Твердость. Хрупкое разрушение

Хрупкое разрушение означает полный разрыв межатомных связей под действием нормального напряжения.

 .                    (4.17)

Однако, из-за наличия поверхностных и объемных дефектов эта величина значительно ниже. Особенно опасны ПАВ (поверхностно-активные вещества), которые адсорбируются на царапинах, трещинах и проникают внутрь твердого тела.

Поверхностные дефекты и трещины (трещины Грифитса) служат концентраторами локальных напряжений, которые в конечном счете приводят к разрушению твердого тела. Локальные напряжения могут на несколько порядков превышать среднее приложенное к кристаллу напряжение. Роль поверхностных дефектов в процессе разрушения кристаллов продемонстрировал А.Ф. Иоффе при наблюдении разрыва кристалла NaCl на воздухе и в воде, растворявшей поверхность вместе с дефектами.

Модуль Юнга для NaCl имеет величину Е = = 3,6×10⁹ Па. На воздухе разрыв стержня происходил при s = 4,9×10⁶ Па, а в воде после удаления поверхностных дефектов напряжение разрыва составляло величину s = 1,6×10⁹ Па – близкую к теоретической.

Анизотропия кристаллов предполагает анизотропию их разрушения. Очевидно, что плоскости наиболее плотной упаковки будут плоскостями скола (плоскостями спайности) кристаллов. Известно расщепление слюды по плоскостям {001}, каменной соли NaCl по плоскостям {100}, алмаза и кремния по плоскостям {111}.

Полупроводники А³В⁵ имеют решетку цинковой обманки ZnS, сходную по строению с решеткой алмаза, но состоящую из слабозаряженных атомов разных знаков. Плоскости {111} не являются плоскостями спайности, так как сколу препятствует кулоновское взаимодействие разноименных атомов в соседних плоскостях. Скалывание происходит по плоскостям {110}, содержащим равное количество атомов обоих типов, что используется при изготовлении резонаторов полупроводниковых лазеров.

Твердость – это сопротивление материала царапанью или пластическому вдавливанию индентора, служит для оценки прочности и разрушаемости материала.

Для качественной оценки твердости кристаллов и минералов существует минералогическая шкала Мооса, имеющая 10 градаций (табл. 4.2).

Таблица 4.2

Самые твердые кристаллы (алмаз) имеют твердость 10, самый мягкий кристалл тальк имеет твердость 1. Практически твердость неизвестного минерала определяется путем его царапания кристаллом с известной величиной твнрдости. Шкалой твердости по Моосу широко пользуются геологи.

Существуют приборные методы определения твердости, которые используются для сравнения прочностных характеристик различных материалов. В промышленности применяют методы Бриннеля и Рокуэлла для относительной оценки твердости металлов.

В стандартном методе Бриннеля стальной шарик диаметром 10 мм вдавливается с постоянной нагрузкой 3000 кгс в течение10 с и затем измеряется диаметр отпечатка в миллиметрах. Запись результатов имеет вид: НВ 10/3000/3, если диаметр отпечатка равен 3 мм.

В методе Рокуэлла используется твердосплавный наконечник специальной формы, который вдавливается при постоянной нагрузке: НРА – 50 кгс, НРВ – 90 кгс, НРС – 140 кгс. Измеряется глубина вдавливания наконечника.

Для научных и производственных целей используется метод измерения микротвердости Виккерса. Определяется длина диагонали отпечатка алмазной пирамиды при постоянном нагружении. Микротвердость измеряется в кг/мм². Обозначение результатов измерений: HV 10/30–500, что означает – нагрузку 10кгс, время вдавливания 30 с., твердость 500 кг/мм².

Этим методом можно исследовать не только металлы, но и полупроводники и диэлектрики. До 400 кгс/мм² результаты измерений твердости по Виккерсу и Бриннелю совпадают.

Краткие выводы

1. Механические свойства твердых тел определяются силами межатомных взаимодействий.

2. Диаграмма деформации отражает три области деформации: упругую деформацию, пластическую деформацию, разрушение.

3. В области упругих деформаций выполняется закон Гука – пропорциональность смещения величине внешней силы (e < 1 %). Характеристики: модуль Юнга, модуль сдвига, коэффициент Пуассона.

4. Пластическая деформация осуществляется скольжением части кристалла в плоскости скольжения и в направлении скольжения двойникованием или скольжением дислокаций.

5. Дефекты кристалла (дислокации, точечные дефекты) могут как увеличивать, так и уменьшать пластичность.

6. Разрушение означает разрыв межатомных связей. Дефекты поверхности и ПАВ сильно влияют на прочность твердых тел.