Termin „twardość” odnosi się do pojęcia technologicznego o wielu nazwach i interpretacjach. Dla metalurga twardość może być definiowana jako odporność materiału na trwałe odkształcenia, natomiast w przemyśle metalurgicznym może odnosić się do tego, jak trudno jest penetrować materiał za pomocą narzędzi. Jako termin, „twardość” jest najczęściej kojarzona z odpornością na zużycie lub pomiarami naprężeń przepływu w środowisku inżynierów. Maksymalny nacisk kontaktowy to kolejna definicja tego zwrotu. Naprężenia, czyli wytrzymałość i odporność materiałów, leżą u podstaw wszystkich tych innych cech. Twardość stali wysokogatunkowych nie jest wyjątkiem. Poniżej omówiono kilka ważnych pytań. Wyjaśnimy, czym jest twardość stali, jak się ją mierzy i wyraża oraz jak przeprowadza się najczęstsze testy.
Mówiąc najprościej, jak twardy jest dany materiał?
Twardość materiału wskazuje, jak dobrze jest on odporny na trwałe lokalne odkształcenia. Istnieje wiele skal twardości, ponieważ różne materiały wymagają unikalnych technik pomiarowych.
Skala Mohsa jest jedną z najbardziej tradycyjnych metod określania twardości materiału. Istnieje rodzina porównywalnych skal, która obejmuje 10-punktową skalę twardości. Odporność badanego materiału na zarysowania jest porównywana z odpornością stopniowo twardszych materiałów w celu określenia przybliżonej wartości twardości. Metoda Mosh nie jest obecnie powszechnie stosowana ze względu na znaczenie szacowania twardości.
Obecnie istnieją trzy metody stosowane do badania twardości statycznej materiałów konstrukcyjnych:
Skala Vickersa (HV) i Rockwella (HR) oraz skala Brinella (HB).
Jak mogę stwierdzić, że coś jest twarde?
Techniki oceny twardości stali
Do oceny twardości stali stosuje się wiele skal i przyrządów. We wczesnych technikach normą było zarysowanie. Testowanie twardości metodą zarysowania, podobnie jak testowanie twardości metodą wgłębiania, polegało na nakłuwaniu powierzchni materiału w miejscu badania. Francuski fizyk i przyrodnik Rene Reaumur przeprowadził w XVIII wieku badania wytrzymałości metali na rozciąganie, co czyni go jednym z najwcześniejszych zwolenników tej techniki.
Metoda stworzona przez szwedzkiego inżyniera Johana Brinella około 1900 roku była prawdziwym przełomem w dziedzinie badania twardości stali. Kulka z karbidu o znanej średnicy jest używana do wywierania stałego obciążenia podczas badania. Po upływie określonego czasu, kulka ta zostaje usunięta z gry. Następnie, za pomocą mikroskopu lub systemu optycznego Brinella, mierzone są co najmniej dwie średnice powstałego odcisku. testy przeprowadzane są zazwyczaj pod kątem prostym, a wyniki uśredniane i podawane jako wartość twardości (HB).
Bardziej aktualna jest jednak metoda Rockwella, która została opracowana w 1914 roku. Amerykańscy inżynierowie opracowali własny tester twardości i zastosowali replikę stożka diamentowego o ściśle określonych wymiarach. Dzięki tej strategii proces jest szybki i prosty w realizacji.
Jak bardzo twardy jest diament, jeśli w ogóle?
Nowe badania pokazują jednak, że tak NIE jest. Dlaczego więc diament znalazł się na pierwszym miejscu naszej listy? To wymaga dalszych wyjaśnień. Należy pamiętać, że karbin jest bardzo specyficzną substancją, o której tutaj mówimy. Badania naukowe wykazały, że jego twardość może przekraczać twardość diamentu o współczynnik 10. Czym więc jest to karbinium, o którym wszyscy mówią?
Podsumowując, jest to forma węgla charakteryzująca się długimi łańcuchami atomów połączonych wiązaniami pojedynczymi i potrójnymi. Ta forma jest najtwardszą substancją, jaką kiedykolwiek odkryto, nawet bardziej niż grafen. Karbin, podobnie jak grafen, ma grubość tylko jednego atomu.
Odpowiada to nieproporcjonalnie dużej powierzchni do jego całkowitej masy. Według szacunków naukowców jeden gram karbinu pokryłby pięć kortów tenisowych. Nie mamy jeszcze środków na masową produkcję tego materiału. Do tej pory udało się wyprodukować jedynie śladowe ilości tego rodzaju węgla. Dlatego też karbinium nie znalazło się na naszej liście dziesięciu najtwardszych substancji na Ziemi.
