Ποιο είναι σκληρότερο, γρανίτης ή μάρμαρο, νικέλιο ή αλουμίνιο; Και τι είναι τελικά η σκληρότητα; Θα προσπαθήσουμε να απαντήσουμε σε αυτές τις ερωτήσεις στο άρθρο μας. Ένας αριθμός ξένων επιστημόνων ασχολήθηκε με το πρόβλημα του προσδιορισμού της σκληρότητας των ορυκτών και των ουσιών. Ανάμεσά τους οι Albert Schor, Friedrich Moos, Johan August Brinell, William Vickers κ.α. Ωστόσο, η μόνη και γενικά αποδεκτή μέθοδος για τον υπολογισμό της σκληρότητας στην επιστήμη δεν υπάρχει ακόμα.
Τι είναι η σκληρότητα;
Κάθε μία από τις ουσίες που είναι γνωστές στην επιστήμη έχει μια σειρά από συγκεκριμένες φυσικές ιδιότητες και ιδιότητες. Αυτό το άρθρο θα συζητήσει τι είναι η σκληρότητα. Αυτή είναι η ικανότητα ενός υλικού να αντιστέκεται στη διείσδυση ενός άλλου, πιο ανθεκτικού σώματος μέσα σε αυτό (για παράδειγμα, ένα εργαλείο κοπής ή διάτρησης).
Η σκληρότητα των ουσιών μετριέται συχνότερα σε ειδικές μονάδες - kgf/mm2 (κιλό-δύναμη ανά τετραγωνικό χιλιοστό επιφάνειας). Χαρακτηρίζεται με λατινικά γράμματα HB, HRC ή HRB, ανάλογα με την επιλεγμένη κλίμακα.
Το σκληρότερο ορυκτό στη Γη είναι το διαμάντι. Αν μιλάμε για υλικά τεχνητής προέλευσης, τότε το πιο ανθεκτικό είναι ο φουλερίτης. Είναι ένας μοριακός κρύσταλλος που σχηματίζεται σε υψηλές θερμοκρασίες (περίπου 300 βαθμούς Κελσίου) και εξαιρετικά υψηλές πιέσεις (πάνω από 90.000 ατμόσφαιρες). Σύμφωνα με τους επιστήμονες, ο φουλερίτης είναι περίπου μιάμιση φορά πιο σκληρός από το διαμάντι.
Τι είναι η σκληρότητα;
Υπάρχουν τρεις κύριες επιλογές σκληρότητας:
- Επιφάνεια (καθορίζεται από την αναλογία του φορτίου προς την επιφάνεια της εκτύπωσης).
- Προβολή (ο λόγος του φορτίου προς την περιοχή προβολής του αποτυπώματος).
- Όγκος (αναλογία φορτίου προς όγκο εκτύπωσης).
Εκτός αυτού, η σκληρότητα των φυσικών σωμάτων μετριέται σε τέσσερις περιοχές:
- Νανοσκληρότητα (Φορτίο λιγότερο από 1 gf).
- Μικροσκληρότητα (1 – 200 gf).
- Σκληρότητα σε χαμηλά φορτία (200 gf - 5 kgf).
- Μακροσκληρότητα (πάνω από 5 kgf).
Σκληρότητα μετάλλων
Από τα 104 στοιχεία του περιοδικού συστήματος του Mendeleev, τα 82 είναι μέταλλα. Και ο συνολικός αριθμός των κραμάτων που γνωρίζει ο άνθρωπος φτάνει τις πέντε χιλιάδες! Το πεδίο εφαρμογής των μετάλλων στον σύγχρονο κόσμο είναι απίστευτα ευρύ. Αυτές είναι οι στρατιωτικές και χημικές βιομηχανίες, η μεταλλουργία, η ηλεκτρική μηχανική, η διαστημική βιομηχανία, το κόσμημα, η ναυπηγική βιομηχανία, η ιατρική κ.λπ.
Μεταξύ όλων των φυσικών και χημικών χαρακτηριστικών των μετάλλων, η σκληρότητα απέχει πολύ από το τελευταίορόλος. Εξάλλου, δείχνει ξεκάθαρα:
- βαθμός αντοχής στη φθορά του μετάλλου;
- αντίσταση πίεσης;
- η ικανότητά του να κόβει άλλα υλικά.
Μεταξύ άλλων, η σκληρότητα ενός μετάλλου δείχνει αν μπορεί να υποστεί επεξεργασία σε ορισμένα μηχανήματα, αν μπορεί να γυαλιστεί και άλλα παρόμοια. Παρεμπιπτόντως, οι επιστήμονες έχουν από καιρό αποδείξει ότι η σκληρότητα ενός μετάλλου καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τις άλλες μηχανικές του ιδιότητες.
