מה יותר קשה, גרניט או שיש, ניקל או אלומיניום? ומהי בכלל קשיות? ננסה לענות על שאלות אלו במאמר שלנו. מספר מדענים זרים עסקו בבעיית קביעת הקשיות של מינרלים וחומרים. ביניהם אלברט שור, פרידריך מוס, יוהאן אוגוסט ברינל, וויליאם ויקרס ואחרים. עם זאת, השיטה היחידה והמקובלת לחישוב קשיות במדע עדיין לא קיימת.
מה זה קשיות?
לכל אחד מהחומרים המוכרים למדע יש מספר תכונות ואיכויות פיזיקליות ספציפיות. מאמר זה ידון מהי קשיות. זוהי היכולת של חומר להתנגד לחדירת גוף אחר ועמיד יותר לתוכו (לדוגמה, כלי חיתוך או פירסינג).
קשיות החומרים נמדדת לרוב ביחידות מיוחדות - kgf/mm2 (כוח קילוגרם למילימטר מרובע של שטח). הוא מסומן באותיות לטיניות HB, HRC או HRB, בהתאם לסולם הנבחר.
המינרל הקשה ביותר על פני כדור הארץ הוא יהלום. אם אנחנו מדברים על חומרים ממקור מלאכותי, אז העמיד ביותר הוא פולריט. זהו גביש מולקולרי שנוצר בטמפרטורות גבוהות (כ-300 מעלות צלזיוס) ובלחצים גבוהים במיוחד (מעל 90,000 אטמוספרות). לפי מדענים, פולריט קשה פי אחד וחצי בערך מיהלום.
מה זה קשיות?
יש שלוש אפשרויות קשיות עיקריות:
- משטח (נקבע על פי היחס בין העומס לשטח הפנים של ההדפסה).
- השלכה (היחס בין העומס לאזור ההקרנה של ההטבעה).
- נפח (יחס נפח טען להדפסה).
מלבד זה, הקשיות של גופים פיזיים נמדדת בארבעה טווחים:
- Nanohardness (טעינה פחות מ-1 gf).
- Microhardness (1 – 200 gf).
- קשיות בעומסים נמוכים (200 gf - 5 kgf).
- Macrohardness (יותר מ-5 kgf).
קשיות מתכות
מתוך 104 יסודות במערכת המחזורית של מנדלייב, 82 הם מתכות. ומספר הסגסוגות הכולל הידוע לאדם מגיע לחמשת אלפים! היקף המתכות בעולם המודרני הוא רחב להפליא. אלו הן התעשיות הצבאיות והכימיות, מתכות, הנדסת חשמל, תעשיית החלל, תכשיטים, בניית ספינות, רפואה וכו'.
בין כל המאפיינים הפיזיקליים והכימיים של מתכות, הקשיות רחוקה מהאחרונהתַפְקִיד. אחרי הכל, היא מדגימה בבירור:
- דרגת עמידות בפני שחיקה של המתכת;
- התנגדות ללחץ;
- היכולת שלה לחתוך חומרים אחרים.
בין היתר, קשיות מתכת מראה האם ניתן לעבד אותה במכונות מסוימות, האם ניתן ללטש אותה וכדומה. אגב, מדענים הוכיחו מזמן שהקשיות של מתכת קובעת במידה רבה את התכונות המכניות האחרות שלה.
מהי הקשיות של ברזל, נחושת ואלומיניום? ואיזו מתכת היא הקשה והעמידה ביותר?
מגנזיום ואלומיניום הם בין המתכות הרכות ביותר. ערכי הקשיות שלהם משתנים בתוך 5 kgf/mm2. קשה פי שניים בערך - ניקל ונחושת (כ-10 ק"ג/מ"מ2). קשיות הברזל מוערכת ב-30 kgf/mm2. ובכן, המתכות הקשות ביותר ממקור טבעי כוללות טיטניום, אוסמיום ואירידיום.
קביעת קשיות: שיטות, שיטות וגישות
איך נמדדת הקשיות של גוף פיזי? לשם כך, מה שנקרא איננטר מוכנס לתוך המדגם. את תפקידו יכול למלא כדור מתכת כבד, פירמידה או חרוט יהלום. לאחר השפעת המגע הישיר של המכנס, נשארת טביעה על דגימת הבדיקה, שגודלה קובע את קשיות החומר.
בפועל, נעשה שימוש בשתי קבוצות של שיטות למדידת קשיות:
- Dynamic.
- Kinetic.
במקרה זה, ניתן לבצע את העומס המופעל במהלך החדרת המכנס לגוףעל ידי גירוד, הזחה (לרוב), חיתוך או חזרה.
היום ישנן מספר גישות שונות לקביעת קשיות:
- Rockwell;
- Brinell;
- לפי Vickers;
- by Shore;
- לפי Mohs.
בהתאם לכך, ישנם מספר סולמות קשיות שונים של חומרים, אין קשר ישיר ביניהם. שיטת מדידה כזו או אחרת נבחרת על סמך מספר גורמים (למשל תכונות של חומר מסוים, תנאי הניסוי, הציוד בו נעשה שימוש וכו'). התקנים הקובעים את הקשיות של מתכות או מינרלים נקראים בדרך כלל בודקי קשיות.
שיטת רוקוול
ערך הקשיות של Rockwell נקבע על פי עומק השקע של חרוט יהלום או כדור מתכת שנותר על פני השטח של חתיכת הבדיקה. יתר על כן, הוא חסר מימד ומסומן באותיות HR. חומרים רכים מדי עשויים להיות בעלי ערכי קשיות שליליים.
