Kumb on kõvem, graniit või marmor, nikkel või alumiinium? Ja mis on kõvadus? Püüame oma artiklis neile küsimustele vastata. Mineraalide ja ainete kõvaduse määramise probleemiga tegelesid mitmed välismaa teadlased. Nende hulgas on Albert Schor, Friedrich Moos, Johan August Brinell, William Vickers jt. Ainsat ja üldiselt aktsepteeritud meetodit kõvaduse arvutamiseks teaduses siiski ei eksisteeri.
Mis on kõvadus?
Igal teadusele tuntud ainel on mitmeid spetsiifilisi füüsikalisi omadusi ja omadusi. Selles artiklis arutatakse, mis on kõvadus. See on materjali võime seista vastu teise, vastupidavama keha sissetungimisele (näiteks lõike- või torkimistööriist).
Ainete kõvadust mõõdetakse kõige sagedamini eriühikutes - kgf/mm2 (kilogramm-jõud pinna ruutmillimeetri kohta). Olenev alt valitud skaalast tähistatakse seda ladina tähtedega HB, HRC või HRB.
Kõige kõvem mineraal Maal on teemant. Kui rääkida kunstliku päritoluga materjalidest, siis kõige vastupidavam on fulleriit. See on molekulaarne kristall, mis moodustub kõrgel temperatuuril (umbes 300 kraadi Celsiuse järgi) ja ülikõrgel rõhul (üle 90 000 atmosfääri). Teadlaste sõnul on fulleriit umbes poolteist korda kõvem kui teemant.
Mis on kõvadus?
On kolm peamist kõvaduse valikut:
- Pind (määratakse koormuse ja trükise pinna suhte järgi).
- Projektsioon (koormuse suhe jäljendi projektsioonialasse).
- Helitugevus (laadimise ja printimise mahu suhe).
Peale selle mõõdetakse füüsiliste kehade kõvadust neljas vahemikus:
- Nanokaredus (koormus alla 1 gf).
- Mikrokaredus (1–200 gf).
- Kõvadus madalal koormusel (200 gf – 5 kgf).
- Makrokaredus (üle 5 kgf).
Metallide kõvadus
Mendelejevi perioodilise süsteemi 104 elemendist 82 on metallid. Ja inimesele teadaolevate sulamite koguarv ulatub viie tuhandeni! Metallide ulatus tänapäeva maailmas on uskumatult lai. Need on sõja- ja keemiatööstus, metallurgia, elektrotehnika, kosmosetööstus, juveelitööstus, laevaehitus, meditsiin jne.
Metallide füüsikaliste ja keemiliste omaduste hulgas on kõvadus kaugel viimasestrolli. Lõppude lõpuks näitab ta selgelt:
- metalli kulumiskindluse aste;
- survekindlus;
- selle võime lõigata muid materjale.
Muuhulgas näitab metalli kõvadus, kas seda saab teatud masinatel töödelda, kas seda saab poleerida jms. Muide, teadlased on juba ammu tõestanud, et metalli kõvadus määrab suuresti selle muud mehaanilised omadused.
Milline on raua, vase ja alumiiniumi kõvadus? Ja milline metall on kõige kõvem ja vastupidavam?
Magneesium ja alumiinium kuuluvad pehmeimate metallide hulka. Nende kõvaduse väärtused varieeruvad vahemikus 5 kgf/mm2. Umbes kaks korda kõvad – nikkel ja vask (umbes 10 kgf/mm2). Raua kõvadus on hinnanguliselt 30 kgf/mm2. Kõige kõvemate loodusliku päritoluga metallide hulka kuuluvad titaan, osmium ja iriidium.
Kõvaduse määramine: meetodid, meetodid ja lähenemisviisid
Kuidas mõõdetakse füüsilise keha kõvadust? Selleks viiakse proovi sisse nn taane. Selle rolli võib täita vastupidav metallist kuul, püramiid või teemantkoonus. Pärast taandri otsekontakti mõju jääb uuritavale proovile jäljend, mille suurus määrab materjali kõvaduse.
Praktikas kasutatakse kõvaduse mõõtmiseks kahte meetodite rühma:
- Dünaamiline.
- Kineetiline.
Sel juhul saab taandri kehasse sisestamise ajal rakendatud koormuse teostadakriimustades, taandades (kõige sagedamini), lõigates või põrgatades.
Tänapäeval on kõvaduse määramiseks mitu erinevat lähenemisviisi:
- Rockwell;
- Brinell;
- Vickersi järgi;
- by Shore'i;
- Mohsi järgi.
Sellest lähtuv alt on materjalidel mitmeid erinevaid kõvadusastmeid, otsest seost nende vahel ei ole. Ühe või teise mõõtmismeetodi valimisel lähtutakse mitmetest teguritest (näiteks konkreetse materjali omadused, katse tingimused, kasutatud seadmed jne). Metallide või mineraalide kõvadust määravaid seadmeid nimetatakse tavaliselt kõvaduse mõõturiteks.
