Čo je tvrdšie, žula alebo mramor, nikel alebo hliník? A čo je vlastne tvrdosť? Na tieto otázky sa pokúsime odpovedať v našom článku. Problémom určovania tvrdosti minerálov a látok sa zaoberalo množstvo zahraničných vedcov. Sú medzi nimi Albert Schor, Friedrich Moos, Johan August Brinell, William Vickers a ďalší. Jediná a všeobecne akceptovaná metóda na výpočet tvrdosti vo vede však stále neexistuje.
Čo je tvrdosť?
Každá z látok známych vede má množstvo špecifických fyzikálnych vlastností a vlastností. Tento článok bude diskutovať o tom, čo je tvrdosť. Ide o schopnosť materiálu odolávať prenikaniu iného, odolnejšieho telesa do neho (napríklad rezného alebo prepichovacieho nástroja).
Tvrdosť látok sa najčastejšie meria v špeciálnych jednotkách - kgf/mm2 (kilogram-sila na štvorcový milimeter plochy). Označuje sa latinskými písmenami HB, HRC alebo HRB, v závislosti od zvolenej stupnice.
Najtvrdším minerálom na Zemi je diamant. Ak hovoríme o materiáloch umelého pôvodu, tak najodolnejší je fullerit. Ide o molekulárny kryštál, ktorý vzniká pri vysokých teplotách (asi 300 stupňov Celzia) a extrémne vysokých tlakoch (nad 90 000 atmosfér). Podľa vedcov je fullerit asi jeden a pol krát tvrdší ako diamant.
Čo je tvrdosť?
Sú tri hlavné možnosti tvrdosti:
- Povrch (určený pomerom zaťaženia k ploche tlače).
- Projekcia (pomer zaťaženia k projekčnej ploche odtlačku).
- Objem (pomer zaťaženia k objemu tlače).
Okrem toho sa tvrdosť fyzických tiel meria v štyroch rozsahoch:
- Nanotvrdosť (zaťaženie menej ako 1 gf).
- Mikrotvrdosť (1 – 200 gf).
- Tvrdosť pri nízkom zaťažení (200 gf - 5 kgf).
- Makrotvrdosť (viac ako 5 kgf).
Tvrdosť kovov
Zo 104 prvkov Mendelejevovho periodického systému je 82 kovov. A celkový počet zliatin, ktoré človek pozná, dosahuje päťtisíc! Rozsah kovov v modernom svete je neuveriteľne široký. Ide o vojenský a chemický priemysel, hutníctvo, elektrotechniku, vesmírny priemysel, klenotníctvo, stavbu lodí, medicínu atď.
Spomedzi všetkých fyzikálnych a chemických vlastností kovov tvrdosť nie je ani zďaleka poslednáúlohu. Koniec koncov, ona jasne ukazuje:
- stupeň odolnosti kovu proti opotrebovaniu;
- tlaková odolnosť;
- jeho schopnosť rezať iné materiály.
Tvrdosť kovu okrem iného ukazuje, či sa dá opracovať na určitých strojoch, či sa dá leštiť a podobne. Mimochodom, vedci už dávno dokázali, že tvrdosť kovu do značnej miery určuje jeho ďalšie mechanické vlastnosti.
Aká je tvrdosť železa, medi a hliníka? A ktorý kov je najtvrdší a najodolnejší?
Horčík a hliník patria medzi najmäkšie kovy. Ich hodnoty tvrdosti sa pohybujú v rozmedzí 5 kgf/mm2. Približne dvakrát tvrdší - nikel a meď (asi 10 kgf/mm2). Tvrdosť železa sa odhaduje na 30 kgf/mm2. No, medzi najtvrdšie kovy prírodného pôvodu patrí titán, osmium a irídium.
Stanovenie tvrdosti: metódy, metódy a prístupy
Ako sa meria tvrdosť fyzického tela? Na tento účel sa do vzorky zavedie takzvaný indentor. Jeho úlohu môže zohrávať odolná kovová guľa, pyramída alebo diamantový kužeľ. Po priamom kontaktnom efekte indentoru zostane na skúšobnej vzorke odtlačok, ktorého veľkosť určuje tvrdosť materiálu.
V praxi sa na meranie tvrdosti používajú dve skupiny metód:
- Dynamické.
- Kinetic.
V tomto prípade možno vykonať aplikovanú záťaž počas zavádzania indentoru do telapoškriabaním, odsadením (najčastejšie), prerezaním alebo odrazom.
V súčasnosti existuje niekoľko rôznych prístupov k určovaniu tvrdosti:
- Rockwell;
- Brinell;
- podľa Vickersa;
- by Shore;
- podľa Mohsa.
Podľa toho existuje množstvo rôznych stupníc tvrdosti materiálov, nie je medzi nimi priamy vzťah. Jedna alebo druhá metóda merania sa volí na základe množstva faktorov (napríklad vlastnosti konkrétneho materiálu, podmienky experimentu, použité zariadenie atď.). Zariadenia, ktoré určujú tvrdosť kovov alebo minerálov, sa bežne nazývajú tvrdomery.
