Co je tvrdší, žula nebo mramor, nikl nebo hliník? A co je to vůbec tvrdost? Na tyto otázky se pokusíme odpovědět v našem článku. Problémem stanovení tvrdosti minerálů a látek se zabývala řada zahraničních vědců. Jsou mezi nimi Albert Schor, Friedrich Moos, Johan August Brinell, William Vickers a další. Jediná a obecně uznávaná metoda pro výpočet tvrdosti ve vědě však stále neexistuje.
Co je tvrdost?
Každá z látek známých vědě má řadu specifických fyzikálních vlastností a vlastností. Tento článek bude diskutovat o tom, co je tvrdost. Jedná se o schopnost materiálu odolat pronikání jiného, odolnějšího tělesa do něj (například řezného nebo propichovacího nástroje).
Tvrdost látek se nejčastěji měří ve speciálních jednotkách - kgf/mm2 (kilogram-síla na čtvereční milimetr plochy). Označuje se latinskými písmeny HB, HRC nebo HRB, v závislosti na zvolené stupnici.
Nejtvrdším minerálem na Zemi je diamant. Pokud mluvíme o materiálech umělého původu, pak nejodolnější je fullerit. Jde o molekulární krystal, který vzniká při vysokých teplotách (asi 300 stupňů Celsia) a extrémně vysokých tlacích (přes 90 000 atmosfér). Podle vědců je fullerit asi jedenapůlkrát tvrdší než diamant.
Co je tvrdost?
Existují tři hlavní možnosti tvrdosti:
- Povrch (určený poměrem zátěže k ploše tisku).
- Projekce (poměr zatížení k projekční ploše otisku).
- Objem (poměr zatížení k objemu tisku).
Kromě toho se tvrdost fyzických těl měří ve čtyřech rozsazích:
- Nanotvrdost (zatížení menší než 1 gf).
- Mikrotvrdost (1 – 200 gf).
- Tvrdost při nízkém zatížení (200 gf - 5 kgf).
- Makrotvrdost (více než 5 kgf).
Tvrdost kovů
Ze 104 prvků Mendělejevova periodického systému je 82 kovů. A celkový počet slitin, které člověk zná, dosahuje pěti tisíc! Rozsah kovů v moderním světě je neuvěřitelně široký. Jedná se o vojenský a chemický průmysl, hutnictví, elektrotechniku, vesmírný průmysl, klenotnictví, stavbu lodí, lékařství atd.
Mezi všemi fyzikálními a chemickými vlastnostmi kovů není tvrdost zdaleka poslednírole. Koneckonců, ona jasně ukazuje:
- stupeň odolnosti kovu proti opotřebení;
- tlaková odolnost;
- jeho schopnost řezat jiné materiály.
Tvrdost kovu mimo jiné ukazuje, zda jej lze opracovat na určitých strojích, zda jej lze leštit a podobně. Mimochodem, vědci již dlouho dokázali, že tvrdost kovu do značné míry určuje jeho další mechanické vlastnosti.
Jaká je tvrdost železa, mědi a hliníku? A který kov je nejtvrdší a nejodolnější?
Horčík a hliník patří mezi nejměkčí kovy. Jejich hodnoty tvrdosti se pohybují v rozmezí 5 kgf/mm2. Asi dvakrát tvrdší - nikl a měď (asi 10 kgf/mm2). Tvrdost železa se odhaduje na 30 kgf/mm2. Mezi nejtvrdší kovy přírodního původu patří titan, osmium a iridium.
Stanovení tvrdosti: metody, metody a přístupy
Jak se měří tvrdost fyzického těla? K tomu se do vzorku zavede takzvaný indentor. Jeho roli může sehrát odolná kovová koule, pyramida nebo diamantový kužel. Po přímém kontaktním účinku indentoru zůstane na zkušebním vzorku otisk, jehož velikost určuje tvrdost materiálu.
V praxi se pro měření tvrdosti používají dvě skupiny metod:
- Dynamické.
- Kinetické.
V tomto případě může být provedeno zatížení během zavádění indentoru do tělapoškrábáním, odsazením (nejčastěji), řezáním nebo odrazem.
Dnes existuje několik různých přístupů k určení tvrdosti:
- Rockwell;
- Brinell;
- podle Vickerse;
- by Shore;
- podle Mohse.
Podle toho existuje řada různých stupnic tvrdosti materiálů, není mezi nimi žádný přímý vztah. Ta či ona metoda měření se volí na základě řady faktorů (například vlastnosti konkrétního materiálu, podmínky experimentu, použité zařízení atd.). Zařízení, která určují tvrdost kovů nebo minerálů, se běžně nazývají tvrdoměry.
