Härte -Hardness
Härte (Antonym: Weichheit ) ist ein Maß für den Widerstand gegen lokalisierte plastische Verformung , die entweder durch mechanische Einkerbung oder Abrieb verursacht wird . Generell unterscheiden sich verschiedene Materialien in ihrer Härte; Beispielsweise sind Hartmetalle wie Titan und Beryllium härter als Weichmetalle wie Natrium und metallisches Zinn oder Holz und herkömmliche Kunststoffe . Die makroskopische Härte ist im Allgemeinen durch starke intermolekulare Bindungen gekennzeichnet , aber das Verhalten fester Materialien unter Krafteinwirkung ist komplex; Daher gibt es verschiedene Härtemessungen:Kratzhärte , Eindruckhärte und Rückprallhärte .
Die Härte ist abhängig von Duktilität , elastischer Steifheit , Plastizität , Dehnung , Festigkeit , Zähigkeit , Viskoelastizität und Viskosität .
Gängige Beispiele für harte Materie sind Keramik , Beton , bestimmte Metalle und superharte Materialien , denen weiche Materie gegenübergestellt werden kann .
Härte messen
Es gibt drei Haupttypen von Härtemessungen: Kratzer , Eindruck und Rückprall . Innerhalb jeder dieser Messklassen gibt es individuelle Messskalen. Aus praktischen Gründen werden Umrechnungstabellen verwendet, um zwischen einer Skala und einer anderen umzurechnen.
Kratzhärte
Die Kratzhärte ist das Maß dafür, wie widerstandsfähig eine Probe gegen Bruch oder dauerhafte plastische Verformung aufgrund von Reibung durch einen scharfen Gegenstand ist. Das Prinzip ist, dass ein Gegenstand aus einem härteren Material einen Gegenstand aus einem weicheren Material zerkratzt. Bei der Prüfung von Beschichtungen bezieht sich die Kratzhärte auf die Kraft, die erforderlich ist, um die Folie bis zum Substrat zu durchtrennen. Der gebräuchlichste Test ist die Mohs-Skala , die in der Mineralogie verwendet wird . Ein Werkzeug, um diese Messung durchzuführen, ist das Sklerometer .
Ein weiteres Werkzeug, das zur Durchführung dieser Tests verwendet wird, ist der Taschen-Härteprüfer. Dieses Werkzeug besteht aus einem Skalenarm mit abgestuften Markierungen, der an einem vierrädrigen Wagen befestigt ist. Ein Kratzwerkzeug mit einem scharfen Rand wird in einem vorbestimmten Winkel zur Testoberfläche montiert. Um es zu verwenden, wird ein Gewicht mit bekannter Masse an einer der Skalenmarkierungen am Skalenarm angebracht, das Werkzeug wird dann über die Testoberfläche gezogen. Die Verwendung des Gewichts und der Markierungen ermöglicht das Aufbringen eines bekannten Drucks ohne die Notwendigkeit einer komplizierten Maschinerie.
Eindringhärte
Die Eindruckhärte misst den Widerstand einer Probe gegen Materialverformung aufgrund einer konstanten Druckbelastung durch einen scharfen Gegenstand. Prüfungen der Eindruckhärte werden vor allem im Maschinenbau und in der Metallurgie eingesetzt . Die Tests arbeiten auf der Grundvoraussetzung, die kritischen Abmessungen eines Eindrucks zu messen, der von einem speziell dimensionierten und belasteten Eindringkörper hinterlassen wird.
Übliche Eindringhärteskalen sind unter anderem Rockwell , Vickers , Shore und Brinell .
Rückprallhärte
Die Rückprallhärte , auch als dynamische Härte bekannt , misst die Höhe des „Aufpralls“ eines Hammers mit Diamantspitze, der aus einer festen Höhe auf ein Material fällt. Diese Art von Härte hängt mit der Elastizität zusammen . Das Gerät, mit dem diese Messung durchgeführt wird, ist als Skleroskop bekannt .
Zwei Skalen, die die Rückprallhärte messen, sind der Leeb-Rückprallhärtetest und die Bennett-Härteskala .
Die Ultraschall-Kontaktimpedanzmethode (UCI) bestimmt die Härte durch Messen der Frequenz eines schwingenden Stabs. Der Stab besteht aus einem Metallschaft mit Schwingelement und einem an einem Ende angebrachten pyramidenförmigen Diamanten.