Rockwellova metóda
Hodnota tvrdosti podľa Rockwella je určená hĺbkou vtlačenia diamantového kužeľa alebo kovovej guľôčky ponechanej na povrchu testovaného kusu. Navyše je bezrozmerný a označuje sa písmenami HR. Príliš mäkké materiály môžu mať záporné hodnoty tvrdosti.
Takzvaný Rockwell tvrdomer vynašli začiatkom minulého storočia Američania Hugh Rockwell a Stanley Rockwell. Ako to funguje si môžete pozrieť v nasledujúcom videu. Kritickým faktorom pre túto metódu je hrúbka skúšobnej vzorky. Nemala by byť menšia ako desaťnásobok hĺbky prieniku indentoru do testovacieho telesa.
V závislosti od typu indentoru a použitého zaťaženia existujú tri meracie stupnice. Označujú sa tromi latinskými písmenami: A, B a C. Hodnota tvrdosti podľa Rockwella má číselnú formu. Napríklad: 25,5 HRC (poslednýpísmeno označuje stupnicu, ktorá bola použitá v teste).
Brinellova metóda
Hodnota tvrdosti podľa Brinella je určená priemerom odtlačku, ktorý zanecháva gulička z tvrdenej ocele na povrchu testovaného kovu. Mernou jednotkou je kgf/mm2.
Metódu navrhol v roku 1900 švédsky inžinier Johan August Brinell. Test sa vykonáva nasledovne: najprv sa nastaví predpätie indentora na vzorke a až potom - hlavné. Navyše materiál pod týmto zaťažením vydrží až 30 sekúnd, po ktorých sa meria hĺbka vtlačenia. Tvrdosť podľa Brinella (označovaná ako HB) sa vypočíta ako pomer aplikovaného zaťaženia k ploche výsledného výtlačku.
Niektoré hodnoty tvrdosti pre rôzne materiály (podľa Brinella):
- Drevo – 2, 6-7, 0 HB.
- Hliník – 15 HB.
- Meď – 35 HB.
- Mierna oceľ – 120 HB.
- Sklo – 500 HB.
- Nástrojová oceľ – 650-700 HB.
Vickersova metóda
Tvrdosť podľa Vickersovej metódy sa určuje vtlačením diamantového hrotu do vzorky, ktorý má tvar pravidelného štvoruholníkového ihlanu. Po odstránení zaťaženia zmerajte dve uhlopriečky vytvorené na povrchu materiálu a vypočítajte aritmetickú strednú hodnotu d (v milimetroch).
Vickers tvrdomer je pomerne kompaktný (pozri fotografiu nižšie). Test sa vykonáva pri izbovej teplote (+20 stupňov). Hodnota tvrdosti tela je označená písmenami HV.
Shor method
Túto metódu merania tvrdosti navrhol americký vynálezca Albert Shor. Často sa tiež označuje ako „metóda odrazu“. Pri meraní tvrdosti podľa Shorea sa úderník štandardnej veľkosti a hmotnosti spustí z určitej výšky na povrch testovaného materiálu. Kľúčovou hodnotou tohto experimentu je výška odrazu útočníka, meraná v konvenčných jednotkách.
Tvrdosť Shore sa meria v rozsahu od 20 do 140 jednotiek. Sto jednotiek zodpovedá výške odrazu 13,6 mm (± 0,5 mm). Táto hodnota je podľa normy tvrdosť kalenej uhlíkovej ocele. Moderné zariadenie na meranie tvrdosti materiálov podľa Shorea sa nazýva skleroskop alebo durometer (je ho vidieť na fotografii nižšie).
Mohsova stupnica
Mohsova stupnica tvrdosti je relatívna a vzťahuje sa výlučne na minerály. Ako referenčné minerály bolo vybratých desať minerálov, ktoré boli usporiadané v poradí podľa zvyšujúcej sa tvrdosti (na obrázku nižšie). Podľa toho má stupnica 10 bodov (od 1 do 10).
Mineralogickú stupnicu tvrdosti navrhol nemecký vedec Friedrich Moos už v roku 1811. Napriek tomu sa stále používa v geológii.
Ako určiť tvrdosť konkrétneho minerálu na Mohsovej stupnici? Dá sa to urobiť starostlivým preskúmaním škrabanca, ktorý zanechala vzorka. Je vhodné použiť necht, medenú mincu, kúsok skla alebo oceľový nôž.
Takže aktestovaný minerál píše na papier bez toho, aby ho poškriabal, vtedy sa jeho tvrdosť rovná jednej. Ak sa kameň ľahko poškriabe nechtom, jeho tvrdosť je 2. Tri hroty majú minerály, ktoré sa dajú ľahko poškriabať nožom. Ak potrebujete vynaložiť určité úsilie, aby ste na kameni zanechali stopu, jeho tvrdosť je 4 alebo 5. Minerály s tvrdosťou 6 alebo vyššou zanechávajú na čepeli noža škrabance.
Na záver…
Čo je teda tvrdosť? Ide o schopnosť fyzického tela odolávať deštrukcii a deformácii pod vplyvom miestnych kontaktných síl. Za najtvrdší minerál na Zemi sa považuje diamant a za najodolnejší kov je irídium. V modernej vede a technike sa používa niekoľko metód merania tvrdosti (podľa Brinella, Rockwella, Vickersa, Shorea a Mohsa).
