Tvrdoća

Tvrdoća je sposobnost materijala da se odupre dejstvu spoljne sile koja je posledica kontakta sa nekim drugim mekšim ili tvrđim predmetom. Tvrdoća se može meriti po Mosovoj skali ili drugim različitim skalama. Skale koje se najčešće koriste u inženjerske svrhe su Rokvelova, Vikersova, i Brinelova i mogu se međusobno prorediti preko konverzionih tabela.

Tvrdina u mineralogiji je stepen suprostavljanja minerala prema nekom mehaničkom dejstvu (paranju, utiskivanju i sl.). Ona zavisi od tipa i jačine hemijskih veza među atomima, valentnosti katjona, strukture..). Tvrdina je uskostručan naziv u mineralogiji koji se koristi umesto termina tvrdoća minerala. Tvrdina je jedna od dijagnostičkih osobina minerala na osnovu kojih se makroskopski može odrediti o kom se mineralu radi. Tvrdina se može određivati na više načina: paranjem, utiskivanjem i poliranjem. Za lako i brzo određivanje tvrdine koristi se Mosova skala kojom se određuje relativna tvrdina minerala, i to na osnovu 10 prirodnih minerala (etalona) poređanih po rastućoj tvrdini.

U mašinstvu postoji nekoliko načina za određivanje tvrdoće:

• tvrdoća prema Vikersu, oznaka HV
• tvrdoća prema Rokvelu, oznake HRc i HRb
• tvrdoća prema Brinelu, oznaka HB
• tvrdoća prema Šoru, oznaka HS

U mineralogiji se koristi Mosova skala tvrdoće, na kojoj je najtvrđi materijal dijamant, a najmekši talk.

Mehanika čvrstih tela

Dijagram krive napon-deformacija, koji pokazuje odnos između napona (primenjene sile po jedinici površine) i naprezanja ili deformacije duktilnog metala.

U mehanici čvrstog materijala, čvrsta tela generalno imaju tri odgovora na silu, u zavisnosti od količine sile i vrste materijala:

• Ona pokazuju elastičnost — sposobnost da privremeno promene oblik, ali da se vrate u prvobitni oblik kada se pritisak ukloni. „Tvrdoća“ u opsegu elastičnosti — mala privremena promena oblika za datu silu — poznata je kao krutost u slučaju datog objekta, ili visoki modul elastičnosti u slučaju materijala.
• Ona pokazuju plastičnost - sposobnost da trajno promene oblik kao odgovor na silu, ali ostaju u jednom komadu. Granica tečenja je tačka u kojoj elastična deformacija ustupa mesto plastičnoj deformaciji. Deformacija u plastičnom opsegu je nelinearna i opisuje se krivom naprezanje-deformacija. Ovaj odgovor proizvodi uočena svojstva tvrdoće ogrebotine i udubljenja, kao što je opisano i izmereno u nauci o materijalima. Neki materijali istovremeno pokazuju elastičnost i viskoznost kada su podvrgnuti plastičnoj deformaciji; ovo se zove viskoelastičnost.
• Ona se lome - cepaju se na dva ili više komada.

Čvrstoća je mera opsega elastičnosti materijala, ili elastičnog i plastičnog opsega zajedno. Ovo se kvantifikuje kao kompresivna čvrstoća, smicajna čvrstoća, zatezna čvrstoća u zavisnosti od smera uključenih sila. Krajnja čvrstoća je inženjerska mera maksimalnog opterećenja koje deo određenog materijala i geometrije može da izdrži.

Krtost, u tehničkoj upotrebi, je sklonost materijala da se lomi sa vrlo malo ili nimalo prethodno uočljive plastične deformacije. Dakle, u tehničkom smislu, materijal može biti i krt i jak. U svakodnevnoj upotrebi „krhkost“ se obično odnosi na sklonost lomljenju pod malom količinom sile, što pokazuje i krhkost i nedostatak čvrstoće (u tehničkom smislu). Za savršeno lomljive materijale, jačina tečenja i krajnja čvrstoća su iste, jer ne doživljavaju uočljivu plastičnu deformaciju. Suprotnost krhkosti je duktilnost.

