Твердость стали по Моосу

Содержание

Шкала твёрдости минералов: определение прочности по Моосу

Твердость стали по Моосу

Шкала твердости минералов или минералогическая шкала Мооса составлена на основании эталонных образцов по степени относительной твердости от 1 до10.

Качественный порядковый показатель прочностной стойкости минералов, включённых в эту шкалу, выявляется путём царапания.

Механическая способность более твёрдых материалов наносить царапины на более мягкие породы определяет относительную твёрдость минералов того или иного типа.

10 минеральных элементов Мооса представлены в качестве эталонных образцов и упорядочены в порядке возрастания, что позволяет наглядно определить, какой минерал твёрже.

Так, например, тальк занимает первую позицию в таблице и считается наиболее мягким среди прочих представленных на шкале.

По другую сторону расположился алмаз, который по критерию «прочность минерала» занимает самую вершину, то есть 10-ую позицию по шкале Мооса и не имеет аналогов в природе по этому показателю.

Создание и предназначение шкалы Мооса в современной практике

Эта система была создана в начале XIX века немецким геологом, минерологом и изобретателем того времени, Фридрихом Моосом. С тех пор в геологии для определения показателя твёрдости было создано ещё много схожих методик, включая метод Кнупа, Бринеля, Виккерса и Роквела.

Минералы шкалы Мооса, определяемые по твёрдости, распределены в соответствии с относительным целочисленным сравнении. Эта сравнительная характеристика основана на устойчивости образца к царапанию. Существуют популярные методы, которые используют в качестве сравнительной характеристики устойчивость к вдавливанию.

В этих исследовательских методах в качестве инструмента испытания используется индентор, вдавливающийся в исследуемый кусок минеральной породы. При этом производятся доскональные замеры силового показателя давления. Полученные показатели размеров и глубины выемки с учётом силы давления позволяют рассчитать показатели твёрдости.

Но в подобных методах измерения для испытаний используют самые разные технические приспособления и способы расчёта. Поэтому прямое сравнение полученных показателей для различных минералов в различных условиях несопоставимы друг с другом напрямую.

Таким образом, шкала Мооса получила более широкое распространение – сама методика более проста и дешева в плане реализации и более доступна для понимания. С другой стороны, такой тип измерений не способен обеспечить высочайшую степень точности. Тем не менее, она актуальна среди современных геологов, работающих в полевых условиях.

Её часто используют для первичного определения типа минеральных пород при исследовании полученных образцов на месте, когда проведение более сложных тестов затруднительно или невозможно. Именно поэтому результаты измерения твёрдости по шкале Мооса принято называть относительными.

Как определить твёрдость минералов, используя шкалу Мооса?

Часто требуется определить тип минерала в полевых условиях, то есть при отсутствии специальных лабораторных условий и соответствующих инструментов. Для этих целей геологу достаточно воспользоваться шкалой Мооса и несколько простых подручных средств, способных царапать.

К примеру, при помощи карманного ножа можно определить, относится ли образец к числу менее или более твердых минеральных пород, значение которых по Моосу переваливает за 5-6. Вот таблица некоторых подручных предметов и степени их твёрдости, которые могут помочь в определении относительной твёрдости, а, соответственно, и типа минерала:

Материал Степень твёрдости
Карандаш 1
Соль поваренная 2
Монета (медь) 3
Гвоздь 4-4,5
Стекло 5
Нож – стальные напильники 5,5-6,5
Режущий инструмент из закалённой стали 7 – 7+
Наждачная бумага 8
Обратная проба (образец способен царапать/резать стекло) 9-10

В практических целях могут пригодиться и знания о том, что ногтем можно оставить царапину на гипсовой поверхности и образцах, которых уступают по твёрдости гипсу. Твёрдость стального ножа приближена к природному кварцу – им можно без проблем царапать стекло.

Некоторые разновидности драгкамней по показателю твёрдости приближены к кварцу. Кроме того, из можно отличить внешне от изделий из стекла, воспользовавшись напильником.

Если прочностной показатель для камня составляет не менее 7 баллов по Моосу, на практике это означает, что он не способен царапать кварц, равно как и кварц не способен поцарапать этот камень.

В этой системе измерения твёрдости минералов присутствуют и промежуточные значения, например, 6,5, 7,5 и т.п. Если взять хирозоберилл, то он относится к 8,5 степени твёрдости.

По сути, это значит, что эталон способен царапать топаз примерно так же, как его способен царапать корунд. А вот гранат пироп немногим твёрже кварца (7), но немного уступает по этому показателю бериллу (7,5).

Тем не менее, его твёрдость также обозначается числом 7,5.

Подробно о каждом основном минерале, представленном на шкале Мооса

Тальк

Это достаточно распространённая порода, с которой сталкивались многие в повседневной жизни. Это вещество используется в качестве присыпки детской. Тальком покрывают внутреннюю часть велосипедных шин и хозяйских резиновых перчаток.

Его относят к первому номеру по шкале Мооса, поскольку на этой породе можно оставить след даже ногтем. При этом ни один последующий образец невозможно поцарапать тальковой породой. По твёрдости он аналогичен графиту.

Гипс

Этот эталон широко используется в травматологии для наложения фиксирующих повязок при переломах конечностей. Нередко гипсовый материал используют для заливки форм при изготовлении фасадов зданий.

Его также можно поцарапать ногтем, но он уже более прочен, чем тальк и способен царапать тальковый эталон. За счёт этого гипс и получил вторую ступень по Моосу.