Ποια είναι η σκληρότητα του σιδήρου, του χαλκού και του αλουμινίου; Και ποιο μέταλλο είναι το πιο σκληρό και ανθεκτικό;
Το μαγνήσιο και το αλουμίνιο είναι από τα πιο μαλακά μέταλλα. Οι τιμές σκληρότητάς τους ποικίλλουν εντός 5 kgf/mm2. Περίπου δύο φορές πιο σκληρό - νικέλιο και χαλκός (περίπου 10 kgf/mm2). Η σκληρότητα του σιδήρου υπολογίζεται σε 30 kgf/mm2. Λοιπόν, τα πιο σκληρά μέταλλα φυσικής προέλευσης περιλαμβάνουν το τιτάνιο, το όσμιο και το ιρίδιο.
Προσδιορισμός σκληρότητας: μέθοδοι, μέθοδοι και προσεγγίσεις
Πώς μετριέται η σκληρότητα ενός φυσικού σώματος; Για να γίνει αυτό, εισάγεται στο δείγμα μια λεγόμενη εσοχή. Ο ρόλος του μπορεί να παίξει μια μεταλλική μπάλα βαρέως τύπου, πυραμίδα ή διαμαντένιο κώνο. Μετά το αποτέλεσμα άμεσης επαφής της εσοχής, παραμένει ένα αποτύπωμα στο δείγμα δοκιμής, το μέγεθος του οποίου καθορίζει τη σκληρότητα του υλικού.
Στην πράξη, χρησιμοποιούνται δύο ομάδες μεθόδων για τη μέτρηση της σκληρότητας:
- Dynamic.
- Kinetic.
Σε αυτήν την περίπτωση, το φορτίο που εφαρμόζεται κατά την εισαγωγή της εσοχής στο σώμα μπορεί να πραγματοποιηθείμε ξύσιμο, εσοχή (πιο συχνά), κόψιμο ή αναπήδηση.
Σήμερα υπάρχουν πολλές διαφορετικές προσεγγίσεις για τον προσδιορισμό της σκληρότητας:
- Rockwell;
- Brinell;
- σύμφωνα με τον Vickers;
- by Shore;
- σύμφωνα με τον Mohs.
Συνεπώς, υπάρχει μια σειρά από διαφορετικές κλίμακες σκληρότητας των υλικών, δεν υπάρχει άμεση σχέση μεταξύ τους. Η μία ή η άλλη μέθοδος μέτρησης επιλέγεται με βάση διάφορους παράγοντες (για παράδειγμα, τις ιδιότητες ενός συγκεκριμένου υλικού, τις συνθήκες του πειράματος, τον εξοπλισμό που χρησιμοποιείται κ.λπ.). Οι συσκευές που καθορίζουν τη σκληρότητα των μετάλλων ή των ορυκτών ονομάζονται συνήθως ελεγκτές σκληρότητας.
Μέθοδος Rockwell
Η τιμή σκληρότητας Rockwell καθορίζεται από το βάθος της εσοχής ενός κώνου διαμαντιού ή ενός μεταλλικού σφαιριδίου που έχει απομείνει στην επιφάνεια του δοκιμίου. Επιπλέον, είναι αδιάστατο και συμβολίζεται με τα γράμματα HR. Τα υλικά που είναι πολύ μαλακά μπορεί να έχουν αρνητικές τιμές σκληρότητας.
Ο λεγόμενος σκληρομετρητής Rockwell εφευρέθηκε στις αρχές του περασμένου αιώνα από τους Αμερικανούς Hugh Rockwell και Stanley Rockwell. Μπορείτε να δείτε πώς λειτουργεί στο παρακάτω βίντεο. Ένας κρίσιμος παράγοντας για αυτή τη μέθοδο είναι το πάχος του δοκιμίου. Δεν πρέπει να είναι μικρότερο από δέκα φορές το βάθος διείσδυσης της εσοχής στο σώμα δοκιμής.
Ανάλογα με τον τύπο της εσοχής και το εφαρμοζόμενο φορτίο, υπάρχουν τρεις κλίμακες μέτρησης. Ονομάζονται με τρία λατινικά γράμματα: A, B και C. Η τιμή σκληρότητας Rockwell έχει αριθμητική μορφή. Για παράδειγμα: 25,5 HRC (τελευττο γράμμα υποδεικνύει την κλίμακα που χρησιμοποιήθηκε στο τεστ).
Μέθοδος Brinell
Η τιμή σκληρότητας Brinell καθορίζεται από τη διάμετρο του αποτυπώματος που αφήνει μια σφαίρα από σκληρυμένο χάλυβα στην επιφάνεια του μετάλλου που δοκιμάζεται. Η μονάδα μέτρησης είναι kgf/mm2.
Η μέθοδος προτάθηκε το 1900 από τον Σουηδό μηχανικό Johan August Brinell. Η δοκιμή πραγματοποιείται ως εξής: πρώτα, ρυθμίζεται η προφόρτιση της εσοχής στο δείγμα και μόνο τότε - η κύρια. Επιπλέον, το υλικό κάτω από αυτό το φορτίο μπορεί να αντέξει έως και 30 δευτερόλεπτα, μετά τα οποία μετράται το βάθος της εσοχής. Η σκληρότητα Brinell (αναφέρεται ως HB) υπολογίζεται ως ο λόγος του εφαρμοζόμενου φορτίου προς την επιφάνεια της προκύπτουσας εκτύπωσης.
