Твёрдость — свойство материалов¶

Твёрдость — свойство материала сопротивляться пластической деформации при местном внедрении в него более твёрдого тела. В отличие от прочности, характеризующей сопротивление объёмной деформации, твёрдость описывает локальное сопротивление поверхности и близлежащих слоёв. Величина твёрдости измеряется по специальным шкалам и зависит от метода испытания.

¶Основные шкалы и методы измерения

Существует несколько несовместимых между собой шкал твёрдости, каждая привязана к конкретному методу испытания. Результаты, полученные по разным шкалам, не сводятся к единой абсолютной величине, однако для ряда материалов существуют经验ные соответствия.

¶Шкала Роквелла

Наиболее распространённый промышленный метод. Твёрдость определяется по глубине проникновения алмазного конуса или стального шарика под действием стандартной нагрузки. Различают несколько шкал: HRC (алмазный конус, нагрузка 150 кгс) — для инструментальных и конструкционных сталей; HRB (шарик 1,5875 мм, нагрузка 100 кгс) — для мягких и средних сталей, чугунов, алюминиевых сплавов; HRA — для твёрдых сплавов и тонких деталей.

¶Шкала Бринелля

Один из старейших методов (1900 год, шведский инженер Йоханнес Бринелль). В образец вдавливается стальной шарик диаметром 10 мм под нагрузкой до 3000 кгс. Твёрдость HB вычисляется как отношение нагрузки к площади отпечатка. Метод применим для чугунов, цветных металлов, мягких сталей; не подходит для материалов твёрдостью выше 450 HB.

¶Шкала Виккерса

Метод (1925 год) использует алмазную четырёхгранную пирамиду с углом при вершине 136°. Нагрузка варьируется от 1 до 100 кгс, что позволяет испытывать как тонкие плёнки, так и массивные образцы. Шкала Виккерса непрерывна и охватывает весь диапазон твёрдости металлов, поэтому результаты HV часто принимают за эталон при построении пересчётных таблиц.

¶Шкала Мооса

Качественная минералогическая шкала, предложенная немецким минералогом Фридрихом Моосом в 1812 году. Содержит десять эталонных минералов, расположенных по возрастанию твёрдости:

На практике твёрдость минерала определяется способностью царапать эталон или быть поцарапанным им. Шкала Мооса логарифмична по характеру деформации: переход от одного деления к следующему соответствует примерно двукратному увеличению сопротивления.

¶Сверхвысокие твёрдости

Наивысшей твёрдостью среди природных материалов обладает алмаз (10 по Моосу, около 10000 HV). Искусственно синтезированное вещество — карбид бора (В4С) — превосходит корунд, но уступает алмазу. В 2021 году группа китайских и американских учёных заявила о синтезе нанокристаллического карбида бора, превосходящего алмаз по твёрдости, однако эти данные требуют независимого подтверждения.

¶Факторы, влияющие на твёрдость

Твёрдость металлов определяется прежде всего кристаллической структурой и степенью деформационного упрочнения. Растворение углерода в железе, закалка с образованием мартенсита, дисперсионное старение — все эти процессы повышают твёрдость. Для неметаллических материалов важную роль играют тип химической связи (ионная, ковалентная, металлическая) и плотность упаковки атомов.

Твёрдость существенно зависит от температуры: при нагреве подвижность дислокаций возрастает, и твёрдость падает. Скорость деформации также влияет на результат — при высоких скоростях внедрения индентора многие материалы показывают более высокие значения.

¶Твёрдость и другие механические свойства

Для большинства металлов существует приближённая корреляция между твёрдостью и пределом прочности при растяжении: для углеродистых и легированных сталей предел прочности σв примерно втрое превышает значение HB в МПа (σв ≈ 3,45 × HB). Эта эмпирическая зависимость позволяет оценивать прочность по неразрушающему испытанию твёрдости.

Твёрдость не является строго физической константой материала — в отличие, например, от плотности или модуля упругости. Она зависит от размера пробы, состояния поверхности, метода и условий испытания, поэтому результаты всегда указывают вместе с обозначением шкалы.

¶Применение

Испытания твёрдостью широко применяются в машиностроении для контроля качества термической обработки, приёмки литых и кованых заготовок, оценки сварных швов. Неразрушающий характер метода позволяет контролировать готовые детали. В минералогии и геологии шкала Мооса служит основным полевым инструментом определения минералов. В медицине твёрдость костной ткани оценивают методом микровдавливания для диагностики остеопороза.

Источники:

• Филонов Б. Б. «Основы обработки металлов давлением»
• ГОСТ 9013-59, ГОСТ 22761-77, ГОСТ 29997-93 — стандарты методов измерения твёрдости
• Бернштейн М. Л. «Технология металлов и конструкторные материалы»
• Толанский С. «Физика твёрдого тела»
• Менделеев Д. И. «Основы химии»