Твердость

Твердость - способность материала сопротивляться локальному воздействию (вдавливанию, царапанию) более твердых тел (индентеров).

Твердость является важным свойством, применяемым в инженерной практике и задаваемым в конструкторской документации. Количественные характеристики твердости определяются из испытаний на твердость.

Наиболее известные виды испытаний на твердость:

- метод Бринелля (HB), где твердость определяется как отношение нагрузки вдавливания стального шарика к площади полученного отпечатка; применяется для измерения твердости, меньшей твердости шарика (400HB (4000МПа)).

- метод Виккерса (HV), где твердость определяется как отношение нагрузки вдавливания алмазной пирамиды к площади полученного отпечатка, наиболее востребован для испытания твердых материалов. Этот метод имеет также применение для измерения микротвердости отдельных фаз при очень малых нагрузках (меньше 2 Н),

- метод Роквелла (HRB), где твердость определяется по глубине вдавливания шарика малого диаметра в поверхность твердостью не более 400 HB (4000МПа) при нагрузке 1000 Н,

- метод Роквелла (HRC), где твердость определяется по глубине вдавливания твердосплавного конуса в поверхность с твердостью более 400 HB (4000 МПа) при нагрузке 1500 Н,

- метод Роквелла (HRА), где твердость определяется по глубине вдавливания алмазного конуса в поверхность особо твердых материалов при нагрузке 600Н,

- метод Кнупа, где твердость определяется как отношение нагрузки вдавливания алмазной пирамиды специальной формы к площади полученного отпечатка; применяется для измерения твердости хрупких материалов, главным образом оптических.

Для сталей и алюминиевых сплавов, обладающих достаточной вязкостью, между прочностью и твердостью наблюдается экспериментально установленная связь _в ~ HB/3 (МПа).

Материалы высокой твердости (табл. 3), как правило, тугоплавки, имеют ковалентную или ковалентно-ионную, метало-ионно-ковалентную межчастичную связь со значительной долей ковалентности. Они являются основой для создания износостойких и теплостойких режущих инструментов, входят в состав конструкционной керамики, а также в виде частиц второй фазы упрочняют конструкционные материалы.

Таблица 3. Материалы высокой твердости

Материал	алмаз	BN	B4C	SiC	TiC	ZrC	Cr2O3	Al2O3	VC	TiN	WC	Mo2C	Cr3C2	Fe3C
Твердость HV, ГПа	100	90	49,5	35	30	29,3	29	28	20,9	19,9	17,8	15	13,5	8,0

Износостойкость

Под действием трения и ударных нагрузок в поверхностных слоях материалов развиваются процессы, вызывающие их постепенное разрушение (изнашивание).

Износостойкость – способность сопротивляться изнашиванию.

Износостойкость оценивается интенсивностью износа J = h/s - отношением величины износа h к пути скольжения s.

Борьба с износом в первую очередь заключается:

- в применении смазки в узлах трения,

- в увеличении твердости изнашиваемых поверхностей,

- в сочетании материалов и покрытий с низким коэффициентом трения (антифрикционных) и малой взаимной адгезией (сцеплением), например, графитофторопласт

- в использовании в парах трения скольжения материалов с высокой твердостью (50-60 HRC) для шейки вращающегося вала, а для вкладыша (втулки) подшипника более мягких материалов со специальной структурой (например, мягкая основа - твердые включения) (рис. 29), к которым относятся баббит Б83 (83%Sn, 11% Sb, 6%Cu), бронза БрО10Ф1 (10% Sn, 1% P, ост Cu), латунь ЛЦ40С (40% Zn, 1% Pb, ост Cu) и другие,

Рис. 29. Опора скольжения. 1 – шейка вала, 2 – вкладыш с мягкой основой, 3) твердые включения, 4) - смазка

- в использовании в парах трения скольжения (при незначительных нагрузках), материалов высокой твердости с малым коэффициентом трения (закаленная сталь – корунд (Al₂O₃)),

- в использовании в парах трения качения твердых материалов, так как в данном случае возникают большие контактные переменные напряжения. Для деталей подшипников качения применяют специализированные стали типа ШХ15 (~1% C, 1,5% Cr) после неполной закалки и низкого отпуска со структурой мартенсита и высокодисперсных, округлых включений карбидов (60-64 HRC).

Релаксационная стойкость

Релаксационная стойкость - способность материала сохранять упругодеформированное состояние во времени.

Необходимость учета релаксационной стойкости, в частности, возникает:

• при длительной нахождении пружин в деформированном состоянии,

• для сохранения усилий в болтовых соединениях,

• для поддержания в материале деталей полезных остаточных напряжений,

• для обеспечения стабильности размеров и формы деталей.

В качестве характеристики релаксационной стойкости принимают величину падения напряжения  за определенное время (от 200 до 3000 часов) в процессе испытаний при постоянной степени упругой деформации образца

 = E ∙(₀ - _пл),

где ₀ - начальная упругая деформация, а _пл - пластическая деформация, возникшая в пределах величины ₀ за счет преодоления дислокациями препятствий с помощью теплового движения.

С релаксационной стойкостью связана способность материала сопротивляться малой пластической деформации, для развития которой достаточно незначительного количества мест с неустойчивой структурой.

Увеличению устойчивости структуры и, соответственно, релаксационной стойкости способствует:

• повышение однородности и стабильности дислокационных структур, что соответствует структуре с тонкими упорядоченными границами из дислокаций, выстроенных в равновесные конфигурации,

• формирование мелкозернистой рекристаллизованной структуры,

• закрепление дислокаций часто расположенными термически стабильными частицами упрочняющих фаз,

• распад пересыщенных твердых растворов,

• использование, как основы, материалов с большой энергией связи,

• снижение уровня остаточных напряжений.

Примеры материалов, обладающих высокой релаксационной стойкостью, стабильностью формы и размеров при термообработке.

1. Материалы, применяемые для ответственных упругих элементов (см. Несовершенная упругость).

2. Мартенсито-стареющие конструкционные стали после закалки и старения типа Н18К9М5Т (см. Конструкционные материалы).

3. Легированные конструкционные стали типа 38Х2МЮА.

4. Легированные инструментальные стали типа ХВГ, приобретающие после закалки мартенсито-аустенитную структуру (до 20% А), что способствует сохранению размеров и формы деталей в процессе термообработки.

Радиационная стойкость

Под радиационной стойкостью понимают сопротивляемость изменению структуры и состава при облучении частицами высоких энергий (нейтронов, протонов, фотонов).

Облучение вызывает образование вакансий, межузельных атомов, дислокаций и других дефектов, что приводит:

- к упрочнению и уменьшению пластичности за счет блокировки движения дислокаций,

- к уменьшению коррозионной стойкости, за счет разрушения окисных защитных пленок, насыщения водородом и т.п.,

- к увеличению объема (“распухание”),

- к старению полимеров, вызывающему, в частности, их охрупчивание за счет образования новых межмолекулярных связей.

Стойкость к радиационному воздействию повышается:

а) увеличением прочности связей в решетке (легирование сталей Ti, Mo, Nb),

б) использование материалов с малой поглощаемостью нейтронов ( Zr, Be, Al, Mg).