твёрдость&oldid=1906367