Твердость

В материаловедения области твердость (антоним: мягкость ) является мерой сопротивления локализованной пластической деформации , такой как отступ (над площадью) или царапина (линейная), индуцированная механически либо путем нажатия , либо истирания . В целом, разные материалы различаются по их твердости; Например, твердые металлы, такие как титан и бериллий, более твердые, чем мягкие металлы, такие как натрия и металлическая олова , или древесина и обычные пластмассы . Макроскопическая твердость обычно характеризуется сильными межмолекулярными связями , но поведение твердых материалов при силе является сложным; Следовательно, твердость может быть измерена по -разному, такими как твердость царапин , твердость в отскоке и твердость отскока. Твердость зависит от пластичности , упругой жесткости , пластичности , напряжения , прочности , вязкости , вязкоупругости и вязкости . Общие примеры твердой материи - керамика , бетон , определенные металлы и материалы из суперхарда , которые могут быть контрастированы с мягким веществом .

Меры

Существует три основных типа измерений твердости: царапина, отступа и отскок. В каждом из этих классов измерения существуют отдельные шкалы измерений. По практическим причинам таблицы конверсии используются для преобразования между одной шкалой и другим.

Стремительная твердость

Твердость царапины - это мера того, насколько устойчивым является образец для перелома или постоянной пластической деформации из -за трения от острых объекта. ^{[ 1 ]} Принцип состоит в том, что объект, изготовленный из более жесткого материала, поцарапает объект из более мягкого материала. При тестировании покрытий твердость царапина относится к силе, необходимой для прорезания пленки на подложку. Наиболее распространенным тестом является шкала MOHS , которая используется в минералогии . Одним из инструментов для этого измерения является склерометр .

Другим инструментом, используемым для проведения этих тестов, является тестер карманной твердости . Этот инструмент состоит из масштабной руки с градуированной маркировкой, прикрепленной к четырехколесной перевозке. Инструмент царапины с острым ободом монтируется под заданным углом к поверхности испытаний. Чтобы использовать его, в одну из градуированных маркировки добавляется вес известной массы, инструмент затем протягивается через испытательную поверхность. Использование веса и маркировки позволяет применять известное давление без необходимости сложного механизма. ^{[ 2 ]}

Твердость отступления

Твердость отступления измеряет сопротивление образца деформации материала из -за постоянной нагрузки сжатия от острых объекта. Тесты на твердость вдавливания в основном используются в инженерии и металлургии . Тесты работают над основной предпосылкой измерения критических измерений отступления, оставленного специально размерным и загруженным индентором. Общие чешуйки твердости в сдаче - это Роквелл , Викерс , Шор и Бринелл , среди прочих.

Отскок твердость

Твердость восстановления , также известная как динамическая твердость , измеряет высоту «отскока» молотка с алмазом, упавшим с фиксированной высоты на материал. Этот тип твердости связан с эластичностью . Устройство, используемое для принятия этого измерения, известно как склероскоп . ^{[ 3 ]} Двумя шкалами, которые измеряют жесткость восстановления, - это тест на твердость отскока Leeb и шкала твердости Беннетта. Метод ультразвукового контактного импеданса (UCI) определяет твердость путем измерения частоты колеблющегося стержня. Стержень состоит из металлического вала с вибрирующим элементом и алмаза в форме пирамиды, установленного на одном конце. ^{[ 4 ]}

Укрепление

Существует пять процессов упрочнения: укрепление приборов , укрепление работы , укрепление твердого раствора , упрочнение осадков и мартенситная трансформация .