Žilavost materijala je maksimalna količina energije koju može da apsorbuje pre loma, što se razlikuje od količine sile koja se može primeniti. Žilavost je mala za krhke materijale, jer elastične i plastične deformacije omogućavaju materijalima da apsorbuju velike količine energije.

Tvrdoća se povećava sa smanjenjem veličine čestica. Ovo je poznato kao Hol-Pečov odnos. Međutim, ispod kritične veličine zrna, tvrdoća se smanjuje sa smanjenjem veličine zrna. Ovo je poznato kao inverzni Hol-Pečov efekat.

Tvrdoća materijala na deformaciju zavisi od njegove mikrotrajnosti ili modula smicanja malog obima u bilo kom smeru, a ne od bilo kakvih osobina krutosti ili čvrstoće kao što je njegov modul stišljivosti ili Jangov modul. Krutost se često meša sa tvrdoćom. Neki materijali su čvršći od dijamanta (npr. osmijum), ali nisu tvrđi i skloni su cepanju i ljuštenju u skvamoznim ili iglastim oblicima.

Mehanizmi i teorija

Prikaz kristalne rešetke na kome su prikazane ravni atoma.

Ključ za razumevanje mehanizma iza tvrdoće je razumevanje metalne mikrostrukture, odnosno strukture i rasporeda atoma na atomskom nivou. Zapravo, najvažnija metalna svojstva koja su kritična za proizvodnju današnje robe su određena mikrostrukturom materijala. Na atomskom nivou, atomi u metalu su raspoređeni u uredan trodimenzionalni niz koji se naziva kristalna rešetka. U stvarnosti, međutim, dati uzorak metala verovatno nikada ne sadrži konzistentnu monokristalnu rešetku. Dati uzorak metala sadržati mnogo zrna, pri čemu svako zrno ima prilično konzistentan obrazac niza. U još manjem obimu, svako zrno sadrži nepravilnosti.

Postoje dve vrste nepravilnosti mikrostrukture na nivou zrna koje su odgovorne za tvrdoću materijala. Ove nepravilnosti su tačkasti i linijski nedostaci. Tačkasti defekt je nepravilnost koja se nalazi na jednom mestu rešetke unutar ukupne trodimenzionalne rešetke zrna. Postoje tri glavna tačkasta defekta. Ako u nizu nedostaje atom, formira se defekt praznine. Ako postoji drugačiji tip atoma na mestu rešetke koji bi normalno trebalo da bude zauzet atomom metala, formira se supstitucioni defekt. Ako postoji atom na mestu gde ga inače ne bi trebalo da bude, formira se [interstitial defect[|intersticijski defekt]]. Ovo je moguće jer postoji prostor između atoma u kristalnoj rešetki. Dok su tačkasti defekti nepravilnosti na jednom mestu u kristalnoj rešetki, linijski defekti su nepravilnosti na ravni atoma. Dislokacije su vrsta linijskog defekta koji uključuje neusklađenost ovih ravni. U slučaju ivične dislokacije, polovina ravni atoma je uglavljena između dve ravni atoma. U slučaju vijčane dislokacije, dve ravni atoma su pomerene sa spiralnim nizom između njih.

U naočarima, tvrdoća linearno zavisi od nekoliko topoloških ograničenja koja deluju između atoma mreže. Drugim rečima, teorija krutosti je omogućava predviđanje vrednosti tvrdoće u odnosu na sastav.

Ravni atoma podeljene ivičnom dislokacijom.

Dislokacije obezbeđuju mehanizam za klizanje ravni atoma i time metod za plastičnu ili trajnu deformaciju. Ravni atoma mogu da se okreću sa jedne strane dislokacije na drugu, omogućavajući dislokaciji da prolazi kroz materijal i da se materijal trajno deformiše. Pomeranje koje dozvoljavaju ove dislokacije izaziva smanjenje tvrdoće materijala.