Rockwellova metoda
Hodnota tvrdosti podle Rockwella je určena hloubkou vtisku diamantového kužele nebo kovové kuličky, která zůstala na povrchu zkušebního kusu. Navíc je bezrozměrný a označuje se písmeny HR. Příliš měkké materiály mohou mít záporné hodnoty tvrdosti.
Takzvaný Rockwellův tvrdoměr vynalezli na začátku minulého století Američané Hugh Rockwell a Stanley Rockwell. Jak to funguje, můžete vidět v následujícím videu. Kritickým faktorem pro tuto metodu je tloušťka zkušebního tělesa. Neměla by být menší než desetinásobek hloubky průniku indentoru do zkušebního tělesa.
V závislosti na typu indentoru a použitém zatížení existují tři měřící stupnice. Jsou označeny třemi latinskými písmeny: A, B a C. Hodnota tvrdosti podle Rockwella má číselnou formu. Například: 25,5 HRC (poslednípísmeno označuje stupnici, která byla použita v testu).
Brinellova metoda
Hodnota tvrdosti podle Brinella je určena průměrem otisku, který zanechá tvrzená ocelová kulička na povrchu testovaného kovu. Jednotka měření je kgf/mm2.
Metodu navrhl v roce 1900 švédský inženýr Johan August Brinell. Test se provádí následovně: nejprve se nastaví předpětí indentoru na vzorku a teprve potom - hlavní. Navíc materiál pod tímto zatížením vydrží až 30 sekund, po kterých se měří hloubka vtisku. Tvrdost podle Brinella (označovaná jako HB) se vypočítá jako poměr aplikovaného zatížení k ploše výsledného tisku.
Některé hodnoty tvrdosti pro různé materiály (podle Brinella):
- Dřevo – 2, 6-7, 0 HB.
- Hliník – 15 HB.
- Měď – 35 HB.
- Měkká ocel – 120 HB.
- Sklo – 500 HB.
- Nástrojová ocel – 650-700 HB.
Vickersova metoda
Tvrdost podle Vickersovy metody se určuje vtlačením diamantového hrotu do vzorku, který má tvar pravidelného čtyřbokého jehlanu. Po odstranění zátěže změřte dvě úhlopříčky vytvořené na povrchu materiálu a vypočítejte aritmetický průměr d (v milimetrech).
Vickersův tvrdoměr je poměrně kompaktní (viz foto níže). Test se provádí při pokojové teplotě (+20 stupňů). Hodnota tvrdosti těla je označena písmeny HV.
Krátká metoda
Tento způsob měření tvrdosti navrhl americký vynálezce Albert Shor. Často se také označuje jako „metoda odrazu“. Při měření tvrdosti Shore je úderník standardní velikosti a hmotnosti shozen z určité výšky na povrch testovaného materiálu. Klíčovou hodnotou tohoto experimentu je výška odrazu útočníka, měřená v konvenčních jednotkách.
Tvrdost Shore se měří v rozsahu od 20 do 140 jednotek. Sto jednotek odpovídá výšce odskoku 13,6 mm (± 0,5 mm). Podle normy je tato hodnota tvrdostí kalené uhlíkové oceli. Moderní přístroj na měření tvrdosti materiálů podle Shorea se nazývá skleroskop nebo durometr (je vidět na fotografii níže).
Mohsova stupnice
Mohsova stupnice tvrdosti je relativní a vztahuje se výhradně na minerály. Jako referenční minerály bylo vybráno deset minerálů, které byly seřazeny podle rostoucí tvrdosti (na fotodiagramu níže). Podle toho má škála 10 bodů (od 1 do 10).
Mineralogická stupnice tvrdosti byla navržena německým vědcem Friedrichem Moosem již v roce 1811. Přesto se stále používá v geologii.
Jak určit tvrdost konkrétního minerálu na Mohsově stupnici? To lze provést pečlivým prozkoumáním škrábance zanechaného vzorkem. Je vhodné použít nehet, měděnou minci, kousek skla nebo ocelový nůž.
Takže kdybytestovaný minerál píše na papír, aniž by jej poškrábal, pak je jeho tvrdost rovna jedné. Pokud se kámen snadno poškrábe nehtem, jeho tvrdost je 2. Tři hroty mají minerály, které se snadno poškrábou nožem. Pokud potřebujete vynaložit určité úsilí, abyste na kameni zanechali stopu, pak je jeho tvrdost 4 nebo 5. Minerály s tvrdostí 6 nebo vyšší samy zanechávají škrábance na čepeli nože.
Na závěr…
Co je tedy tvrdost? Jedná se o schopnost fyzického těla odolávat destrukci a deformaci pod vlivem místních kontaktních sil. Za nejtvrdší minerál na Zemi je považován diamant a za nejodolnější kov je iridium. V moderní vědě a technice se používá několik metod měření tvrdosti (podle Brinella, Rockwella, Vickerse, Shorea a Mohse).
