Melyik keményebb, gránit vagy márvány, nikkel vagy alumínium? És egyáltalán mi a keménység? Ezekre a kérdésekre igyekszünk választ adni cikkünkben. Számos külföldi tudós foglalkozott az ásványok és anyagok keménységének meghatározásával. Köztük van Albert Schor, Friedrich Moos, Johan August Brinell, William Vickers és mások. A tudományban azonban a keménység kiszámításának egyetlen és általánosan elfogadott módszere még mindig nem létezik.
Mi a keménység?
A tudomány által ismert anyagok mindegyike számos konkrét fizikai tulajdonsággal és tulajdonsággal rendelkezik. Ez a cikk megvitatja, mi a keménység. Ez az anyag azon képessége, hogy ellenálljon egy másik, tartósabb test (például vágó- vagy szúrószerszám) behatolásának.
Az anyagok keménységét leggyakrabban speciális mértékegységekben mérik - kgf/mm2 (kilogramm-erő per négyzetmilliméter terület). A kiválasztott skálától függően HB, HRC vagy HRB latin betűkkel jelöljük.
A Föld legkeményebb ásványa a gyémánt. Ha mesterséges eredetű anyagokról beszélünk, akkor a fullerit a legtartósabb. Ez egy molekuláris kristály, amely magas hőmérsékleten (kb. 300 Celsius fok) és rendkívül magas nyomáson (több mint 90 000 atmoszféra) képződik. A tudósok szerint a fullerit körülbelül másfélszer keményebb, mint a gyémánt.
Mi a keménység?
Három fő keménységi lehetőség van:
- Felület (a terhelésnek a nyomat felületéhez viszonyított aránya határozza meg).
- Vetítés (a terhelés és a lenyomat vetületi területének aránya).
- Hangerő (betöltés/nyomtatás térfogataránya).
Ezen kívül a fizikai testek keménységét négy tartományban mérik:
- Nanokeménység (1 gf-nél kisebb terhelés).
- Mikrokeménység (1–200 gf).
- Keménység alacsony terhelésnél (200 gf - 5 kgf).
- Makrokeménység (több mint 5 kgf).
Fémek keménysége
Mengyelejev periodikus rendszerének 104 eleméből 82 fém. Az ember által ismert ötvözetek teljes száma pedig eléri az ötezret! A fémek hatóköre a modern világban hihetetlenül széles. Ezek a hadi- és vegyipar, a kohászat, az elektrotechnika, az űripar, az ékszeripar, a hajógyártás, az orvostudomány stb.
A fémek fizikai és kémiai jellemzői közül a keménység messze nem az utolsószerep. Végül is egyértelműen bemutatja:
- a fém kopásállósági foka;
- nyomásállóság;
- más anyagok vágására való képessége.
Egy fém keménysége többek között megmutatja, hogy bizonyos gépeken meg lehet-e dolgozni, polírozható-e és hasonlók. A tudósok egyébként régóta bebizonyították, hogy a fém keménysége nagymértékben meghatározza egyéb mechanikai tulajdonságait.
Mi a vas, réz és alumínium keménysége? És melyik a legkeményebb és legtartósabb fém?
A magnézium és az alumínium a legpuhább fémek közé tartoznak. Keménységük 5 kgf/mm2 között változik. Körülbelül kétszer olyan kemény - nikkel és réz (kb. 10 kgf/mm2). A vas keménysége 30 kgf/mm2. Nos, a természetes eredetű legkeményebb fémek közé tartozik a titán, az ozmium és az irídium.
Keménység meghatározása: módszerek, módszerek és megközelítések
Hogyan mérhető a fizikai test keménysége? Ehhez a mintába egy úgynevezett indentert vezetünk be. Szerepét egy nagy teherbírású fémgolyó, piramis vagy gyémántkúp is betöltheti. A behúzó közvetlen érintkezési hatása után a vizsgálati mintán lenyomat marad, melynek mérete határozza meg az anyag keménységét.
A gyakorlatban a keménységmérési módszerek két csoportját alkalmazzák:
- Dinamikus.
- Kinetic.
Ebben az esetben a behúzás testbe történő bevezetése során alkalmazott terhelés végrehajthatókarcolással, behúzással (leggyakrabban), vágással vagy visszapattanással.
Ma több különböző megközelítés létezik a keménység meghatározására:
- Rockwell;
- Brinell;
- Vickers szerint;
- by Shore;
- Mohs szerint.
Ennek megfelelően számos különböző keménységi skála létezik az anyagoknak, ezek között nincs közvetlen kapcsolat. Egyik vagy másik mérési módszert számos tényező alapján választanak ki (például egy adott anyag tulajdonságai, a kísérlet körülményei, az alkalmazott berendezés stb.). A fémek vagy ásványok keménységét meghatározó eszközöket általában keménységmérőknek nevezik.
