Cái nào cứng hơn, đá granit hay đá cẩm thạch, niken hay nhôm? Và độ cứng là gì? Chúng tôi sẽ cố gắng trả lời những câu hỏi này trong bài viết của chúng tôi. Một số nhà khoa học nước ngoài xử lý vấn đề xác định độ cứng của khoáng chất và chất. Trong số đó có Albert Schor, Friedrich Moos, Johan August Brinell, William Vickers và những người khác. Tuy nhiên, phương pháp duy nhất và được chấp nhận chung để tính độ cứng trong khoa học vẫn chưa tồn tại.
Độ cứng là gì?
Mỗi chất được khoa học biết đến đều có một số tính chất và phẩm chất vật lý cụ thể. Bài viết này sẽ thảo luận về độ cứng là gì. Đây là khả năng của một vật liệu chống lại sự xâm nhập của một cơ thể khác, bền hơn vào nó (ví dụ: một công cụ cắt hoặc xuyên).
Độ cứng của các chất thường được đo bằng đơn vị đặc biệt - kgf / mm2(kilôgam lực trên milimét vuông diện tích). Nó được ký hiệu bằng các chữ cái Latinh HB, HRC hoặc HRB, tùy thuộc vào thang đo đã chọn.
Khoáng chất cứng nhất trên Trái đất là kim cương. Nếu chúng ta nói về vật liệu có nguồn gốc nhân tạo, thì bền nhất là fullerite. Nó là một tinh thể phân tử hình thành ở nhiệt độ cao (khoảng 300 độ C) và áp suất cực cao (trên 90.000 atm). Theo các nhà khoa học, fullerite cứng hơn kim cương khoảng 1,5 lần.
Độ cứng là gì?
Có ba tùy chọn độ cứng chính:
- Bề mặt (được xác định bằng tỷ lệ tải trọng trên diện tích bề mặt của bản in).
- Chiếu (tỷ lệ giữa tải trọng với diện tích hình chiếu của dấu ấn).
- Khối lượng (tỷ lệ tải so với khối lượng in).
Bên cạnh đó, độ cứng của các cơ thể vật lý được đo trong bốn phạm vi:
- Nanohardness (Tải dưới 1 gf).
- Độ cứng siêu nhỏ (1 - 200 gf).
- Độ cứng khi tải thấp (200 gf - 5 kgf).
- Độ cứng vĩ mô (hơn 5 kgf).
Độ cứng của kim loại
Trong số 104 nguyên tố của hệ thống tuần hoàn Mendeleev, 82 nguyên tố là kim loại. Và tổng số hợp kim mà con người biết đến lên tới con số năm nghìn! Phạm vi của kim loại trong thế giới hiện đại là vô cùng rộng lớn. Đây là các ngành công nghiệp quân sự và hóa chất, luyện kim, kỹ thuật điện, công nghiệp vũ trụ, đồ trang sức, đóng tàu, y học, v.v.
Trong số tất cả các đặc tính vật lý và hóa học của kim loại, độ cứng không phải là cuối cùngvai diễn. Rốt cuộc, cô ấy thể hiện rõ ràng:
- mức độ chống mài mòn của kim loại;
- khả năng chịu áp lực;
- khả năng cắt các vật liệu khác.
Trong số những thứ khác, độ cứng của kim loại cho biết liệu nó có thể được gia công trên một số máy nhất định hay không, liệu nó có thể được đánh bóng hay không và những thứ tương tự. Nhân tiện, các nhà khoa học từ lâu đã chứng minh rằng độ cứng của kim loại quyết định phần lớn các tính chất cơ học khác của nó.
Độ cứng của sắt, đồng và nhôm là gì? Và kim loại nào cứng và bền nhất?
Magie và nhôm là một trong những kim loại mềm nhất. Giá trị độ cứng của chúng thay đổi trong vòng 5 kgf / mm2. Độ cứng gấp đôi - niken và đồng (khoảng 10 kgf / mm2). Độ cứng của sắt được ước tính là 30 kgf / mm2. Chà, các kim loại cứng nhất có nguồn gốc tự nhiên bao gồm titan, osmi và iridi.
Xác định độ cứng: phương pháp, cách thức và cách tiếp cận
Độ cứng của một cơ thể vật lý được đo như thế nào? Để làm điều này, một cái gọi là thụt lề được đưa vào mẫu. Vai trò của nó có thể được thực hiện bởi một quả cầu kim loại nặng, kim tự tháp hoặc hình nón kim cương. Sau tác động tiếp xúc trực tiếp của vết lõm, vết in vẫn còn trên mẫu thử nghiệm, kích thước của vết này sẽ quyết định độ cứng của vật liệu.
Trong thực tế, hai nhóm phương pháp đo độ cứng được sử dụng:
- Động.
- Kinetic.
Trong trường hợp này, tải trọng tác dụng trong quá trình đưa đầu vào cơ thể có thể được thực hiệnbằng cách cào, thụt (thường xuyên nhất), cắt hoặc bật lại.
Ngày nay có một số cách tiếp cận khác nhau để xác định độ cứng:
- Rockwell;
- Brinell;
- theo Vickers;
- bởi Shore;
- theo Mohs.
Theo đó, có một số thang đo độ cứng khác nhau của vật liệu, không có mối quan hệ trực tiếp nào giữa chúng. Một hoặc một phương pháp đo lường khác được lựa chọn dựa trên một số yếu tố (ví dụ, thuộc tính của một vật liệu cụ thể, điều kiện của thí nghiệm, thiết bị được sử dụng, v.v.). Thiết bị xác định độ cứng của kim loại hoặc khoáng chất thường được gọi là máy đo độ cứng.