Härten
Es gibt fünf Härtungsverfahren: Hall-Petch-Verfestigung , Kaltverfestigung , Verfestigung in fester Lösung , Ausscheidungshärtung und Martensitumwandlung .
Physik
In der Festkörpermechanik haben Festkörper im Allgemeinen drei Reaktionen auf Kraft , abhängig von der Stärke der Kraft und der Art des Materials:
- Sie weisen Elastizität auf – die Fähigkeit, vorübergehend ihre Form zu ändern, kehren jedoch in die ursprüngliche Form zurück, wenn der Druck entfernt wird. "Härte" im elastischen Bereich - eine kleine vorübergehende Formänderung bei einer gegebenen Kraft - wird im Fall eines bestimmten Objekts als Steifheit oder im Fall eines Materials als hoher Elastizitätsmodul bezeichnet.
- Sie weisen Plastizität auf – die Fähigkeit, ihre Form als Reaktion auf die Kraft dauerhaft zu ändern, aber in einem Stück zu bleiben. Die Streckgrenze ist der Punkt, an dem die elastische Verformung in eine plastische Verformung übergeht. Die Verformung im plastischen Bereich ist nichtlinear und wird durch die Spannungs-Dehnungs-Kurve beschrieben . Diese Reaktion erzeugt die beobachteten Eigenschaften der Kratz- und Eindruckhärte, wie sie in der Materialwissenschaft beschrieben und gemessen werden. Einige Materialien weisen bei plastischer Verformung sowohl Elastizität als auch Viskosität auf; dies wird als Viskoelastizität bezeichnet .
- Sie brechen – in zwei oder mehr Teile gespalten.
Festigkeit ist ein Maß für das Ausmaß des elastischen Bereichs eines Materials oder des elastischen und plastischen Bereichs zusammen. Diese wird je nach Richtung der beteiligten Kräfte als Druckfestigkeit , Scherfestigkeit , Zugfestigkeit quantifiziert. Die Endfestigkeit ist ein technisches Maß für die maximale Belastung, der ein Teil eines bestimmten Materials und einer bestimmten Geometrie standhalten kann.
Sprödigkeit ist im technischen Sprachgebrauch die Tendenz eines Materials zu brechen, ohne dass vorher eine sehr geringe oder keine plastische Verformung erkennbar ist. Technisch gesehen kann ein Material also sowohl spröde als auch fest sein. Im alltäglichen Sprachgebrauch bezeichnet „Sprödigkeit“ meist die Bruchneigung bei geringer Krafteinwirkung, die sowohl Sprödigkeit als auch mangelnde Festigkeit (im technischen Sinne) ausdrückt. Bei vollkommen spröden Materialien sind Streckgrenze und Endfestigkeit gleich, da sie keine nachweisbare plastische Verformung erfahren. Das Gegenteil von Sprödigkeit ist Duktilität .
Die Zähigkeit eines Materials ist die maximale Menge an Energie , die es vor dem Bruch absorbieren kann, was sich von der Menge an Kraft unterscheidet , die ausgeübt werden kann. Die Zähigkeit ist bei spröden Materialien tendenziell gering, da Materialien durch elastische und plastische Verformungen große Energiemengen aufnehmen können.
Die Härte nimmt mit abnehmender Partikelgröße zu . Dies ist als Hall-Petch-Beziehung bekannt . Unterhalb einer kritischen Korngröße nimmt die Härte jedoch mit abnehmender Korngröße ab. Dies ist als inverser Hall-Petch-Effekt bekannt.
Die Verformungshärte eines Materials hängt von seiner Mikrohaltbarkeit oder seinem kleinräumigen Schermodul in jeder Richtung ab, nicht von Steifigkeits- oder Steifheitseigenschaften wie seinem Kompressionsmodul oder Youngschen Modul . Steifigkeit wird oft mit Härte verwechselt. Einige Materialien sind steifer als Diamant (z. B. Osmium), aber nicht härter, und neigen bei schuppigen oder nadelförmigen Strukturen zum Abplatzen und Abplatzen.
