Kumpi on kovempaa, graniitti vai marmori, nikkeli vai alumiini? Ja mikä sitten on kovuus? Yritämme vastata näihin kysymyksiin artikkelissamme. Useat ulkomaiset tutkijat käsittelivät mineraalien ja aineiden kovuuden määrittämisongelmaa. Heidän joukossaan ovat Albert Schor, Friedrich Moos, Johan August Brinell, William Vickers ja muut. Tieteessä ainoaa ja yleisesti hyväksyttyä kovuuden laskentamenetelmää ei kuitenkaan vielä ole olemassa.
Mikä on kovuus?
Jokaisella tieteen tuntemalla aineella on useita erityisiä fysikaalisia ominaisuuksia ja ominaisuuksia. Tässä artikkelissa keskustellaan siitä, mitä kovuus on. Tämä on materiaalin kykyä vastustaa toisen, kestävämmän kappaleen (esimerkiksi leikkaus- tai lävistystyökalun) tunkeutumista siihen.
Aineiden kovuus mitataan useimmiten erikoisyksiköissä - kgf/mm2 (kilo-voima pinta-alan neliömillimetriä kohti). Se on merkitty latinalaisin kirjaimin HB, HRC tai HRB valitun asteikon mukaan.
Maan kovin mineraali on timantti. Jos puhumme keinotekoisista materiaaleista, kestävin on fulleriitti. Se on molekyylikide, joka muodostuu korkeissa lämpötiloissa (noin 300 celsiusastetta) ja erittäin korkeissa paineissa (yli 90 000 ilmakehää). Tiedemiesten mukaan fulleriitti on noin puolitoista kertaa kovempaa kuin timantti.
Mikä on kovuus?
On olemassa kolme pääkovuusvaihtoehtoa:
- Pinta (määräytyy kuormituksen suhteen tulosteen pinta-alaan).
- Projektio (kuorman suhde jäljen projektioalueeseen).
- Äänenvoimakkuus (latauksen ja tulostuksen äänenvoimakkuuden suhde).
Tämän lisäksi fyysisten kappaleiden kovuus mitataan neljällä alueella:
- Nanokovuus (kuormitus alle 1 gf).
- Mikrokovuus (1 – 200 gf).
- Kovuus pienillä kuormituksilla (200 gf - 5 kgf).
- Makrokovuus (yli 5 kgf).
Metallien kovuus
Mendelejevin jaksollisen järjestelmän 104 elementistä 82 on metalleja. Ja ihmisten tuntemien metalliseosten kokonaismäärä on viisi tuhatta! Metallien valikoima nykymaailmassa on uskomattoman laaja. Näitä ovat sotilas- ja kemianteollisuus, metallurgia, sähkötekniikka, avaruusteollisuus, korut, laivanrakennus, lääketiede jne.
Metallien fysikaalisista ja kemiallisista ominaisuuksista kovuus on kaukana viimeisestärooli. Loppujen lopuksi hän osoittaa selvästi:
- metallin kulutuskestävyysaste;
- paineenkestävyys;
- sen kyky leikata muita materiaaleja.
Metallin kovuus kertoo muun muassa, voidaanko sitä työstää tietyillä koneilla, voidaanko sitä kiillottaa ja niin edelleen. Muuten, tiedemiehet ovat jo pitkään osoittaneet, että metallin kovuus määrää suurelta osin sen muut mekaaniset ominaisuudet.
Mikä on raudan, kuparin ja alumiinin kovuus? Ja mikä metalli on kovin ja kestävin?
Magnesium ja alumiini ovat pehmeimpiä metalleja. Niiden kovuusarvot vaihtelevat välillä 5 kgf/mm2. Noin kaksi kertaa kovempi - nikkeli ja kupari (noin 10 kgf/mm2). Raudan kovuuden arvioidaan olevan 30 kgf/mm2. No, kovimpia luonnollista alkuperää olevia metalleja ovat titaani, osmium ja iridium.
Kovuuden määritys: menetelmät, menetelmät ja lähestymistavat
Miten fyysisen kehon kovuus mitataan? Tätä varten näytteeseen lisätään ns. sisennys. Sen roolia voi esittää raskas metallipallo, pyramidi tai timanttikartio. Syventimen suoran kosketuksen jälkeen testinäytteeseen jää jälki, jonka koko määrää materiaalin kovuuden.
Käytännössä käytetään kahta kovuuden mittausmenetelmäryhmää:
- Dynaaminen.
- Kinetic.
Tässä tapauksessa kohdistettu kuormitus voidaan suorittaa sisennyksen sisään viemisen aikanaraaputtamalla, sisentämällä (useimmiten), leikkaamalla tai pomppimalla.
Nykyään on olemassa useita erilaisia lähestymistapoja kovuuden määrittämiseen:
- Rockwell;
- Brinell;
- Vickersin mukaan;
- rannalla;
- Mohsin mukaan.
Tästä syystä materiaalien kovuusasteikkoja on useita, eikä niiden välillä ole suoraa yhteyttä. Yksi tai toinen mittausmenetelmä valitaan useiden tekijöiden perusteella (esimerkiksi tietyn materiaalin ominaisuudet, kokeen olosuhteet, käytetyt laitteet jne.). Laitteita, jotka määrittävät metallien tai mineraalien kovuuden, kutsutaan yleisesti kovuusmittareiksi.
