Kaj je trše, granit ali marmor, nikelj ali aluminij? In kaj je sploh trdota? Na ta vprašanja bomo poskušali odgovoriti v našem članku. S problemom določanja trdote mineralov in snovi so se ukvarjali številni tuji znanstveniki. Med njimi so Albert Schor, Friedrich Moos, Johan August Brinell, William Vickers in drugi. Vendar edina in splošno sprejeta metoda za izračun trdote v znanosti še vedno ne obstaja.
Kaj je trdota?
Vsaka od znanih snovi ima številne specifične fizikalne lastnosti in lastnosti. Ta članek bo razpravljal o tem, kaj je trdota. To je sposobnost materiala, da se upre prodiranju drugega, bolj trpežnega telesa vanj (na primer orodja za rezanje ali prebadanje).
Trdota snovi se najpogosteje meri v posebnih enotah - kgf/mm2 (kilogram-sila na kvadratni milimeter površine). Označena je z latinskimi črkami HB, HRC ali HRB, odvisno od izbrane lestvice.
Najtrši mineral na Zemlji je diamant. Če govorimo o materialih umetnega izvora, potem je najbolj trpežen fulerit. Je molekularni kristal, ki nastane pri visokih temperaturah (približno 300 stopinj Celzija) in izjemno visokih tlakih (nad 90.000 atmosfer). Po mnenju znanstvenikov je fulerit približno en in pol krat trši od diamanta.
Kaj je trdota?
Obstajajo tri glavne možnosti trdote:
- Surface (določeno z razmerjem obremenitve in površine tiska).
- Projekcija (razmerje med obremenitvijo in površino projekcije odtisa).
- Volume (razmerje med obremenitvijo in količino tiska).
Poleg tega se trdota fizičnih teles meri v štirih razponih:
- Nanotrdota (obremenitev manj kot 1 gf).
- Mikrotrdota (1 – 200 gf).
- Trdota pri nizkih obremenitvah (200 gf - 5 kgf).
- Makrotrdota (več kot 5 kgf).
Trdota kovin
Od 104 elementov Mendelejevega periodičnega sistema je 82 kovin. In skupno število zlitin, ki jih pozna človek, doseže pet tisoč! Obseg kovin v sodobnem svetu je neverjetno širok. To so vojaška in kemična industrija, metalurgija, elektrotehnika, vesoljska industrija, nakit, ladjedelništvo, medicina itd.
Med vsemi fizikalnimi in kemičnimi lastnostmi kovin trdota še zdaleč ni zadnjavlogo. Navsezadnje jasno dokazuje:
- stopnja odpornosti proti obrabi kovine;
- tlačna odpornost;
- zmožnost rezanja drugih materialov.
Med drugim trdota kovine kaže, ali jo je mogoče obdelati na določenih strojih, ali jo je mogoče polirati in podobno. Mimogrede, znanstveniki so že dolgo dokazali, da trdota kovine v veliki meri določa njene druge mehanske lastnosti.
Kakšna je trdota železa, bakra in aluminija? In katera kovina je najtrša in najbolj trpežna?
Magnezij in aluminij sta med najmehkejšimi kovinami. Njihove vrednosti trdote se gibljejo med 5 kgf/mm2. Približno dvakrat trši - nikelj in baker (približno 10 kgf/mm2). Trdota železa je ocenjena na 30 kgf/mm2. No, najtrše kovine naravnega izvora vključujejo titan, osmij in iridij.
Določanje trdote: metode, metode in pristopi
Kako se meri trdota fizičnega telesa? Za to se v vzorec vnese tako imenovani indenter. Njegovo vlogo lahko igra težka kovinska krogla, piramida ali diamantni stožec. Po učinku neposrednega stika indentorja na testnem vzorcu ostane odtis, katerega velikost določa trdoto materiala.
V praksi se uporabljata dve skupini metod za merjenje trdote:
- Dynamic.
- kinetično.
V tem primeru se lahko izvaja obremenitev med vgradnjo indenterja v telos praskanjem, zarezo (najpogosteje), rezanjem ali odskokom.
Danes obstaja več različnih pristopov k določanju trdote:
- Rockwell;
- Brinell;
- po Vickersu;
- ob obali;
- po Mohsu.
V skladu s tem obstaja več različnih lestvic trdote materialov, med njimi ni neposredne povezave. Ena ali druga metoda merjenja je izbrana na podlagi številnih dejavnikov (na primer lastnosti določenega materiala, pogojev poskusa, uporabljene opreme itd.). Naprave, ki določajo trdoto kovin ali mineralov, se običajno imenujejo merilniki trdote.
metoda Rockwell
Vrednost trdote po Rockwellu je določena z globino vdolbine diamantnega stožca ali kovinske krogle, ki ostane na površini preskušanca. Poleg tega je brez dimenzij in je označen s črkami HR. Premehki materiali imajo lahko negativne vrednosti trdote.
