Кое е по-твърдо, гранит или мрамор, никел или алуминий? И какво изобщо е твърдост? Ще се опитаме да отговорим на тези въпроси в нашата статия. Редица чуждестранни учени се занимаваха с проблема за определяне на твърдостта на минералите и веществата. Сред тях са Алберт Шор, Фридрих Моос, Йохан Август Бринел, Уилям Викерс и др. Въпреки това, единственият и общоприет метод за изчисляване на твърдостта в науката все още не съществува.
Какво е твърдостта?
Всяко от веществата, известни на науката, има редица специфични физични свойства и качества. Тази статия ще обсъди какво е твърдостта. Това е способността на материала да устои на проникването на друго, по-издръжливо тяло в него (например инструмент за рязане или пробиване).
Твърдостта на веществата най-често се измерва в специални единици - kgf/mm2 (килограм-сила на квадратен милиметър площ). Означава се с латински букви HB, HRC или HRB, в зависимост от избраната скала.
Най-твърдият минерал на Земята е диамантът. Ако говорим за материали от изкуствен произход, тогава най-издръжливият е фулерит. Това е молекулен кристал, който се образува при високи температури (около 300 градуса по Целзий) и изключително високо налягане (над 90 000 атмосфери). Според учените фулеритът е около един и половина пъти по-твърд от диаманта.
Какво е твърдостта?
Има три основни опции за твърдост:
- Повърхност (определя се от съотношението на натоварването към повърхността на отпечатъка).
- Проекция (съотношението на натоварването към проекционната площ на отпечатъка).
- Обем (съотношение обем на зареждане към печат).
Освен това, твърдостта на физическите тела се измерва в четири диапазона:
- Нанотвърдост (натоварване по-малко от 1 gf).
- Микротвърдост (1 – 200 gf).
- Твърдост при ниски натоварвания (200 gf - 5 kgf).
- Макротвърдост (повече от 5 kgf).
Твърдост на металите
От 104 елемента на периодичната система на Менделеев 82 са метали. И общият брой на сплавите, известни на човека, достига пет хиляди! Обхватът на металите в съвременния свят е невероятно широк. Това са военната и химическата промишленост, металургията, електротехниката, космическата индустрия, бижутерията, корабостроенето, медицината и др.
Сред всички физични и химични характеристики на металите, твърдостта далеч не е последнатароля. В крайна сметка тя ясно демонстрира:
- степен на износоустойчивост на метала;
- устойчивост на налягане;
- способността му да реже други материали.
Наред с други неща, твърдостта на метала показва дали може да се обработва на определени машини, дали може да се полира и други подобни. Между другото, учените отдавна са доказали, че твърдостта на метала до голяма степен определя другите му механични свойства.
Каква е твърдостта на желязото, медта и алуминия? И кой метал е най-твърдият и издръжлив?
Магнезият и алуминият са сред най-меките метали. Стойностите им на твърдост варират в рамките на 5 kgf/mm2. Около два пъти по-твърди - никел и мед (около 10 kgf/mm2). Твърдостта на желязото се оценява на 30 kgf/mm2. Е, най-твърдите метали с естествен произход включват титан, осмий и иридий.
Определяне на твърдостта: методи, методи и подходи
Как се измерва твърдостта на физическо тяло? За да направите това, в пробата се въвежда така нареченият индентор. Неговата роля може да се играе от тежкотоварна метална топка, пирамида или диамантен конус. След ефекта на директния контакт на индентора върху тестовата проба остава отпечатък, чийто размер определя твърдостта на материала.
На практика се използват две групи методи за измерване на твърдостта:
- Dynamic.
- Kinetic.
В този случай приложеното натоварване по време на въвеждането на индентора в тялото може да се извършичрез надраскване, вдлъбнатина (най-често), изрязване или отскачане.
Днес има няколко различни подхода за определяне на твърдостта:
- Rockwell;
- Бринел;
- според Vickers;
- от брега;
- според Mohs.
Съответно има редица различни скали на твърдост на материалите, няма пряка връзка между тях. Един или друг метод за измерване се избира въз основа на редица фактори (например свойствата на конкретен материал, условията на експеримента, използваното оборудване и т.н.). Устройствата, които определят твърдостта на метали или минерали, обикновено се наричат твърдомери.
Метод на Рокуел
Стойността на твърдостта по Рокуел се определя от дълбочината на вдлъбнатината на диамантен конус или метална топка, оставена върху повърхността на тестовата проба. Освен това той е безразмерен и се обозначава с буквите HR. Материалите, които са твърде меки, може да имат отрицателни стойности на твърдост.