В твердой механике

Диаграмма кривой напряжения-деформации , показывающая взаимосвязь между напряжением (сила, прикладываемая на единицу площади) и деформацией или деформацией пластичного металла

В твердой механике твердые вещества обычно имеют три ответа на силу , в зависимости от количества силы и типа материала:

Они демонстрируют эластичность - способность временно менять форму, но возвращаются к исходной форме, когда давление удаляется. «Твердость» в эластичном диапазоне - небольшое временное изменение формы для данной силы - известна как жесткость в случае данного объекта или высокий модуль упругости в случае материала.
Они демонстрируют пластичность - способность постоянно менять форму в ответ на силу, но остаются в целом. Прочность урожая - это точка, в которой упругая деформация уступает место пластической деформации. Деформация в пластиковом диапазоне не линейна и описывается кривой напряжения . Этот ответ дает наблюдаемые свойства царапин и твердость в отступлении, как описано и измеряется в материаловедении. Некоторые материалы демонстрируют как эластичность , так и вязкость при проведении пластической деформации; Это называется вязкоупругой .
Они сломаются - раздвигаются на две или более части.

Сила является мерой степени упругого диапазона материала, или упругих и пластиковых диапазонов вместе. Это количественно определяется как прочность на сжатие , прочность на сдвиг , прочность на растяжение в зависимости от направления вовлеченных сил. Конечная прочность - это инженерная мера максимальной нагрузки, часть конкретного материала, и геометрия может противостоять.

Бриттленность в техническом использовании - это тенденция материала к перелому с очень небольшим или без обнаружения пластической деформации заранее. Таким образом, в технических терминах материал может быть как хрупким, так и сильным. В повседневном использовании «хрупкость» обычно относится к тенденции к переломам при небольшом количестве силы, которая демонстрирует как хрупкость, так и отсутствие силы (в техническом смысле). Для идеально хрупких материалов, производительность и конечная прочность одинаковы, потому что они не испытывают обнаруживаемой пластиковой деформации. Противоположностью хрупкости является пластичность .

Прочность энергии материала - это максимальное количество , которую он может поглощать перед разрушением, который отличается от количества силы , которая может быть приложена. Прочность, как правило, мала для хрупких материалов, потому что упругие и пластиковые деформации позволяют материалам поглощать большое количество энергии.

Твердость увеличивается с уменьшением размера частиц . Это известно как отношения в холле . Однако ниже критического размера зерна твердость уменьшается с уменьшением размера зерна. Это известно как обратный эффект холла.

Твердость материала для деформации зависит от его микродулюбильности или небольшого модуля сдвига в любом направлении, а не от каких-либо свойств жесткости или жесткости, таких как его объемный модуль или модуль Янга . Жесткость часто смущается для твердости. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} Некоторые материалы более жесткие, чем бриллиант (например, осмий), но не сложнее, и они подвержены вспышкам и отслаиванию в сквомозе или привычках.

Механизмы и теория

Ключом к пониманию механизма твердости является понимание металлической микроструктуры или структуры и расположения атомов на атомном уровне. Фактически, наиболее важные металлические свойства, критические для производства сегодняшних товаров, определяются микроструктурой материала. ^{[ 7 ]} На атомном уровне атомы в металле расположены в упорядоченном трехмерном массиве, называемом кристаллической решеткой . В действительности, однако, данный образец металла, вероятно, никогда не содержит последовательную монокристаллическую решетку. Данный образец металла будет содержать много зерен, причем каждое зерно имеет довольно постоянную схему массива. В еще меньшем масштабе каждое зерно содержит нарушения.

Существует два типа нарушений на уровне зерна микроструктуры, которые ответственны за твердость материала. Эти нарушения являются точечными дефектами и линейными дефектами. Точечный дефект-это неровность, расположенная на одном месте решетки внутри общей трехмерной решетки зерна. Есть три основных дефекта. Если в массиве отсутствует атом, дефект вакансии образуется . Если в участке решетки есть другой тип атома, который обычно должен быть занят атом металла, формируется заметный дефект. Если в месте существует атом, где обычно не должно быть, интерстициальный дефект формируется . Это возможно, потому что существует пространство между атомами в кристаллической решетке. В то время как точечные дефекты являются нарушениями на одном участке в кристаллической решетке, линии дефекты являются нарушениями на плоскости атомов. Дислокации являются типом линейного дефекта, включающего смещение этих плоскостей. В случае дислокации края половина плоскости атомов втиснута между двумя плоскостями атомов. В случае винтовой дислокации две плоскости атомов смещены с помощью спиральной массивы, работающей между ними. ^{[ 8 ]}

В очках твердость, по -видимому, линейно зависит от количества топологических ограничений, действующих между атомами сети. ^{[ 9 ]} Следовательно, теория жесткости позволила прогнозировать значения твердости по отношению к композиции.