Ti merilnik trdote po Rockwellu sta na začetku prejšnjega stoletja izumila Američana Hugh Rockwell in Stanley Rockwell. Kako deluje, si lahko ogledate v naslednjem videu. Pomemben dejavnik za to metodo je debelina preskusnega vzorca. Ne sme biti manjša od desetkratne globine prodiranja indenterja v testno telo.
Odvisno od vrste indenterja in uporabljene obremenitve obstajajo tri merilne lestvice. Označeni so s tremi latinskimi črkami: A, B in C. Vrednost trdote po Rockwellu ima številčno obliko. Na primer: 25,5 HRC (zadnjičrka označuje lestvico, ki je bila uporabljena pri testu).
Brinellova metoda
Vrednost Brinellove trdote je določena s premerom odtisa, ki ga pusti kaljena jeklena krogla na površini kovine, ki se preskuša. Merska enota je kgf/mm2.
Metodo je leta 1900 predlagal švedski inženir Johan August Brinell. Preskus se izvede na naslednji način: najprej se nastavi prednapetost indentorja na vzorec in šele nato - glavna. Poleg tega lahko material pod to obremenitvijo zdrži do 30 sekund, nato pa se izmeri globina vdolbine. Trdota po Brinellu (imenovana HB) se izračuna kot razmerje uporabljene obremenitve in površine nastalega odtisa.
Nekatere vrednosti trdote za različne materiale (po Brinellu):
- les – 2, 6-7, 0 HB.
- Aluminij - 15 HB.
- Baker – 35 HB.
- Blago jeklo - 120 HB.
- Steklo – 500 HB.
- Orodno jeklo - 650-700 HB.
Vickersova metoda
Trdota po Vickersovi metodi se določi s pritiskom diamantne konice v vzorec, ki ima obliko pravilne štirikotne piramide. Po odstranitvi bremena izmerite dve diagonali, ki sta nastali na površini materiala, in izračunajte aritmetično srednjo vrednost d (v milimetrih).
Vickersov tester trdote je precej kompakten (glej sliko spodaj). Test se izvaja pri sobni temperaturi (+20 stopinj). Vrednost trdote telesa je označena s črkami HV.
Shorova metoda
To metodo merjenja trdote je predlagal ameriški izumitelj Albert Shor. Pogosto se imenuje tudi "rebound metoda". Pri merjenju trdote po Shoreu se udarec standardne velikosti in mase spusti z določene višine na površino preskušanega materiala. Ključna vrednost tega poskusa je višina odboja udarca, merjena v običajnih enotah.
Trdota po Shoreu se meri v območju od 20 do 140 enot. Sto enot ustreza višini odboja 13,6 mm (± 0,5 mm). Po standardu je ta vrednost trdota kaljenega ogljikovega jekla. Sodobna naprava za merjenje trdote materialov po Shoreu se imenuje skleroskop ali durometer (vidite ga na spodnji fotografiji).
Mohsova lestvica
Mohsova lestvica trdote je relativna in velja izključno za minerale. Kot referenčne minerale smo izbrali deset mineralov, ki so bili razvrščeni po naraščajoči trdoti (na spodnjem foto diagramu). V skladu s tem ima lestvica 10 točk (od 1 do 10).
Minerološko lestvico trdote je leta 1811 predlagal nemški znanstvenik Friedrich Moos. Kljub temu se še vedno uporablja v geologiji.
Kako določiti trdoto določenega minerala po Mohsovi lestvici? To lahko storite tako, da natančno preučite prasko, ki jo je pustil vzorec. Priročno je uporabiti noht, bakren kovanec, kos stekla ali jekleni nož.
Torej, četestirani mineral piše na papir, ne da bi ga opraskal, potem je njegova trdota enaka ena. Če se kamen zlahka opraska z nohtom, je njegova trdota 2. Tri točke imajo minerale, ki jih zlahka opraskamo z nožem. Če se morate potruditi, da pustite sled na kamnu, potem je njegova trdota 4 ali 5. Minerali s trdoto 6 ali več sami puščajo praske na rezilu noža.
Za zaključek…
Kaj je torej trdota? To je sposobnost fizičnega telesa, da se upre uničenju in deformaciji pod vplivom lokalnih kontaktnih sil. Za najtrši mineral na Zemlji velja diamant, najbolj trpežna kovina pa je iridij. V sodobni znanosti in tehnologiji se uporablja več metod merjenja trdote (po Brinellu, Rockwellu, Vickersu, Shoreu in Mohsu).
