Kas kietesnis, granitas ar marmuras, nikelis ar aliuminis? O kas išvis yra kietumas? Į šiuos klausimus pabandysime atsakyti savo straipsnyje. Nemažai užsienio mokslininkų sprendė mineralų ir medžiagų kietumo nustatymo problemą. Tarp jų – Albertas Schoras, Friedrichas Moosas, Johanas Augustas Brinellas, Williamas Vickersas ir kt. Tačiau vienintelis ir visuotinai priimtas kietumo skaičiavimo metodas moksle vis dar neegzistuoja.
Kas yra kietumas?
Kiekviena iš mokslui žinomų medžiagų turi tam tikrų specifinių fizinių savybių ir savybių. Šiame straipsnyje aptarsime, kas yra kietumas. Tai medžiagos gebėjimas atsispirti kito, patvaresnio kūno (pavyzdžiui, pjovimo ar pradurimo įrankio) įsiskverbimui į ją.
Medžiagų kietumas dažniausiai matuojamas specialiais vienetais – kgf/mm2 (kilogramas-jėga kvadratiniam ploto milimetrui). Jis žymimas lotyniškomis raidėmis HB, HRC arba HRB, priklausomai nuo pasirinktos skalės.
Kiečiausias mineralas Žemėje yra deimantas. Jei kalbėsime apie dirbtinės kilmės medžiagas, tai patvariausias yra fulleritas. Tai molekulinis kristalas, susidarantis esant aukštai temperatūrai (apie 300 laipsnių Celsijaus) ir itin aukštam slėgiui (per 90 000 atmosferų). Pasak mokslininkų, fulleritas yra maždaug pusantro karto kietesnis už deimantą.
Kas yra kietumas?
Yra trys pagrindinės kietumo parinktys:
- Paviršius (nustatomas pagal apkrovos ir spaudinio paviršiaus ploto santykį).
- Projekcija (apkrovos ir atspaudo projekcijos ploto santykis).
- Tūris (įkrovos ir spausdinimo apimties santykis).
Be to, fizinių kūnų kietumas matuojamas keturiais diapazonais:
- Nanokietumas (apkrova mažiau nei 1 gf).
- Mikrokietumas (1–200 gf).
- Kietumas esant mažoms apkrovoms (200 gf – 5 kgf).
- Makrokietumas (daugiau nei 5 kgf).
Metalų kietumas
Iš 104 Mendelejevo periodinės sistemos elementų 82 yra metalai. O bendras žmogui žinomų lydinių skaičius siekia penkis tūkstančius! Metalų taikymo sritis šiuolaikiniame pasaulyje yra neįtikėtinai plati. Tai karinė ir chemijos pramonė, metalurgija, elektrotechnika, kosmoso pramonė, juvelyriniai dirbiniai, laivų statyba, medicina ir kt.
Tarp visų metalų fizinių ir cheminių savybių kietumas toli gražu nėra paskutinisvaidmenį. Juk ji aiškiai parodo:
- metalo atsparumo dilimui laipsnis;
- atsparumas slėgiui;
- sugebėjimas pjaustyti kitas medžiagas.
Be kita ko, metalo kietumas parodo, ar jį galima apdoroti tam tikromis staklėmis, ar galima poliruoti ir panašiai. Beje, mokslininkai jau seniai įrodė, kad metalo kietumas daugiausia lemia kitas jo mechanines savybes.
Koks geležies, vario ir aliuminio kietumas? O kuris metalas yra kiečiausias ir patvariausias?
Magnis ir aliuminis yra vieni minkštiausių metalų. Jų kietumo vertės skiriasi 5 kgf/mm2. Maždaug dvigubai kietesnis – nikelis ir varis (apie 10 kgf/mm2). Geležies kietumas įvertintas 30 kgf/mm2. Na, o kiečiausi natūralios kilmės metalai yra titanas, osmis ir iridis.
Kietumo nustatymas: metodai, metodai ir metodai
Kaip matuojamas fizinio kūno kietumas? Norėdami tai padaryti, į mėginį įvedamas vadinamasis įtraukiklis. Jo vaidmenį gali atlikti tvirtas metalinis rutulys, piramidė ar deimantinis kūgis. Po tiesioginio kontaktinio įdubimo poveikio ant bandinio lieka įspaudas, kurio dydis lemia medžiagos kietumą.
Praktikoje naudojamos dvi kietumo matavimo metodų grupės:
- Dinamiska.
- Kinetic.
Šiuo atveju gali būti atlikta apkrova, įvedant įdubą į kūnąsubraižyti, įtraukiant (dažniausiai), pjaunant ar atšokant.
Šiandien yra keli skirtingi kietumo nustatymo būdai:
- Rockwell;
- Brinell;
- pagal Vickersą;
- prie kranto;
- pagal Mosą.
Atitinkamai, yra daugybė skirtingų medžiagų kietumo skalių, tarp jų nėra tiesioginio ryšio. Vienas ar kitas matavimo būdas pasirenkamas atsižvelgiant į daugybę faktorių (pavyzdžiui, konkrečios medžiagos savybes, eksperimento sąlygas, naudojamą įrangą ir pan.). Įtaisai, nustatantys metalų ar mineralų kietumą, paprastai vadinami kietumo tikrintuvais.