Кальцит

Говоря химическим языком, это карбонат кальция или углекислая кальциевая соль. В сфере геологии этот минерал относят к классу породообразующих. Кальцит находят в составе мела, мергелей, а также известняковых пород. Мрамор состоит преимущественно из кальцита.

Он способен наносить отчётливые царапины на гипсовых поверхностях. Сам же минерал царапается при помощи медной монеты. Аналогичную степень твёрдости по Моосу имеют металлы серебра и золота.

Флюорит

По сути, это плавиковый шпат, который был назван флюоритом на латыни, что в переводе означает «текучий». Нередко его используют в металлургической промышленности при плавке шлаков. Плавиковая ли фтористоводородная кислота унаследовала своё название именно от этого минерала. Эта кислота способна растворять стекло.

Шкала Мооса: методы определения твёрдости металлов и минералов по разным градациям, практические таблицы

Твердость стали по Моосу

13.08.2018

Для различения твёрдости минералов обычно применяют экспресс-метод, позволяющий определить относительные значения показателя по шкале Мооса.

Чтобы им воспользоваться, достаточно взять карандаш, гвоздь и стекло. Существуют также и точные способы измерения, но они требуют приборного обеспечения.

Результаты в абсолютных величинах различаются, но есть таблицы, помогающие сопоставить прочность, определённую по разным методикам.

Способы измерения твёрдости

Степень крепости материала оценивают посредством вдавливания в него более прочного предмета, а также шлифования и царапания его поверхности. Выбор, по какой шкале измерять твёрдость минералов, большой. Кроме оставления борозды эталонными кристаллами Мооса существует 6 основных методов измерения:

  1. Шкала Роквелла – фиксируется глубина проникновения идентора с алмазным наконечником в материал. Применяется в отношении металлов и сплавов.
  2. Твёрдость по Шору определяют так же. Дополнительно метод позволяет исследовать крепкость пластмассы и эластичных предметов.
  3. Шкала Кнупа работает по принципу вдавливания. Оценка результата производится в единицах Кнупа: алмаз – 8500, корунд – 2000.
  4. Твёрдость горной породы по методу Шрейнера количественно определяется отношением нагрузки на пуансон к площади штампа. Сопровождается измерение вычерчиванием диаграммы деформации.
  5. Шкала Розиваля построена по примеру таблицы Мооса: показатели для ряда минералов получены с помощью прибора твердомера по результатам шлифования образцов. Трудоёмкость метода не позволила ему вытеснить классику.
  6. Пирамида Виккерса, армированная алмазами, статически вдавливается в предмет испытаний, а результат смотрят по площади отпечатка через микроскоп. Приборы называются твердомерами (например, ПМТ-3).

Все точные методы нахождения крепкости уступают быстрому табличному способу определения по сравниванию прочностных свойств минералов. Не всегда необходимо видеть разрушающую нагрузку, в большинстве случаев достаточно знать, какой камень является более твёрдым.

Принципы градации от Мооса

Систему сравнений твёрдости кристаллов изобрёл немецкий геолог Фридрих Моос (другой вариант звучания — Мосс). Она представляет собой десятибалльную шкалу из эталонных минералов, расположенных в порядке возрастания прочности.

При попытке поцарапать одним кристаллом другой выстраивается цепочка от самого мягкого камня (талька) до наикрепчайшего (алмаза). Информирует шкала твердости Мооса только о сравнительной прочности сопоставляемых минералов.

Если испытуемый камень не оставляет следа на кварцевой грани, а эталон не царапает образец, тогда можно утверждать, что крепкость проверяемого кристалла равна 7 по таблице шкалы Мооса.

Контрольный минерал Номер по определителю Другие камни той же прочности Царапающий предмет Значение твёрдости резца
Тальковый камень 1 Графит Ноготь 2,5
Гипс (селенит) 2 Галит, слюда, хлорит ~ ~
Кальцит (исландский шпат) 3 Биотит, серебро, золото Медная монета 3,5
Флюорит (плавиковый шпат) 4 Сфалерит, доломит Нож из железа, оконное стекло 5,5
Апатит 5 Лазурит, гематит ~ ~
Ортоклаз (адуляр, полевой шпат) 6 Опал, рутил Гвоздь из стали 6,5
Кварц (агат, яшма, аметист, горный хрусталь, авантюрин) 7 Турмалин, гранат Победитовое сверло 8,5
Топаз 8 Аквамарин, изумруд, шпинель ~ ~
Корунд (сапфир, рубин) 9 Карбид вольфрама Алмаз 10
Алмаз 10 Эльбор

Для удобства использования эталонный минерал закрепляют на конце трубки эпоксидным клеем. Царапают осторожно, стараясь не повредить образец. Таким же образом работают и с подручными предметами. Поскольку твердость стекла по шкале Мооса занимает среднее положение (между значениями 5 и 6), то испытание начинают именно с царапания его поверхности.

Таблица со шкалой сравнения

Сопоставление прочностной характеристики, полученной по различным методикам, с таблицей Мооса полезно в практическом применении камней. Абсолютные значения твёрдости определяют по другим оценкам, сравнение критериев видно в таблице.