מה שנקרא בודק קשיות רוקוול הומצא בתחילת המאה הקודמת על ידי האמריקנים יו רוקוול וסטנלי רוקוול. אתה יכול לראות איך זה עובד בסרטון הבא. גורם קריטי לשיטה זו הוא עובי דגימת הבדיקה. זה לא צריך להיות פחות מפי עשרה מעומק החדירה של השקע לתוך גוף הבדיקה.
בהתאם לסוג ההזחה והעומס המופעל, ישנם שלושה סולמות מדידה. הם מסומנים על ידי שלוש אותיות לטיניות: A, B ו-C. לערך הקשיות של Rockwell יש צורה מספרית. לדוגמה: 25.5 HRC (אחרוןהאות מציינת את הסולם ששימש במבחן).
שיטת ברינל
ערך הקשיות של Brinell נקבע על פי קוטר הרושם שהותיר כדור פלדה מוקשה על פני המתכת הנבדקת. יחידת המידה היא kgf/mm2.
השיטה הוצעה בשנת 1900 על ידי המהנדס השבדי יוהאן אוגוסט ברינל. הבדיקה מתבצעת כדלקמן: ראשית, הטעינה המוקדמת של ה-indenter על המדגם נקבעת, ורק לאחר מכן - העיקרית. יתר על כן, החומר תחת עומס זה יכול לעמוד עד 30 שניות, ולאחר מכן נמדד עומק ההזחה. קשיות ברינל (המכונה HB) מחושבת כיחס בין העומס המופעל לשטח הפנים של ההדפסה המתקבלת.
כמה ערכי קשיות של חומרים שונים (לפי ברינל):
- Wood – 2, 6-7, 0 HB.
- אלומיניום - 15 HB.
- Copper – 35 HB.
- פלדה עדינה - 120 HB.
- זכוכית – 500 HB.
- פלדת כלי עבודה - 650-700 HB.
שיטת ויקרס
קשיות לפי שיטת ויקרס נקבעת על ידי לחיצת קצה יהלום לתוך המדגם, בעל צורה של פירמידה מרובעת רגילה. לאחר הסרת העומס, מדוד את שני האלכסונים שנוצרו על פני החומר וחשב את הערך הממוצע האריתמטי d (במילימטרים).
בודק הקשיות של Vickers הוא די קומפקטי (ראה תמונה למטה). הבדיקה מתבצעת בטמפרטורת החדר (+20 מעלות). ערך הקשיות של הגוף מצוין באותיות HV.
שיטת שור
שיטה זו למדידת קשיות הוצעה על ידי הממציא האמריקאי אלברט שור. זה מכונה לעתים קרובות גם "שיטת הריבאונד". בעת מדידת קשיות Shore, מטה בגודל ובמסה סטנדרטיים נשמט מגובה מסוים על פני החומר הנבדק. ערך המפתח של ניסוי זה הוא גובה הריבאונד של החלוץ, הנמדד ביחידות קונבנציונליות.
קשיות החוף נמדדת בטווח שבין 20 ל-140 יחידות. מאה יחידות תואמות לגובה ריבאונד של 13.6 מ"מ (± 0.5 מ"מ). על פי התקן, ערך זה הוא הקשיות של פלדת פחמן מוקשה. מכשיר חדיש למדידת קשיות חומרים לפי שור נקרא סקלרוסקופ או דורומטר (ניתן לראות אותו בתמונה למטה).
סולם Mohs
סולם הקשיות של Mohs הוא יחסי ומתייחס אך ורק למינרלים. כמינרלי ייחוס נבחרו עשרה מינרלים, אשר היו מסודרים לפי סדר הגדלת הקשיות (בתרשים התמונה למטה). בהתאם, לסולם יש 10 נקודות (מ-1 עד 10).
הסקאלה המינרלוגית של קשיות הוצעה על ידי המדען הגרמני פרידריך מוס עוד ב-1811. עם זאת, הוא עדיין בשימוש בגיאולוגיה.
איך לקבוע את הקשיות של מינרל מסוים בסולם Mohs? ניתן לעשות זאת על ידי בדיקה קפדנית של השריטה שהותירה המדגם. נוח להשתמש בציפורן, מטבע נחושת, חתיכת זכוכית או סכין פלדה.
אז אםהמינרל הנבדק כותב על נייר מבלי לשרוט אותו, ואז הקשיות שלו שווה לאחד. אם האבן נשרטת בקלות עם ציפורן, הקשיות שלה היא 2. בשלוש נקודות יש מינרלים שנגרטים בקלות בסכין. אם אתה צריך להתאמץ כדי להשאיר סימן על האבן, אז הקשיות שלה היא 4 או 5. מינרלים עם קשיות של 6 ומעלה בעצמם משאירים שריטות על להב הסכין.
לסיכום…
אז מהי קשיות? זוהי היכולת של גוף פיזי להתנגד להרס ועיוות בהשפעת כוחות מגע מקומיים. המינרל הקשה ביותר על פני כדור הארץ נחשב ליהלום, והמתכת העמידה ביותר היא אירידיום. במדע ובטכנולוגיה המודרניים, נעשה שימוש במספר שיטות מדידת קשיות (על פי Brinell, Rockwell, Vickers, Shore ו-Mohs).
