Wat is harder, graniet of marmer, nikkel of aluminium? En wat is hardheid eigenlijk? We zullen proberen deze vragen in ons artikel te beantwoorden. Een aantal buitenlandse wetenschappers hield zich bezig met het probleem van het bepalen van de hardheid van mineralen en stoffen. Onder hen zijn Albert Schor, Friedrich Moos, Johan August Brinell, William Vickers en anderen. De enige en algemeen aanvaarde methode voor het berekenen van hardheid in de wetenschap bestaat echter nog steeds niet.
Wat is hardheid?
Elk van de aan de wetenschap bekende stoffen heeft een aantal specifieke fysieke eigenschappen en kwaliteiten. In dit artikel wordt besproken wat hardheid is. Dit is het vermogen van een materiaal om weerstand te bieden aan de penetratie van een ander, duurzamer lichaam erin (bijvoorbeeld een snij- of piercinggereedschap).
De hardheid van stoffen wordt meestal gemeten in speciale eenheden - kgf/mm2 (kilogramkracht per vierkante millimeter oppervlak). Het wordt aangeduid in Latijnse letters HB, HRC of HRB, afhankelijk van de gekozen schaal.
Het hardste mineraal op aarde is diamant. Als we het hebben over materialen van kunstmatige oorsprong, dan is fulleriet de meest duurzame. Het is een moleculair kristal dat zich vormt bij hoge temperaturen (ongeveer 300 graden Celsius) en extreem hoge drukken (meer dan 90.000 atmosfeer). Volgens wetenschappers is fulleriet ongeveer anderhalf keer harder dan diamant.
Wat is hardheid?
Er zijn drie hoofdhardheidsopties:
- Surface (bepaald door de verhouding van de belasting tot het oppervlak van de afdruk).
- Projectie (de verhouding van de belasting tot het projectiegebied van de opdruk).
- Volume (verhouding laden naar afdrukvolume).
Bovendien wordt de hardheid van fysieke lichamen gemeten in vier bereiken:
- Nanohardheid (Laad minder dan 1 gf).
- Microhardheid (1 – 200 gf).
- Hardheid bij lage belasting (200 gf - 5 kgf).
- Macrohardheid (meer dan 5 kgf).
Hardheid van metalen
Van de 104 elementen van het periodiek systeem van Mendelejev zijn er 82 metalen. En het totale aantal legeringen dat de mens kent, bereikt vijfduizend! De reikwijdte van metalen in de moderne wereld is ongelooflijk breed. Dit zijn de militaire en chemische industrie, metallurgie, elektrotechniek, ruimtevaartindustrie, juwelen, scheepsbouw, medicijnen, enz.
Onder alle fysische en chemische eigenschappen van metalen is hardheid verre van de laatsterol. Ze laat immers duidelijk zien:
- mate van slijtvastheid van het metaal;
- drukweerstand;
- het vermogen om andere materialen te snijden.
De hardheid van een metaal laat onder andere zien of het op bepaalde machines kan worden verwerkt, of het gepolijst kan worden en dergelijke. Trouwens, wetenschappers hebben al lang bewezen dat de hardheid van een metaal grotendeels zijn andere mechanische eigenschappen bepa alt.
Wat is de hardheid van ijzer, koper en aluminium? En welk metaal is het hardst en het meest duurzaam?
Magnesium en aluminium behoren tot de zachtste metalen. Hun hardheidswaarden variëren binnen 5 kgf/mm2. Ongeveer twee keer zo hard - nikkel en koper (ongeveer 10 kgf/mm2). De hardheid van ijzer wordt geschat op 30 kgf/mm2. Welnu, de hardste metalen van natuurlijke oorsprong zijn titanium, osmium en iridium.
Bepaling van de hardheid: methoden, methoden en benaderingen
Hoe wordt de hardheid van een fysiek lichaam gemeten? Om dit te doen, wordt een zogenaamde indenter in het monster ingebracht. Zijn rol kan worden gespeeld door een zware metalen bal, piramide of diamanten kegel. Na het directe contacteffect van de indringer blijft er een afdruk achter op het testmonster, waarvan de grootte de hardheid van het materiaal bepa alt.
In de praktijk worden twee groepen methoden voor het meten van hardheid gebruikt:
- Dynamisch.
- Kinetisch.
In dit geval kan de uitgeoefende belasting tijdens het inbrengen van het indringlichaam in het lichaam worden uitgevoerddoor te krabben, inspringen (meestal), snijden of terugkaatsen.
Tegenwoordig zijn er verschillende benaderingen om de hardheid te bepalen:
- Rockwell;
- Brinell;
- volgens Vickers;
- by Shore;
- volgens Mohs.
Daarom zijn er een aantal verschillende schalen van hardheid van materialen, er is geen directe relatie tussen hen. Een of andere meetmethode wordt gekozen op basis van een aantal factoren (bijvoorbeeld de eigenschappen van een bepaald materiaal, de omstandigheden van het experiment, de gebruikte apparatuur, enz.). Apparaten die de hardheid van metalen of mineralen bepalen, worden gewoonlijk hardheidstesters genoemd.