Минералы и горные породы Градация по Моосу По Шрейнеру, МПа Крепкость по шкале Кнупа, единиц Твёрдость шлифования в воде по Розивалю Прочность по микротвердомеру ПМТ-2, ПМТ-3, кг/мм²
Тальк 1 250―400 12 0,03 2,4
Гипс 2 32 1,25 40
Кальцит, мрамор, ангидрит 3 950―1400 135 4,5 110
Флюорит, доломит 4 2500―3200 160 5 190
Апатит, гранит 5 3000―3700 400 6,5 530
Ортоклаз, базальт 6 3900 500 37 790
Кварц, диабаз 7 6300 1250 120 1120
Топаз 8 1550 175 1430
Корунд 9 1900 1000 2060
Алмаз 10 8300 140000 10060

Причина твёрдости гранита заключается в сложном минеральном составе, где основные компоненты, кварц и слюда, отнесены к разным категориям — 7 и 2. Их количественное соотношение и определяет свойства горной породы.

С помощью шкалы Мооса сравнивают также твёрдость металлов — это удобно, когда подбирается оправа для драгоценного камня.

Наименование Олово Золото, серебро Медь, бронза Никель Платина Палладий Титан Вольфрам
Значение по градации 1,5 2,5―3 3 4 4,5 4,7 6 7,5

Из таблицы видно, какие металлы могут поцарапать другие. Это обстоятельство важно учитывать при совместном хранении украшений.

Значения прочности драгоценных минералов

Испытание на твёрдость хорошо подходит для того, чтобы отличить редкие красивые кристаллы от их стеклянных или искусственных имитаций. К драгоценным камням относят природные минералы в естественном или обработанном виде — алмазы (бриллианты), сапфиры (синие), рубины, изумруды, александриты.

В особых условиях выращивают синтетические аналоги драгоценных камней. Стоят такие самоцветы значительно дешевле.

Недобросовестные производители из искусственных кристаллов или ювелирного стекла необходимого цвета изготавливают украшения, после чего предлагают их по тем же ценам, что и естественные. Известная имитация — фианит.

Он очень похож на бриллиант, но его стоимость несопоставима с натуральными камнями. Выявить подделку путём нахождения твёрдости по Моосу несложно:

  • когда у сапфира значение указывается 7, то велика вероятность, что сделан кабошон из кварца;
  • если в паспорте на бриллиант показатель прочности — 8,5, а должен быть 10, становится понятно, что этот камень не имеет природного происхождения (у фианита показатель именно 8,5).

Иногда в доказательство того, что кристалл натуральный, приводят довод: он царапает стекло. Но надо знать, что ювелирное стекло также оставляет след на обычном. В таблице приведены значения для некоторых камней.

Кристалл Твёрдость по Моосу Кристалл Твёрдость по Моосу
Рубин 9 Агат 6,5―7
Александрит 8,5 Яшма 6―7
Шпинель 8 Амазонит 6―6,5
Топаз 8 Нефрит 6―6,5
Аквамарин 7,5―8 Рутил 6―6,5
Берилл 7,5―8 Родонит 5,5―6,5
Пироп 7,5―8 Обсидиан 5―5,5
Турмалин 7,5―8 Пурпурит 4,5
Циркон 6,5―7,5 Кораллы 3―4

Шкала твёрдости Мооса, несмотря на относительность результатов, остаётся основным инструментом в геологических изысканиях. В полевых условиях каждый переносимый на себе килограмм веса на учёте, а для идентификации неизвестного образца породы достаточно простого ножа и стекла.

Сведения о твёрдости минералов в большинстве справочников приводятся в относительных величинах. Абсолютными значениями интересуется узкий круг специалистов. Другое направление преимущественного использования шкалы Мооса — ювелирное дело. Ориентируясь на показатели твёрдости кристаллов, выбирают способ обработки камня, вариант шлифования и нужные для этого станки и инструменты.

Твёрдость минералов и таблица значений по шкале Мооса Ссылка на основную публикацию

Что такое шкала Мооса и как по ней определить подделку

Твердость стали по Моосу

При характеристике каждого самоцвета описывается его твёрдость по шкале Мооса. А известно ли вам, почему именно по ней сравниваются все минералы и что значат указанные цифры?

Предлагаем расширить свой кругозор.

История вопроса

Метод определения устойчивости к царапанью минералов и соответствующая шкала появилась только в XIX веке. Основной вклад внёс учёный, именем которого и названа таблица – Карл Фридрих Моос.

Первые попытки

Ещё с древности философы и алхимики замечали, что минералы различаются между собой не только цветом, но и прочностью. Одни буквально крошатся в руках, а другие царапают даже металлы.

Учёные Средних веков пытались классифицировать камни по субъективным впечатлениям об их хрупкости. Затем стали применять напильник: им пытались распилить камень. Если это получалось, то минерал считался хрупким, если нет, твёрдым.

Так продолжалось до тех пор, пока в 1811 году Фридрих Моос не предложил определять прочность путём царапанья минералов образцами с известными показателями.

Заслуга Вернера

В 1722 г. математик из Франции Рене Реомюр, а в 1724 г. в Германии Абраам Вернер высказали идею царапать камни другим минералом, признанным наиболее твёрдым из всех пород. Но они не довели дело до конца, определяя прочность небольшого числа минералов. Систематизировать их Вернер стал не только по твёрдости, но и по цвету, запаху, весу и даже вкусу.

При его жизни все минералы делились на 4 группы:

  1. Поддаются царапанью ногтем.
  2. Не поддаются ногтю, но от ножа появляется царапина.
  3. Не остается след от ножа и не появляются искры.
  4. Металлический нож не оставляет следа, но под действием огнива появляются искры.

Позже именно этот способ царапанья минералов эталоном с известной прочностью лег в основу определения твёрдости Моосом. Таким образом, Вернера можно назвать идейным вдохновителем создателя таблицы, но вся слава досталась именно Моосу.

