Как и обещал чуть раньше, начинаю делиться с вами полезными инженерными знаниями. Эта публикация будет посвящена механической твёрдости.

Мы часто используем формулировку твёрдый материал, или говорим что-то типа «лёд очень твёрдый» и об него больно биться головой. Но оказывается, понятие твёрдость – это не только этакое стандартное, привычное всем слово, но и крайне важный термин в материаловедении.

Что же такое твёрдость?

Это способность тела сопротивляться в него внедрению другого более твердого тела (причем более твердое тело называют индентор).

Такое определение позволяет «обернуть» в какую-то логику понимание словосочетания «твёрдый камень» или «твёрдый лед». Ведь представить слово твёрдость иначе очень сложно, несмотря на кажущуюся простоту вопроса.

Итак, вот мы узнали, что в материаловедении есть такое понятие, как механическая твёрдость.

Но зачем выделять этот термин в отдельное понятие и почему это важно для инженера?

Всё довольно просто. Именно твёрдость определяет ряд фундаментальных механических свойств материала.

Например, известно, что материалы с высокой твёрдостью как правило обладают большей хрупкостью (т.е. легко ломаются от удара). Если нужно сделать пару трения (или обычный подшипник) важно тоже правильно подобрать материал, ведь два твердых металла не смогут работать в паре трения. При сверлении, точении или обрабатывании резанием нужно выбрать твёрдость правильно. Ведь, например, те же самые победитовые свёрла способны сверлить бетонную стену только благодаря высокой твёрдости сверла. Возьмите сверло по дерево и при аналогичной конструкции, вы его угробите очень быстро. Есть пример и со стеклорезом, где твердый алмазный резец способен процарапать канавку.

Исходя из всего этого очевидно, что нужно использовать материалы с подходящей твёрдостью.

Как же узнать, подходит твёрдость или нет?

Всё просто. Для каждой задачи отработаны «определенные режимы» взаимодействия материалов, где приводятся оптимальные твёрдости. Значит, остается только узнать твердость материала.

Как определить твёрдость материала?

Существуют различные методы определения твёрдости материалов. Все классические и наиболее широко применяемые сегодня методики основаны на том, что в образец исследуемого материала внедряется более твердое тело, называемое индентор. Дальше измеряется или размер отпечатка (чем больше отпечаток, тем мягче материал), или ход индентора (чем глубже погрузился индентор, тем мягче материал).

Есть ещё менее применяемые методики – на образец бросают какой-то грузик и замеряют высоту отскока или смотрят, царапает ли индентор образец.

Методик очень и очень много. Правда логика у всех у них такая, как описано выше.

Это огромное количество объясняется границами применения методов. Ведь несмотря на одинаковую общую логику, разные группы материалов нельзя исследовать одинаковыми методами.

Очень мягкую медь нельзя испытывать также, как мы испытываем очень твердую нержавеющую сталь. Получится промах. Прибор (называемый, кстати, твердомер), показывающий реальный результат для твердой нержавейки, проткнет насквозь мягкий медный образец и покажет твердость 0 единиц. Очевидно, что медный образец не может иметь нулевую твердость :)…

Именно поэтому, для исследования каждой группы материалов был разработан свой метод измерения.

Сегодня всё гораздо проще – мы можем использовать уже существующий набор разработанных гостированных методов. Но раньше нужно было для каждой задачи разработать новый вариант проведения эксперимента, который был бы применим в данном случае.

Иными словами, огромное количество методов определения твёрдости объясняется необходимостью иметь методику, применимую для каждого конкретного эксперимента. Поскольку же материалов очень много, то и методов появилось очень и очень много.

Надеюсь, вам было интересно!

Уважаемые мастера, подскажите как правильно закрепить вал редуктора в пластмассовой шестеренке? У дочки сломалась робот-мышь: стала вертеться на месте из-за проворачивания вала, запрессованного в колесо. Попробовал налить туда циан-акриллата, но, видимо, ввиду рукожопости (моей) клей вал не закрепился.

Как  правильно закрепить вал? Колесо сотоит из двух разных пластмасс. ХЗ как они называются. Внутренняя вставка белая такая, в нее запрессован был вал. Может такой пластик чем-то особенным клеить нужно? Не хочется доломать робота, дочка его использует для автоматических экспедиций под диван за застрявшими игрушками.

