Šta je tvrđe, granit ili mermer, nikl ili aluminijum? A šta je uopšte tvrdoća? Pokušat ćemo odgovoriti na ova pitanja u našem članku. Problemom određivanja tvrdoće minerala i supstanci bavio se niz stranih naučnika. Među njima su Albert Schor, Friedrich Moos, Johan August Brinell, William Vickers i drugi. Međutim, jedina i općeprihvaćena metoda za izračunavanje tvrdoće u nauci još uvijek ne postoji.
Šta je tvrdoća?
Svaka od supstanci poznatih nauci ima niz specifičnih fizičkih svojstava i kvaliteta. Ovaj članak će govoriti o tome šta je tvrdoća. To je sposobnost materijala da se odupre prodiranju drugog, izdržljivijeg tijela u njega (na primjer, alata za rezanje ili pirsing).
Tvrdoća tvari se najčešće mjeri u posebnim jedinicama - kgf/mm2 (kilogram-sila po kvadratnom milimetru površine). Označava se latiničnim slovima HB, HRC ili HRB, u zavisnosti od odabrane skale.
Najtvrđi mineral na Zemlji je dijamant. Ako govorimo o materijalima umjetnog porijekla, onda je najtrajniji fulerit. To je molekularni kristal koji se formira na visokim temperaturama (oko 300 stepeni Celzijusa) i ekstremno visokim pritiscima (preko 90.000 atmosfera). Prema naučnicima, fulerit je oko jedan i po puta tvrđi od dijamanta.
Šta je tvrdoća?
Postoje tri glavne opcije tvrdoće:
- Površina (određena omjerom opterećenja i površine otiska).
- Projekcija (odnos opterećenja i površine projekcije otiska).
- Volume (omjer volumena učitavanja i štampanja).
Osim ovoga, tvrdoća fizičkih tijela se mjeri u četiri opsega:
- Nanohardness (opterećenje manje od 1 gf).
- Mikrotvrdoća (1 – 200 gf).
- Tvrdoća pri malim opterećenjima (200 gf - 5 kgf).
- Makrotvrdoća (više od 5 kgf).
Tvrdoća metala
Od 104 elementa Mendeljejevljevog periodnog sistema, 82 su metali. A ukupan broj legura poznatih čovjeku dostiže pet hiljada! Opseg metala u modernom svijetu je nevjerovatno širok. To su vojna i hemijska industrija, metalurgija, elektrotehnika, svemirska industrija, nakit, brodogradnja, medicina itd.
Među svim fizičkim i hemijskim karakteristikama metala, tvrdoća je daleko od posljednjeuloga. Uostalom, ona jasno pokazuje:
- stepen otpornosti metala na habanje;
- otpor na pritisak;
- svoju sposobnost rezanja drugih materijala.
Između ostalog, tvrdoća metala pokazuje da li se može obraditi na određenim mašinama, može li se polirati i sl. Inače, naučnici su odavno dokazali da tvrdoća metala u velikoj mjeri određuje njegova druga mehanička svojstva.
Koja je tvrdoća gvožđa, bakra i aluminijuma? A koji je metal najtvrđi i najtrajniji?
Magnezijum i aluminijum su među najmekšim metalima. Njihove vrijednosti tvrdoće variraju unutar 5 kgf/mm2. Otprilike duplo tvrđe - nikl i bakar (oko 10 kgf/mm2). Tvrdoća gvožđa se procjenjuje na 30 kgf/mm2. Pa, najtvrđi metali prirodnog porekla uključuju titanijum, osmijum i iridijum.
Određivanje tvrdoće: metode, metode i pristupi
Kako se mjeri tvrdoća fizičkog tijela? Da bi se to postiglo, u uzorak se uvodi takozvani indenter. Njegovu ulogu može odigrati metalna kugla za teške uslove rada, piramida ili dijamantski konus. Nakon direktnog kontaktnog efekta indentera, na ispitnom uzorku ostaje otisak čija veličina određuje tvrdoću materijala.
U praksi se koriste dvije grupe metoda za mjerenje tvrdoće:
- Dynamic.
- Kinetic.
U ovom slučaju, primijenjeno opterećenje prilikom uvođenja indentera u tijelo može se izvršitigrebanjem, uvlačenjem (najčešće), rezanjem ili odbijanjem.
Danas postoji nekoliko različitih pristupa određivanju tvrdoće:
- Rockwell;
- Brinell;
- prema Vickersu;
- by Shore;
- prema Mohsu.
Prema tome, postoji veliki broj različitih skala tvrdoće materijala, među kojima nema direktne veze. Jedna ili druga metoda mjerenja se bira na osnovu brojnih faktora (na primjer, svojstva određenog materijala, uvjeti eksperimenta, korištena oprema itd.). Uređaji koji određuju tvrdoću metala ili minerala obično se nazivaju testeri tvrdoće.