Суть метода и поиски учёных

Принцип метода оказался прост: Моос взял гипс и не смог им поцарапать ни один другой камень. Его твёрдость он условно определил как 1.

Следующие минералы он расположил в порядке возрастания твёрдости. Последним камнем под номером 10 оказался алмаз, который не мог поцарапать ни один другой самородок.

Например, твердость равна 7 в том случае, если ни исследуемый самоцвет, ни кварц не повреждают друг друга.

Выбранные эталоны

Учёный выбрал 10 минералов, соответствие одному из которых и называется твёрдостью по шкале Мооса.

В таблице перечислены минералы – эталоны твёрдости.

Минерал Свойства
1 Тальк Легко царапается даже ногтем, сам не повредит ни одному минералу. Твёрдость графита примерно та же, именно поэтому в качестве подручного материала при проверке нередко используется простой карандаш.
2 Гипс Повреждается ногтем и оставляет царапины на тальке.
3 Кальцит Царапает предыдущий эталон.
4 Флюорит Повреждает предыдущий эталон, сам царапается ножом.
5 Апатит Твёрдость стекла по шкале Мооса 5,5. Следовательно, самоцвет тоже можно повредить стеклом, прилагая большую силу.
6 Ортоклаз Царапает стекло при сильном надавливании, сам повреждается напильником из стали.
7 Кварц Прочнее стекла и мягче алмаза.
8 Топаз Прочный минерал, царапающий кварц, стекло. Шлифуется инструментами с алмазным напылением.
9 Корунд Уступает лишь алмазу.
10 Алмаз Максимально твёрдый.

Количественные величины

Шкала Мооса – отражение относительной прочности камней. То есть, если на первом месте стоит тальк, а на 10 – алмаз, то это не значит, что разница между их твёрдостью кратна всего 10.

На самом деле алмаз твёрже талька в 1500 раз. Измеряется абсолютная твёрдость всех самородков на специальных приборах – склерометрах.

Вот так выглядит расширенная таблица минералов с абсолютными показателями.

Относительная величина Минерал Абсолютная величина
1 Тальк 1
2 Гипс 3
3 Кальцит 9
4 Флюорит 21
5 Апатит 48
6 Ортоклаз 72
7 Кварц 100
8 Топаз 200
9 Корунд 400
10 Алмаз 1500

Кажущиеся недостатки

Несмотря на условность показателей, все попытки доработать шкалу не получали признания. Учёным казалось неверным брать за эталон кальцит из-за того, что его твёрдость меняется. Но аналогичный ему минерал галенит также не стал идеальным по этому показателю.

Поэтому единственной признанной во всем мире системой классификации минералов по твёрдости остается шкала Мооса.

Научные изыскания

Существуют и другие классификации минералов по твёрдости: Кнупа, Бринеля, Роквела или Виккерса. В их основу положена устойчивость камня не к царапанью, а к вдавливанию.

Измерение производится на специальном приборе, надавливающем на минерал с заданной силой. По формуле на основании силы и соответствующей ей глубины ямки рассчитывается прочность. Аппараты различаются между собой, поэтому и цифры получаются разные, не позволяя сравнивать величины разных методов.

Другие учёные придумали технически более сложные способы расчёта. Несмотря на точность показателей, большинству людей понятнее и привычнее сравнивать твёрдость камней по шкале Мооса.

Шкала твёрдости Мооса для металлов

Царапать можно не только минералы, но и металлы. Определение их твёрдости необходимо в машиностроении, на промышленных предприятиях.

Что это такое

Принцип для металлов аналогичен шкале минералов. Первое место в ней занимает олово с показателем 1,5, а на последнем – карбид вольфрама с твёрдостью 9. Сталь по шкале Мооса располагается в середине (4–4,5), с ней часто делают сплавы для повышения прочности мягких металлов.

Почему нужно знать твёрдость металлов

От показателя зависит:

  • износостойкость изготовленных из металла деталей;
  • метод их обработки;
  • способность влиять на другие материалы.

Металлические сплавы

Для ювелирных изделий чаще всего используются сплавы драгоценных металлов. Смешивание мягкого и дешёвого металла с более твёрдым способно повысить прочность сплава, не увеличивая его стоимость.

Шкала Мооса для минералов

Шкала, предложенная Карлом Моосом, позволяет отнести минерал к тому или иному классу и сравнить их между собой. Важно понять, что она относительна, а абсолютная твёрдость измеряется только прибором под названием склерометр.

Понятие твёрдость минерала

Твёрдостью минерала в научной терминологии обозначается свойство предмета сопротивляться внедрению другого твёрдого тела.

Принцип работы по шкале

Умея работать со шкалой, легко вычислить класс, к которому принадлежит найденный материал.

Например, геолог во время работы находит самородок. Помимо внешних характеристик он может определить твёрдость, проведя по камню лезвием ножа. Если на нём не остаётся царапины, то показатель выше 6. Затем этим самоцветом пробуют повредить стекло: в зависимости от результата присваивается показатель прочности.

Возможность определения класса минерала подручными средствами

Принципом определения прочности минералов по Моосу в настоящем активно пользуются геологи, археологи, искатели драгоценных минералов. Камнерезы определяют возможность обработки породы тем или иным минералом.

Например, твёрдость гранита по шкале Мооса 5–7, что позволяет инструментами на его основе обрабатывать многие самородки. При отсутствии эталона используются соответствующие им по прочности подручные материалы.

