11.5. Твердость материалов

Твердость – сопротивление материала проникновению в него другого более твердого тела.

Основные методы: Бринелля, Роквелла, Виккерса.

Значения твердости выражаются числами твердости в различных шкалах.

1. Метод Бринелля (рис. 11.4). Шар диаметром D, называемый индентером, вдавливается с усилием Р. После снятия нагрузки остается отпечаток диаметром d. Показателем твердости является число твердости по Бринеллю НВ:

Н – Hardness – твердость, B – Brinell

,

S – площадь шарового сегмента

,

,

НВ = (или МПа) или без указания размерности.

Например, НВ = 350илиНВ = 3500 МПа.

Между пределом прочности _max (МПа) и НВ имеется связь

Сталь: НВ 125-175  _max 3,4 НВ

медь, латунь, бронза  _max 5,5 НВ

Аl (и сплавы)  _max 3,33,6 НВ

дюраль  _max 3,6 НВ.

2. Метод Роквелла (HR) (рис. 11.5).

В этом методе в качестве индентера используют алмазный наконечник (конус) с углом =120 при вершине с диаметром D=1,588мм (1/16 дюйма)).

HR – твердость по Роквеллу.

3. Метод Виккерса (HV) (рис. 11.6).

Вэтом случае вдавливают четырехгранную алмазную

пирамиду с квадратным сечением

,

где Р – нагрузка,

d – длина диагонали квадратного отпечатка.

,=136.

НV – твердость по Виккерсу.

4. Микротвердость. Этот метод предназначен для определения твердости локальных участок и для малых объектов. Она определяется путем вдавливания алмазным наконечником разных типов. Для определения микротвёрдости пользуются прибором ПМТ-3 с алмазной пирамидкой.

5. Ударная вязкость – это работа А, затрачиваемая на ударный излом (или изгиб) образца, отнесенная к площади поперечного сечения образца S в месте надреза. Ударная вязкость обозначается символом КС:

, КС = .

В зависимости от видов надреза образцов в месте испытаний числа ударной вязкости записывают в виде КСU, КСV, КСT.

Для изучения ударной вязкости материалов используют маятниковые копры (рис. 11.7).

Рис. 11.7.

Копёр массой m и длиной L поднимают на высоту Н и опускают на образец. После удара он поднимается на высоту h. Работа А совершается за счет изменения потенциальной энергии копра

.

Величины Н и h измеряют по углам подъема  до и взлета  после удара. Очевидно, что ,

,

откуда .

12. Разрушение материалов. Пути повышения прочности

12.1. Прочность. Виды разрушений

Пусть величина максимальных нагрузок, которые может выдержать материал до разрыва, будет Р_max. Величина нормальных напряжений, вызванных этой нагрузкой, равна

называется пределом прочности или временным сопротивлением испытываемого материала.

Коэффициентом запаса прочности k называют отношение предела прочности _max к допускаемым напряжениям 

.

При растяжении разрушение происходит по площадке, перпендикулярной направлению растягивающей силы, а при сжатии – по площадкам, параллельным направлению сжимающей силы либо под углом к ней.

В том и другом случае разрушение происходит путем отделения частиц материала друг от друга – путем отрыва.

За опасные (критические) состояния материала при деформациях, которые, в конце концов приводят к разрушению, принимаются:

• начало текучести;

• начало образования деформационной шейки в образце;

• разрушение.

Разрушения бывают хрупкими и вязкими. Хрупкое разрушение происходит путем отрыва в результате действия растягивающих напряжений без заметной пластической деформации.

Вязкое разрушение наступает после значительной пластической деформации.

Хрупкое разрушение развивается по острым трещинам, которые распространяются с большой скоростью, а вязкое разрушение – по затупленным трещинам с малыми скоростями их распространения.

При этом опасными напряжениями для пластических материалов являются _тек и _max, а для хрупких – _max.

Виды разрушения – отрыв и срез. Отрыв испытывают, в основном, хрупкие материалы: стекла, бетон, камень, пластмассы, а пластичные материалы сочетают оба вида разрушения (металлы и их сплавы).

Согласно первой теории прочности разрушение материала независимо от вида напряженного состояния происходит при условии

,

где _отр – сопротивление отрыву,

_max – предел прочности.

Согласно второй теории прочности (или теории наибольших удлинений) разрушение наступает, когда наибольшее упругое относительное удлинение _max станет равным деформации разрыва

.

При простом растяжении

,

а .

Обе перечисленные теории относятся, в основном, к хрупким материалам.

Для пластичных материалов справедлива третья теория прочности (или теория наибольших касательных напряжений).

По этой теории опасное (критическое) состояние материала наступает при условии, что наибольшее касательное напряжение _max будет равно наибольшему касательному разрушению – путем среза (_среза)

_max = _среза.

Поскольку касательные напряжения  связаны с линейными, то

_среза .

Четвертая теория прочности – это теория потенциальной энергии формообразования.

Теоретическая прочность монокристалла – это максимальное напряжение, необходимое для разъединения кристалла на 2 части одновременно по определенной кристаллографической плоскости (грани).

Расчеты для монокристаллов дают

,

где а – постоянная решетки;

_пов – поверхностная энергия образовавшихся после разрушения поверхностей;

Е – модуль упругости.

Опыты показывают, что

.

Экспериментальный предел зависит от реальной структуры (наличия вакансий, дислокаций, трещин, примесей и др.).

Так, при наличии трещин протяженностью l, критический предел прочности равен

,

либо

.

В таблице приведены значения в зависимости от длиныl трещины для некоторых материалов

Вещество	, 10-7 Па	l – длина трещины, см
Стекло Сталь Цинк NaCl	18 7 1,8 2,2	2,610-5 7,810-5 0,55 0,1