Rockwell-módszer
A Rockwell-keménység értékét a próbadarab felületén maradt gyémántkúp vagy fémgolyó bemélyedésének mélysége határozza meg. Sőt, mérettelen, és HR betűkkel jelöljük. A túl puha anyagok keménységi értékei negatívak lehetnek.
Az úgynevezett Rockwell keménységmérőt a múlt század elején találták fel az amerikaiak, Hugh Rockwell és Stanley Rockwell. A következő videóban láthatja, hogyan működik. Ennél a módszernél kritikus tényező a próbatest vastagsága. Nem lehet kisebb, mint a bemélyedés behatolási mélysége a teszttestben.
A behúzás típusától és az alkalmazott terheléstől függően három mérőskála létezik. Három latin betűvel vannak jelölve: A, B és C. A Rockwell-keménység értékének numerikus alakja van. Például: 25,5 HRC (utolsóa betű a tesztben használt skálát jelöli).
Brinell-módszer
A Brinell-keménység értékét az edzett acélgolyó által a vizsgált fém felületén hagyott benyomás átmérője határozza meg. A mértékegység: kgf/mm2.
A módszert 1900-ban Johan August Brinell svéd mérnök javasolta. A tesztet a következőképpen hajtják végre: először beállítják a mintán lévő behúzó előfeszítését, és csak ezután - a főt. Ezen túlmenően az ilyen terhelés alatt lévő anyag akár 30 másodpercig is elbír, ezután megmérik a bemélyedés mélységét. A Brinell-keménységet (a továbbiakban: HB) az alkalmazott terhelés és a kapott nyomat felületének arányaként számítják ki.
Egyes keménységi értékek különböző anyagokhoz (Brinell szerint):
- Fa – 2, 6-7, 0 HB.
- Alumínium – 15 HB.
- Réz – 35 HB.
- Lágyacél – 120 HB.
- Üveg – 500 HB.
- Szerszámacél - 650-700 HB.
Vickers-módszer
A Vickers-módszer szerinti keménységet úgy határozzuk meg, hogy egy szabályos négyszögletű piramis alakú gyémántcsúcsot nyomunk a mintába. A terhelés eltávolítása után mérjük meg az anyag felületén kialakult két átlót, és számítsuk ki a d számtani középértéket (milliméterben).
A Vickers keménységmérő meglehetősen kompakt (lásd az alábbi képet). A vizsgálatot szobahőmérsékleten (+20 fok) végezzük. A test keménységi értékét a HV.
betűk jelölik
Short módszer
Ezt a keménységmérési módszert Albert Shor amerikai feltaláló javasolta. Gyakran „visszapattanási módszernek” is nevezik. A Shore-keménység mérésénél egy szabványos méretű és tömegű ütőt ejtenek egy bizonyos magasságból a vizsgált anyag felületére. Ennek a kísérletnek a kulcsértéke a csatár felpattanó magassága, hagyományos mértékegységekben mérve.
A Shore keménységet 20 és 140 egység közötti tartományban mérik. Száz egység 13,6 mm-es (± 0,5 mm) visszapattanási magasságnak felel meg. A szabvány szerint ez az érték az edzett szénacél keménysége. Az anyagok keménységének Shore szerinti mérésére szolgáló modern eszközt szkleroszkópnak vagy durométernek nevezik (az alábbi képen látható).
Mohs-skála
A Mohs-féle keménységi skála relatív, és kizárólag ásványokra vonatkozik. Tíz ásványt választottunk ki referencia ásványnak, melyeket keménységnövekedési sorrendbe rendeztünk (az alábbi fotódiagramon). Ennek megfelelően a skála 10 pontos (1-től 10-ig).
A keménység ásványtani skáláját Friedrich Moos német tudós javasolta még 1811-ben. Ennek ellenére a geológiában még mindig használják.
Hogyan határozható meg egy adott ásvány keménysége a Mohs-skálán? Ezt úgy teheti meg, hogy gondosan megvizsgálja a minta által hagyott karcolást. Kényelmes körmöt, rézérmét, üvegdarabot vagy acélkést használni.
Szóval haa vizsgált ásvány karcolás nélkül ír a papírra, akkor a keménysége egy. Ha a kő könnyen karcolódik körömmel, akkor a keménysége 2. Három ponton vannak olyan ásványok, amelyeket késsel könnyen megkarcolhatunk. Ha némi erőfeszítést kell tennie, hogy nyomot hagyjon a kövön, akkor annak keménysége 4 vagy 5. A 6-os vagy annál nagyobb keménységű ásványok maguk karcolják a kés pengéjét.
Befejezésül…
Mi az a keménység? Ez a fizikai test azon képessége, hogy ellenálljon a pusztulásnak és a deformációnak a helyi érintkezési erők hatására. A Föld legkeményebb ásványa a gyémánt, a legtartósabb fém pedig az irídium. A modern tudomány és technológia számos keménységmérési módszert alkalmaz (Brinell, Rockwell, Vickers, Shore és Mohs szerint).