Твёрдость Эталон
1 Грифель простого карандаша
2 Каменная соль
2–2,5 Ноготь
2,5–3 Твёрдость золота по шкале Мооса
3,5 Медная монета
4–5 Гвоздь
5,5 Стекло
6 Нож
6,5 Напильник (сталь)
7 Напильник (закалённая сталь)
8 Минерал повреждает стекло
9–10 Разрезает стекло

Имитации камней

Умея пользоваться шкалой и зная её показатели, можно отличить подделку от натуральных камней. Так, обычный напильник может легко повредить подделку из стекла, а вот драгоценный камень останется целым.

Замечания

Шкала позволяет оценить прочность материала лишь приблизительно и сравнить образцы между собой.

Непостоянная величина

Изобретенная Моосом шкала не учитывает слоистое строение некоторых камней и различия в спайности пород. Поэтому при повреждении разных участков одного и того же минерала показатели твёрдости могут различаться.

На показатель влияют примеси в самоцвете, вариации ориентации кристаллической решётки.

Между целыми числами

Не каждый минерал относится к строго определённой группе. Самоцветам присваивается дробный показатель. Пример: твёрдость агата по шкале Мооса 6,5. Следовательно, он повреждает ортоклаз, но и следующий эталон – кварц –царапает агат.

Твердость металлов

Твердость стали по Моосу

Машиностроительные детали и механизмы, а также инструменты, предназначенные для их обработки, обладают набором механических характеристик. Немалую роль среди характеристик играет твердость. Твердость металлов наглядно показывает:

  • износостойкость металла;
  • возможность обработки резанием, шлифованием;
  • сопротивляемость местному давлению;
  • способность резать другой материал и прочие.

Твердость металлов

На практике доказано, что большинство механических свойств металлов напрямую зависят от их твердости.

Понятие твердости

Твердость материала – это стойкость к разрушению при внедрении во внешний слой более твердого материала. Другими словами, способность к сопротивлению деформирующим усилиям (упругой или пластической деформации).

Определение твердости металлов производится посредством внедрения в образец твердого тела, именуемого индентором. Роль индентора выполняет: металлически шарик высокой твердости; алмазный конус или пирамида.

После воздействия индентора на поверхности испытуемого образца или детали остается отпечаток, по размеру которого определяется твердость. На практике используются кинематические, динамические, статические способы измерения твердости.

В основе кинематического метода лежит составление диаграммы на основе постоянно регистрирующихся показаний, которые изменяются по мере вдавливания инструмента в образец. Здесь прослеживается кинематика всего процесса, а не только конечного результата.

Динамический метод заключается в следующем. Измерительный инструмент воздействует на деталь. Обратная реакция позволяет рассчитать затраченную кинетическую энергию. Данный метод позволяет проводить испытание на твердость не только поверхности, но и некоторого объема металла.

Статические методы – это неразрушающие способы, позволяющие определить свойства металлов. Методы основаны на плавном вдавливании и последующей выдержке в течение некоторого времени. Параметры регламентируются методиками и стандартами.

Прилагаемая нагрузка может прилагаться:

  • вдавливанием;
  • царапанием;
  • резанием;
  • отскоком.

Машиностроительные предприятия на данный момент для определения твердости материалов используют методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, а также метод микротвердости.

На основе проводимых испытаний составляется таблица, в которой указываются материалы, прилагаемые нагрузки и полученные результаты.

Единицы измерения твердости

Каждый способов измерения сопротивления металла к пластической деформации имеет свою методику его проведения, а также единицы измерения.

Измерение твердости мягких металлов производится методом Бринелля. Данному способу подвергаются цветные металлы (медь, алюминий, магний, свинец, олово) и сплавы на их основе, чугуны (за исключением белого) и отожженные стали.

Твердость по Бринеллю определяется вдавливанием закаленного, отполированного шарика из шарикоподшипниковой стали ШХ15. Окружность шарика зависит от испытуемого материала. Для твердых материалов – все виды сталей и чугунов – 10 мм, для более мягких – 1 – 2 — 2,5 — 5 мм. Необходимая нагрузка, прилагаемая к шарику:

  • сплавы железа – 30 кгс/мм2;
  • медь и никель – 10 кгс/мм2;
  • алюминий и магний – 5 кгс/мм2.

Единица измерения твердости – это числовое значение и следующий за ними числовой индекс HB. Например, 200 НВ.

Твердость по Роквеллу определяется посредством разницы приложенных нагрузок к детали. Вначале прикладывается предварительная нагрузка, а затем общая, при которой происходит внедрение индентора в образец и выдержка.

В испытуемый образец внедряется пирамида (конус) из алмаза или шарик из карбида вольфрама (каленой стали). После снятия нагрузки производится замер глубины отпечатка.

Единица измерения твердости – это условные единицы. Принято считать, что единица — это величина осевого перемещения конуса, равная 2 мкм. Обозначение твердости маркируется тремя буквами HR (А, В, С) и числовым значением. Третья буква в маркировке обозначает шкалу.

Методика отображает тип индентора и прилагаемую к нему нагрузку.

Тип шкалы Инструмент Прилагаемая нагрузка, кгс
А Конус из алмаза, угол вершины которого 120° 50-60
В Шарик 1/16 дюйма 90-100
С Конус из алмаза, угол вершины которого 120° 140-150

В основном, используются шкалы измерения А и С. Например, твердость стали HRC 26…32, HRB 25…29, HRA 70…75.

Измерению твердости по Виккерсу подвергаются изделия небольшой толщины или детали, имеющие тонкий, твердый поверхностный слой. В качестве клинка используется правильная четырехгранная пирамида угол при вершине, которой составляет 136°. Отображение значений твердости выглядит следующим образом: 220 HV.