Така нареченият тестер за твърдост по Рокуел е изобретен в началото на миналия век от американците Хю Рокуел и Стенли Рокуел. Можете да видите как работи в следващото видео. Критичен фактор за този метод е дебелината на тестовата проба. Не трябва да бъде по-малко от десет пъти дълбочината на проникване на индентора в тестовото тяло.
В зависимост от вида на индентора и приложеното натоварване има три измервателни скали. Те се обозначават с три латински букви: A, B и C. Стойността на твърдостта по Рокуел има цифров вид. Например: 25,5 HRC (последнобуквата показва скалата, която е използвана в теста).
Метод на Бринел
Стойността на твърдостта по Бринел се определя от диаметъра на отпечатъка, оставен от закалена стоманена топка върху повърхността на тествания метал. Мерната единица е kgf/mm2.
Методът е предложен през 1900 г. от шведския инженер Йохан Август Бринел. Изпитването се извършва по следния начин: първо се задава предварителното натоварване на индентора върху пробата и едва след това - основното. Освен това материалът под това натоварване може да издържи до 30 секунди, след което се измерва дълбочината на вдлъбнатината. Твърдостта по Бринел (наричана HB) се изчислява като съотношението на приложеното натоварване към повърхностната площ на получения отпечатък.
Някои стойности на твърдост за различни материали (според Brinell):
- Дърво – 2, 6-7, 0 HB.
- Алуминий - 15 HB.
- Мед – 35 HB.
- Мека стомана - 120 HB.
- Стъкло – 500 HB.
- Инструментална стомана - 650-700 HB.
Метод на Викерс
Твърдостта по метода на Викерс се определя чрез натискане на диамантен връх в пробата, имащ формата на правилна четириъгълна пирамида. След отстраняване на товара измерете двата диагонала, образувани на повърхността на материала и изчислете средноаритметичната стойност d (в милиметри).
Твърдомерът по Викерс е доста компактен (вижте снимката по-долу). Тестът се провежда при стайна температура (+20 градуса). Стойността на твърдостта на тялото се обозначава с буквите HV.
Шор метод
Този метод за измерване на твърдостта е предложен от американския изобретател Алберт Шор. Също така често се нарича „метод на отскок“. При измерване на твърдостта по Шор ударник със стандартен размер и маса се изпуска от определена височина върху повърхността на изпитвания материал. Ключовата стойност на този експеримент е височината на отскока на нападателя, измерена в конвенционални единици.
Твърдостта по Шор се измерва в диапазона от 20 до 140 единици. Сто единици съответстват на височина на отскок от 13,6 mm (± 0,5 mm). Според стандарта тази стойност е твърдостта на закалена въглеродна стомана. Съвременен уред за измерване на твърдостта на материалите по Шор се нарича склерозометър или дурометър (може да се види на снимката по-долу).
Скала на Моос
Скалата за твърдост на Моос е относителна и се прилага изключително за минерали. Десет минерала бяха избрани като референтни минерали, които бяха подредени в ред на нарастваща твърдост (на снимката диаграмата по-долу). Съответно, скалата има 10 точки (от 1 до 10).
Минералогичната скала за твърдост е предложена от немския учен Фридрих Моос през 1811 г. Въпреки това все още се използва в геологията.
Как да определим твърдостта на конкретен минерал по скалата на Моос? Това може да стане чрез внимателно изследване на драскотината, оставена от пробата. Удобно е да използвате нокът, медна монета, парче стъкло или стоманен нож.
Така че, акотествания минерал пише на хартия, без да я надраска, тогава твърдостта му е равна на единица. Ако камъкът лесно се надраска с нокът, твърдостта му е 2. Три точки имат минерали, които лесно се надраскват с нож. Ако трябва да положите малко усилия, за да оставите следа върху камъка, тогава неговата твърдост е 4 или 5. Минералите с твърдост 6 или по-висока сами оставят драскотини по острието на ножа.
В заключение…
И така, какво е твърдостта? Това е способността на физическото тяло да устои на разрушаване и деформация под въздействието на локални контактни сили. Най-твърдият минерал на Земята се счита за диамант, а най-издръжливият метал е иридий. В съвременната наука и технология се използват няколко метода за измерване на твърдостта (според Brinell, Rockwell, Vickers, Shore и Mohs).