Phương pháp Rockwell
Giá trị độ cứng Rockwell được xác định bằng độ sâu vết lõm của hình nón kim cương hoặc quả bóng kim loại còn lại trên bề mặt của mẫu thử. Hơn nữa, nó không có thứ nguyên và được ký hiệu bằng các chữ cái HR. Vật liệu quá mềm có thể có giá trị độ cứng âm.
Cái gọi là máy đo độ cứng Rockwell được phát minh vào đầu thế kỷ trước bởi Hugh Rockwell và Stanley Rockwell người Mỹ. Bạn có thể xem nó hoạt động như thế nào trong video sau đây. Một yếu tố quan trọng đối với phương pháp này là độ dày của mẫu thử. Nó không được nhỏ hơn mười lần độ sâu thâm nhập của đầu thụt vào thân thử nghiệm.
Tùy thuộc vào loại thụt lề và tải trọng tác dụng, có ba thang đo. Chúng được ký hiệu bằng ba chữ cái Latinh: A, B và C. Giá trị độ cứng Rockwell có dạng số. Ví dụ: 25,5 HRC (cuối cùngchữ cái cho biết thang đo được sử dụng trong bài kiểm tra).
Phương pháp Brinell
Giá trị độ cứng Brinell được xác định bằng đường kính của ấn tượng do một viên bi thép cứng để lại trên bề mặt kim loại đang được thử nghiệm. Đơn vị đo là kgf / mm2.
Phương pháp này được đề xuất vào năm 1900 bởi kỹ sư người Thụy Điển Johan August Brinell. Thử nghiệm được thực hiện như sau: đầu tiên, tải trước của thụt đầu dòng trên mẫu được thiết lập, và chỉ sau đó - cái chính. Hơn nữa, vật liệu chịu tải trọng này có thể chịu được tối đa 30 giây, sau đó độ sâu của vết lõm được đo. Độ cứng Brinell (gọi tắt là HB) được tính bằng tỷ số giữa tải trọng tác dụng lên diện tích bề mặt của bản in kết quả.
Một số giá trị độ cứng cho các vật liệu khác nhau (theo Brinell):
- Gỗ - 2, 6-7, 0 HB.
- Nhôm - 15 HB.
- Đồng - 35 HB.
- Thép nhẹ - 120 HB.
- Kính - 500 HB.
- Thép dụng cụ - 650-700 HB.
phương pháp Vickers
Độ cứng theo phương pháp Vickers được xác định bằng cách ấn một đầu kim cương vào mẫu, có dạng hình chóp tứ giác đều. Sau khi loại bỏ tải, đo hai đường chéo được hình thành trên bề mặt vật liệu và tính giá trị trung bình số học d (tính bằng milimét).
Máy đo độ cứngVickers khá nhỏ gọn (xem ảnh bên dưới). Thử nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ phòng (+20 độ). Giá trị độ cứng của phần thân được biểu thị bằng các chữ cái HV.
Phương pháp rút gọn
Phương pháp đo độ cứng này do nhà phát minh người Mỹ Albert Shor đề xuất. Nó cũng thường được gọi là "phương pháp phục hồi". Khi đo độ cứng của Shore, một thanh có kích thước và khối lượng tiêu chuẩn được thả từ một độ cao nhất định xuống bề mặt của vật liệu đang được thử nghiệm. Giá trị quan trọng của thử nghiệm này là chiều cao hồi phục của thanh chắn, được đo bằng đơn vị thông thường.
Độ cứng của bờ được đo trong phạm vi từ 20 đến 140 đơn vị. Một trăm đơn vị tương ứng với độ cao hồi phục là 13,6 mm (± 0,5 mm). Theo tiêu chuẩn, giá trị này là độ cứng của thép cacbon cứng. Một thiết bị hiện đại để đo độ cứng của vật liệu theo Shore được gọi là máy đo độ cứng hoặc máy đo độ ẩm (có thể nhìn thấy nó trong bức ảnh bên dưới).
Mohs quy mô
Thang đo độ cứng Mohs là tương đối và chỉ áp dụng cho khoáng chất. Mười khoáng vật được chọn làm khoáng chất tham chiếu, được sắp xếp theo thứ tự tăng dần độ cứng (trong sơ đồ ảnh bên dưới). Theo đó, thang điểm có 10 điểm (từ 1 đến 10).
Thang đo độ cứng khoáng vật học được nhà khoa học người Đức Friedrich Moos đề xuất vào năm 1811. Tuy nhiên, nó vẫn được sử dụng trong địa chất.
Làm thế nào để xác định độ cứng của một khoáng chất cụ thể trên thang Mohs? Điều này có thể được thực hiện bằng cách kiểm tra cẩn thận vết xước do mẫu để lại. Có thể dùng móng tay, đồng xu, mảnh thủy tinh hoặc dao thép rất tiện lợi.
Vì vậy, nếukhoáng vật được thử nghiệm viết trên giấy mà không làm xước nó, thì độ cứng của nó bằng một. Nếu dùng móng tay mài đá dễ bị xước thì độ cứng của nó là 2. Ba điểm có khoáng chất dễ bị dao làm xước. Nếu bạn cần cố gắng để lại dấu vết trên đá, thì độ cứng của nó là 4 hoặc 5. Bản thân các khoáng chất có độ cứng từ 6 trở lên sẽ để lại vết xước trên lưỡi dao.
Cuối cùng…
Vậy độ cứng là gì? Đây là khả năng của một cơ thể vật chất chống lại sự phá hủy và biến dạng dưới tác dụng của các lực tiếp xúc cục bộ. Khoáng chất cứng nhất trên Trái đất được coi là kim cương, và kim loại bền nhất là iridi. Trong khoa học và công nghệ hiện đại, một số phương pháp đo độ cứng được sử dụng (theo Brinell, Rockwell, Vickers, Shore và Mohs).