Измерение твердости по методу Шора производится путем замера высоты отскока упавшего бойка. Обозначается цифрами и буквами, например, 90 HSD.

К определению микротвердости прибегают, когда необходимо получить значения мелких деталей, тонкого покрытия или отдельной структуры сплава. Измерение производят путем измерения отпечатка наконечника определенной формы. Обозначение значения выглядит следующим образом:

Н□ 0,195 = 2800, где

□  — форма наконечника;

0,196  — нагрузка на наконечник, Н;

2800 – численное значение твердости, Н/мм2.

Твердость основных металлов и сплавов

Измерение значения твердости проводится на готовых деталях, отправляющихся на сборку. Контроль производится на соответствие чертежу и технологическому процессу. На все основные материалы уже составлены таблицы значений твердости как в исходном состоянии, так и после термической обработки.

Твердость меди по Бринеллю составляет 35 НВ, значения латуни равны 42-60 НВ единиц в зависимости от ее марки. У алюминия твердость находится в диапазоне 15-20 НВ, а у дюралюминия уже 70НВ.

Черные металлы

Твердость по Роквеллу чугуна СЧ20 HRC 22, что соответствует 220 НВ. Сталь: инструментальная – 640-700 НВ, нержавеющая – 250НВ.

Для перевода из одной системы измерения в другую пользуются таблицами. Значения в них не являются истинными, потому что выведены империческим путем. Не полный объем представлен в таблице.

HB HV HRC HRA HSD
228 240 20 60.7 36
260 275 24 62.5 40
280 295 29 65 44
320 340 34.5 67.5 49
360 380 39 70 54
415 440 44.5 73 61
450 480 47 74.5 64
480 520 50 76 68
500 540 52 77 73
535 580 54 78 78

Значения твердости, даже если они производятся одним и тем же методом, зависят от прилагаемой нагрузки. Чем меньше нагрузка, тем выше показания.

Методы измерения твердости

Все методы определения твердости металлов используют механическое воздействие на испытуемый образец – вдавливание индентора. Но при этом не происходит разрушение образца.

Метод определения твердости по Бринеллю был первым, стандартизованным в материаловедении. Принцип испытания образцов описан выше. На него действует ГОСТ 9012. Но можно вычислить значение по формуле, если точно измерить отпечаток на образце:

HB=2P/(πD*√(D2-d2),

  • гдеР – прикладываемая нагрузка, кгс;
  • D – окружность шарика, мм;
  • d – окружность отпечатка, мм.Шарик подбирается относительно толщины образца. Нагрузку высчитывают предварительно из принятых норм для соответствующих материалов:сплавы из железа — 30D2;медь и ее сплавы — 10D2;баббиты, свинцовые бронзы — 2,5D2.

Условное изображение принципа испытания

Скачать ГОСТ 9012-59

Схематически метод исследования по Роквеллу изображается следующим образом согласно ГОСТ 9013.

Метод измерения твердости по Роквеллу

Итоговая приложенная нагрузка равна сумме первоначальной и необходимой для испытания. Индикатор прибора показывает разницу глубины проникновения между первоначальной нагрузкой и испытуемой h –h0.

Скачать ГОСТ 9013-59

Метод Виккерса регламентирован ГОСТом 2999. Схематически он изображается следующим образом.

Метод Виккерса

Математическая формула для расчета:
HV=0.189*P/d2 МПа
HV=1,854*P/d2 кгс/мм2
Прикладываемая нагрузка варьируется от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Значения определяются по таблицам относительно измеренного отпечатка d.

Метод Шора

Метод считается эмпирическим и имеет большой разброс показаний. Но прибор имеет простую конструкцию и его можно использовать при измерении крупногабаритных и криволинейных деталей.

Измерить твердость по Моосу металлов и сплавов можно царапанием. Моос в свое время предложил делать царапины более твердым минералом по поверхности предмета. Он разложил известные минералы по твердости на 10 позиций. Первую занимает тальк, а последнюю алмаз.

После измерения по одной методике перевод в другую систему весьма условен. Четкие значения существуют только в соотношении твердости по Бринеллю и Роквеллу, так как машиностроительные предприятия их широко применяют. Зависимость можно проследить при изменении диаметра шарика.

d, мм HB HRA HRC HRB
2,3 712 85,1 66,4
2,5 601 81,1 59,3
3,0 415 72,6 43,8
3,5 302 66,7 32,5
4,0 229 61,8 22 98,2
5,0 143 77,4
5,2 131 72,4

Как видно из таблицы, увеличение диаметра шарика значительно снижает показания прибора. Поэтому на машиностроительных предприятиях предпочитают пользоваться измерительными приборами с однотипным размером индентора.

, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Твердость стали по шкале мооса

Твердость стали по Моосу

Мы знаем, что различные минералы имеют различную степень твёрдости. Но как её можно определить количественно? Для того, чтобы создать некую шкалу, придумали следующий подход. Было известно, что одни минералы могут оцарапать некоторые другие.

В то время, как есть и такие, на которых не останется никакого следа. Решили этот эффект положить в основу при создании такой шкалы. Были отобраны различные разновидности, крепость которых возрастала постепенно.

Получился некоторый ряд эталонных камней. При этом каждый образец мог оставить царапину на тех камнях, которые были мягче его, но не мог на тех, которые были твёрже.

Шкала измерения твёрдости минералов была предложена немецким учёным Фридрихом Моосом ещё в 1811 году.

