Manakah lebih keras, granit atau marmar, nikel atau aluminium? Dan apakah kekerasan itu? Kami akan cuba menjawab soalan-soalan ini dalam artikel kami. Sebilangan saintis asing menangani masalah menentukan kekerasan mineral dan bahan. Antaranya Albert Schor, Friedrich Moos, Johan August Brinell, William Vickers dan lain-lain. Walau bagaimanapun, satu-satunya kaedah yang diterima umum untuk mengira kekerasan dalam sains masih tidak wujud.
Apakah itu kekerasan?
Setiap bahan yang diketahui sains mempunyai beberapa sifat dan kualiti fizikal tertentu. Artikel ini akan membincangkan apa itu kekerasan. Ini ialah keupayaan bahan untuk menahan penembusan badan lain yang lebih tahan lama ke dalamnya (contohnya, alat pemotong atau menindik).
Kekerasan bahan paling kerap diukur dalam unit khas - kgf/mm2 (kilogram-daya setiap milimeter persegi luas). Ia ditetapkan dalam huruf Latin HB, HRC atau HRB, bergantung pada skala yang dipilih.
Mineral paling sukar di Bumi ialah berlian. Jika kita bercakap tentang bahan asal tiruan, maka yang paling tahan lama adalah fullerite. Ia adalah kristal molekul yang terbentuk pada suhu tinggi (kira-kira 300 darjah Celsius) dan tekanan yang sangat tinggi (lebih 90,000 atmosfera). Menurut saintis, fullerite kira-kira satu setengah kali lebih keras daripada berlian.
Apakah itu kekerasan?
Terdapat tiga pilihan kekerasan utama:
- Permukaan (ditentukan oleh nisbah beban kepada luas permukaan cetakan).
- Unjuran (nisbah beban kepada luas unjuran cetakan).
- Volume (muat kepada nisbah volum cetakan).
Selain itu, kekerasan badan fizikal diukur dalam empat julat:
- Kekerasan nano (Muatkan kurang daripada 1 gf).
- Kekerasan mikro (1 – 200 gf).
- Kekerasan pada beban rendah (200 gf - 5 kgf).
- Kekerasan makro (lebih daripada 5 kgf).
Kekerasan logam
Daripada 104 unsur sistem berkala Mendeleev, 82 adalah logam. Dan jumlah aloi yang diketahui manusia mencapai lima ribu! Skop logam dalam dunia moden adalah sangat luas. Ini ialah industri ketenteraan dan kimia, metalurgi, kejuruteraan elektrik, industri angkasa lepas, barang kemas, pembinaan kapal, perubatan, dsb.
Di antara semua ciri fizikal dan kimia logam, kekerasan adalah jauh dari yang terakhirperanan. Lagipun, dia jelas menunjukkan:
- darjah rintangan haus logam;
- rintangan tekanan;
- keupayaannya untuk memotong bahan lain.
Antara lain, kekerasan logam menunjukkan sama ada ia boleh diproses pada mesin tertentu, sama ada ia boleh digilap dan seumpamanya. Ngomong-ngomong, saintis telah lama membuktikan bahawa kekerasan logam sebahagian besarnya menentukan sifat mekanikalnya yang lain.
Apakah kekerasan besi, kuprum dan aluminium? Dan logam manakah yang paling keras dan paling tahan lama?
Magnesium dan aluminium adalah antara logam yang paling lembut. Nilai kekerasannya berbeza-beza dalam lingkungan 5 kgf/mm2. Kira-kira dua kali lebih keras - nikel dan kuprum (kira-kira 10 kgf/mm2). Kekerasan besi dianggarkan pada 30 kgf/mm2. Nah, logam paling keras asal semula jadi termasuk titanium, osmium dan iridium.
Penentuan kekerasan: kaedah, kaedah dan pendekatan
Bagaimanakah kekerasan badan fizikal diukur? Untuk melakukan ini, indentor yang dipanggil dimasukkan ke dalam sampel. Peranannya boleh dimainkan oleh bola logam tugas berat, piramid atau kon berlian. Selepas kesan sentuhan langsung indenter, kesan kekal pada sampel ujian, yang saiznya menentukan kekerasan bahan.
Dalam amalan, dua kumpulan kaedah untuk mengukur kekerasan digunakan:
- Dinamik.
- Kinetik.
Dalam kes ini, beban yang dikenakan semasa pengenalan indentor ke dalam badan boleh dijalankandengan mencakar, mengenden (paling kerap), memotong atau melantun.
Hari ini terdapat beberapa pendekatan berbeza untuk menentukan kekerasan:
- Rockwell;
- Brinell;
- menurut Vickers;
- by Shore;
- menurut Mohs.
Oleh itu, terdapat beberapa skala kekerasan bahan yang berbeza, tidak ada hubungan langsung antara mereka. Satu atau kaedah pengukuran lain dipilih berdasarkan beberapa faktor (contohnya, sifat bahan tertentu, keadaan eksperimen, peralatan yang digunakan, dll.). Peranti yang menentukan kekerasan logam atau mineral biasanya dipanggil penguji kekerasan.
Kaedah Rockwell
Nilai kekerasan Rockwell ditentukan oleh kedalaman lekukan kon berlian atau bola logam yang ditinggalkan pada permukaan kepingan ujian. Selain itu, ia tidak berdimensi dan dilambangkan dengan huruf HR. Bahan yang terlalu lembut mungkin mempunyai nilai kekerasan negatif.
