Физико-механические свойства СТМ

Твёрдость - это свойство материала оказывать сопротивление внедрению в него недеформируемого наконечника – индентора. После статического нагружения индентора определённым усилием на поверхности ипытуемого материала ( вследствие пластического деформирования части поверхностного слоя) остаётся отпечаток. В результате контактного воздействия имеют место и упругие деформации. При снятии нагружающего напряжения с индентора в испытуемом материале происходит релаксация упругих напряжений, в результате чего глубина отпечатка уменьшается.

Обычно индентор имеет форму шара, пирамиды или конуса .Его изготовляют из твёрдого сплава , закалённой стали или алмаза, чтобы обеспечить существенную разницу в деформационных свойствах испытуемого материала и индентора. Испытания СТМ проводят только алмазным индентором, заточенным в форме острой пирамиды, нагружаемым относительно небольшими нагрузками. Используют инденторы следующих типов – Виккерса, Берковича и Кнупа, оставляющие отпечатки соответственно в форме квадрата, треугольника и вытянутого ромба( рисунок 2.1, а,б,в).

Рисунок 2.1 – Отпечатки инденторов Виккерса (а), Берковича (б) и Кнупа (в) в хрупких материалах

После разгрузки индентора измеряют полученный отпечаток, и величина твёрдости находится как отношение приложенной нагрузки к размеру площади поверхности отпечатка.

Твёрдость по Бринеллю определяют путём вдавливания индентора в виде стального шарика, а по Виккерсу - алмазной пирамиды.

Существует два подхода к расчёту твёрдости – по Бринеллю и по Мейеру(таблица 2.1,[6]). В первом случае нагрузка относится к площади проекции отпечатка, во втором- к боковой поверхности отпечатка.

Таблица 2.1 – Расчётные формулы для определения твёрдости при использовании пирамид инденторов

Класс СТМ – это материалы, микротвёрдость которых выше микротвёрдости корунда. Из природных материалов к сверхтвёрдым относится только алмаз. К настоящему времени синтезировано большое количество других сверхтвёрдых материалов. Самым твёрдым из них долгое время оставался кубический нитрид бора. В природном состоянии такой материал не обнаружен.Прямым превращением графитоподобного твёрдого раствора была получена новая сверхтвёрдая фаза, кубический карбонитрид бора [7].

Уникальный комплекс физико-механических свойств алмаза и других СТМ определятся слабым расстоянием между атомами, направленной ковалентной связью атомов в кристаллической решётке, большой локализацией валентных электронов и образованием наиболее энергетически устойчивых электронных конфигураций на субатомном уровне[8].Исключительную твёрдость трёх основных сверхтвёрдых материалов- алмаза, кубического нитрида бора и кубического карбонитрида бора связывают с симметричным направлением атомных связей в кристалле(рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Кристаллическая решётка алмаза (а), карбонитрида бора (б) и КНБ (в): 1-атомы углерода; 2-атомы азота; 3-атомы бора

Таким образом , можно заключить , что к классу сверхтвёрдых относятся материалы главным образом с ковалентными направленными связями, с микротвёрдостью выше микротвёрдости природного корунда , а также природный алмаз.

Неметаллические тугоплавкие соединения в настоящее время включают в себя 10 сверхтвёрдых веществ, образующих «пирамиду» твёрдости (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Пирамида твёрдости неметаллических соединений

Сверхтвёрдых соединений среди металлоподобных тугоплавких веществ значительно больше (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Пирамида твёрдости металлоподобных соединений

Классификация СТМ

В качестве основного классификационного критерия сверхтвёрдых материалов принимается характеристика структурного строения, исходя из степени кристалличности, числа фазовых составляющих и однородности структуры. При этом можно выделить три основные группы СТМ. К первой группе отнесём монокристаллы СТМ, ко второй – однородные поликристаллические СТМ(ПСТМ), к третьей – однородные и неоднородные композиты.

Другой основной классификационной характеристикой, разделяющей группы СТМ, следует считать технологию их получения. Технологией определяется многие особенности структурного состояния СТМ, внутренняя и поверхностная дефектность, характер вхождения в структуру примесей, а следовательно , и основные физико-химические свойства. Для каждой из указанных групп можно выделить три подгруппы, различающиеся по способам получения СТМ.

К первой из них относятся способы получения СТМ при экстремально высоких статических, динамических давлениях и высокой температуре . Ко второй – горячее изостатическое прессование при высоком давлении в газостатах , электроразрядное спекание под высоким давлением. К третьей подгруппе относятся лазерный синтез, плазменное осаждение, детонационное напыление , т.е. способы, где высокое давление достигается в твёрдом теле в результате переходных термодинамических процессов.

Классификация СТМ основана на различиях в структурном состоянии и учёте особенностей технологии получения СТМ.

Сверхтвёрдые материалы, которые выпускают промышленно в больших объёмах, делят на две большие группы- на основе алмаза и на основе нитрида бора.

СТМ выпускают в виде порошков или поликристаллов (ПСТМ), а также используют в составе инструментальных композиционных материалов как наполнители.

В зависимости от размера зерен и назначения порошки СТМ делят на 4 группы:

1)шлифпорошки (размер зерен от 40 до 2500 мкм);

2)микропорошки (размер зерен от 1 до 60 мкм);

3)субмикропорошки (размер зерен от 0,1 до 1 мкм);

4)нанопорошки (размер зерен от 10^-4 до 10^-3 мкм);

В зависимости от вида сырья, из которого их изготавливают, шлифпорошки делят на две группы – АС и АР.Шлифпорошки типа АС получают методом рассева порошков из продукта синтеза алмазов на ситах. Шлифпорошки типа АР получают путём дробления ПСТМ.