Твёрдость — это свойство материала сопротивляться локальному механическому воздействию, в частности проникновению в него другого твёрдого тела. Она характеризует способность к сопротивлению пластической деформации, царапанию, истиранию и вдавливанию. Твёрдость напрямую связана с внутренней структурой кристаллов, межатомными взаимодействиями и дефектами кристаллической решётки.
Межатомные связи определяют величину твёрдости. Чем выше энергия связи и жёстче её характер (ионная, ковалентная), тем труднее деформировать кристалл. Металлы с металлическими связями обладают умеренной твёрдостью и высокой пластичностью, тогда как ковалентные и ионные соединения часто демонстрируют высокую твёрдость, но низкую пластичность.
Кристаллическая структура влияет на распределение напряжений при приложении нагрузки. Плотно упакованные структуры, такие как кубическая гранецентрированная (FCC) или алмазная (диамантоподобная), проявляют более высокую твёрдость, чем менее плотные решётки. Анизотропия кристалла приводит к различной твёрдости по разным кристаллографическим направлениям.
Температурные факторы изменяют твёрдость. При нагревании межатомные связи ослабевают, увеличивается подвижность дислокаций, что снижает сопротивление локальной деформации.
1. Метод Бринелля основан на вдавливании стального или карбидного шара фиксированного диаметра в поверхность образца под нагрузкой. Твёрдость рассчитывается как отношение нагрузки к площади следа вдавливания.
2. Метод Виккерса применяет алмазную пирамиду с квадратной основанием. Твёрдость определяется по отношению нагрузки к площади отпечатка, измеренной под микроскопом. Метод особенно удобен для тонких слоёв и микроструктур.
3. Метод Роквелла измеряет глубину проникновения конуса или шара под постоянной нагрузкой. Показатель твёрдости напрямую связан с глубиной вдавливания, что обеспечивает быструю оценку.
4. Микротвёрдость и нанотвёрдость используют маленькие нагрузки для анализа локальных участков, тонких пленок или отдельных фаз в поликристаллических материалах.
Точечные дефекты (вакансии, междоузельные атомы) могут как увеличивать твёрдость за счёт препятствия движению дислокаций, так и уменьшать её при концентрации дефектов выше критической.
Линейные дефекты — дислокации. С ростом плотности дислокаций материал становится твёрже из-за упрочняющего эффекта их взаимодействия. Направленное упрочнение наблюдается в металлах после холодной деформации.
Объёмные и планарные дефекты (вторичные фазы, границы зерен) также существенно влияют на твёрдость. Мелкозернистая структура повышает сопротивление пластической деформации по механизму Холла–Петча, тогда как включения твёрдых фаз увеличивают сопротивление вдавливанию.
Микротвёрдость отражает сопротивление отдельной кристаллической или фазовой области. Позволяет выявлять локальные анизотропные особенности.
Общая твёрдость характеризует сопротивление макроскопического образца и связана с пределом прочности при сжатии и растяжении, но не полностью совпадает с ними, так как твёрдость чувствительна к поверхностным дефектам и микроструктуре.
Связь с пластичностью проявляется в том, что очень твёрдые материалы, как правило, имеют низкую пластичность (например, алмазы, керамики), а материалы средней твёрдости (металлы) обладают высокой пластичностью, что важно для инженерного применения.
Твёрдость является ключевым параметром при выборе материалов для резцов, режущих инструментов, абразивных и несущих элементов. Она определяет износостойкость, долговечность и эксплуатационную надёжность конструкций. В металлургии, керамике и полимерных композитах твёрдость используется как показатель технологической пригодности и качества поверхностной обработки.
Твёрдость выступает комплексным свойством, отражающим взаимодействие структуры, химического состава и внешних условий, и является одной из центральных характеристик твёрдого вещества.