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.

Достоинства испытания на твердость:

• измерения проводятся достаточно быстро и без разрушений, поэтому могут проводиться для контроля готовых деталей,

• при вдавливании происходит локальная деформация в условиях всестороннего сжатия, что в некоторой степени предотвращает появление трещин, поэтому даже хрупкие материалы проявляют пластичность,

• возможность оценки по значениям твердости уровня других свойств.

Недостатки заключаются в приблизительности оценки с помощью твердости других механических свойств и доступности для испытаний только поверхностного слоя детали.

Наиболее известные из 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; находит применение и для измерения микротвердости отдельных фаз при очень малых нагрузках (меньше 2Н)

 метод Роквелла (HRB) – глубина вдавливания шарика малого диаметра в поверхность твердостью не более 400 HB (4000МПа) при нагрузке 1000Н,

 метод Роквелла (HRC) – глубина вдавливания твердосплавного конуса в поверхность твердостью более 400 HB (4000 МПа) при нагрузке 1500Н,

 метод Роквелла (HRА) – глубина вдавливания алмазного конуса в поверхность особо твердых материалов при нагрузке 600Н,

 метод Кноупа – 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 эмпирическая связь σ_в ~ HB/3 (МПа).

Все материалы высокой твердости, как правило, тугоплавки, имеют большое количество участвующих в связи валентных электронов и значительную долю ковалентности связи. Моноатомные материалы высокой твердости представлены алмазом. К твердым соединениям относятся в первую очередь карбиды, нитриды, бориды, оксиды.

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.

Износостойкость

Под действием трения в поверхностных слоях материалов развиваются процессы, вызывающие их постепенное разрушение. Это проявляется в случае контактирования поверхностей при скольжении и качении в опорах вращения, в механических передачах (зубчатые, червячные, винтовые), кулачковых механизмах, сцепных муфтах, направляющих, подвижных электрических контактах, при взаимодействии инструмента и обрабатываемого материала и т.п.

Износостойкость чаще всего оценивается интенсивностью износа J = Δh/ Δs - отношением величины износа Δh к пути скольжения Δs.

При изнашивании протекают следующие основные процессы:

1. упругая, макро- и микропластическая деформация

2. появление и развитие усталостных трещин,

3. межатомное сцепление (адгезия) поверхностных слоев,

4. микрорезание твердыми (абразивными) частицами,

5. повышение температуры в зоне контакта,

6. химические и электрохимические реакции между сопрягаемыми телами при возможном присутствии внешней среды (смазка, агрессивные жидкости и газы, активизируемые нагревом и давлением),

7. коррозия.

Наиболее разрушительны абразивный и адгезионный износ. Условиями, способствующими износу, являются:

1. отсутствие смазывающей среды, что вызывает нагрев, увеличение трения и межатомного сцепления,

2. недостаточный отвод тепла из зоны трения,

3. вакуум, способствующий испарению смазки,

4. высокие коэффициенты трения и адгезия сопрягаемых материалов,

5. малая твердость изнашиваемой поверхности,

6. наличие высоких контактных и циклических напряжений,

7. присутствие в зоне трения продуктов износа и посторонних абразивных частиц.

Борьба с износом в первую очередь заключается:

• в применении смазки в узлах трения, которая способствует уменьшению трения, отводу тепла, выносу продуктов износа и абразивных частиц из зоны трения и предотвращению прямого контакта между трущимися поверхностями,

• в увеличении твердости изнашиваемых поверхностей за счет использования материалов высокой природной твердости (сплавы с высокой концентрацией карбидов, поверхностно упрочненные термической и химико-термической обработкой стали, минералы),

• в сочетании материалов и покрытий с низким коэффициентом трения и малой взаимной адгезией,

• в использовании в парах трения скольжения при больших нагрузках и обильной смазке материалов с высокой твердостью (50-60 HRC) для цапф, а для вкладыша (втулки) подшипника более мягких материалов со специальной структурой (мягкая основа-твердые включения, твердая основа-мягкие включения), к которым относятся баббит Б83 (83%Sn, 11% Sb, 6%Cu), бронза БрО10Ф1 (10% Sn, 1% P, ост Cu), БрБ2 (2%Be, ост Cu), латунь ЛЦ40С (40% Zn, 1% Pb, ост Cu) и другие,

• в использовании в парах трения скольжения при незначительных нагрузках, минимальной смазке и малых размерах трущихся деталей материалов высокой твердости с малым коэффициентом трения (цапфа (закаленная сталь) - втулка (корунд)),

• в использовании в парах трения качения твердых материалов во всех трущихся деталях (кроме сепаратора), так как здесь характерны контактные переменные напряжения (подшипники качения, зубчатые колеса).