Co jest twardsze: granit czy marmur, nikiel czy aluminium? A czym właściwie jest twardość? Na te pytania postaramy się odpowiedzieć w naszym artykule. Wielu zagranicznych naukowców zajmowało się problemem określania twardości minerałów i substancji. Wśród nich są Albert Schor, Friedrich Moos, Johan August Brinell, William Vickers i inni. Jednak jedyna i ogólnie przyjęta metoda obliczania twardości w nauce nadal nie istnieje.
Co to jest twardość?
Każda z substancji znanych nauce ma szereg określonych właściwości fizycznych i właściwości. W tym artykule omówimy, czym jest twardość. Jest to zdolność materiału do opierania się penetracji innego, bardziej wytrzymałego korpusu (na przykład narzędzia do cięcia lub przekłuwania).
Twardość substancji jest najczęściej mierzona w specjalnych jednostkach - kgf/mm2 (kilogram-siła na milimetr kwadratowy powierzchni). Oznaczony jest łacińskimi literami HB, HRC lub HRB, w zależności od wybranej skali.
Najtwardszym minerałem na Ziemi jest diament. Jeśli mówimy o materiałach sztucznego pochodzenia, to najtrwalszy jest fullerit. Jest to kryształ molekularny, który tworzy się w wysokich temperaturach (około 300 stopni Celsjusza) i ekstremalnie wysokich ciśnieniach (ponad 90 000 atmosfer). Według naukowców fulleryt jest około półtora raza twardszy niż diament.
Co to jest twardość?
Istnieją trzy główne opcje twardości:
- Powierzchnia (określona przez stosunek obciążenia do powierzchni wydruku).
- Projekcja (stosunek obciążenia do obszaru projekcji nadruku).
- Głośność (stosunek obciążenia do objętości wydruku).
Oprócz tego, twardość ciał fizycznych jest mierzona w czterech zakresach:
- Nanotwardość (obciążenie mniejsze niż 1 gf).
- Mikrotwardość (1 – 200 gf).
- Twardość przy niskich obciążeniach (200 gf - 5 kgf).
- Makrotwardość (powyżej 5 kgf).
Twardość metali
Spośród 104 elementów układu okresowego Mendelejewa 82 to metale. A łączna liczba stopów znanych człowiekowi sięga pięciu tysięcy! Zakres metali we współczesnym świecie jest niesamowicie szeroki. Są to przemysł wojskowy i chemiczny, metalurgia, elektrotechnika, przemysł kosmiczny, biżuteria, stocznia, medycyna itp.
Wśród wszystkich fizycznych i chemicznych właściwości metali twardość jest daleka od ostatniejrola. W końcu wyraźnie demonstruje:
- stopień odporności na zużycie metalu;
- odporność na ciśnienie;
- możliwość cięcia innych materiałów.
Twardość metalu pokazuje między innymi, czy można go obrabiać na określonych maszynach, czy można go polerować i tym podobne. Nawiasem mówiąc, naukowcy od dawna udowodnili, że twardość metalu w dużej mierze determinuje jego inne właściwości mechaniczne.
Jaka jest twardość żelaza, miedzi i aluminium? A który metal jest najtwardszy i najtrwalszy?
Magnez i aluminium należą do najbardziej miękkich metali. Ich wartości twardości wahają się w granicach 5 kgf/mm2. Około dwa razy twardszy - nikiel i miedź (około 10 kgf/mm2). Twardość żelaza szacuje się na 30 kgf/mm2. Cóż, do najtwardszych metali pochodzenia naturalnego należą tytan, osm i iryd.
Oznaczanie twardości: metody, metody i podejścia
Jak mierzy się twardość ciała fizycznego? W tym celu do próbki wprowadza się tak zwany wgłębnik. Jego rolę może pełnić wytrzymała metalowa kula, piramida lub diamentowy stożek. Po bezpośrednim kontakcie wgłębnika na próbce pozostaje odcisk, którego wielkość określa twardość materiału.
W praktyce stosuje się dwie grupy metod pomiaru twardości:
- Dynamiczny.
- Kinetyczne.
W tym przypadku można zastosować obciążenie przyłożone podczas wprowadzania wgłębnika do korpusupoprzez drapanie, wcinanie (najczęściej), cięcie lub odbijanie.
Obecnie istnieje kilka różnych podejść do określania twardości:
- Rockwell;
- Brinell;
- według Vickersa;
- na brzegu;
- według Mohsa.
W związku z tym istnieje wiele różnych skal twardości materiałów, nie ma między nimi bezpośredniego związku. Ta lub inna metoda pomiaru jest wybierana na podstawie wielu czynników (na przykład właściwości konkretnego materiału, warunków eksperymentu, używanego sprzętu itp.). Urządzenia określające twardość metali lub minerałów są potocznie nazywane twardościomierzami.
Metoda Rockwella
Wartość twardości Rockwella jest określana przez głębokość wgłębienia diamentowego stożka lub metalowej kulki pozostawionej na powierzchni badanego elementu. Ponadto jest bezwymiarowy i jest oznaczony literami HR. Zbyt miękkie materiały mogą mieć ujemne wartości twardości.
