Твёрдость и износостойкость в физике твёрдого
тела
Твёрдость — это способность материала сопротивляться пластической
деформации и разрушению при локализованном внешнем воздействии, чаще
всего при внедрении или трении. Это интегральная характеристика,
отражающая совокупность межатомных взаимодействий, дефектной структуры,
кристаллической анизотропии и фазового состава.
На микроуровне твёрдость определяется сопротивлением смещению атомных
плоскостей, прохождению дислокаций и активации механизмов деформации. С
точки зрения потенциальной энергетики, более высокая твёрдость
соответствует большим энергиям активации для перемещения дислокаций и
разрыва межатомных связей.
Методы измерения твёрдости
Индентирование
Наиболее распространённый способ — внедрение индентора (алмазного
конуса, пирамиды или шарика) в поверхность материала под заданной
нагрузкой. Различают несколько шкал:
- Шкала Бринелля (HB): измеряется диаметр отпечатка
шарика из закалённой стали или карбида.
- Шкала Виккерса (HV): применяется алмазная пирамида
с углом 136°, оценивается диагональ отпечатка.
- Шкала Роквелла (HR): глубина проникновения
конусообразного или сферического индентора при двух стадиях
нагрузки.
- Наномеханические методы: используются в
исследованиях тонких плёнок и наноструктур, характеризуются высокой
точностью и контролем силы/глубины внедрения.
Склерометрия
Определяет сопротивление образца при движении твёрдого наконечника по
поверхности. Характеризует не только твёрдость, но и
износостойкость.
Механизмы,
определяющие твёрдость кристаллов
Дислокационные механизмы
В металлах и кристаллах с металлической связью твёрдость зависит от
плотности и подвижности дислокаций. Препятствия движению дислокаций,
такие как границы зёрен, твердофазные включения, примеси и
взаимодействие с другими дислокациями, приводят к упрочнению:
- Упрочнение деформацией (наклёп)
- Твердорастворное упрочнение
- Дисперсионное упрочнение
- Упрочнение границами зёрен (эффект
Холла—Петча)
Ковалентные и ионные
кристаллы
В твёрдых телах с ковалентной (алмаз, SiC, B₄C) или ионной (Al₂O₃,
MgO) связью дислокации менее подвижны, или вовсе не играют существенной
роли. Здесь твёрдость определяется:
- жёсткостью межатомных связей
- плотной упаковкой и симметрией кристаллической решётки
- наличием сетки направленных ковалентных связей
По этой причине керамики обладают крайне высокой твёрдостью, но при
этом хрупки.
Анизотропия твёрдости
Кристаллы проявляют анизотропию твёрдости в зависимости от
направления приложения нагрузки. Это связано с кристаллографической
структурой и различиями в плотности упаковки атомных плоскостей.
Например, в алмазе и корунде направление <111> будет
характеризоваться наибольшей твёрдостью.
Износ и износостойкость
Основные типы износа
Износ — процесс разрушения и удаления материала с поверхности
твёрдого тела при его взаимодействии с другим телом или средой.
Различают:
- Абразивный износ: вызывается твёрдыми частицами или
шероховатостью контактирующей поверхности.
- Адгезионный износ: возникает при прилипаниях
микроконтактов и последующем их срыве.
- Коррозионно-механический износ: обусловлен
совместным действием химически активной среды и механических
нагрузок.
- Усталостный износ: результат циклических напряжений
в поверхностном слое.
Микромеханизмы изнашивания
Износ включает образование микротрещин, отделение частиц материала,
пластическую деформацию вблизи поверхности, структурные превращения
(включая фазовые) в зоне трения. На наноуровне важную роль играют
подвижность дефектов, локальное размягчение кристаллической решётки,
образование аморфных прослоек.
Связь между
твёрдостью и износостойкостью
В общем случае высокая твёрдость приводит к повышенной
износостойкости. Однако это не универсальное правило, особенно для
хрупких материалов. Керамика может иметь высокую твёрдость, но
разрушаться при слабых ударах. Поэтому для оценки износостойкости
важны:
- Твёрдость
- Хрупкость / вязкость разрушения
- Способность к пластической деформации в поверхностных
слоях
- Стабильность структуры при трении и нагреве
- Наличие фазовых превращений при трении (например,
трансформация мартенсита в стали)
Пути повышения
твёрдости и износостойкости
Термическая обработка
- Закалка и отпуск приводят к образованию твёрдых фаз (мартенсита,
цементита) и упрочнению.
- Поверхностное упрочнение (цементация, нитроцементация, азотирование)
повышает твёрдость поверхностных слоёв при сохранении вязкости
ядра.
Обработка поверхности
- Лазерная, электронно-лучевая, плазменная обработки — локальное
упрочнение, изменение структуры.
- Наплавка, ионное напыление, нанесение твёрдых покрытий (TiN, CrN,
DLC) — создание износостойкого поверхностного слоя.
- Ультразвуковая и вибрационная обработка — создание сжимающих
остаточных напряжений и упрочнение.
Микро- и наноструктурные
методы
- Нанокристаллические материалы демонстрируют высокую твёрдость за
счёт обилия границ зёрен (эффект Холла—Петча).
- Композиты с твёрдыми включениями (например, TiC в железной матрице)
сочетают высокую твёрдость и пластичность.
- Аморфные сплавы и металлостёкла обладают высокой твёрдостью
благодаря отсутствию дислокаций и кристаллических дефектов.
Примеры твёрдых и
износостойких материалов
- Алмаз: высочайшая твёрдость, применяется для
шлифовки, резки.
- Бориды, карбиды, нитриды (TiC, WC, BN):
используются в режущем и штамповом инструменте.
- Закалённая сталь (HRC > 60): твёрдая и
ударопрочная.
- Нанокристаллические металлы: высокая твёрдость и
ударная вязкость.
- Керамика с градиентной структурой: сочетает жёсткое
покрытие и вязкое основание.
Закономерности и
современные подходы
Современные исследования направлены на создание материалов с
оптимизированным соотношением твёрдость – вязкость –
износостойкость, что особенно важно для аэрокосмической,
энергетической и медицинской техники. Используются:
- методы машинного обучения для прогнозирования твёрдости по составу и
структуре;
- моделирование взаимодействий на атомном уровне (молекулярная
динамика, метод Монте-Карло);
- разработка адаптивных покрытий, изменяющих свойства при
нагрузке.
Физика твёрдого тела предоставляет фундаментальные принципы, на
основе которых разрабатываются материалы нового поколения с уникальными
эксплуатационными характеристиками.