Твёрдость металлов - Definition. Was ist Твёрдость металлов

Твёрдость металлов

сопротивление металлов вдавливанию. Т. м. не является физической постоянной, а представляет собой сложное свойство, зависящее как от прочности и пластичности, так и от метода измерения. Т. м. характеризуется числом твёрдости. Наиболее часто для измерения Т. м. пользуются методом вдавливания. При этом величина твёрдости равна нагрузке, отнесённой к поверхности отпечатка, или обратно пропорциональна глубине отпечатка при некоторой фиксированной нагрузке. Отпечаток обычно производят шариком из закалённой стали (методы Бринелля, Роквелла), алмазным конусом (метод Роквелла) или алмазной пирамидой (метод Виккерса, измерение микротвёрдости (См. Микротвёрдость)). Реже пользуются динамическими методами измерения, в которых мерой твёрдости является высота отскакивания стального шарика от поверхности изучаемого металла (например, метод Шора) или время затухания колебания маятника, опорой которого является исследуемый металл (метод Кузнецова - Герберта - Ребиндера). Получает распространение метод измерения Т. м. с помощью ультразвуковых колебаний, в основе которого лежит измерение реакции колебательной системы (изменения её собственной частоты) на твёрдость испытуемого металла. Числа твёрдости указываются в единицах НВ (метод Бринелля), HV (метод Виккерса), HR (метод Роквелла), где Н от английского hardness - твёрдость. Поскольку при определении твёрдости методом Роквелла пользуются как стальным шариком, так и алмазным конусом, часто вводятся дополнительные обозначения - В (шарик), С и А (конус, разные нагрузки). По специальным таблицам или диаграммам можно осуществлять пересчёт чисел твёрдости (например, число твёрдости по Роквеллу можно пересчитать на число твёрдости по Бринеллю). Выбор метода определения твёрдости зависит от исследуемого материала, размеров и формы образца или изделия и др. факторов.

Твёрдость весьма чувствительна к изменению структуры металла. При изменении температуры или после различных термических и механических обработок величина Т. м. и сплавов меняется в том же направлении, что и предел текучести; поэтому часто при контроле изменения механических свойств после различных обработок металл характеризуют твёрдостью, которая измеряется проще и быстрее. Измерениями микротвёрдости пользуются при изучении механических свойств отдельных зёрен, а также структурных составляющих (См. Структурная составляющая) сложных сплавов.

Для относительной оценки жаропрочности металлических материалов иногда пользуются так называемой длительной твёрдостью (или микротвёрдостью), измерение которой производят при повышенной температуре длительное время (минуты, часы).

Лит.: Геллер Ю. А., Рахштадт А. Г., Материаловедение, 4 изд., М., 1975, с. 167- 90.

В. М. Розенберг.

Старение металлов

изменение механических, физических и химических свойств металлов и сплавов, обусловленное термодинамической неравновесностью исходного состояния и постепенным приближением структуры к равновесному состоянию в условиях достаточной диффузной подвижности атомов. При быстром охлаждении от высоких температур (при закалке (См. Закалка) или после кристаллизации и горячей пластической деформации) металлы и сплавы полностью или частично сохраняют атомную структуру, характерную для высокотемпературного состояния. В чистых металлах неравномерность этой структуры состоит в избыточной (для низких температур) концентрации вакансий (См. Вакансия) и наличии др. дефектов кристаллической структуры. В сплавах неравновесность структуры может быть связана с сохранением фаз, неустойчивых при низких температурах. Наиболее важно старение сплавов, обусловленное процессами распада пересыщенного твёрдого раствора (См. Твёрдые растворы). Состояние пересыщения твёрдого раствора возникает после охлаждения сплавов от высоких температур, поскольку обычно с повышением температуры растворимость примесей (или специально вводимых легирующих элементов) растет.

Имеется большое число сплавов, для которых старение проводится как специальная операция термической обработки (См. Термическая обработка) и обеспечивает получение комплекса важных механических или физических свойств. Старение, или "дисперсионное твердение", - основной способ упрочняющей термическую обработки сплавов на основе Al (см. Алюминиевые сплавы), Mg, Cu, Ni. Кроме высокой прочности, стареющие сплавы могут приобретать и др. ценные свойства, например высокую коэрцитивную силу.