Tak zwany tester twardości Rockwella został wynaleziony na początku ubiegłego wieku przez Amerykanów Hugh Rockwella i Stanleya Rockwella. Możesz zobaczyć, jak to działa w poniższym filmie. Czynnikiem krytycznym dla tej metody jest grubość próbki testowej. Nie powinna być mniejsza niż dziesięciokrotna głębokość penetracji wgłębnika w korpusie testowym.
W zależności od typu wgłębnika i zastosowanego obciążenia dostępne są trzy skale pomiarowe. Są one oznaczone trzema literami łacińskimi: A, B i C. Wartość twardości Rockwella ma postać liczbową. Na przykład: 25,5 HRC (ostatnilitera wskazuje skalę, która została użyta w teście).
Metoda Brinella
Wartość twardości Brinella jest określana przez średnicę odcisku pozostawionego przez utwardzoną stalową kulkę na powierzchni badanego metalu. Jednostką miary jest kgf/mm2.
Metoda została zaproponowana w 1900 roku przez szwedzkiego inżyniera Johana Augusta Brinella. Test przeprowadza się w następujący sposób: najpierw ustawia się wstępne obciążenie wgłębnika na próbce, a dopiero potem - główne. Ponadto materiał pod tym obciążeniem może wytrzymać do 30 sekund, po czym mierzy się głębokość wgłębienia. Twardość Brinella (określana jako HB) jest obliczana jako stosunek przyłożonego obciążenia do pola powierzchni wynikowego wydruku.
Niektóre wartości twardości dla różnych materiałów (wg Brinella):
- Drewno – 2, 6-7, 0 HB.
- Aluminium - 15 HB.
- Miedź – 35 HB.
- Stal miękka - 120 HB.
- Szkło – 500 HB.
- Stal narzędziowa - 650-700 HB.
Metoda Vickersa
Twardość według metody Vickersa jest określana poprzez wciśnięcie diamentowej końcówki w próbkę o kształcie regularnej czworokątnej piramidy. Po usunięciu obciążenia zmierz dwie przekątne utworzone na powierzchni materiału i oblicz średnią arytmetyczną wartość d (w milimetrach).
Twardościomierz Vickersa jest dość kompaktowy (patrz zdjęcie poniżej). Test przeprowadza się w temperaturze pokojowej (+20 stopni). Wartość twardości korpusu jest oznaczona literami HV.
Metoda Shor
Ta metoda pomiaru twardości została zaproponowana przez amerykańskiego wynalazcę Alberta Shora. Jest również często określany jako „metoda odbicia”. Podczas pomiaru twardości Shore'a, bijak o standardowym rozmiarze i masie jest zrzucany z pewnej wysokości na powierzchnię badanego materiału. Kluczową wartością tego eksperymentu jest wysokość odbicia napastnika, mierzona w konwencjonalnych jednostkach.
Twardość Shore'a jest mierzona w zakresie od 20 do 140 jednostek. Sto jednostek odpowiada wysokości odbicia 13,6 mm (± 0,5 mm). Zgodnie z normą wartość ta jest twardością hartowanej stali węglowej. Nowoczesne urządzenie do pomiaru twardości materiałów według Shore'a nazywa się skleroskopem lub durometrem (widać to na zdjęciu poniżej).
Skala Mohsa
Skala twardości Mohsa jest względna i dotyczy wyłącznie minerałów. Jako minerały odniesienia wybrano dziesięć minerałów, które ułożono w kolejności rosnącej twardości (na poniższym schemacie fotograficznym). W związku z tym skala ma 10 punktów (od 1 do 10).
Skala mineralogiczna twardości została zaproponowana przez niemieckiego naukowca Friedricha Moosa w 1811 roku. Niemniej jednak nadal jest używany w geologii.
Jak określić twardość danego minerału w skali Mohsa? Można to zrobić, uważnie badając rysę pozostawioną przez próbkę. Wygodnie jest używać paznokcia, miedzianej monety, kawałka szkła lub stalowego noża.
Więc jeślibadany minerał pisze na papierze bez zarysowań, wtedy jego twardość jest równa jeden. Jeśli kamień łatwo zarysować paznokciem, jego twardość wynosi 2. Trzy punkty mają minerały, które łatwo zarysować nożem. Jeśli trzeba się postarać, aby pozostawić ślad na kamieniu, to jego twardość wynosi 4 lub 5. Minerały o twardości 6 lub wyższej same pozostawiają rysy na ostrzu noża.
Na zakończenie…
Czym jest więc twardość? Jest to zdolność ciała fizycznego do opierania się zniszczeniu i deformacji pod wpływem lokalnych sił kontaktowych. Za najtwardszy minerał na Ziemi uważa się diament, a najtrwalszym metalem jest iryd. We współczesnej nauce i technologii stosuje się kilka metod pomiaru twardości (według Brinella, Rockwella, Vickersa, Shore'a i Mohsa).