Значение по этой шкале может находиться в пределах от одного до десяти. Чем больше соответствующее число, тем твёрже такой камень.

При определении характеристик конкретного материала, его пытаются оцарапать всеми эталонными камнями. Если найдены те соседние камни, один из которых оцарапает образец, а другой – нет, то считается, что его твёрдость находится между характеристиками этих эталонных минералов.

Самый мягкий камень здесь — это тальк, а самым твёрдым является алмаз. Шкала Мооса — не единственная, в науке и промышленности используются ещё несколько вариантов.

Несмотря на то, что эта шкала была предложена достаточно давно, её активно применяют и в наше время. Одним из её важных достоинств является то, что её использование достаточно просто. Для этого нужно только иметь нужные эталонные образцы.

Важно отметить, что информация, которую мы получаем при таких измерениях далеко не полная. Измерение не даёт никаких абсолютных величин и не может использоваться для определения соотношений по твёрдости.

Мы не можем таким образом сказать, во сколько раз один камень мягче или твёрже другого. Также не можем утверждать об абсолютной величине такой характеристики рассматриваемого материала.

Также не будем забывать и о том, что некоторые минералы имеют различную прочность, если проводить царапины в различных направлениях.

Важно отметить также и то, что при отсутствии эталонных материалов, можно воспользоваться обычными предметами, про которые примерно известно, какое место у них по данной шкале.

Для примера, приведём обычную монету, твёрдость которой в различных странах может быть различной, но цент в США соответствует примерно трём по этому правилу.

А у обычного стекла крепость немного больше пяти.

Эталоны шкалы

Расскажем об эталонах для определения твёрдости по этому принципу. Их всего десять. Рассмотрим их от самого мягкого до самого твёрдого.

Тальк

Этот материал настолько мягок, что его можно оцарапать ногтем. Аналогичная степень жёсткости имеется у графита. По своей крепости он характеризуется единицей. Этот материал хорошо известен в быту. Именно его принято использовать в качестве детской присыпки. Также его широко применяют для присыпки резиновых изделий. Это предотвращает их прилипание друг к другу.

Гипс

Это следующая ступень в рассматриваемой шкале. Гипс уже твёрже талька и имеет твёрдость, равную 2. При этом его также нетрудно поцарапать ногтем. Как мы знаем, этот минерал обладает особым свойством.

Если его размягчить до порошкообразного состояния, а затем размешать с водой, то мы получим нужную нам форму. Интересно, что этот материал может быть не только белым. Известен, например, натуральный гипс жёлтого цвета.

Кальцит

В нашем списке это третий по счёту камень. Его характеристика равна 3. Ногтем его оцарапать уже не получится, зато медной монетой это сделать возможно. Такая же степень жёсткости имеется у золота и у серебра. Его также называют биоминералом. Именно из такого материала состоят раковины.

Флюорит

Этот материал ещё называют плавиковым шпатом. В переводе на русский язык это звучит, как «текучий». Ногтем его оцарапать уже нельзя, медной монетой тоже. Но, вот оконным стеклом или обычным ножом это сделать вполне возможно.

В нашем случае твёрдость этого материала соответствует 4. По твёрдости это соответствует такому древнему строительному материалу, как доломит.

Флюорит используют в металлургии для того, чтобы получившийся при выплавке шлак стал легкоплавким.

В древности флюорит был распространённым материалом для поделок.

Например, из этого минерала делали красивые вазы. Сейчас его тоже используют в промышленности. Например, изготавливают линзы.

Апатит

Представляет собой следующую ступень по этой шкале (5). По-прежнему его можно оцарапать стеклом или ножом. Аналогичная характеристика имеется у лазурита. Этот минерал используется для добычи фосфора или фосфорной кислоты. Также из этого минерала изготавливают фосфорные удобрения.

Ортоклаз

Следующим в нашем списке находится минерал с таким, немного необычным названием, как ортоклаз. Стеклом его поцарапать не получится. Однако при помощи напильника — можно. Аналогичная крепость присутствует у опала.

По шкале Мооса его уровень равен 6. В промышленности используется для производства электрокерамики и фарфора. Опал использовать в качестве эталона использовать не получится. Это связано с тем, существует множество разновидностей с достаточно разнообразными характеристиками прочности.

Кварц

Соответствует 7. Это самый распространённый минерал на нашей планете. В частности, из кварца состоит обычный песок. Но может существовать и в других формах: горный хрусталь, агат, аметист и много других. Из обычного кварца производят стекло.

Топаз

Более твёрдый, чем ранее рассмотренные минералы. Характеристика, равная 8, говорит о том, что обрабатывать его довольно трудно. Обычно, для этой цели принято применять алмазы. Первые находки этого минерала были сделаны в Красном море на острове Топазиос. Отсюда и произошло его название.

Корунд

С одной стороны, по рассматриваемой шкале корунд почти настолько же твёрдый, как и алмаз. С другой — при помощи других методов была измерена крепость по абсолютной шкале. Оказалось, что алмаз твёрже корунда в 90-180 раз.

Неопределённость приведённой цифры связана с тем, что различные методы давали при измерении несовпадающие результаты. У корунда по рассматриваемой шкале жёсткость равна 9. Рубин и сапфир — это также корунд. Поскольку этот материал достаточно твёрдый, то широко используется в качестве абразивного материала.

Алмаз

Он имеет максимальную степень твёрдости. Прежде всего это означает, что его поцарапать вряд ли возможно каким-либо другим минералом. Твёрдость равна 10 и этот минерал применяют при обработке более мягкого материала.