Дислокации обеспечивают механизм для проскальзывания плоскостей атомов и, следовательно, метод для пластической или постоянной деформации. ^{[ 7 ]} Плоки атомов могут переворачиваться с одной стороны дислокации к другой, эффективно позволяющей дислокации проходить через материал и материал навсегда деформировать. Движение, разрешенное этими дислокациями, вызывает снижение твердости материала.

Способ ингибирования движения плоскостей атомов и, таким образом, усложнять их, включает взаимодействие дислокаций друг с другом и интерстициальными атомами. Когда дислокация пересекается со вторым вывихом, он больше не может пройти через кристаллическую решетку. Пересечение дислокаций создает точку привязки и не позволяет плоскостям атомов продолжать скользить друг на друга ^{[ 10 ]} Вывих также может быть закреплена взаимодействием с интерстициальными атомами. Если дислокация вступает в контакт с двумя или более интерстициальными атомами, проскальзывание плоскостей снова будет нарушено. Интерстициальные атомы создают точки привязки или точки прикрепления так же, как и пересечение дислокаций.

Изменяя наличие интерстициальных атомов и плотности дислокаций, можно контролировать твердость конкретного металла. Несмотря на то, что, казалось бы, нелогично, по мере увеличения плотности дислокаций увеличивается больше пересечений и, следовательно, больше точек привязки. Точно так же, поскольку добавляется больше интерстициальных атомов, формируются больше точек прикрепления, которые препятствуют движениям дислокаций. В результате, чем больше якоря добавлены, тем труднее будет материал.

Соотношение между численностью твердости и кривой напряжения деформации

Следует принять тщательное заметку о взаимосвязи между числом твердости и кривой напряжения-деформации, демонстрируемой материалом. Последний, который традиционно получен с помощью испытаний на растяжение , отражает полную реакцию пластичности материала (который в большинстве случаев является металлом). На самом деле это зависимость (истинного) пластического напряжения фон Мизеса от (истинного) напряжения фон Мизес , но это легко получено из номинального напряжения- Кривая номинальной деформации (в режиме предварительной связи ), которая является непосредственным результат испытания на растяжение. Эта связь может быть использована для описания того, как материал будет реагировать практически на любую ситуацию нагрузки, часто с помощью метода конечных элементов (FEM). Это относится к исходу теста на отступ (с заданным размером и формой инденса и применяемой нагрузкой).

Однако, хотя число твердости, таким образом, зависит от отношения к напряжению, вывод последнего из первого, далеко не прост и не предпринимается каким-либо строгого способом во время обычного тестирования твердости. (Фактически, методика пластометрии в отступлении , которая включает в себя итеративное моделирование FEM теста на вдавливание, позволяет получить кривую напряжений деформации. полуколичественный индикатор сопротивления пластической деформации. Хотя твердость определяется аналогичным образом для большинства типов тестов - обычно как нагрузка, деленная на область контакта - числа, полученные для конкретного материала, различны для различных типов теста и даже для одного и того же теста с различными приложенными нагрузками. Иногда делаются попытки ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}^{[ 15 ]} Для определения простых аналитических выражений, которые позволяют получить особенности кривой напряжения, в частности, напряжение урожая и конечное растягивающее напряжение (UT), быть полученными из определенного типа числа твердости. Тем не менее, все они основаны на эмпирических корреляциях, часто специфичных для конкретных типов сплава: даже при таком ограничении полученные значения часто довольно ненадежны. Основная проблема заключается в том, что металлы с различными комбинациями сбыта на уровне урожая и характеристик упрочнения работы могут демонстрировать одинаковое количество твердости. Использование чисел твердости для любой количественной цели должно быть в лучшем случае с значительной осторожностью.