Внутренности киборга:

Довелось мне однажды, по своей работе, поговорить с двумя студентками. Они обе закончили первый курс, специальность у них - материаловедение. И они из МИСиС! Предмет материаловедение у них не просто был, они обе сдали его на отлично.
Свело меня с ними то, что они интересовались современным оборудованием. Такой энтузиазм, конечно, очень похвален.
Разговор ушёл в специальность и, так как я сам материаловед, уже закончивший гораздо менее крутой ВУЗ, я хотел (честное слово, это началось как шутка) проверить их знания. Я и не думал занудничать или выпендриваться, и был уверен, что мой вопрос, заданный в шутку, получит ответ, верный и точный.
Итог
Девушки не знают что такое сталь и из чего состоит. И чем отличается от чугуна. Они не слышали вообще о процессе закалки. О том, как формируется структура материалов или даже как выглядит микроструктура. О том, зачем вообще подвергать материалы хоть какой-нибудь термической обработке тоже.
Я понимаю, первый курс. Но это самые базовые вопросы по специальности, которую они уже сдали. Я не спрашивал их о мех. и физ. свойствах, мы не заводили речь о спец.сталях, я не затрагивал какие-то технологические моменты, никакого ТКМ, никаких вопросов о покрытиях, коррозии и так далее.
100% материаловедение, вопросы самого первого семестра. Девушки из одного из лучших материаловедческих ВУЗов страны, получившие пять.......слились как шестиклассники.

Дамы и господа, я обеспокоен. Пожалуйста, успокойте меня и скажите, что это исключение, а не правило, что студенты сейчас толковые и способные к обучению, что эти две девочки просто по случайности получили оценки.
Я отказываюсь верить в массовое появление специалистов, которые будут говорить ОКЕЙ,ГУГЛ каждый раз, когда услышат слово "сталь" или "керамика".
Преподаватели, студенты и просто специалисты, прошу ваше мнение!

Ответ в следующем. Температура плавления смеси двух разных веществ всегда ниже, чем по отдельности. Допустим, у меня есть металл А, который плавится при температуре 600°. Если я добавлю к нему какой-нибудь металл Б, то получившаяся смесь будет плавиться при температуре, скажем 580°. Или если металл Б плавится при 800°, то добавим немного металла А, и станет 780°.

Данная особенность очень удобна при контроле качества чистоты получения различных веществ. Если мы хотим получить чистый металл А, а температура плавления опытного образца ниже 600°, значит в этом образце присутствуют загрязнения.

Причина в том, что при затвердевании такой смеси получается конфликт кристаллических решеток металла А и металла Б, в результате эти самые решетки получаются ломаными, неправильными, и на образование таких решеток нужно больше теплоты, чем на образование геометрически правильных решеток чистого вещества. Ну да ладно, суть не в этом.

Суть в том, что то же самое происходит со снегом и солью. Если их смешать, то температура плавления снега уменьшится. Получившаяся температура зависит от пропорции исходных веществ. Если взять совсем немного соли, то понижение будет незначительным. Взять больше соли - будет больше понижение. Существует некоторая оптимальная пропорция, при которой понижение температуры плавления будет максимальным, кто изучал в университете материаловедение, наверняка слышал, что такая смесь называется эвтектической. Если концентрацию соли повышать дальше, то температура плавления будет наоборот расти.

Для снега и поваренной соли минимальная достижимая температура плавления = -21.2°С.

Замерзло лобовое стекло автомобиля? Нет проблем! Просто посыпьте его солью, и через некоторое время лед растает!

Что же на самом деле тут происходит? А дело в том, что с точки зрения снега лобовое стекло становится горячим! Моя температура плавления -20°С, а температура стекла 0°С, слишком горячо для меня! И я плавлюсь. А еще меня окружает горячий воздух температурой 0°С. Я плавлюсь.

То же самое с гололедом. На меня бросают соль, и вдруг асфальт становится для меня невыносимо горячим! Воздух тоже становится горячим!

Или взять эксперимент со сжатием в кулаке смеси снега с солью.

Нет, никаким химическим ожогом тут, вопреки мнению некоторых людей, не пахнет.

Дело в том, что чистый снег охлаждает руку, но не может охладить ее ниже 0°С.

Если же добавить соль, то он охлаждает руку до -20°С!

Однако не это является главной причиной ожогов. Когда снег плавится, он поглощает из окружающей среды огромное количество тепла. Это называется скрытой теплотой плавления. Она в сотни раз больше теплоемкости снега.

К примеру, для того, чтобы нагреть 1 кг снега с -1° до 0°, требуется 2 кДж тепла.

А для того, чтобы расплавить 1 кг снега, требуется 335 кДж тепла!

Поэтому, когда в снег добавляют соль, интенсивность его плавления резко возрастает, и он буквально высасывает из всего вокруг себя тепло. Осторожно, можно получить серьезные ожоги! Лучше не прикладывайте к коже, а используйте, например, чтобы быстро охладить напитки. Или сделать мороженое.

Вот так вот. Будут вопросы - пишите!