Rockwell-menetelmä
Rockwell-kovuusarvo määräytyy koekappaleen pintaan jätetyn timanttikartion tai metallipallon syvennyksen mukaan. Lisäksi se on mittaton ja on merkitty kirjaimilla HR. Liian pehmeillä materiaaleilla voi olla negatiiviset kovuusarvot.
Ns. Rockwell-kovuusmittarin keksivät viime vuosisadan alussa amerikkalaiset Hugh Rockwell ja Stanley Rockwell. Voit nähdä kuinka se toimii seuraavasta videosta. Kriittinen tekijä tälle menetelmälle on testinäytteen paksuus. Sen ei tulisi olla pienempi kuin kymmenen kertaa sisennyksen tunkeutumissyvyys testikappaleeseen.
Sisännän tyypistä ja käytetystä kuormituksesta riippuen käytössä on kolme mitta-asteikkoa. Ne on merkitty kolmella latinalaiskirjaimella: A, B ja C. Rockwellin kovuusarvolla on numeerinen muoto. Esimerkki: 25,5 HRC (viimeinenkirjain osoittaa testissä käytetyn asteikon).
Brinell-menetelmä
Brinell-kovuusarvo määräytyy karkaistun teräspallon testattavan metallin pintaan jättämän jäljen halkaisijan mukaan. Mittayksikkö on kgf/mm2.
Menetelmän ehdotti vuonna 1900 ruotsalainen insinööri Johan August Brinell. Testi suoritetaan seuraavasti: ensin asetetaan näytteen sisennyksen esikuormitus ja vasta sitten - pää. Lisäksi tämän kuormituksen alainen materiaali kestää jopa 30 sekuntia, minkä jälkeen mitataan painaumasyvyys. Brinell-kovuus (kutsutaan nimellä HB) lasketaan käytetyn kuormituksen suhteena tuloksena olevan painatuksen pinta-alaan.
Jotkut kovuusarvot eri materiaaleille (Brinellin mukaan):
- Puu – 2, 6-7, 0 HB.
- Alumiini – 15 HB.
- Kupari – 35 HB.
- Mieto teräs – 120 HB.
- Lasi – 500 HB.
- Työkaluteräs - 650-700 HB.
Vickersin menetelmä
Vickersin menetelmän mukainen kovuus määritetään painamalla näytteeseen timanttikärkeä, joka on säännöllisen nelikulmaisen pyramidin muotoinen. Kuorman poistamisen jälkeen mittaa materiaalin pinnalle muodostuneet kaksi diagonaalia ja laske aritmeettinen keskiarvo d (millimetreinä).
Vickersin kovuusmittari on melko kompakti (katso kuva alla). Testi suoritetaan huoneenlämmössä (+20 astetta). Kappaleen kovuusarvo ilmoitetaan kirjaimilla HV.
Lyhyt menetelmä
Tämän kovuuden mittausmenetelmän ehdotti amerikkalainen keksijä Albert Shor. Sitä kutsutaan usein myös "rebound-menetelmäksi". Shore-kovuutta mitattaessa standardikokoinen ja -massainen iskuri pudotetaan tietyltä korkeudelta testattavan materiaalin pinnalle. Tämän kokeilun avainarvo on hyökkääjän pomppimiskorkeus, mitattuna tavanomaisissa yksiköissä.
Shore-kovuus mitataan välillä 20-140 yksikköä. Sata yksikköä vastaa 13,6 mm:n (± 0,5 mm) paluukorkeutta. Standardin mukaan tämä arvo on karkaistun hiiliteräksen kovuus. Nykyaikaista laitetta materiaalien kovuuden mittaamiseen Shoren mukaan kutsutaan skleroskoopiksi tai durometriksi (näkyy alla olevasta kuvasta).
Mohsin vaaka
Mohsin kovuusasteikko on suhteellinen ja koskee ainoastaan mineraaleja. Vertailumineraaleiksi valittiin kymmenen mineraalia, jotka järjestettiin kovuuden kasvun mukaan (alla olevassa kuvakaaviossa). Vastaavasti asteikolla on 10 pistettä (1-10).
Mineralogisen kovuuden asteikon ehdotti saksalainen tiedemies Friedrich Moos jo vuonna 1811. Siitä huolimatta sitä käytetään edelleen geologiassa.
Miten määritetään tietyn mineraalin kovuus Mohsin asteikolla? Tämä voidaan tehdä tutkimalla huolellisesti näytteen jättämää naarmua. On kätevää käyttää kynttä, kuparikolikkoa, lasipalaa tai teräsveistä.
Joten jostestattu mineraali kirjoittaa paperille naarmuttamatta sitä, silloin sen kovuus on yksi. Jos kivi naarmuuntuu helposti kynsillä, sen kovuus on 2. Kolmessa pisteessä on mineraaleja, jotka naarmuuntuvat helposti veitsellä. Jos joudut ponnistelemaan jättääksesi jäljen kiveen, sen kovuus on 4 tai 5. Mineraalit, joiden kovuus on 6 tai enemmän, jättävät itse naarmuja veitsen terään.
Lopuksi…
Mitä kovuus sitten on? Tämä on fyysisen kehon kyky vastustaa tuhoa ja muodonmuutoksia paikallisten kosketusvoimien vaikutuksesta. Maapallon kovimpana mineraalina pidetään timanttia, ja kestävin metalli on iridium. Nykyaikaisessa tieteessä ja tekniikassa käytetään useita kovuuden mittausmenetelmiä (Brinell, Rockwell, Vickers, Shore ja Mohs).