Rockwelli meetod
Rockwelli kõvaduse väärtus määratakse katsekeha pinnale jäetud teemantkoonuse või metallkuuli süvendi sügavuse järgi. Pealegi on see mõõtmeteta ja seda tähistatakse tähtedega HR. Liiga pehmetel materjalidel võib olla negatiivne kõvadus.
Nn Rockwelli kõvaduse testeri leiutasid eelmise sajandi alguses ameeriklased Hugh Rockwell ja Stanley Rockwell. Kuidas see töötab, näete järgmisest videost. Selle meetodi puhul on kriitiline tegur katsekeha paksus. See ei tohiks olla väiksem kui kümme korda suurem kui taande tungimise sügavus katsekehasse.
Sõltuv alt taandri tüübist ja rakendatud koormusest on kolm mõõteskaalat. Neid tähistatakse kolme ladina tähega: A, B ja C. Rockwelli kõvaduse väärtus on numbriline. Näiteks: 25,5 HRC (viimanetäht tähistab skaalat, mida testis kasutati).
Brinelli meetod
Brinelli kõvaduse väärtus määratakse katsetava metalli pinnale karastatud teraskuuli poolt jäetud jälje läbimõõduga. Mõõtühik on kgf/mm2.
Meetodi pakkus välja 1900. aastal Rootsi insener Johan August Brinell. Katse viiakse läbi järgmiselt: esiteks määratakse proovi taandri eelkoormus ja alles seejärel - peamine. Veelgi enam, selle koormuse all olev materjal peab vastu kuni 30 sekundit, pärast mida mõõdetakse süvendi sügavust. Brinelli kõvadus (viidatud kui HB) arvutatakse rakendatud koormuse suhtena tulemuseks oleva trükise pindalaga.
Mõned kõvaduse väärtused erinevate materjalide jaoks (vastav alt Brinellile):
- Puit – 2, 6-7, 0 HB.
- Alumiinium – 15 HB.
- Vask – 35 HB.
- Mahe teras – 120 HB.
- Klaas – 500 HB.
- Tööriistateras – 650–700 HB.
Vickersi meetod
Kõvadus vastav alt Vickersi meetodile määratakse, vajutades proovi sisse teemantotsik, millel on korrapärase nelinurkse püramiidi kuju. Pärast koormuse eemaldamist mõõtke materjali pinnale tekkinud kaks diagonaali ja arvutage aritmeetiline keskmine väärtus d (millimeetrites).
Vickersi kõvaduse tester on üsna kompaktne (vt fotot allpool). Katse tehakse toatemperatuuril (+20 kraadi). Kere kõvaduse väärtust tähistavad tähed HV.
Lühike meetod
Selle kõvaduse mõõtmise meetodi pakkus välja Ameerika leiutaja Albert Shor. Seda nimetatakse sageli ka "tagasilöögimeetodiks". Shore'i kõvaduse mõõtmisel kukutatakse standardsuuruse ja massiga löök teatud kõrguselt testitava materjali pinnale. Selle katse põhiväärtus on ründaja tagasilöögi kõrgus, mõõdetuna tavaühikutes.
Shore'i kõvadust mõõdetakse vahemikus 20–140 ühikut. Sada ühikut vastab tagasilöögi kõrgusele 13,6 mm (± 0,5 mm). Standardi kohaselt on see väärtus karastatud süsinikterase kõvadus. Kaasaegne seade materjalide kõvaduse mõõtmiseks Shore'i järgi kannab nime skleroskoop või duromeeter (see on näha alloleval fotol).
Mohsi skaala
Mohsi kõvaduse skaala on suhteline ja kehtib ainult mineraalide kohta. Etalonmineraalidena valiti kümme mineraali, mis olid järjestatud kõvaduse suurenemise järjekorras (alloleval fotodiagrammil). Vastav alt sellele on skaalal 10 punkti (1-10).
Mineraloogilise kõvaduse skaala pakkus välja Saksa teadlane Friedrich Moos juba 1811. aastal. Sellest hoolimata kasutatakse seda geoloogias endiselt.
Kuidas määrata konkreetse mineraali kõvadust Mohsi skaalal? Seda saab teha proovist jäetud kriimustust hoolik alt uurides. Mugav on kasutada küünt, vaskmünti, klaasitükki või terasnuga.
Nii et kuitestitud mineraal kirjutab paberile ilma seda kriimustamata, siis on selle kõvadus võrdne ühega. Kui kivi on küünega kergesti kriimustatud, on selle kõvadus 2. Kolmes punktis on mineraalid, mida noaga on lihtne kriimustada. Kui peate kivile jälje jätmiseks pingutama, on selle kõvadus 4 või 5. Mineraalid, mille kõvadus on 6 või rohkem, jätavad ise noaterale kriimustused.
Kokkuvõtteks…
Mis on kõvadus? See on füüsilise keha võime seista vastu hävitamisele ja deformatsioonile kohalike kontaktjõudude mõjul. Maa kõige kõvemaks mineraaliks peetakse teemanti ja kõige vastupidavamaks metalliks on iriidium. Kaasaegses teaduses ja tehnoloogias kasutatakse mitmeid kõvaduse mõõtmise meetodeid (Brinelli, Rockwelli, Vickersi, Shore'i ja Mohsi järgi).