Način da se inhibira kretanje ravni atoma, a time i oteža, uključuje interakciju dislokacija jedna sa drugom i međuprostornih atoma. Kada se dislokacija ukrsti sa drugom dislokacijom, ona više ne može da prolazi kroz kristalnu rešetku. Presek dislokacija stvara sidrišnu tačku i ne dozvoljava ravnima atoma da nastave da klize jedna preko druge. Dislokacija se takođe može usidriti interakcijom sa međuprostornim atomima. Ako dislokacija dođe u kontakt sa dva ili više intersticijalnih atoma, klizanje ravni će ponovo biti poremećeno. Intersticijski atomi stvaraju sidrišne tačke, ili zakočne tačke, na isti način kao i dislokacije koje se ukrštaju.

Promenom učestalosti intersticijalnih atoma i gustine dislokacija, može se kontrolisati tvrdoća određenog metala. Iako naizgled kontraintuitivno, kako se gustina dislokacija povećava, stvara se više ukrštanja, a samim tim i više sidrišnih tačaka. Slično tome, kako se dodaje više intersticijalnih atoma, formira se više tačaka pričvršćivanja koje ometaju kretanje dislokacija. Kao rezultat, što je više sidrišnih tačaka dodato, to će materijal postati tvrđi.

Veza između broja tvrdoće i krive napon-deformacija

Treba pažljivo obratiti pažnju na odnos između broja tvrdoće i krive napon-deformacija koju ispoljava materijal. Ova potonja, koja se konvencionalno dobija ispitivanjem zatezanja, obuhvata punu plastičnost materijala (koji je u većini slučajeva metal). To je zapravo zavisnost (pravog) fon Mizesovog plastičnog naprezanja od (pravog) fon Mizesovog napona, ali se to lako dobija iz krive nominalnog naprezanja – nominalne deformacije (u režimu pre nastanka grla), što je neposredan ishod testa zatezanja. Ovaj odnos se može koristiti da opiše kako će materijal reagovati na skoro svaku situaciju opterećenja, često koristeći metodu konačnih elemenata (FEM). Ovo se odnosi na rezultat testa utiskivanja (sa datom veličinom i oblikom utiskivača i datim primenjenim opterećenjem).

Međutim, dok broj tvrdoće zavisi od odnosa napona i deformacije, udređivanje deformacije na osnovu napoan je daleko od jednostavnog, i to se ne čini ni na koji rigorozan način tokom konvencionalnog ispitivanja tvrdoće. (Zapravo, tehnika indentacione plastometrije, koja uključuje iterativno FEM modelovanje testa udubljenja, dozvoljava da se kriva naprezanja-deformacije dobije putem udubljivanja, ali to je izvan obima konvencionalnog testiranja tvrdoće.) Broj tvrdoće je samo polukvantitativni pokazatelj otpornosti na plastičnu deformaciju. Iako je tvrdoća definisana na sličan način za većinu tipova ispitivanja – obično kao opterećenje podeljeno kontaktnom površinom – brojevi dobijeni za određeni materijal su različiti za različite vrste ispitivanja, pa čak i za isti test sa različitim primenjenim opterećenjima. Ponekad se čine pokušaji da se identifikuju jednostavni analitički izrazi koji omogućavaju da se karakteristike krive napon-deformacija, posebno napon tečenja i krajnje zatezno naprezanje (UTS), dobiju iz određenog tipa broja tvrdoće. Međutim, sve je to zasnovano na empirijskim korelacijama, često specifičnim za određene vrste legura: čak i sa takvim ograničenjem, dobijene vrednosti su često prilično nepouzdane. Osnovni problem je u tome što metali sa nizom kombinacija napona tečenja i karakteristika očvršćavanja mogu pokazati isti broj tvrdoće. Upotrebi brojeva tvrdoće za bilo koju kvantitativnu svrhu treba, u najboljem slučaju, pristupiti sa značajnim oprezom.

Poređenje tvrdoća čelika

Sledeća uporedna tabela sadrži vrednsoti tvrdoća čelika merenih različithim postupcima.