Rockwell metoda
Vrijednost tvrdoće po Rockwellu određena je dubinom udubljenja dijamantskog konusa ili metalne kugle ostavljene na površini ispitnog komada. Štaviše, on je bezdimenzionalni i označen je slovima HR. Materijali koji su previše mekani mogu imati negativne vrijednosti tvrdoće.
Takozvani Rockwell tester tvrdoće izumili su početkom prošlog stoljeća Amerikanci Hugh Rockwell i Stanley Rockwell. Kako to funkcionira možete vidjeti u sljedećem videu. Kritični faktor za ovu metodu je debljina uzorka za ispitivanje. Ne bi trebao biti manji od deset puta dubina prodiranja indentera u tijelo testa.
U zavisnosti od tipa indentera i primijenjenog opterećenja, postoje tri mjerne skale. Označeni su sa tri latinična slova: A, B i C. Vrijednost tvrdoće po Rockwellu ima numerički oblik. Na primjer: 25,5 HRC (zadnjislovo označava skalu koja je korištena u testu).
Brinell metoda
Vrijednost Brinellove tvrdoće je određena prečnikom otiska koji ostavlja kaljena čelična kugla na površini metala koji se ispituje. Jedinica mjere je kgf/mm2.
Metodu je 1900. godine predložio švedski inženjer Johan August Brinell. Ispitivanje se provodi na sljedeći način: prvo se postavlja predopterećenje indentera na uzorak, a tek onda - glavno. Štoviše, materijal pod ovim opterećenjem može izdržati do 30 sekundi, nakon čega se mjeri dubina udubljenja. Tvrdoća po Brinellu (koja se naziva HB) izračunava se kao omjer primijenjenog opterećenja i površine rezultirajućeg otiska.
Neke vrijednosti tvrdoće za različite materijale (prema Brinellu):
- Drvo – 2, 6-7, 0 HB.
- Aluminijum - 15 HB.
- Bakar – 35 HB.
- Meki čelik - 120 HB.
- Staklo – 500 HB.
- Alatni čelik - 650-700 HB.
Vickers metoda
Tvrdoća prema Vickers metodi se određuje utiskivanjem dijamantskog vrha u uzorak, koji ima oblik pravilne četvorougaone piramide. Nakon uklanjanja opterećenja, izmjerite dvije dijagonale nastale na površini materijala i izračunajte aritmetičku srednju vrijednost d (u milimetrima).
Vickers tester tvrdoće je prilično kompaktan (pogledajte sliku ispod). Test se izvodi na sobnoj temperaturi (+20 stepeni). Vrijednost tvrdoće tijela je označena slovima HV.
Shor metoda
Ovu metodu mjerenja tvrdoće predložio je američki izumitelj Albert Shor. Često se naziva i "rebound metodom". Prilikom mjerenja tvrdoće po Shoreu, udarnik standardne veličine i mase spušta se sa određene visine na površinu materijala koji se ispituje. Ključna vrijednost ovog eksperimenta je visina odskoka napadača, mjerena u konvencionalnim jedinicama.
Tvrdoća po Shoreu se mjeri u rasponu od 20 do 140 jedinica. Sto jedinica odgovara visini odskoka od 13,6 mm (± 0,5 mm). Prema standardu, ova vrijednost je tvrdoća kaljenog ugljičnog čelika. Savremeni uređaj za mjerenje tvrdoće materijala po Shoreu naziva se skleroskop ili durometar (može se vidjeti na slici ispod).
Mohsova skala
Mohsova skala tvrdoće je relativna i odnosi se isključivo na minerale. Kao referentni minerali odabrano je deset minerala, koji su raspoređeni po rastućoj tvrdoći (na foto dijagramu ispod). U skladu s tim, skala ima 10 bodova (od 1 do 10).
Mineralošku skalu tvrdoće predložio je njemački naučnik Friedrich Moos još 1811. godine. Ipak, još uvijek se koristi u geologiji.
Kako odrediti tvrdoću određenog minerala na Mohsovoj skali? To se može učiniti pažljivim pregledom ogrebotine koju je ostavio uzorak. Pogodno je koristiti nokat, bakreni novčić, komad stakla ili čelični nož.
Pa akoispitivani mineral piše na papir bez ogrebotina, tada mu je tvrdoća jednaka jedan. Ako se kamen lako grebe noktom, njegova tvrdoća je 2. Tri tačke imaju minerale koji se lako grebu nožem. Ako treba da se potrudite da ostavite trag na kamenu, onda je njegova tvrdoća 4 ili 5. Minerali tvrdoće 6 ili više sami ostavljaju ogrebotine na oštrici noža.
U zaključku…
Pa šta je tvrdoća? To je sposobnost fizičkog tijela da se odupre razaranju i deformaciji pod utjecajem lokalnih kontaktnih sila. Najtvrđi mineral na Zemlji smatra se dijamant, a najtrajniji metal je iridijum. U savremenoj nauci i tehnologiji koristi se nekoliko metoda mjerenja tvrdoće (prema Brinell, Rockwell, Vickers, Shore i Mohs).