Apa yang dipanggil penguji kekerasan Rockwell telah dicipta pada awal abad yang lalu oleh orang Amerika Hugh Rockwell dan Stanley Rockwell. Anda boleh melihat bagaimana ia berfungsi dalam video berikut. Faktor kritikal untuk kaedah ini ialah ketebalan spesimen ujian. Ia tidak boleh kurang daripada sepuluh kali ganda kedalaman penembusan indentor ke dalam badan ujian.
Bergantung pada jenis inden dan beban yang dikenakan, terdapat tiga skala pengukur. Mereka ditetapkan oleh tiga huruf Latin: A, B dan C. Nilai kekerasan Rockwell mempunyai bentuk berangka. Contohnya: 25.5 HRC (terakhirhuruf itu menunjukkan skala yang digunakan dalam ujian).
Kaedah Brinell
Nilai kekerasan Brinell ditentukan oleh diameter kesan yang ditinggalkan oleh bola keluli yang mengeras pada permukaan logam yang sedang diuji. Unit ukuran ialah kgf/mm2.
Kaedah ini dicadangkan pada tahun 1900 oleh jurutera Sweden Johan August Brinell. Ujian dijalankan seperti berikut: pertama, pramuat indentor pada sampel ditetapkan, dan hanya kemudian - yang utama. Selain itu, bahan di bawah beban ini boleh bertahan sehingga 30 saat, selepas itu kedalaman lekukan diukur. Kekerasan Brinell (dirujuk sebagai HB) dikira sebagai nisbah beban yang dikenakan kepada luas permukaan cetakan yang terhasil.
Beberapa nilai kekerasan untuk bahan yang berbeza (mengikut Brinell):
- Kayu – 2, 6-7, 0 HB.
- Aluminium - 15 HB.
- Tembaga – 35 HB.
- Keluli lembut - 120 HB.
- Kaca – 500 HB.
- Keluli alatan - 650-700 HB.
Kaedah Vickers
Kekerasan mengikut kaedah Vickers ditentukan dengan menekan hujung berlian ke dalam sampel, mempunyai bentuk piramid segi empat biasa. Selepas mengeluarkan beban, ukur dua pepenjuru yang terbentuk pada permukaan bahan dan hitung nilai min aritmetik d (dalam milimeter).
Penguji kekerasan Vickers agak padat (lihat gambar di bawah). Ujian dijalankan pada suhu bilik (+20 darjah). Nilai kekerasan badan ditunjukkan oleh huruf HV.
Kaedah pendek
Kaedah mengukur kekerasan ini dicadangkan oleh pencipta Amerika Albert Shor. Ia juga sering dirujuk sebagai "kaedah lantunan". Apabila mengukur kekerasan Shore, penyerang dengan saiz dan jisim standard dijatuhkan dari ketinggian tertentu ke permukaan bahan yang diuji. Nilai utama percubaan ini ialah ketinggian lantunan penyerang, diukur dalam unit konvensional.
Kekerasan pantai diukur dalam julat dari 20 hingga 140 unit. Seratus unit sepadan dengan ketinggian lantunan 13.6 mm (± 0.5 mm). Mengikut piawaian, nilai ini ialah kekerasan keluli karbon yang dikeraskan. Peranti moden untuk mengukur kekerasan bahan mengikut Shore dipanggil scleroscope atau durometer (ia boleh dilihat dalam foto di bawah).
Skala Mohs
Skala kekerasan Mohs adalah relatif dan digunakan secara eksklusif untuk mineral. Sepuluh mineral telah dipilih sebagai mineral rujukan, yang disusun mengikut urutan peningkatan kekerasan (dalam gambar rajah di bawah). Oleh itu, skala mempunyai 10 mata (dari 1 hingga 10).
Skala kekerasan mineralogi telah dicadangkan oleh saintis Jerman Friedrich Moos pada tahun 1811. Namun begitu, ia masih digunakan dalam geologi.
Bagaimana untuk menentukan kekerasan mineral tertentu pada skala Mohs? Ini boleh dilakukan dengan memeriksa dengan teliti calar yang ditinggalkan oleh sampel. Mudah untuk menggunakan kuku jari, syiling tembaga, sekeping kaca atau pisau keluli.
Jadi jikamineral yang diuji menulis di atas kertas tanpa menggarunya, maka kekerasannya adalah sama dengan satu. Jika batu itu mudah dicakar dengan kuku, kekerasannya ialah 2. Tiga titik mempunyai mineral yang mudah dicakar dengan pisau. Jika anda perlu berusaha untuk meninggalkan kesan pada batu, maka kekerasannya ialah 4 atau 5. Mineral dengan kekerasan 6 atau lebih tinggi sendiri meninggalkan calar pada bilah pisau.
Kesimpulannya…
Jadi apakah kekerasan itu? Ini adalah keupayaan badan fizikal untuk menentang kemusnahan dan ubah bentuk di bawah pengaruh daya sentuhan tempatan. Mineral paling keras di Bumi dianggap berlian, dan logam yang paling tahan lama ialah iridium. Dalam sains dan teknologi moden, beberapa kaedah pengukuran kekerasan digunakan (menurut Brinell, Rockwell, Vickers, Shore dan Mohs).
