Wat is harder, graniet of marmer, nikkel of aluminium? En wat is hardheid in elk geval? Ons sal probeer om hierdie vrae in ons artikel te beantwoord. 'n Aantal buitelandse wetenskaplikes het die probleem van die bepaling van die hardheid van minerale en stowwe hanteer. Onder hulle is Albert Schor, Friedrich Moos, Johan August Brinell, William Vickers en ander. Die enigste en algemeen aanvaarde metode vir die berekening van hardheid in die wetenskap bestaan egter steeds nie.
Wat is hardheid?
Elkeen van die stowwe wat aan die wetenskap bekend is, het 'n aantal spesifieke fisiese eienskappe en kwaliteite. Hierdie artikel sal bespreek wat hardheid is. Dit is die vermoë van 'n materiaal om die penetrasie van 'n ander, meer duursame liggaam daarin te weerstaan (byvoorbeeld 'n sny- of deurboorgereedskap).
Die hardheid van stowwe word meestal in spesiale eenhede gemeet - kgf/mm2 (kilogram-krag per vierkante millimeter oppervlakte). Dit word in Latynse letters HB, HRC of HRB aangedui, afhangende van die gekose skaal.
Die hardste mineraal op aarde is diamant. As ons praat oor materiaal van kunsmatige oorsprong, dan is die mees duursame fullerite. Dit is 'n molekulêre kristal wat by hoë temperature (sowat 300 grade Celsius) en uiters hoë drukke (meer as 90 000 atmosfeer) vorm. Volgens wetenskaplikes is fullerite ongeveer een en 'n half keer harder as diamant.
Wat is hardheid?
Daar is drie hoofhardheidsopsies:
- Opervlakte (bepaal deur die verhouding van die las tot die oppervlakarea van die afdruk).
- Projeksie (die verhouding van die las tot die projeksie-area van die afdruk).
- Volume (laai tot drukvolumeverhouding).
Daarbenewens word die hardheid van fisiese liggame in vier reekse gemeet:
- Nanohardheid (Las minder as 1 gf).
- Mikrohardheid (1 – 200 gf).
- Hardheid by lae vragte (200 gf - 5 kgf).
- Makrohardheid (meer as 5 kgf).
Hardheid van metale
Uit 104 elemente van Mendeleev se periodieke stelsel is 82 metale. En die totale aantal legerings wat aan die mens bekend is, bereik vyfduisend! Die omvang van metale in die moderne wêreld is ongelooflik wyd. Dit is die militêre en chemiese nywerhede, metallurgie, elektriese ingenieurswese, ruimtebedryf, juweliersware, skeepsbou, medisyne, ens.
Tussen al die fisiese en chemiese kenmerke van metale is hardheid ver van die laasterol. Sy demonstreer immers duidelik:
- graad van slytasieweerstand van die metaal;
- drukweerstand;
- sy vermoë om ander materiaal te sny.
Die hardheid van 'n metaal wys onder meer of dit op sekere masjiene verwerk kan word, of dit gepoleer kan word en dies meer. Terloops, wetenskaplikes het lankal bewys dat die hardheid van 'n metaal grootliks sy ander meganiese eienskappe bepaal.
Wat is die hardheid van yster, koper en aluminium? En watter metaal is die hardste en duursaamste?
Magnesium en aluminium is van die sagste metale. Hul hardheidwaardes wissel binne 5 kgf/mm2. Ongeveer twee keer so hard - nikkel en koper (ongeveer 10 kgf/mm2). Die hardheid van yster word geskat op 30 kgf/mm2. Wel, die hardste metale van natuurlike oorsprong sluit titanium, osmium en iridium in.
Bepaling van hardheid: metodes, metodes en benaderings
Hoe word die hardheid van 'n fisiese liggaam gemeet? Om dit te doen, word 'n sogenaamde indenter in die monster ingebring. Die rol daarvan kan gespeel word deur 'n swaardiens-metaalbal, piramide of diamantkegel. Na die direkte kontak effek van die inspringer, bly 'n afdruk op die toetsmonster, waarvan die grootte die hardheid van die materiaal bepaal.
In die praktyk word twee groepe metodes vir die meting van hardheid gebruik:
- Dynamies.
- Kineties.
In hierdie geval kan die toegepaste las tydens die inbring van die inspringer in die liggaam uitgevoer worddeur te krap, inkeep (meestal), sny of terugspring.
Vandag is daar verskeie verskillende benaderings om hardheid te bepaal:
- Rockwell;
- Brinell;
- volgens Vickers;
- by Shore;
- volgens Mohs.
Gevolglik is daar 'n aantal verskillende hardheidskale van materiale, daar is geen direkte verband tussen hulle nie. Een of ander meetmetode word gekies op grond van 'n aantal faktore (byvoorbeeld die eienskappe van 'n bepaalde materiaal, die toestande van die eksperiment, die toerusting wat gebruik word, ens.). Toestelle wat die hardheid van metale of minerale bepaal, word algemeen hardheidstoetsers genoem.
Rockwell-metode
Die Rockwell-hardheidswaarde word bepaal deur die diepte van die inkeping van 'n diamantkegel of metaalbal wat op die oppervlak van die toetsstuk gelaat word. Boonop is dit dimensieloos en word dit met die letters HR aangedui. Materiale wat te sag is, kan negatiewe hardheidwaardes hê.
