Hvad er hårdest, granit eller marmor, nikkel eller aluminium? Og hvad er hårdhed overhovedet? Vi vil forsøge at besvare disse spørgsmål i vores artikel. En række udenlandske videnskabsmænd beskæftigede sig med problemet med at bestemme hårdheden af mineraler og stoffer. Blandt dem er Albert Schor, Friedrich Moos, Johan August Brinell, William Vickers m.fl. Men den eneste og generelt accepterede metode til beregning af hårdhed i videnskaben eksisterer stadig ikke.
Hvad er hårdhed?
Hvert af de stoffer, videnskaben kender, har en række specifikke fysiske egenskaber og kvaliteter. Denne artikel vil diskutere, hvad hårdhed er. Dette er et materiales evne til at modstå indtrængning af en anden, mere holdbar krop ind i det (f.eks. et skære- eller gennemboringsværktøj).
Hårdheden af stoffer måles oftest i specielle enheder - kgf/mm2 (kilogram-kraft pr. kvadratmillimeter område). Det er angivet med latinske bogstaver HB, HRC eller HRB, afhængigt af den valgte skala.
Det hårdeste mineral på Jorden er diamant. Hvis vi taler om materialer af kunstig oprindelse, så er den mest holdbare fullerite. Det er en molekylær krystal, der dannes ved høje temperaturer (ca. 300 grader Celsius) og ekstremt høje tryk (over 90.000 atmosfærer). Ifølge videnskabsmænd er fullerite omkring halvanden gang hårdere end diamant.
Hvad er hårdhed?
Der er tre hovedindstillinger for hårdhed:
- Overflade (bestemt af forholdet mellem belastningen og printets overflade).
- Projektion (forholdet mellem belastningen og projektionsområdet for aftrykket).
- Volume (indlæs til udskriftsvolumenforhold).
Udover dette måles fysiske legemers hårdhed i fire områder:
- Nanohårdhed (belastning mindre end 1 gf).
- Mikrohårdhed (1 – 200 gf).
- Hårdhed ved lav belastning (200 gf - 5 kgf).
- Makrohårdhed (mere end 5 kgf).
metallers hårdhed
Ud af 104 grundstoffer i Mendeleevs periodiske system er 82 metaller. Og det samlede antal legeringer kendt af mennesket når fem tusinde! Omfanget af metaller i den moderne verden er utroligt bredt. Disse er militær- og kemisk industri, metallurgi, elektroteknik, rumindustri, smykker, skibsbygning, medicin osv.
Blandt alle metallers fysiske og kemiske egenskaber er hårdheden langt fra den sidsterolle. Hun demonstrerer trods alt tydeligt:
- grad af slidstyrke af metallet;
- trykmodstand;
- dens evne til at skære andre materialer.
Hårdheden af et metal viser blandt andet, om det kan bearbejdes på bestemte maskiner, om det kan poleres og lignende. Forresten har videnskabsmænd længe bevist, at hårdheden af et metal i høj grad bestemmer dets andre mekaniske egenskaber.
Hvad er hårdheden af jern, kobber og aluminium? Og hvilket metal er det hårdeste og mest holdbare?
Magnesium og aluminium er blandt de blødeste metaller. Deres hårdhedsværdier varierer inden for 5 kgf/mm2. Cirka dobbelt så hårdt - nikkel og kobber (ca. 10 kgf/mm2). Jernets hårdhed er estimeret til 30 kgf/mm2. Nå, de hårdeste metaller af naturlig oprindelse omfatter titanium, osmium og iridium.
Hårdhedsbestemmelse: metoder, metoder og tilgange
Hvordan måles hårdheden af en fysisk krop? For at gøre dette indføres en såkaldt indenter i prøven. Dens rolle kan spilles af en kraftig metalkugle, pyramide eller diamantkegle. Efter den direkte kontaktvirkning af indenteren forbliver et aftryk på testprøven, hvis størrelse bestemmer materialets hårdhed.
I praksis bruges to grupper af metoder til at måle hårdhed:
- Dynamisk.
- Kinetic.
I dette tilfælde kan den påførte belastning under indføringen af indenteren i kroppen udføresved at ridse, indrykke (oftest), klippe eller springe tilbage.
I dag er der flere forskellige metoder til at bestemme hårdhed:
- Rockwell;
- Brinell;
- ifølge Vickers;
- by Shore;
- ifølge Mohs.
Der er følgelig en række forskellige hårdhedsskalaer af materialer, der er ingen direkte sammenhæng mellem dem. En eller anden målemetode vælges ud fra en række faktorer (f.eks. et bestemt materiales egenskaber, forsøgets betingelser, det anvendte udstyr osv.). Enheder, der bestemmer hårdheden af metaller eller mineraler, kaldes almindeligvis hårdhedstestere.