Смотрите также

Связанные свойства

Другие механизмы укрепления

Шкалы твердости, инструменты и тесты

Ссылки

^ Веренберг, Фредрик; PL Larsson (2009). «Тестирование царапин металлов и полимеров: эксперименты и цифры». Носить . 266 (1–2): 76. doi : 10.1016/j.wear.2008.05.014 .
^ Хоффман царапина тестирования твердости архив 2014-03-23 на машине Wayback . byk.com
^ Аллен, Роберт (2006-12-10). «Руководство по тесту на жесткость и склероскоп» . Архивировано из оригинала 2012-07-18 . Получено 2008-09-08 .
^ «Новичок» .
^ Жандрон, Мишель (2005-08-25). «Алмазы не навсегда» . Мир физики . Архивировано из оригинала на 2009-02-15.
^ Сан-Мигель, а.; Blase, P.; Blase, x.; Mélinon, P.; Перес, А.; Itié, J.; Полиан, А.; Reny, E.; и др. (1999-05-19). «Поведение высокого давления клатратов кремния: новый класс материалов с низкой сжимаемостью». Физический обзор . 83 (25): 5290. Bibcode : 1999 phrvl..83.5290s . doi : 10.1103/physrevlett.83.5290 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Haasen, P. (1978). Физическая металлургия. Кембридж [англ.]; Нью -Йорк: издательство Кембриджского университета.
^ Самуэль, Дж. (2009). Введение в руководство курса материаловедения . Мэдисон, штат Висконсин: Университет Висконсин-Мэдисон.
^ Smedskjaer, Morten M.; Джон С. Мауро; Yuanzheng Yue (2010). «Прогнозирование твердости стекла с использованием температурной теории ограничений». Физический Преподобный Летт 105 (11): 2010. Bibcode : 2010 Phrvl.105K5503S . doi : 10.1103/physrevlett.105.115503 . PMID 20867584 .
^ Лесли, WC (1981). Физическая металлургия сталей. Вашингтон: полушария. Паб. Корпорация, Нью-Йорк: МакГроу-Хилл, ISBN 0070377804 .
^ Tekkaya, AE (2001). «Улучшенная взаимосвязь между твердостью Виккерса и стрессом урожая для холодных материалов». Исследование стали . 72 (8): 304–310. doi : 10.1002/srin.200100122 .
^ Busby, JT; Хэш, MC; Был, GS (2005). «Взаимосвязь между твердостью и стрессом урожая в облученных аустенитных и ферритных сталях». J. Nucl. Матер 336 (2–3): 267–278. Bibcode : 2005jnum..336..267b . doi : 10.1016/j.jnucmat.2004.09.024 .
^ Hashemi, SH (2011). «Статистическая корреляция прочности в стали API X65». Матер Наука Англ. А 528 (3): 1648–1655. doi : 10.1016/j.msea.2010.10.089 .
^ Tiryakioglu, M (2015). «О взаимосвязи между твердостью Виккерса и стрессом урожая в сплавах Al-Zn-Mg-Cu». Матер Наука Англ. А 633 : 17–19. doi : 10.1016/j.msea.2015.02.073 .
^ Матюнин, виртуальная машина; Марченков, да; Агафонов, Ry; Данилин, VV; Каримбеков, Массачусетс; Goryachkin, MV; Волков, PV; Zhgut, DA (2021). «Корреляция между предельной прочностью растяжения и твердостью Бринелла железных и неровных структурных материалов». Русская металлургия . 2021 (13): 1719–1724. Bibcode : 2021rumet2021.1719m . doi : 10.1134/s0036029521130164 . S2CID 245856672 .

