Шкала твердости - удивительный и полезный инструмент для определения свойств материалов. Давайте разберемся, что это такое и почему важно знать твердость веществ.
Что такое шкала твердости и зачем она нужна
Шкала твердости - это система для измерения относительной твердости различных материалов. Она позволяет сравнивать твердость минералов, металлов, пластмасс и других веществ.
Впервые шкала твердости была предложена в 1812 году немецким минералогом Фридрихом Моосом для классификации и определения минералов. С тех пор она широко используется в науке и промышленности.
Знание твердости материалов важно для:
- Подбора оптимальных материалов в конструировании
- Оценки обрабатываемости металлов резанием
- Прогнозирования износостойкости деталей
Например, из сплавов с высокой твердостью делают режущий инструмент, а детали, работающие на трение, из материалов со средними значениями твердости.
Типы шкал твердости
Существует несколько разных шкал для оценки твердости:
- Шкала Мооса
- Шкалы Роквелла, Виккерса, Бринелля
Шкала Мооса
Шкала твердости Мооса - относительная шкала, основанная на сравнении с эталонными минералами от 1 до 10 по возрастающей твердости.
Ее достоинства:
- Простота определения твердости методом царапания
- Удобство использования в полевых условиях
Недостатки шкалы Мооса:
- Приблизительность результатов
- Сложность сопоставления с другими шкалами твердости
Другие шкалы твердости
Шкалы Роквелла, Виккерса, Бринелля основаны на измерении глубины внедрения индентора в испытуемый материал. Результаты измерений переводятся в единую систему - твердость по Бринеллю.
Преимущества этих методов:
- Бóльшая точность
- Возможность автоматизации измерений
Сравнительные таблицы значений твердости
Для удобства сопоставления показаний твердости по разным шкалам используют переводные таблицы. Например:
| Твердость по Бринеллю | 500 | 450 | 400 |
| Твердость по Роквеллу | 52 | 48 | 45 |
Однако прямое сравнение твердости по разным шкалам не всегда корректно из-за различий в методиках испытаний.
Как определить твердость на практике
Рассмотрим определение твердости на примере шкалы твердости Мооса.
В качестве эталонов используют 10 минералов от талька до алмаза. Их принято наносить на острие из твердого металла, которым затем производят царапание:
- Тальк - 1 балл твердости
- Гипс - 2 балла
- ...
- Алмаз - 10 баллов (самый твердый)
Чтобы определить твердость сахара по шкале твердости, нужно взять такое острие и поцарапать им сахар.
Какова твердость по относительной шкале твердости
Поскольку сахар легко царапается ногтем или медной монетой, его твердость по шкале Мооса будет около 2-2.5 баллов.
Для более точного определения испытание надо проводить на нескольких эталонах, выбирая самый твердый, царапающий сахар, и самый мягкий, который сахар царапает.
Твердость различных материалов
Вот типичные значения твердости некоторых веществ по шкале Мооса:
- Тальк - 1
- Сахар - 2-2.5
- Стекло - 5
- Железо - 4-5
- Кварц - 7
Зависимость твердости от структуры материалов
На примере железа хорошо видно, как твердость зависит от внутреннего строения вещества.
У чистого железа относительно невысокая твердость 4-4.5. Но в составе стали, где атомы углерода и примесей размещаются в кристаллической решетке железа, твердость может доходить до 7 баллов.
Влияние твердости на другие свойства материалов
Твердость важна не сама по себе, а в связи с другими характеристиками.
Чем выше твердость, тем, как правило:
- Выше прочность на сжатие
- Ниже пластичность
- Хуже обрабатываемость резанием
Поэтому для изготовления режущего инструмента нужны очень твердые, но хрупкие материалы вроде карбидов вольфрама (до 9 по шкале твердости).
Как твердость влияет на износ деталей
От твердости зависит стойкость к абразивному изнашиванию, когда материал стирается твердыми частицами.
Например, у примесей в стали твердость выше, чем у основного металла. Поэтому они выступают над поверхностью и играют роль абразивного материала.
Расчет предела прочности по твердости
Для прикидочных расчетов используют эмпирическую зависимость между твердостью по Бринеллю HB и временным сопротивлением разрыву σв:
σв ≈ 3,5 ∙ HB
Ограничения шкалы твердости Мооса
Несмотря на широкое распространение, у шкалы Мооса есть существенные ограничения:
- Относительный характер показаний. Например, алмаз в 2 раза тверже корунда, хотя оба имеют максимальную твердость по шкале Мооса.
- Субъективность результатов из-за влияния оператора при царапании.
- Погрешности измерения до ±1 балла. Точное значение твердости определить невозможно.
Современные методы замера твердости
Для преодоления недостатков шкалы Мооса разработаны точные лабораторные методы.
Они основаны на автоматическом вдавливании алмазного наконечника (индентора) в материал и измерении размеров отпечатка.
Перспективы создания универсальной шкалы
В будущем возможно создание единой шкалы твердости, объединяющей достоинства существующих подходов:
- Высокая точность измерений
- Автоматизация процесса
- Удобство сравнения твердости разных классов материалов
Нанотвердость - метод будущего
Активно развивается метод наноиндентирования - измерения твердости сверхмалыми нагрузками с помощью алмазных наконечников размером до 100 нм.
Это позволяет исследовать механические свойства отдельных наноструктур и даже отдельных зерен в металлах.
Компьютерное моделирование процессов царапания
Для изучения процессов взаимодействия индентора с материалом при царапании используют методы компьютерного моделирования.
Это дает возможность оптимизировать форму индентора и силу вдавливания для конкретных задач.
Шкала Мооса в минералогии и геммологии
Несмотря на появление новых методов, шкала Мооса до сих пор широко используется в минералогии, а также при идентификации и оценке драгоценных камней.
Ее простота и оперативность часто перевешивают недостаток точности.
Развитие шкалы Мооса
Существуют модификации шкалы Мооса с расширением количества эталонов до 15 и 30 для более детального разбиения диапазона твердостей.
Также есть шкалы, адаптированные для измерения твердости пластмасс с другими эталонными материалами.
Твердость композитных материалов
Определение твердости композитов, сочетающих разнородные компоненты, представляет определенную сложность.
Например, для фибергласа характерна анизотропия - различия в твердости в разных направлениях из-за ориентации волокон.
Влияние температуры на твердость
Многие материалы демонстрируют зависимость твердости от температуры.
К примеру, твердость сталей повышается после закалки и резко понижается при нагреве выше определенной критической температуры.
Твердость материалов в экстремальных условиях
Актуально исследование поведение твердости при высоких давлениях, например внутри планет, или при сверхнизких температурах.
Полученные закономерности важны для создания новых материалов, работающих в экстремальных условиях.
Региональные шкалы твердости горных пород
В геологии при геофизических работах используют региональные шкалы твердости горных пород, учитывающие местную специфику строения недр.
Это позволяет точнее сопоставлять данные в пределах одного месторождения.