При достаточно большой степени пересыщения твёрдый раствор оказывается полностью нестабильным и его расслоение идёт во всей массе материала с образованием сначала неоднородного твёрдого раствора с непрерывно меняющимся составом, а затем периодически расположенных частиц с чёткими границами раздела. Распад такого типа называется спинодальным и наблюдается в ряде технически важных сплавов (сплавы для постоянных магнитов типа кунифе). Более общим для стареющих сплавов является метастабильное состояние твёрдого раствора, распад которого должен идти путём образования и роста зародышей новой фазы, а процесс зарождения требует преодоления энергетического барьера. Этот барьер оказывается существенно пониженным при образовании когерентных частиц, т. е. частиц, у которых кристаллическая решётка упруго сопряжена с решёткой исходного твёрдого раствора. При сравнительно низких температурах распад твёрдых растворов часто останавливается на стадии образования зон - весьма дисперсных областей, обогащенных избыточным компонентом и сохраняющих кристаллическую структуру исходного раствора, впервые обнаруженных по эффектам диффузного рассеяния рентгеновских лучей (зоны Гинье - Престона). С помощью электронной микроскопии зоны Гинье - Престона наблюдали в сплавах Al - Ag в виде сферических частиц диаметром Старение металлов10Å , в сплавах Al - Cu - в виде пластин толщиной порядка периодов решётки (<10Å). Образование зон характерно для т. н. естественного старения, которое протекает при комнатных температурах в случае сплавов на основе Al, а также низкоуглеродистой стали или технического железа, где имеется твёрдый раствор (Феррит), пересыщенный углеродом или азотом. В некоторых случаях зоны можно рассматривать как зародыши фазы выделения.

Понятию "естественное старение" противопоставляется "искусственное старение", которое в случае алюминиевых сплавов (исторически первых материалов, упрочняемых старением) проводилось при повышенных температурах (выше 100°С); в современной литературе вместо этих терминов чаще используются термины "низкотемпературное старение" и "высокотемпературное старение". В связи с различиями процесса распада в разных температурных интервалах для некоторых сплавов оптимальный комплекс свойств достигается после сложного старения в определенной последовательности при низкой и при более высокой температурах.

Различают 2 основных механизма распада пересыщенного твёрдого раствора: непрерывный, который идёт путём образования и роста отдельных зародышей - частиц фазы, содержащей избыточный компонент твёрдого раствора, и прерывистый (или ячеистый), при котором возникают и растут ячейки или колонии, состоящие обычно из равновесных фаз - новой фазы, обогащенной избыточным компонентом, и обеднённого (равновесного) твёрдого раствора. В первом случае частицы образуются по всему объёму и их рост сопровождается постепенным и непрерывным обеднением матричного твёрдого раствора. Во втором случае происходит движение границы раздела колония - непревращённая область твёрдого раствора. Колонии имеют обычно пластинчатое строение, зарождаются на границе зерна, и их движущийся фронт представляет собой подвижную высокоугловую границу с зерном исходного твёрдого раствора.

При распаде твёрдых растворов в условиях высокой концентрации дефектов кристаллического строения (дислокаций (См. Дислокации) и др.), которые создаются предварит. сильной холодной деформацией, получают особенно высокие значения прочности (см. Термомеханическая обработка металлов). Процессы распада твёрдых растворов могут приводить и к нежелательным изменениям свойств сплавов, например к ухудшению пластичности и охрупчиванию низкоуглеродистой котельной стали, к увеличению коэрцитивной силы и потерь на перемагничивание электротехнического железа. Некоторые сплавы склонны к т. н. "деформационному старению". Сравнительно слабая холодная пластическая деформация, сама по себе не очень сильно меняющая свойства материала, существенно ускоряет процессы размежевания компонентов твёрдого раствора, которые приводят к образованию сегрегатов (а затем выделений) возле дислокаций. Этот суммарный эффект деформации и старения ("деформационное старение") резко ухудшает вязкость и пластичность сплавов, что особенно нежелательно для материалов, подвергаемых глубокой штамповке (например, листовая сталь для автомобилестроения). Специальным легированием и термической обработкой можно существенно снизить вредные эффекты старения.

Лит.: Скаков Ю. А., Старение металлических сплавов, в сборнике: Металловедение (Материалы симпозиума), М., 1971; Захарова М. И., Атомно-кристаллическая структура и свойства металлов и сплавов, М., 1972; Новиков И. И., Теория термической обработки металлов, М., 1974: Тяпкин Ю. Д., Гаврилова А. В., Старение сплавов, в сборнике: Итоги науки и техники. Серия Металловедение и термическая обработка металлов, т. 8, М., 1974.

Ю. А. Скаков.

Was (wer) ist Твёрдость металлов - definition

Wikipedia