Твердость

Твердость - свойство материала, которое характеризует сопротивление упругой и пластической деформации при вдавливании в него стандартного тела в условиях неравномерного сжатия. Эта величина, отражая энергию связи и особенности структуры, зависит от некоторых физико-механических, а также таких свойств, как прочность и пластичность.

Факторы, влияющие на твердость материала

Твердость является структурной характеристикой материала, ее связь с электронной структурой сложна и неоднозначна. Более очевидно влияние на твердость температуры и пористости.

При увеличении температуры твердость материала снижается из-за увеличения подвижности дислокаций и, как следствие, роста пластических деформаций.

Влияние пористости на твердость материалов неоднозначно. Пористость в интервале от 0 до 4% природных каменных материалов группы гранита и керамического фарфорового черепка, практически, не оказывает влияния на твердость, однако при показателе пористости 13% (обычный тяжелый бетон) влияние пор весьма существенно, особенно при высоких температурах.

Способы оценки твердости

Оценку твердости материала связывают с поведением его поверхностного слоя при механическом воздействии на материал. При этом используют два различных метода:

- качественный, или сравнительный метод, когда пластическая деформация поверхности осуществляется при взаимном царапании сравниваемых материалов;

- количественный метод, при котором пластическая деформация поверхности материала достигается вдавливанием в нее так называемых инденторов, т.е. стандартных твердых тел различной геометрической формы.

В первом случае в качестве ориентира применяют шкалу твердости по Моосу, т.е. обозначают стандартные материалы твердых тел 10 видов (от талька до алмаза), которые ступенчато классифицированы от 1 до 10 в зависимости от твердости, определяемой при взаимном царапании. Более мягкими считают те материалы, на которых остается царапина, а более твердыми — те, на которых следы царапин отсутствуют (см. табл. 5.3).

Таблица 5.3. Влияние структуры и типа химической связи на твердость минералов (шкала Мооса)

В табл. 5.3 явно просматривается зависимость показателя твердости от класса минерала и типа химической связи Наибольшей твердостью обладают кристаллы с высокой направленностью ковалентной связи. Простые кристаллы за редким исключением (например, SiС) имеют более высокую твердость.

Как ориентир твердости материалов показатель твердости по Моосу является весьма качественным экспериментальным показателем.

Количественный метод определения твердости связан с приложением нагрузки посредством вдавливания индентора из алмаза или другого материала в поверхность испытуемого образца. По величине образующегося отпечатка рассчитывают показатель твердости. В зависимости от типа и формы индентора различают показатель твердости по Бринеллю (символ Нв), по Виккерсу (Нv), по Кнуппу (НN) и по Роквеллу (НR).

Величину твердости в зависимости от высоты отскока стального Шарика при падении на поверхность твердого тела называют показателем твердости по Шору.

Рис. 5.29. Схемы определения твердости материалов методом вдавливания индентора:

а — по Бринеллю (Нв); б — по Виккерсу (НV); в — по Кнуппу (HN)

Результаты испытаний на твердость одних и тех же материалов, проведенных различными методами, как правило, неодинаковы, хотя cходимость их во всех случаях имеет место. Так, зависимость между твердостью по Моосу М и твердостью по Виккерсу НV выражается формулой:

lg НV = kМ,

где k — константа (для керамики k = 1,6; для металлов k = 1,2).

При испытаниях материалов по методу вдавливания большое влияние на результат оказывают величины прикладываемой нагрузки:

- при усилиях вдавливания ниже определенного для каждого материала значения возникают только упругие деформации и отпечатка от индентора не остается, а следовательно, замерить показатель твердости не удается;

- при усилиях вдавливания выше критического значения на поверхности образуется отпечаток, глубину которого можно замерить и, следовательно, установить величину сопротивления пластической деформации, т.е. показатель твердости.

Таким образом, при увеличении усилия вдавливания сверх предела текучести для некоторых материалов, например металлов, происходит пластическая деформация, но так как металлы с большим модулем Юнга характеризуются большим пределом текучести, можно предположить, что пластичные материалы с большим модулем Юнга должны обладать большей твердостью.

Хрупкие материалы, например керамика, плохо подвергаются пластической деформации и во многих случаях разрушаются в пределах упругости. Следовательно, если усилие вдавливания индентора в поверхность керамики выше некоторого предела и образуется отпечаток, то не только осуществляется пластическая деформация, но и возникают трещины, которые могут быть причиной локального разрушения материала.

Таким образом, - твердость — это характеристика материала, отражающая его пластичность и прочность.

Твердость связана четкой корреляционной зависимостью с модулем Юнга. У минералов, обладающих химической связью одного типа, с увеличением модуля Юнга твердость увеличивается.

 Завершая анализ деформативных и прочностных свойств строительных материалов еще раз отметим четко выраженную взаимосвязь в системе: состав — химические связи — структура — свойства.