Rockwell metodas
Rokvelo kietumo vertė nustatoma pagal deimantinio kūgio arba metalinio rutulio, likusio ant bandinio paviršiaus, įdubimo gylį. Be to, jis yra be matmenų ir žymimas raidėmis HR. Per minkštos medžiagos gali turėti neigiamas kietumo vertes.
Vadinamasis Rockwell kietumo matuoklis buvo išrastas praėjusio amžiaus pradžioje amerikiečių Hugh Rockwell ir Stanley Rockwell. Kaip tai veikia, galite pamatyti kitame vaizdo įraše. Svarbus šio metodo veiksnys yra bandinio storis. Jis neturėtų būti mažesnis nei dešimt kartų didesnis už įpjovos įsiskverbimo į bandomąjį korpusą gylį.
Priklausomai nuo įtraukos tipo ir taikomos apkrovos, yra trys matavimo skalės. Jie žymimi trimis lotyniškomis raidėmis: A, B ir C. Rokvelo kietumo reikšmė turi skaitinę formą. Pavyzdžiui: 25,5 HRC (paskutinisraidė nurodo skalę, kuri buvo naudojama teste).
Brinelio metodas
Brinelio kietumo vertė nustatoma pagal įspaudo, kurį ant bandomojo metalo paviršiaus palieka grūdintas plieninis rutulys, skersmenį. Matavimo vienetas yra kgf/mm2.
Metodą 1900 m. pasiūlė švedų inžinierius Johanas Augustas Brinelis. Bandymas atliekamas taip: pirmiausia nustatoma mėginio įtraukos išankstinė apkrova, o tik tada - pagrindinė. Be to, medžiaga, veikiama šia apkrova, gali atlaikyti iki 30 sekundžių, po kurios matuojamas įdubimo gylis. Brinelio kietumas (vadinamas HB) apskaičiuojamas kaip taikomos apkrovos ir gauto atspaudo paviršiaus ploto santykis.
Kai kurios kietumo vertės skirtingoms medžiagoms (pagal Brinell):
- Mediena – 2, 6–7, 0 HB.
- Aliuminis – 15 HB.
- Varis – 35 HB.
- Švelnus plienas – 120 HB.
- Stiklas – 500 HB.
- Įrankių plienas – 650–700 HB.
Vickers metodas
Kietumas pagal Vickers metodą nustatomas įspaudžiant deimantinį antgalį, turintį taisyklingos keturkampės piramidės formą. Nuėmę apkrovą, išmatuokite dvi įstrižaines, susidariusias ant medžiagos paviršiaus ir apskaičiuokite aritmetinį vidurkį d (milimetrais).
Vickers kietumo testeris yra gana kompaktiškas (žr. nuotrauką žemiau). Bandymas atliekamas kambario temperatūroje (+20 laipsnių). Kėbulo kietumo vertė žymima raidėmis HV.
Trumpasis metodas
Šį kietumo matavimo metodą pasiūlė amerikiečių išradėjas Albertas Šoras. Jis taip pat dažnai vadinamas „atsimušimo metodu“. Matuojant Šoro kietumą, iš tam tikro aukščio ant bandomos medžiagos paviršiaus nuleidžiamas standartinio dydžio ir masės smogtuvas. Pagrindinė šio eksperimento vertė yra puolėjo atšokimo aukštis, matuojamas įprastais vienetais.
Shore kietumas matuojamas nuo 20 iki 140 vienetų. Šimtas vienetų atitinka 13,6 mm (± 0,5 mm) atšokimo aukštį. Pagal standartą ši vertė yra grūdinto anglinio plieno kietumas. Šiuolaikinis medžiagų kietumo matavimo prietaisas pagal Šorą vadinamas skleroskopu arba durometru (jis matomas toliau esančioje nuotraukoje).
Moso skalė
Moho kietumo skalė yra santykinė ir taikoma tik mineralams. Kaip etaloniniai mineralai buvo atrinkti dešimt mineralų, kurie buvo išdėstyti didėjančio kietumo tvarka (žemiau esančioje nuotraukų diagramoje). Atitinkamai, skalė turi 10 balų (nuo 1 iki 10).
Mineralinę kietumo skalę pasiūlė vokiečių mokslininkas Friedrichas Moosas dar 1811 m. Nepaisant to, jis vis dar naudojamas geologijoje.
Kaip nustatyti konkretaus mineralo kietumą pagal Moso skalę? Tai galima padaryti atidžiai ištyrus mėginio paliktą įbrėžimą. Patogu naudoti nagą, varinę monetą, stiklo gabalėlį ar plieninį peilį.
Taigi, jeibandytas mineralas rašo ant popieriaus jo nebraižydamas, tada jo kietumas lygus vienetui. Jei akmuo lengvai subraižomas nagu, jo kietumas – 2. Trys taškai turi mineralų, kurie lengvai subraižomi peiliu. Jei reikia šiek tiek pasistengti, kad paliktumėte žymę ant akmens, tada jo kietumas yra 4 arba 5. Mineralai, kurių kietumas 6 ar didesnis, patys įbrėžia peilio ašmenis.
Baigiant…
Taigi, kas yra kietumas? Tai fizinio kūno gebėjimas atsispirti sunaikinimui ir deformacijai, veikiant vietinėms kontaktinėms jėgoms. Kiečiausiu mineralu Žemėje laikomas deimantas, o patvariausiu metalu – iridis. Šiuolaikiniame moksle ir technologijose naudojami keli kietumo matavimo metodai (pagal Brinell, Rockwell, Vickers, Shore ir Mohs).
