Vilket är hårdast, granit eller marmor, nickel eller aluminium? Och vad är hårdhet egentligen? Vi kommer att försöka svara på dessa frågor i vår artikel. Ett antal utländska forskare behandlade problemet med att bestämma hårdheten hos mineraler och ämnen. Bland dem finns Albert Schor, Friedrich Moos, Johan August Brinell, William Vickers m.fl. Den enda och allmänt accepterade metoden för att beräkna hårdhet inom vetenskapen finns dock fortfarande inte.
Vad är hårdhet?
Var och en av de ämnen som vetenskapen känner till har ett antal specifika fysikaliska egenskaper och kvaliteter. Den här artikeln kommer att diskutera vad hårdhet är. Detta är förmågan hos ett material att motstå penetration av en annan, mer hållbar kropp i det (till exempel ett skär- eller hålverktyg).
Hårdheten hos ämnen mäts oftast i speciella enheter - kgf/mm2 (kilogram-kraft per kvadratmillimeter område). Den är betecknad med latinska bokstäver HB, HRC eller HRB, beroende på vald skala.
Det hårdaste mineralet på jorden är diamant. Om vi pratar om material av artificiellt ursprung, är den mest hållbara fullerite. Det är en molekylär kristall som bildas vid höga temperaturer (cirka 300 grader Celsius) och extremt höga tryck (över 90 000 atmosfärer). Enligt forskare är fullerit ungefär en och en halv gånger hårdare än diamant.
Vad är hårdhet?
Det finns tre huvudsakliga hårdhets alternativ:
- Yta (bestäms av förhållandet mellan belastningen och utskriftens yta).
- Projektion (förhållandet mellan belastningen och projiceringsområdet för avtrycket).
- Volym (förhållande mellan ladda till utskriftsvolym).
Förutom detta mäts fysiska kroppars hårdhet i fyra intervall:
- Nanohårdhet (belastning mindre än 1 gf).
- Mikrohårdhet (1 – 200 gf).
- Hårdhet vid låg belastning (200 gf - 5 kgf).
- Makrohårdhet (mer än 5 kgf).
Hårdhet hos metaller
Av 104 grundämnen i Mendeleevs periodiska system är 82 metaller. Och det totala antalet legeringar som människan känner till når fem tusen! Omfattningen av metaller i den moderna världen är otroligt bred. Dessa är militär och kemisk industri, metallurgi, elektroteknik, rymdindustri, smycken, skeppsbyggnad, medicin, etc.
Bland alla de fysiska och kemiska egenskaperna hos metaller är hårdheten långt ifrån den sistaroll. När allt kommer omkring visar hon tydligt:
- graden av slitstyrka hos metallen;
- tryckmotstånd;
- dess förmåga att skära andra material.
Hårdheten i en metall visar bland annat om den kan bearbetas på vissa maskiner, om den kan poleras och liknande. Forskare har förresten länge bevisat att hårdheten hos en metall till stor del avgör dess andra mekaniska egenskaper.
Vad är hårdheten på järn, koppar och aluminium? Och vilken metall är den hårdaste och mest hållbara?
Magnesium och aluminium är bland de mjukaste metallerna. Deras hårdhetsvärden varierar inom 5 kgf/mm2. Ungefär dubbelt så hårt - nickel och koppar (cirka 10 kgf/mm2). Järns hårdhet uppskattas till 30 kgf/mm2. Tja, de hårdaste metallerna av naturligt ursprung inkluderar titan, osmium och iridium.
Bestämning av hårdhet: metoder, metoder och tillvägagångssätt
Hur mäts hårdheten hos en fysisk kropp? För att göra detta införs en så kallad indenter i provet. Dess roll kan spelas av en tung metallkula, pyramid eller diamantkon. Efter intryckarens direktkontakteffekt finns ett avtryck kvar på testprovet, vars storlek bestämmer materialets hårdhet.
I praktiken används två grupper av metoder för att mäta hårdhet:
- Dynamic.
- Kinetic.
I detta fall kan den applicerade belastningen under införandet av indentern i kroppen utförasgenom att skrapa, dra in (oftast), skära eller studsa.
Idag finns det flera olika sätt att bestämma hårdhet:
- Rockwell;
- Brinell;
- enligt Vickers;
- by Shore;
- enligt Mohs.
Följaktligen finns det ett antal olika hårdhetsskalor för material, det finns inget direkt samband mellan dem. En eller annan mätmetod väljs utifrån ett antal faktorer (till exempel egenskaperna hos ett visst material, experimentets förhållanden, utrustningen som används etc.). Enheter som bestämmer hårdheten hos metaller eller mineraler kallas vanligtvis hårdhetstestare.