Die sogenaamde Rockwell-hardheidstoetser is aan die begin van die vorige eeu deur die Amerikaners Hugh Rockwell en Stanley Rockwell uitgevind. Jy kan sien hoe dit werk in die volgende video. 'n Kritieke faktor vir hierdie metode is die dikte van die toetsmonster. Dit moet nie minder as tien keer die penetrasiediepte van die inspringer in die toetsliggaam wees nie.
Afhangende van die tipe inspringer en toegepaste las, is daar drie meetskale. Hulle word met drie Latynse letters aangedui: A, B en C. Die Rockwell-hardheidswaarde het 'n numeriese vorm. Byvoorbeeld: 25.5 HRC (laastedie letter dui die skaal aan wat in die toets gebruik is).
Brinell-metode
Die Brinell-hardheidswaarde word bepaal deur die deursnee van die afdruk wat deur 'n geharde staalbal op die oppervlak van die metaal wat getoets word, gelaat word. Die maateenheid is kgf/mm2.
Die metode is in 1900 deur die Sweedse ingenieur Johan August Brinell voorgestel. Die toets word soos volg uitgevoer: eers word die voorlading van die indenter op die monster ingestel, en eers dan - die hoof een. Boonop kan die materiaal onder hierdie vrag tot 30 sekondes weerstaan, waarna die diepte van inkeping gemeet word. Brinell-hardheid (na verwys as HB) word bereken as die verhouding van die toegepaste las tot die oppervlakarea van die resulterende druk.
Sommige hardheidwaardes vir verskillende materiale (volgens Brinell):
- Hout – 2, 6-7, 0 HB.
- Aluminium - 15 HB.
- Koper – 35 HB.
- Sagte staal - 120 HB.
- Glas – 500 HB.
- Gereedskapstaal - 650-700 HB.
Vickers-metode
Hardheid volgens die Vickers-metode word bepaal deur 'n diamantpunt in die monster te druk, met die vorm van 'n gereelde vierhoekige piramide. Nadat die las verwyder is, meet die twee diagonale wat op die oppervlak van die materiaal gevorm word en bereken die rekenkundige gemiddelde waarde d (in millimeter).
Vickers-hardheidstoetser is redelik kompak (sien foto hieronder). Die toets word by kamertemperatuur (+20 grade) uitgevoer. Die hardheidwaarde van die liggaam word met die letters HV aangedui.
Shor-metode
Hierdie metode om hardheid te meet is deur die Amerikaanse uitvinder Albert Shor voorgestel. Daar word ook dikwels na verwys as die "rebound-metode". Wanneer Shore-hardheid gemeet word, word 'n striker van standaardgrootte en -massa vanaf 'n sekere hoogte op die oppervlak van die materiaal wat getoets word, laat val. Die sleutelwaarde van hierdie eksperiment is die terugslaghoogte van die doelskieter, gemeet in konvensionele eenhede.
Shore-hardheid word gemeet in die reeks van 20 tot 140 eenhede. Honderd eenhede stem ooreen met 'n terugslaghoogte van 13,6 mm (± 0,5 mm). Volgens die standaard is hierdie waarde die hardheid van geharde koolstofstaal. 'n Moderne toestel om die hardheid van materiale volgens Shore te meet, word 'n skleroskoop of durometer genoem (dit kan op die foto hieronder gesien word).
Mohs-skaal
Die Mohs-hardheidskaal is relatief en is uitsluitlik van toepassing op minerale. Tien minerale is gekies as verwysingsminerale, wat in volgorde van toenemende hardheid gerangskik is (in die fotodiagram hieronder). Gevolglik het die skaal 10 punte (van 1 tot 10).
Die mineralogiese skaal van hardheid is in 1811 deur die Duitse wetenskaplike Friedrich Moos voorgestel. Nietemin word dit steeds in geologie gebruik.
Hoe om die hardheid van 'n bepaalde mineraal op die Mohs-skaal te bepaal? Dit kan gedoen word deur die kras wat deur die monster gelaat is, noukeurig te ondersoek. Dit is gerieflik om 'n vingernael, 'n kopermuntstuk, 'n stuk glas of 'n staalmes te gebruik.
So asdie getoetste mineraal skryf op papier sonder om dit te krap, dan is sy hardheid gelyk aan een. As die klip maklik met 'n vingernael gekrap word, is sy hardheid 2. Drie punte het minerale wat maklik met 'n mes gekrap word. As jy moeite moet doen om 'n merk op die klip te laat, dan is die hardheid daarvan 4 of 5. Minerale met 'n hardheid van 6 of hoër laat self skrape op die meslem.
Ten slot…
So wat is hardheid? Dit is die vermoë van 'n fisiese liggaam om vernietiging en vervorming te weerstaan onder die invloed van plaaslike kontakkragte. Die hardste mineraal op aarde word as diamant beskou, en die duursaamste metaal is iridium. In moderne wetenskap en tegnologie word verskeie hardheidmetingsmetodes gebruik (volgens Brinell, Rockwell, Vickers, Shore en Mohs).