Tvrdoća po Brinelu (HB), kuglica Ø10mm, sila: 29430 N		Tvrdoća po Vikersu (HV)	Tvrdoća po Rokvelu				Tvrdoća po Šoru (HS)	Istezna čvrstoća (približno) Mpa
Standardna kuglica	WC kuglica		Opterećenje: 589 N, dijamantni vrh (HRA)	Opterećenje: 981 N, kuglica 1/16" (HRB)	Opterećenje: 1471 N, dijamantni vrh HRC)	Opterećenje: 981 N, dijamantni vrh (HRD)
-	-	940	85,6	-	68	76,9	97	-
-	-	900	85	-	67	76,1	95	-
-	767	880	84,7	-	66,4	75,7	93	-
-	722	800	83,4	-	64	73,8	88	-
-	710	780	83	-	63,3	73,3	87	-
-	698	760	82,6	-	62,5	72,6	86	-
-	670	720	81,8	-	61	71,5	83	-
-	653	697	81,2	-	60	70,7	81	-
-	-	677	80,7	-	59,1	70	-	-
-	601	640	79,8	-	57,3	68,7	77	-
-	578	615	79,1	-	56	67,7	75	-
-	-	579	78	-	54	66,1	-	2015
-	534	569	77,8	-	53,5	65,8	71	1985
-	514	547	76,9	-	52,1	64,7	70	1890
-	495	528	76,3	-	51	63,8	68	1820
477	-	516	75,9	-	50,3	63,2	-	1780
-	477	508	75,6	-	49,6	62,7	66	1740
444	-	474	74,3	-	47,2	61	-	1595
401	401	425	72	-	43,1	57,8	58	1390
375	375	396	70,6	-	40,4	55,7	54	1270
302	302	319	66,3	107	32,1	49,3	45	1005
255	255	269	63	102	25,4	44,2	38	850
241	241	253	61,8	100	22,8	42	36	800
212	212	222	-	95,5	16	-	-	705
201	201	212	-	93,8	13,8	-	31	675
192	192	202	-	91,9	11,5	-	29	640
183	183	192	-	90	9	-	28	615
170	170	178	-	86,8	5,4	-	26	570
163	163	171	-	85	3,3	-	25	545
149	149	156	-	80,8	-	-	23	505
131	131	137	-	74	-	-	-	450
121	121	127	-	69,8	-	-	19	415
111	111	117	-	65,7	-	-	15	385

Vidi još

• Brinelov test tvrdoće

Literatura

• Chinn, R. L. (2009). „Hardness, bearings, and the Rockwells”. Advanced Materials & Processes. 167 (10): 29—31. 
• Davis, J. R. (Ed.). (2002). Surface hardening of steels: Understanding the basics. Materials Park, OH: ASM International.
• Dieter, George E. (1989). Mechanical Metallurgy. SI Metric Adaptation. Maidenhead, UK: McGraw-Hill Education. ISBN 0-07-100406-8
• Malzbender, J (2003). „Comment on hardness definitions”. Journal of the European Ceramics Society. 23 (9): 9. doi:10.1016/S0955-2219(02)00354-0. 
• Revankar, G. (2003). "Introduction to hardness testing." Mechanical testing and evaluation, ASM Online Vol. 8.
• Mukherjee, Swapna (2012). Applied Mineralogy: Applications in Industry and Environment. Springer Science & Business Media. ISBN 978-94-007-1162-4. 
• Samsonov, G.V., ur. (1968). „Mechanical Properties of the Elements”. Handbook of the Physicochemical Properties of the Elements. New York: IFI-Plenum. str. 432. ISBN 978-1-4684-6068-1. doi:10.1007/978-1-4684-6066-7. 
• Berger, Lev I. (1996). Semiconductor Materials (First izd.). Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 978-0849389122. 
• Levine, Jonathan B.; Tolbert, Sarah H.; Kaner, Richard B. (2009). „Advancements in the Search for Superhard Ultra-Incompressible Metal Borides” (PDF). Advanced Functional Materials. 19 (22): 3526—3527. doi:10.1002/adfm.200901257. Arhivirano iz originala (PDF) 2016-03-04. g. Pristupljeno 2015-12-08. 
• Cordua, William S. "The Hardness of Minerals and Rocks". Lapidary Digest, c. 1990.

Spoljašnje veze

• An introduction to materials hardness
• Guidelines to hardness testing Архивирано на сајту Wayback Machine (25. фебруар 2021)
• Testing the Hardness of Metals