Rockwell-methode
De Rockwell-hardheidswaarde wordt bepaald door de diepte van de inkeping van een diamanten kegel of metalen kogel die op het oppervlak van het teststuk is achtergebleven. Bovendien is het dimensieloos en wordt het aangeduid met de letters HR. Materialen die te zacht zijn, kunnen negatieve hardheidswaarden hebben.
De zogenaamde Rockwell-hardheidsmeter is aan het begin van de vorige eeuw uitgevonden door de Amerikanen Hugh Rockwell en Stanley Rockwell. Hoe het werkt, zie je in de volgende video. Een kritische factor voor deze methode is de dikte van het proefstuk. Het mag niet minder zijn dan tien keer de penetratiediepte van het indringlichaam in het testlichaam.
Afhankelijk van het type indringer en de toegepaste belasting, zijn er drie meetschalen. Ze worden aangeduid met drie Latijnse letters: A, B en C. De Rockwell-hardheidswaarde heeft een numerieke vorm. Bijvoorbeeld: 25,5 HRC (laatstede letter geeft de schaal aan die in de test is gebruikt).
Brinell-methode
De Brinell-hardheidswaarde wordt bepaald door de diameter van de indruk die een gehard stalen kogel op het oppervlak van het te testen metaal achterlaat. De maateenheid is kgf/mm2.
De methode werd in 1900 voorgesteld door de Zweedse ingenieur Johan August Brinell. De test wordt als volgt uitgevoerd: eerst wordt de voorbelasting van de indringer op het monster ingesteld, en pas dan - de belangrijkste. Bovendien is het materiaal onder deze belasting bestand tegen maximaal 30 seconden, waarna de indrukkingsdiepte wordt gemeten. Brinell-hardheid (aangeduid als HB) wordt berekend als de verhouding van de aangebrachte belasting tot het oppervlak van de resulterende afdruk.
Enkele hardheidswaarden voor verschillende materialen (volgens Brinell):
- Hout – 2, 6-7, 0 HB.
- Aluminium - 15 HB.
- Koper – 35 HB.
- Vloeistaal - 120 HB.
- Glas – 500 HB.
- Gereedschapsstaal - 650-700 HB.
Vickers-methode
Hardheid volgens de Vickers-methode wordt bepaald door een diamanten punt in het monster te drukken, dat de vorm heeft van een regelmatige vierhoekige piramide. Meet na het verwijderen van de belasting de twee diagonalen die op het oppervlak van het materiaal zijn gevormd en bereken het rekenkundig gemiddelde d (in millimeters).
Vickers hardheidsmeter is vrij compact (zie onderstaande foto). De test wordt uitgevoerd bij kamertemperatuur (+20 graden). De hardheidswaarde van het lichaam wordt aangegeven met de letters HV.
Shor-methode
Deze methode om hardheid te meten werd voorgesteld door de Amerikaanse uitvinder Albert Shor. Het wordt ook vaak de "rebound-methode" genoemd. Bij het meten van de Shore-hardheid wordt een spits van standaardafmetingen en massa van een bepaalde hoogte op het oppervlak van het te testen materiaal laten vallen. De belangrijkste waarde van dit experiment is de rebound-hoogte van de spits, gemeten in conventionele eenheden.
Shore-hardheid wordt gemeten in het bereik van 20 tot 140 eenheden. Honderd eenheden komt overeen met een terugslaghoogte van 13,6 mm (± 0,5 mm). Deze waarde is volgens de norm de hardheid van gehard koolstofstaal. Een modern apparaat om de hardheid van materialen volgens Shore te meten, wordt een scleroscope of durometer genoemd (te zien op de onderstaande foto).
Mohs-schaal
De hardheidsschaal van Mohs is relatief en geldt uitsluitend voor mineralen. Als referentiemineralen zijn tien mineralen geselecteerd, die gerangschikt zijn in volgorde van toenemende hardheid (in het onderstaande fotodiagram). Dienovereenkomstig heeft de schaal 10 punten (van 1 tot 10).
De mineralogische schaal van hardheid werd in 1811 voorgesteld door de Duitse wetenschapper Friedrich Moos. Niettemin wordt het nog steeds gebruikt in de geologie.
Hoe bepaal je de hardheid van een bepaald mineraal op de schaal van Mohs? Dit kan worden gedaan door de kras die door het monster is achtergelaten zorgvuldig te onderzoeken. Het is handig om een vingernagel, een koperen munt, een stuk glas of een stalen mes te gebruiken.
Dus alshet geteste mineraal schrijft op papier zonder het te krassen, dan is de hardheid gelijk aan één. Als de steen gemakkelijk met een vingernagel kan worden bekrast, is de hardheid 2. Drie punten hebben mineralen die gemakkelijk met een mes kunnen worden bekrast. Als je wat moeite moet doen om een markering op de steen achter te laten, dan is de hardheid 4 of 5. Mineralen met een hardheid van 6 of hoger laten zelf krassen op het mes achter.
Tot slot…
Dus wat is hardheid? Dit is het vermogen van een fysiek lichaam om vernietiging en vervorming te weerstaan onder invloed van lokale contactkrachten. Het hardste mineraal op aarde wordt beschouwd als diamant en het meest duurzame metaal is iridium. In de moderne wetenschap en technologie worden verschillende hardheidsmeetmethoden gebruikt (volgens Brinell, Rockwell, Vickers, Shore en Mohs).