Rockwell-metode
Rockwell-hårdhedsværdien bestemmes af dybden af fordybningen af en diamantkegle eller metalkugle, der er tilbage på overfladen af prøveemnet. Desuden er den dimensionsløs og betegnes med bogstaverne HR. Materialer, der er for bløde, kan have negative hårdhedsværdier.
Den såkaldte Rockwell hårdhedstester blev opfundet i begyndelsen af forrige århundrede af amerikanerne Hugh Rockwell og Stanley Rockwell. Du kan se, hvordan det fungerer i den følgende video. En kritisk faktor for denne metode er tykkelsen af testprøven. Den bør ikke være mindre end ti gange indtrængningsdybden af indrykningen i testlegemet.
Afhængig af typen af indrykning og påført belastning, er der tre måleskalaer. De er betegnet med tre latinske bogstaver: A, B og C. Rockwell hårdhedsværdien har en numerisk form. For eksempel: 25,5 HRC (sidstebogstavet angiver den skala, der blev brugt i testen).
Brinell-metode
Brinell-hårdhedsværdien bestemmes af diameteren af aftrykket af en hærdet stålkugle på overfladen af det metal, der testes. Måleenheden er kgf/mm2.
Metoden blev foreslået i 1900 af den svenske ingeniør Johan August Brinell. Testen udføres som følger: først indstilles forspændingen af indenteren på prøven, og først derefter - den vigtigste. Desuden kan materialet under denne belastning modstå op til 30 sekunder, hvorefter dybden af fordybningen måles. Brinell hårdhed (benævnt HB) beregnes som forholdet mellem den påførte belastning og overfladearealet af det resulterende tryk.
Nogle hårdhedsværdier for forskellige materialer (ifølge Brinell):
- Træ – 2, 6-7, 0 HB.
- Aluminium - 15 HB.
- Kobber – 35 HB.
- Blødt stål - 120 HB.
- Glas – 500 HB.
- Værktøjsstål - 650-700 HB.
Vickers-metode
Hårdhed ifølge Vickers-metoden bestemmes ved at trykke en diamantspids ind i prøven, der har form som en regulær firkantet pyramide. Efter at have fjernet belastningen, mål de to diagonaler dannet på overfladen af materialet og beregn den aritmetiske middelværdi d (i millimeter).
Vickers hårdhedstester er ret kompakt (se billedet nedenfor). Testen udføres ved stuetemperatur (+20 grader). Kroppens hårdhedsværdi er angivet med bogstaverne HV.
Shor-metode
Denne metode til at måle hårdhed blev foreslået af den amerikanske opfinder Albert Shor. Det omtales også ofte som "rebound-metoden". Ved måling af Shore-hårdhed tabes en slagstift af standardstørrelse og -masse fra en vis højde på overfladen af det materiale, der testes. Nøgleværdien for dette eksperiment er angriberens reboundhøjde, målt i konventionelle enheder.
Shore hårdhed måles i området fra 20 til 140 enheder. Et hundrede enheder svarer til en tilbageslagshøjde på 13,6 mm (± 0,5 mm). Ifølge standarden er denne værdi hårdheden af hærdet kulstofstål. En moderne enhed til måling af materialers hårdhed ifølge Shore kaldes et skleroskop eller durometer (det kan ses på billedet nedenfor).
Mohs-skala
Mohs hårdhedsskala er relativ og gælder udelukkende for mineraler. Ti mineraler blev udvalgt som referencemineraler, som blev arrangeret i rækkefølge efter stigende hårdhed (i fotodiagrammet nedenfor). Derfor har skalaen 10 point (fra 1 til 10).
Den mineralogiske hårdhedsskala blev foreslået af den tyske videnskabsmand Friedrich Moos tilbage i 1811. Ikke desto mindre bruges det stadig i geologi.
Hvordan bestemmer man hårdheden af et bestemt mineral på Mohs-skalaen? Dette kan gøres ved omhyggeligt at undersøge ridsen efter prøven. Det er praktisk at bruge en fingernegl, en kobbermønt, et stykke glas eller en stålkniv.
Så hvisdet testede mineral skriver på papir uden at ridse det, så er dets hårdhed lig med én. Hvis stenen let ridses med en fingernegl, er dens hårdhed 2. Tre punkter har mineraler, der let ridses med en kniv. Hvis du skal gøre en indsats for at efterlade et mærke på stenen, så er dens hårdhed 4 eller 5. Mineraler med en hårdhed på 6 eller højere efterlader selv ridser på knivbladet.
Afslutningsvis…
Så hvad er hårdhed? Dette er en fysisk krops evne til at modstå ødelæggelse og deformation under påvirkning af lokale kontaktkræfter. Det hårdeste mineral på Jorden anses for at være diamant, og det mest holdbare metal er iridium. I moderne videnskab og teknologi bruges flere metoder til måling af hårdhed (ifølge Brinell, Rockwell, Vickers, Shore og Mohs).
