Об определении понятия твердость

Среди механических характеристик материалов твердость занимает особое положение. В то время, как для прочих механических характеристик установились более или менее ясные, общепринятые определения, понятие о твердости является недостаточно определенным. Это обстоятельство подтверждается наличием большого числа разнообразных методов и приборов для определения твердости. Приборы непрерывно совершенствовались и в настоящее время характеризуются большой чувствительностью и точностью измерения. Однако результаты, получаемые при использовании разных приборов, дают не только различные, несравнимые между собой значения твердости, но и располагают по твердости одни и те же материалы, находящиеся в одном и том же состоянии, в различной последовательности. Так, по шкале Бринелля медь тверже цинка, а по шкале Мартенса наоборот – цинк тверже меди.

Принципиально испытание на твердость не отличается от других механических испытаний как статических, так и динамических. При испытаниях на твердость так же, как и прочих механических испытаниях, к испытываемому материалу прикладывается внешняя сила и исследуется результат ее действия.

Многообразие методов определения твердости, дающих часто совершенно несравнимые результаты, затрудняет нахождение единой формулировки для понятия твердости. В связи с этим существуют две диаметрально противоположных точки зрения на твердость:

  1. твердость является особым свойством материала, т.е. как бы атрибутом вещества в твердом состоянии;
  2. твердость – это не самостоятельное свойство материала, так как она зависит от совокупности упругих и пластических его свойств и от характера его напряженного состояния при определенной твердости.

Если принять первую точку зрения, то несопоставимость результатов твердости, определенной разными методами, может быть отнесена за счет несовершенства, недоработки этих методов.

При второй точке зрения эта несопоставимость становится вполне понятной и легко объяснимой. Следует только изыскать возможность определять механические свойства металлов на основании определения твердости каждым из существующих методов.

Определению зависимости твердости материалов от других их механических характеристик посвящено много работ. Особенно широкое распространение получили эмпирические формулы, связывающие твердость по Бринеллю с временным сопротивлением металлов, при растяжении которых образуется «шейка». Это заставляет предполагать тесное родство между твердостью и растяжением.

Основываясь на этой зависимости, многие исследователи старались дать такое определение твердости, при котором это свойство можно было бы отнести к какой-либо точки диаграммы «напряжение-деформация», получаемой при статическом испытании.

Разумеется, что от точки зрения на твердость зависит и построение метрологических схем, касающихся этой характеристики. Поэтому анализу метрологии твердости должен предшествовать анализ твердости как понятия. Впервые попытку установить, что такое абсолютная твердость, сделал Герц. Абсолютной твердостью Герц предложил называть наибольшее нормальное напряжение, действующее на участке соприкосновения двух шаров, изготовленных из испытуемого материала, при сжатии их до появления остаточных деформаций. Дальнейшие исследования показали, что твердость по Герцу зависит от диаметров испытуемых шаров, т.е. не может рассматриваться как константа материала.

Как указывает Н.Н. Давиденков, «определение твердости по Герцу представляет собой в сущности, определение простого предела упругости, только при очень сложном напряженном состоянии; наибольшие скалывающие напряжения, обуславливающие пластическую деформацию, появляются при этом впервые на некоторой глубине от поверхности соприкасания и растут с увеличением нагрузки чрезвычайно медленно (пропорционально корню третьей степени нагрузки). Поэтому определение момента выхода металла за предел упругости становится при этом способе практически затруднительным, связанным к тому же с принятием определенного критерия пластичности. Все это, вместе взятое, делает «абсолютную твердость по Герцену» только историческим воспоминанием».

Е. Мейер высказывает мнение, что понятие твердости не должно отражать условий динамического приложения нагрузки, т.е. твердость должна определяться только при статических испытаниях давлением.

Хонда называет твердость «интенсивностью максимального давления, прикладываемого к поверхности, которое производит вдавливание или допускает проникновение».

Н.А. Шапошников твердостью металла называет его сопротивление деформации на поверхности при заранее установленном механическом воздействием на эту поверхность другого, более твердого тела заданной формы и размера, не изменяющихся во время испытания.

А.П. Лазарев считает, что твердость – это сила, противодействующая передвижению молекул без нарушения сплошности металла.

Рудди утверждает, что «упругость и твердость являются двумя нераздельными проявлениями молекулярной энергии, которая может быть определена и измерена только при испытаниях в условиях динамического приложения нагрузки».

В.Д. Кузнецов предлагает «для кристаллов и минералов считать, что твердость эквивалентна поверхностной энергии». Далее он добавляет: «напротив, если под твердостью мы будем подразумевать поверхностную энергию, то никаких недоразумений не получится и неопределенность исчезнет. Правда, измерение твердости становится более сложным и в некоторых случаях даже невозможным, но зато понятие «твердость» получает вполне определенное значение и для некоторых кристаллов уже вычислено теоретически».Н.Ф. Кунин утверждает, что, «вычисляя твердость способом Бринелля, мы фактически вычисляем работу на единицу объема погруженной части шарика. Твердость по Бринеллю – есть величина, пропорциональная удельной работе пластической деформации, имеет физический смысл и размерность этой работы».

Кроме перечисленных определений понятия твердости, имеется и много других, аналогичных им, на которых мы не останавливаемся, так как приведенный материал достаточно характеризует то разнообразие и противоречивость мнений, которое существует во взглядах на «физическую природу твердости».

 

Выдержки из книги В.В. Варнелло «Измерение твердости металлов»

Обновлено: 14.03.2019 — 08:11

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *