Što je tvrđe, granit ili mramor, nikal ili aluminij? A što je uopće tvrdoća? Pokušat ćemo odgovoriti na ova pitanja u našem članku. Problemom određivanja tvrdoće minerala i tvari bavio se niz stranih znanstvenika. Među njima su Albert Schor, Friedrich Moos, Johan August Brinell, William Vickers i drugi. Međutim, jedina i općeprihvaćena metoda za izračunavanje tvrdoće u znanosti još uvijek ne postoji.
Što je tvrdoća?
Svaka od tvari poznatih znanosti ima niz specifičnih fizičkih svojstava i kvaliteta. Ovaj članak će govoriti o tome što je tvrdoća. To je sposobnost materijala da se odupre prodiranju drugog, izdržljivijeg tijela u njega (na primjer, alata za rezanje ili bušenje).
Tvrdoća tvari najčešće se mjeri u posebnim jedinicama - kgf/mm2 (kilogram-sila po kvadratnom milimetru površine). Označava se latiničnim slovima HB, HRC ili HRB, ovisno o odabranoj ljestvici.
Najtvrđi mineral na Zemlji je dijamant. Ako govorimo o materijalima umjetnog podrijetla, onda je najtrajniji fullerit. Riječ je o molekularnom kristalu koji nastaje pri visokim temperaturama (oko 300 stupnjeva Celzija) i iznimno visokim pritiscima (preko 90.000 atmosfera). Prema znanstvenicima, fulerit je otprilike jedan i pol puta tvrđi od dijamanta.
Što je tvrdoća?
Postoje tri glavne opcije tvrdoće:
- Površina (određena omjerom opterećenja i površine otiska).
- Projekcija (omjer opterećenja i površine projekcije otiska).
- Volume (omjer volumena učitavanja i ispisa).
Osim toga, tvrdoća fizičkih tijela mjeri se u četiri raspona:
- Nanotvrdoća (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 sustava, 82 su metali. A ukupan broj legura poznatih čovjeku doseže pet tisuća! Opseg metala u suvremenom svijetu je nevjerojatno širok. To su vojna i kemijska industrija, metalurgija, elektrotehnika, svemirska industrija, nakit, brodogradnja, medicina itd.
Među svim fizičkim i kemijskim karakteristikama metala, tvrdoća je daleko od posljednjeuloga. Uostalom, ona jasno pokazuje:
- stupanj otpornosti metala na habanje;
- otpor na pritisak;
- sposobnost rezanja drugih materijala.
Između ostalog, tvrdoća metala pokazuje može li se obrađivati na određenim strojevima, može li se polirati i slično. Usput, znanstvenici su odavno dokazali da tvrdoća metala uvelike određuje njegova druga mehanička svojstva.
Kolika je tvrdoća željeza, bakra i aluminija? A koji je metal najtvrđi i najtrajniji?
Magnezij i aluminij su među najmekšim metalima. Njihove vrijednosti tvrdoće variraju unutar 5 kgf/mm2. Otprilike dvostruko tvrđe - nikal i bakar (oko 10 kgf/mm2). Tvrdoća željeza je procijenjena na 30 kgf/mm2. Pa, najtvrđi metali prirodnog porijekla uključuju titan, osmij i iridij.
Određivanje tvrdoće: metode, metode i pristupi
Kako se mjeri tvrdoća fizičkog tijela? Za to se u uzorak uvodi tzv. indenter. Njegovu ulogu može odigrati metalna kugla za teške uvjete rada, piramida ili dijamantni konus. Nakon učinka izravnog kontakta indentera, na ispitnom uzorku ostaje otisak čija veličina određuje tvrdoću materijala.
U praksi se koriste dvije grupe metoda za mjerenje tvrdoće:
- Dynamic.
- kinetički.
U ovom slučaju, primijenjeno opterećenje tijekom uvođenja indentera u tijelo može se izvestigrebanjem, uvlačenjem (najčešće), rezanjem ili odbijanjem.
Danas postoji nekoliko različitih pristupa određivanju tvrdoće:
- Rockwell;
- Brinell;
- prema Vickersu;
- uz obalu;
- prema Mohsu.