Rockwell-metoden
Rockwells hårdhetsvärde bestäms av djupet på intrycket av en diamantkon eller metallkula som finns kvar på ytan av teststycket. Dessutom är den dimensionslös och betecknas med bokstäverna HR. Material som är för mjuka kan ha negativa hårdhetsvärden.
Den så kallade Rockwell-hårdhetstestaren uppfanns i början av förra seklet av amerikanerna Hugh Rockwell och Stanley Rockwell. Du kan se hur det fungerar i följande video. En kritisk faktor för denna metod är tjockleken på provexemplaret. Det bör inte vara mindre än tio gånger inträngningsdjupet för intryckaren i testkroppen.
Beroende på typ av indragare och applicerad belastning finns det tre mätskalor. De betecknas med tre latinska bokstäver: A, B och C. Rockwells hårdhetsvärde har en numerisk form. Till exempel: 25,5 HRC (sistbokstaven anger skalan som användes i testet).
Brinell-metoden
Brinell-hårdhetsvärdet bestäms av diametern på avtrycket av en härdad stålkula på ytan av den metall som testas. Måttenheten är kgf/mm2.
Metoden föreslogs 1900 av den svenske ingenjören Johan August Brinell. Testet utförs enligt följande: först ställs förspänningen av indentern på provet in, och först därefter - den huvudsakliga. Dessutom kan materialet under denna belastning motstå upp till 30 sekunder, varefter intryckningsdjupet mäts. Brinell-hårdhet (kallad HB) beräknas som förhållandet mellan den applicerade belastningen och ytarean på det resulterande trycket.
Vissa hårdhetsvärden för olika material (enligt Brinell):
- Wood – 2, 6-7, 0 HB.
- Aluminium - 15 HB.
- Copper – 35 HB.
- Mjukt stål - 120 HB.
- Glas – 500 HB.
- Verktygsstål - 650-700 HB.
Vickers-metoden
Hårdhet enligt Vickers-metoden bestäms genom att trycka in en diamantspets i provet, som har formen av en vanlig fyrkantig pyramid. När du har tagit bort belastningen, mät de två diagonalerna som bildas på materialets yta och beräkna det aritmetiska medelvärdet d (i millimeter).
Vickers hårdhetstestare är ganska kompakt (se bilden nedan). Testet utförs vid rumstemperatur (+20 grader). Kroppens hårdhetsvärde anges med bokstäverna HV.
Shor-metod
Denna metod för att mäta hårdhet föreslogs av den amerikanske uppfinnaren Albert Shor. Det kallas också ofta för "rebound-metoden". Vid mätning av Shore-hårdhet tappas en anslagsstift av standardstorlek och massa från en viss höjd på ytan av materialet som testas. Nyckelvärdet för detta experiment är anfallarens studshöjd, mätt i konventionella enheter.
Shore-hårdhet mäts i intervallet från 20 till 140 enheter. Hundra enheter motsvarar en studshöjd på 13,6 mm (± 0,5 mm). Enligt standarden är detta värde hårdheten hos härdat kolstål. En modern enhet för att mäta hårdheten hos material enligt Shore kallas ett skleroskop eller durometer (det kan ses på bilden nedan).
Mohs skala
Mohs hårdhetsskalan är relativ och gäller uteslutande för mineraler. Tio mineral valdes ut som referensmineral, vilka ordnades i ordning efter ökande hårdhet (i bilddiagrammet nedan). Följaktligen har skalan 10 poäng (från 1 till 10).
Den mineralogiska hårdhetsskalan föreslogs av den tyske vetenskapsmannen Friedrich Moos redan 1811. Ändå används den fortfarande inom geologi.
Hur bestämmer man hårdheten för ett visst mineral på Mohs-skalan? Detta kan göras genom att noggrant undersöka repan efter provet. Det är bekvämt att använda en nagel, ett kopparmynt, en glasbit eller en stålkniv.
Så omdet testade mineralet skriver på papper utan att repa det, då är dess hårdhet lika med ett. Om stenen lätt repas med en nagel är dess hårdhet 2. Tre punkter har mineraler som lätt repas med en kniv. Om du behöver anstränga dig för att lämna ett märke på stenen, är dess hårdhet 4 eller 5. Mineraler med en hårdhet på 6 eller högre lämnar själva repor på knivbladet.
Avslutningsvis…
Så vad är hårdhet? Detta är en fysisk kropps förmåga att motstå förstörelse och deformation under påverkan av lokala kontaktkrafter. Det hårdaste mineralet på jorden anses vara diamant, och den mest hållbara metallen är iridium. Inom modern vetenskap och teknik används flera metoder för hårdhetsmätning (enligt Brinell, Rockwell, Vickers, Shore och Mohs).