Mechanismen und Theorie
Der Schlüssel zum Verständnis des Mechanismus hinter der Härte ist das Verständnis der metallischen Mikrostruktur oder der Struktur und Anordnung der Atome auf atomarer Ebene. Tatsächlich werden die wichtigsten metallischen Eigenschaften, die für die Herstellung heutiger Güter entscheidend sind, durch die Mikrostruktur eines Materials bestimmt. Auf atomarer Ebene sind die Atome in einem Metall in einer geordneten dreidimensionalen Anordnung angeordnet, die als Kristallgitter bezeichnet wird . In Wirklichkeit enthält jedoch eine bestimmte Probe eines Metalls wahrscheinlich niemals ein konsistentes Einkristallgitter. Eine gegebene Metallprobe enthält viele Körner, wobei jedes Korn ein ziemlich konsistentes Anordnungsmuster aufweist. In noch kleinerem Maßstab enthält jedes Korn Unregelmäßigkeiten.
Es gibt zwei Arten von Unregelmäßigkeiten auf der Kornebene der Mikrostruktur, die für die Härte des Materials verantwortlich sind. Diese Unregelmäßigkeiten sind Punktdefekte und Liniendefekte. Ein Punktdefekt ist eine Unregelmäßigkeit, die sich an einem einzelnen Gitterort innerhalb des dreidimensionalen Gesamtgitters des Korns befindet. Es gibt drei Hauptpunktfehler. Wenn in der Anordnung ein Atom fehlt, wird ein Leerstellendefekt gebildet. Befindet sich auf dem Gitterplatz, der normalerweise mit einem Metallatom besetzt sein sollte, eine andere Atomsorte, entsteht ein Substitutionsdefekt. Wenn ein Atom an einer Stelle vorhanden ist, an der es normalerweise nicht vorhanden sein sollte, wird ein interstitieller Defekt gebildet. Dies ist möglich, weil zwischen Atomen in einem Kristallgitter Raum existiert. Während Punktdefekte Unregelmäßigkeiten an einer einzelnen Stelle im Kristallgitter sind, sind Liniendefekte Unregelmäßigkeiten auf einer Ebene von Atomen. Versetzungen sind eine Art Liniendefekt, der die Fehlausrichtung dieser Ebenen beinhaltet. Bei einer Kantenversetzung wird eine halbe Atomebene zwischen zwei Atomebenen eingeklemmt. Bei einer Schraubenversetzung sind zwei Atomebenen versetzt, zwischen denen eine helikale Anordnung verläuft.
In Gläsern scheint die Härte linear von der Anzahl topologischer Beschränkungen abzuhängen, die zwischen den Atomen des Netzwerks wirken. Daher hat die Steifigkeitstheorie die Vorhersage von Härtewerten in Bezug auf die Zusammensetzung ermöglicht.
Versetzungen bieten einen Mechanismus zum Gleiten von Atomebenen und somit ein Verfahren zur plastischen oder dauerhaften Verformung. Atomebenen können von einer Seite der Versetzung zur anderen kippen, wodurch die Versetzung das Material durchqueren und sich das Material dauerhaft verformen kann. Die durch diese Versetzungen ermöglichte Bewegung bewirkt eine Abnahme der Materialhärte.
Der Weg, die Bewegung von Atomebenen zu hemmen und sie somit schwerer zu machen, beinhaltet die Wechselwirkung von Versetzungen untereinander und zwischen Zwischengitteratomen. Wenn eine Versetzung eine zweite Versetzung schneidet, kann sie das Kristallgitter nicht mehr durchqueren. Die Überschneidung von Versetzungen schafft einen Ankerpunkt und verhindert, dass die Ebenen von Atomen weiter übereinander gleiten. Eine Versetzung kann auch durch die Wechselwirkung mit Zwischengitteratomen verankert werden. Kommt eine Versetzung mit zwei oder mehr Zwischengitteratomen in Kontakt, wird die Verschiebung der Ebenen erneut gestört. Die interstitiellen Atome erzeugen Ankerpunkte oder Pinning-Punkte auf die gleiche Weise wie sich überschneidende Versetzungen.
Durch Variieren des Vorhandenseins von Zwischengitteratomen und der Dichte von Versetzungen kann die Härte eines bestimmten Metalls gesteuert werden. Obwohl dies scheinbar kontraintuitiv ist, werden mit zunehmender Versetzungsdichte mehr Schnittpunkte und folglich mehr Ankerpunkte erzeugt. Je mehr interstitielle Atome hinzugefügt werden, desto mehr Pinning-Punkte werden gebildet, die die Bewegungen von Versetzungen behindern. Je mehr Ankerpunkte hinzugefügt werden, desto härter wird das Material.
Siehe auch
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Verweise
Weiterlesen
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