Дальнейшее чтение

Чинн, Р.Л. (2009). «Твердость, подшипники и роквелл». Усовершенствованные материалы и процессы . 167 (10): 29–31.
Дэвис, младший (ред.). (2002). Поверхностное затвердевание сталей: понимание основ. Материал Парк, Огайо: ASM International.
Дитер, Джордж Э. (1989). Механическая металлургия. SI метрическая адаптация. Maidenhead, Великобритания: McGraw-Hill Education. ISBN 0-07-100406-8
Malzbender, J (2003). «Прокомментируйте определения твердости». Журнал Европейского керамического общества . 23 (9): 9. doi : 10.1016/s0955-2219 (02) 00354-0 .
Revankar, G. (2003). «Введение в тестирование на твердость». Механическое тестирование и оценка , ASM Online Vol. 8

Внешние ссылки

[1] Веренберг, Фредрик; PL Larsson (2009). «Тестирование царапин металлов и полимеров: эксперименты и цифры». Носить . 266 (1–2): 76. doi : 10.1016/j.wear.2008.05.014 .

[2] Хоффман царапина тестирования твердости архив 2014-03-23 на машине Wayback . byk.com

[3] Аллен, Роберт (2006-12-10). «Руководство по тесту на жесткость и склероскоп» . Архивировано из оригинала 2012-07-18 . Получено 2008-09-08 .

[4] «Новичок» .

[5] Жандрон, Мишель (2005-08-25). «Алмазы не навсегда» . Мир физики . Архивировано из оригинала на 2009-02-15.

[6] Сан-Мигель, а.; Blase, P.; Blase, x.; Mélinon, P.; Перес, А.; Itié, J.; Полиан, А.; Reny, E.; и др. (1999-05-19). «Поведение высокого давления клатратов кремния: новый класс материалов с низкой сжимаемостью». Физический обзор . 83 (25): 5290. Bibcode : 1999 phrvl..83.5290s . doi : 10.1103/physrevlett.83.5290 .

[Haasen-7] Jump up to: ^а ^{беременный} Haasen, P. (1978). Физическая металлургия. Кембридж [англ.]; Нью -Йорк: издательство Кембриджского университета.

[8] Самуэль, Дж. (2009). Введение в руководство курса материаловедения . Мэдисон, штат Висконсин: Университет Висконсин-Мэдисон.

[mauro2010-9] Smedskjaer, Morten M.; Джон С. Мауро; Yuanzheng Yue (2010). «Прогнозирование твердости стекла с использованием температурной теории ограничений». Физический Преподобный Летт 105 (11): 2010. Bibcode : 2010 Phrvl.105K5503S . doi : 10.1103/physrevlett.105.115503 . PMID 20867584 .

[10] Лесли, WC (1981). Физическая металлургия сталей. Вашингтон: полушария. Паб. Корпорация, Нью-Йорк: МакГроу-Хилл, ISBN 0070377804 .

[11] Tekkaya, AE (2001). «Улучшенная взаимосвязь между твердостью Виккерса и стрессом урожая для холодных материалов». Исследование стали . 72 (8): 304–310. doi : 10.1002/srin.200100122 .

[12] Busby, JT; Хэш, MC; Был, GS (2005). «Взаимосвязь между твердостью и стрессом урожая в облученных аустенитных и ферритных сталях». J. Nucl. Матер 336 (2–3): 267–278. Bibcode : 2005jnum..336..267b . doi : 10.1016/j.jnucmat.2004.09.024 .

[13] Hashemi, SH (2011). «Статистическая корреляция прочности в стали API X65». Матер Наука Англ. А 528 (3): 1648–1655. doi : 10.1016/j.msea.2010.10.089 .

[14] Tiryakioglu, M (2015). «О взаимосвязи между твердостью Виккерса и стрессом урожая в сплавах Al-Zn-Mg-Cu». Матер Наука Англ. А 633 : 17–19. doi : 10.1016/j.msea.2015.02.073 .

[15] Матюнин, виртуальная машина; Марченков, да; Агафонов, Ry; Данилин, VV; Каримбеков, Массачусетс; Goryachkin, MV; Волков, PV; Zhgut, DA (2021). «Корреляция между предельной прочностью растяжения и твердостью Бринелла железных и неровных структурных материалов». Русская металлургия . 2021 (13): 1719–1724. Bibcode : 2021rumet2021.1719m . doi : 10.1134/s0036029521130164 . S2CID 245856672 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]