В частности, речь идёт о кварце, топазе или корунде. Интересно, что однажды этот камень сравнили с тальком. После проведения измерений выяснилось, что алмаз превосходит по твёрдости его в 1600 раз.

Промежуточные степени твердости

Их принято обозначать десятичными дробями. Эту величину определяют визуально, по глубине соответствующих царапин. Например, твёрдость хризоберилла равна 8,5. Это связано с тем, что этот материал способен оцарапать топаз в такой же степени, в какой его самого может поцарапать корунд.

Как определить степень твердости минералов, не входящих в шкалу

Для этого нужно попытаться оцарапать исследуемый минерал с помощью эталонных образцов. Можно будет увидеть, чем это можно сделать, а чем — нет.

После этого можно попробовать оцарапать минерал ближайшим по твёрдости из эталонных минералов, затем исследовать, как рассматриваемый минерал оцарапает тот, который мягче. Рассмотрев это, можно определить характеристику рассматриваемого минерала по шкале Мооса.

Определение твердости по шкале подручными средствами

Для этого можно воспользоваться, например, следующей шкалой:

  • Карандашный грифель – это
  • У поваренной соли твёрдость равна 2.
  • Медная монета — это 2,5 или 3 по шкале Мооса.
  • 4 — это у железного гвоздя.
  • У стекла твёрдость соответствует 5.
  • Стальной нож — это 6.
  • Напильник характеризуется крепостью, равной 7.

Источник: https://vashkamen.com/kamen/shkala-tverdosti-moosa.html

Шкала Мооса. Твердость по шкале Мооса

Шкала Мооса — 10-балльная шкала, созданная Карлом Фридрихом Моосом в 1812 году, которая позволяет сравнивать твердость минералов. Шкала дает качественную, а не количественную оценку твердости того или иного камня.

История создания

Для создания шкалы Моос использовал 10 эталонных минералов — тальк, гипс, кальцит, флюорит, апатит, ортоклаз, кварц, топаз, красный корунд и алмаз. Минералы он разместил в порядке возрастания их твердости, приняв в качестве отправной точки то, что более твердый минерал царапает более мягкий.

Кальцит, например, царапает гипс, а на кальците царапины оставляет флюорит, и все эти минералы заставляют крошиться тальк. Так минералы получили соответствующие значения твердости в шкале Мооса: мел -1, гипс — 2, кальцит — 3, флюорит — 4.

Дальнейшие исследования показали, что минералы, твердость которых ниже 6, царапаются стеклом, те, твердость которых выше 6 — царапают стекло. Твердость стекла по данной шкале составляет приблизительно 6,5.

Камни, твердость которых больше 6, обрабатываются алмазом.

Шкала Мооса предназначена лишь для грубой оценки твердости минералов. Более точный показатель — абсолютная твердость.

Расположение минералов в шкале Мооса

Минералы в шкале расположены в порядке твердости. Самый мягкий имеет твердость 1, царапается ногтем, например, тальк (мел). Далее идут несколько более твердые минералы — улексит, янтарь, мусковит.

Их твердость по шкале Мооса невелика — 2. Такие мягкие минералы не шлифуются, что ограничивает их применение в ювелирном деле. Красивые камни с невысокой твердостью относятся к поделочным, и стоят обычно недорого.

Из них часто изготавливают сувениры.

Минералы с твердостью от 3 до 5 легко царапаются ножом. Гагат, родохрозит, малахит, родонит, бирюза, нефрит часто шлифуются кабошоном, хорошо полируются (обычно с применением оксида цинка). Эти минералы не устойчивы к воздействию воды.

Твердые ювелирные минералы, алмазы, рубины, изумруды, сапфиры, топазы и гранаты, обрабатывают в зависимости от прозрачности, окраски, наличия примесей. Звездчатые рубины или сапфиры, например, гранят кабошонами, чтобы подчеркнуть необычность камня, прозрачные разновидности гранят овалами, кругами или каплями, наподобие бриллиантов.

Твердость по шкале Мооса Примеры минералов
1 Тальк, графит
2 Улексит, мусковит, янтарь
3 Биотит, хризоколла, гагат
4 Родохрозит, флюорит, малахит
5 Бирюза, родонит, лазуирит, обсидиан
6 Бенитоит, ларимар, лунный камень, опал, гематит, амазонит, лабрадор
7 Аметист, гранат, разновидности турмалина индиголит, верделит, рубеллит, шерл), морион, агат, авантюрин, цитрин
8 Зеленый корунд (изумруд), гелиодор, топаз, пейнит, тааффеит
9 Красный корунд (рубин), синий корунд (сапфир), лейкосапфир
10 Алмаз

Ювелирные камни

Все минералы, твердость которых по шкале меньше 7, считаются мягкими, тех, что выше 7 — твердыми. Твердые минералы поддаются обработке алмазами, многообразие возможных огранок, прозрачность и редкость делают их идеальными для использования в ювелирном деле.

Твердость алмаза по шкале Мооса составляет 10. Алмазы гранятся таким образом, чтобы при обработке потеря в массе камня была минимальной. Обработанный алмаз и называют бриллиантом. Благодаря своей высокой твердости и устойчивости к высоким температурам, бриллианты практически вечны.

Твердость рубина и сапфира несколько ниже твердости алмаза и составляет 9 по шкале Мооса. Ценность этих камней, а также изумрудов, зависит от окраски, прозрачности и количества дефектов — чем прозрачнее камень, интенсивнее цвет и чем меньше в нем трещин, тем выше цена.

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.