Prema tome, postoji niz različitih ljestvica tvrdoće materijala, među kojima nema izravne veze. Jedna ili druga metoda mjerenja odabire se na temelju brojnih čimbenika (na primjer, svojstva određenog materijala, uvjeti eksperimenta, korištena oprema itd.). Uređaji koji određuju tvrdoću metala ili minerala obično se nazivaju ispitivači tvrdoće.
Rockwell metoda
Vrijednost tvrdoće po Rockwellu određena je dubinom udubljenja dijamantnog stošca ili metalne kuglice ostavljene na površini ispitnog komada. Štoviše, bezdimenzijska je i označena je slovima HR. Materijali koji su previše mekani mogu imati negativne vrijednosti tvrdoće.
Takozvani ispitivač tvrdoće po Rockwellu izumili su početkom prošlog stoljeća Amerikanci Hugh Rockwell i Stanley Rockwell. Kako to radi možete vidjeti u sljedećem videu. Kritični čimbenik za ovu metodu je debljina ispitnog uzorka. Ne smije biti manji od deset puta dubina prodiranja utiskivača u ispitno tijelo.
Ovisno o vrsti indentera i primijenjenom opterećenju, postoje tri mjerne skale. Označeni su s 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 određena je promjerom otiska koji ostavlja kaljena čelična kugla na površini metala koji se ispituje. Mjerna jedinica je kgf/mm2.
Metodu je 1900. predložio švedski inženjer Johan August Brinell. Ispitivanje se provodi na sljedeći način: prvo se postavlja prednaprezanje indentera na uzorku, a tek onda - glavno. Štoviše, materijal pod ovim opterećenjem može izdržati do 30 sekundi, nakon čega se mjeri dubina udubljenja. Tvrdoća po Brinellu (nazvana 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.
- Aluminij - 15 HB.
- Bakar – 35 HB.
- Blaga čelik - 120 HB.
- Staklo – 500 HB.
- Alatni čelik - 650-700 HB.
Vickersova metoda
Tvrdoća prema Vickers metodi se određuje utiskivanjem dijamantnog vrha u uzorak, koji ima oblik pravilne četverokutne 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 (vidi sliku ispod). Ispitivanje se provodi na sobnoj temperaturi (+20 stupnjeva). Vrijednost tvrdoće tijela označena je slovima HV.
Shor metoda
Ovu metodu mjerenja tvrdoće predložio je američki izumitelj Albert Shor. Također se često naziva "metoda povratka". Prilikom mjerenja tvrdoće po Shoreu, udarnik standardne veličine i mase spušta se s određene visine na površinu materijala koji se ispituje. Ključna vrijednost ovog eksperimenta je visina odbijanja napadača, mjerena u konvencionalnim jedinicama.
Tvrdoća po Shoreu mjeri se 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. Suvremeni uređaj za mjerenje tvrdoće materijala po Shoreu zove se skleroskop ili durometar (može se vidjeti na slici ispod).
Mohsova ljestvica
Mohsova ljestvica tvrdoće je relativna i odnosi se isključivo na minerale. Kao referentni minerali odabrano je deset minerala, koji su raspoređeni po rastućoj tvrdoći (na donjem foto dijagramu). Sukladno tome, ljestvica ima 10 bodova (od 1 do 10).
Mineralošku ljestvicu tvrdoće predložio je njemački znanstvenik Friedrich Moos još 1811. godine. Ipak, još uvijek se koristi u geologiji.
Kako odrediti tvrdoću određenog minerala na Mohsovoj ljestvici? To se može učiniti pažljivim ispitivanjem ogrebotine koju je ostavio uzorak. Prikladno je koristiti nokat, bakreni novčić, komad stakla ili čelični nož.
Pa akoispitivani mineral zapisuje na papir bez ogrebotina, tada mu je tvrdoća jednaka jedan. Ako se kamen lako zagrebe noktom, tvrdoća mu je 2. Tri točke imaju minerale koji se lako izgrebu nožem. Ako se trebate potruditi da ostavite trag na kamenu, tada je njegova tvrdoća 4 ili 5. Minerali tvrdoće 6 ili više sami ostavljaju ogrebotine na oštrici noža.
Zaključno…
Pa što 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 iridij. U suvremenoj znanosti i tehnologiji koristi se nekoliko metoda mjerenja tvrdoće (prema Brinellu, Rockwellu, Vickersu, Shoreu i Mohsu).