Ορισμένες τιμές σκληρότητας για διαφορετικά υλικά (σύμφωνα με την Brinell):
- Ξύλο – 2, 6-7, 0 HB.
- Αλουμίνιο - 15 HB.
- Χαλκός – 35 HB.
- Μαλακό ατσάλι - 120 HB.
- Γυαλί – 500 HB.
- Χάλυβας εργαλείων - 650-700 HB.
Μέθοδος Vickers
Η σκληρότητα σύμφωνα με τη μέθοδο Vickers προσδιορίζεται πιέζοντας ένα ρόμβο διαμαντιού στο δείγμα, που έχει σχήμα κανονικής τετραγωνικής πυραμίδας. Αφού αφαιρέσετε το φορτίο, μετρήστε τις δύο διαγώνιες που σχηματίζονται στην επιφάνεια του υλικού και υπολογίστε την αριθμητική μέση τιμή d (σε χιλιοστά).
Ο ελεγκτής σκληρότητας Vickers είναι αρκετά συμπαγής (δείτε την παρακάτω φωτογραφία). Η δοκιμή πραγματοποιείται σε θερμοκρασία δωματίου (+20 μοίρες). Η τιμή σκληρότητας του σώματος υποδεικνύεται με τα γράμματα HV.
Μέθοδος Shor
Αυτή η μέθοδος μέτρησης της σκληρότητας προτάθηκε από τον Αμερικανό εφευρέτη Albert Shor. Συχνά αναφέρεται και ως «μέθοδος ανάκαμψης». Κατά τη μέτρηση της σκληρότητας Shore, ένα χτύπημα τυπικού μεγέθους και μάζας πέφτει από ένα ορισμένο ύψος στην επιφάνεια του υλικού που δοκιμάζεται. Η βασική τιμή αυτού του πειράματος είναι το ύψος επαναφοράς του επιθετικού, μετρημένο σε συμβατικές μονάδες.
Η σκληρότητα ακτής μετράται στην περιοχή από 20 έως 140 μονάδες. Εκατό μονάδες αντιστοιχούν σε ύψος ανάκαμψης 13,6 mm (± 0,5 mm). Σύμφωνα με το πρότυπο, αυτή η τιμή είναι η σκληρότητα του σκληρυμένου ανθρακούχου χάλυβα. Μια σύγχρονη συσκευή για τη μέτρηση της σκληρότητας των υλικών σύμφωνα με το Shore ονομάζεται σκληροσκόπιο ή σκληρόμετρο (φαίνεται στην παρακάτω φωτογραφία).
Κλίμακα Mohs
Η κλίμακα σκληρότητας Mohs είναι σχετική και ισχύει αποκλειστικά για ορυκτά. Δέκα ορυκτά επιλέχθηκαν ως ορυκτά αναφοράς, τα οποία ταξινομήθηκαν κατά σειρά αυξανόμενης σκληρότητας (στο παρακάτω φωτογραφικό διάγραμμα). Αντίστοιχα, η κλίμακα έχει 10 βαθμούς (από 1 έως 10).
Η ορυκτολογική κλίμακα σκληρότητας προτάθηκε από τον Γερμανό επιστήμονα Friedrich Moos το 1811. Ωστόσο, εξακολουθεί να χρησιμοποιείται στη γεωλογία.
Πώς να προσδιορίσετε τη σκληρότητα ενός συγκεκριμένου ορυκτού στην κλίμακα Mohs; Αυτό μπορεί να γίνει με την προσεκτική εξέταση της γρατσουνιάς που άφησε το δείγμα. Είναι βολικό να χρησιμοποιήσετε ένα νύχι, ένα χάλκινο νόμισμα, ένα κομμάτι γυαλιού ή ένα μαχαίρι από χάλυβα.
Αν λοιπόντο ελεγμένο ορυκτό γράφει σε χαρτί χωρίς να το γρατσουνίσει, τότε η σκληρότητά του είναι ίση με ένα. Αν η πέτρα ξύνεται εύκολα με νύχι, η σκληρότητά της είναι 2. Τρεις πόντοι έχουν ορυκτά που ξύνονται εύκολα με ένα μαχαίρι. Εάν πρέπει να κάνετε κάποια προσπάθεια για να αφήσετε σημάδι στην πέτρα, τότε η σκληρότητά της είναι 4 ή 5. Ορυκτά με σκληρότητα 6 ή μεγαλύτερη αφήνουν τα ίδια γρατσουνιές στη λεπίδα του μαχαιριού.
Σε συμπέρασμα…
Τι είναι λοιπόν η σκληρότητα; Αυτή είναι η ικανότητα ενός φυσικού σώματος να αντιστέκεται στην καταστροφή και την παραμόρφωση υπό την επίδραση τοπικών δυνάμεων επαφής. Το σκληρότερο ορυκτό στη Γη θεωρείται το διαμάντι και το πιο ανθεκτικό μέταλλο είναι το ιρίδιο. Στη σύγχρονη επιστήμη και τεχνολογία, χρησιμοποιούνται διάφορες μέθοδοι μέτρησης σκληρότητας (σύμφωνα με τους Brinell, Rockwell, Vickers, Shore και Mohs).