Najtwardsza skała Ziemi
Zazwyczaj minerały są klasyfikowane według tego, jak łatwo zarysowują standardowy minerał odniesienia. Diament, najtwardszy minerał, jest również najtwardszą substancją naturalną. Jego nazwa, która pochodzi od starożytnego greckiego adamantos i łacińskiego diamondum, jest odniesieniem do jego niesamowitej twardości. Skala Mosha ma charakter zarówno porównawczy, jak i poglądowy. Każdy minerał z kolei rysuje ten przed nim i jest z kolei rysowany przez ten po nim. Twardość minerałów jest cechą kierunkową. W związku z tym może mieć różne wartości w różnych kierunkach; np. wzdłuż osi kryształu będzie się sumować do jednego, ale w drugą stronę może wzrosnąć o kilka punktów.
W porównaniu do innych materiałów, diamenty są niezwykle twarde.
Skala twardości Mohsa sięga do 10, z diamentem na samym szczycie. Ma on doskonałą wartość 1600 w skali Mohsa. Tak więc tylko inny diament może zarysować ten minerał. Pomimo swojej ogromnej twardości, jest on dość kruchy. Diament jest alotropową formą węgla, która ma unikalną strukturę atomową. Występują one w zestawach po trzy na każdej płaszczyźnie w normalnym graficie. Każdy atom w diamencie jest związany z czterema innymi, tworząc strukturę krystaliczną. Zwiększona odporność tego minerału wynika z jego wysoce uporządkowanej i przestrzennie rozmieszczonej struktury sieciowej. Dawniej uważano, że lonsdaleit, minerał odkryty w meteorytach, jest jeszcze twardszy niż diament. Teraz jednak wiemy, że jest to tylko jeden rodzaj diamentu spośród wielu. Za zmienioną strukturę atomową odpowiada ogromne ciśnienie, które powstaje podczas zderzenia meteorytu z Ziemią.
Drugi po diamencie najtwardszy minerał na świecie
Korund jest drugim po diamencie najtwardszym minerałem (9). Posiada on bezwzględną twardość Mosh na poziomie 400. Diament zeskrobuje ten minerał, ale może przeciąć szkło. Topaz, który ma miększą twardość 8, może być zarysowany tylko przez najtwardszy z materiałów, szkło. Ten materiał ma twardość bezwzględną 200. Twardość kwarcu (7) sprawia, że jest on trudniejszym materiałem do zarysowania szkła. Maksymalna twardość bezwzględna wynosi 100. Po skaleniach ortoklaz jest kolejną najtwardszą skałą (6). Stal narzędziowa w pilniku może zarysować ten minerał. Przy twardości 72 w skali Mohsa ortoklaz jest minerałem nieco miękkim. Apatyt o twardości 5 może być zarysowany ostrzem noża, choć nie bez wysiłku. Twardość bezwzględną osiąga na poziomie 48. Fluoryt to kolejny inny minerał (4). Nawet nóż ma problemy z zarysowaniem tego materiału, którego twardość bezwzględna wynosi zaledwie 21. Jako przykład miękkiej skały, kalcyt (3) można zeskrobać miedzianym drutem. Ma on 9 w skali mohsa, która mierzy twardość względną. Możliwe jest zarysowanie gipsu (2) paznokciem. Ma on twardość 2 w skali Mohsa. Talk, w skali Mohsa, ma najniższą twardość (1). Ma niską twardość bezwzględną 1, dlatego paznokieć może go z łatwością zarysować.
Co dokładnie można zrobić, aby rozbić diament?
Powszechnie wiadomo, że diament jest najtwardszym minerałem. Istnieją jednak metody, które można wykorzystać do rozbicia diamentu. Po pierwsze, diament jest kruchy, można go złamać uderzając go młotkiem na płaskiej powierzchni. Lekki stuk nie zrobi sztuczki, trzeba będzie rozbić go dość mocno, ale to nadal jest osiągalne i proste zadanie. Spalanie diamentu jest bardziej wymagające, ale wciąż wykonalne. Zapala się w około 800 stopni Fahrenheita, a jeśli ogrzewane dalej w kontakcie z tlenem przez cały czas, to zniknie w około 1000 stopni.
Przeczytaj również: Rozdzielność majątkowa a wspólne konto
