Kas ir cietāks, granīts vai marmors, niķelis vai alumīnijs? Un kas vispār ir cietība? Mēs centīsimies atbildēt uz šiem jautājumiem mūsu rakstā. Vairāki ārvalstu zinātnieki nodarbojās ar minerālu un vielu cietības noteikšanas problēmu. Viņu vidū ir Alberts Šors, Frīdrihs Mūss, Johans Augusts Brinels, Viljams Vikers un citi. Tomēr zinātnē vienīgā un vispārpieņemtā cietības aprēķināšanas metode joprojām nepastāv.
Kas ir cietība?
Katrai no zinātnei zināmajām vielām ir vairākas specifiskas fizikālās īpašības un īpašības. Šajā rakstā tiks apspriests, kas ir cietība. Tā ir materiāla spēja pretoties cita, izturīgāka ķermeņa (piemēram, griešanas vai duršanas instrumenta) iekļūšanai tajā.
Vielu cietību visbiežāk mēra īpašās mērvienībās - kgf/mm2 (kilograms-spēks uz laukuma kvadrātmilimetru). Tas ir apzīmēts ar latīņu burtiem HB, HRC vai HRB atkarībā no izvēlētās skalas.
Viscietākais minerāls uz Zemes ir dimants. Ja runājam par mākslīgas izcelsmes materiāliem, tad visizturīgākais ir fullerīts. Tas ir molekulārs kristāls, kas veidojas augstā temperatūrā (apmēram 300 grādi pēc Celsija) un ārkārtīgi augstā spiedienā (vairāk nekā 90 000 atmosfēru). Pēc zinātnieku domām, fullerīts ir apmēram pusotru reizi cietāks par dimantu.
Kas ir cietība?
Ir trīs galvenās cietības iespējas:
- Virsma (nosaka pēc slodzes attiecības pret izdrukas virsmas laukumu).
- Projekcija (slodzes attiecība pret nospieduma projekcijas laukumu).
- Skaļums (slodzes un drukas skaļuma attiecība).
Turklāt fizisko ķermeņu cietību mēra četros diapazonos:
- Nanocietība (slodze mazāka par 1 gf).
- Mikrocietība (1–200 gf).
- Cietība pie zemām slodzēm (200 gf - 5 kgf).
- Makrocietība (vairāk nekā 5 kgf).
Metālu cietība
No 104 Mendeļejeva periodiskās sistēmas elementiem 82 ir metāli. Un kopējais cilvēkam zināmo sakausējumu skaits sasniedz piecus tūkstošus! Metālu klāsts mūsdienu pasaulē ir neticami plašs. Tās ir militārā un ķīmiskā rūpniecība, metalurģija, elektrotehnika, kosmosa rūpniecība, juvelierizstrādājumi, kuģu būve, medicīna utt.
Starp visām metālu fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām cietība ir tālu no pēdējāslomu. Galu galā viņa skaidri parāda:
- metāla nodilumizturības pakāpe;
- spiediena izturība;
- tā spēja griezt citus materiālus.
Cita starpā metāla cietība parāda, vai to var apstrādāt ar noteiktām mašīnām, vai to var pulēt un tamlīdzīgi. Starp citu, zinātnieki jau sen ir pierādījuši, ka metāla cietība lielā mērā nosaka arī citas tā mehāniskās īpašības.
Kāda ir dzelzs, vara un alumīnija cietība? Un kurš metāls ir cietākais un izturīgākais?
Magnijs un alumīnijs ir vieni no mīkstākajiem metāliem. To cietības vērtības svārstās robežās no 5 kgf/mm2. Apmēram divreiz cietāks - niķelis un varš (apmēram 10 kgf/mm2). Dzelzs cietība tiek lēsta 30 kgf/mm2. Cietākie dabiskās izcelsmes metāli ir titāns, osmijs un irīdijs.
Cietības noteikšana: metodes, metodes un pieejas
Kā mēra fiziskā ķermeņa cietību? Lai to izdarītu, paraugā tiek ievadīts tā sauktais ievilkums. Tās lomu var pildīt lieljaudas metāla lode, piramīda vai dimanta konuss. Pēc iespiedēja tiešās saskares iedarbības uz testa parauga paliek nospiedums, kura izmērs nosaka materiāla cietību.
Praksē tiek izmantotas divas cietības mērīšanas metožu grupas:
- Dinamiska.
- Kinētiskā.
Šajā gadījumā var veikt pielikto slodzi, ievadot ievilkumu korpusāskrāpējot, ievelkot (visbiežāk), griežot vai atsitot.
Šodien ir vairākas dažādas pieejas cietības noteikšanai:
- Rokvela;
- Brinell;
- pēc Vikersa teiktā;
- pie krasta;
- pēc Mosa.
Attiecīgi ir vairākas dažādas materiālu cietības skalas, starp tām nav tiešas attiecības. Viena vai cita mērīšanas metode tiek izvēlēta, pamatojoties uz vairākiem faktoriem (piemēram, konkrēta materiāla īpašības, eksperimenta apstākļi, izmantotā iekārta utt.). Ierīces, kas nosaka metālu vai minerālu cietību, parasti sauc par cietības pārbaudītājiem.
Rokvela metode
Rokvela cietības vērtību nosaka pēc dimanta konusa vai metāla lodītes iedobuma dziļuma, kas atstāts uz testa parauga virsmas. Turklāt tas ir bezizmēra un tiek apzīmēts ar burtiem HR. Pārāk mīkstiem materiāliem var būt negatīvas cietības vērtības.
Tā saukto Rokvela cietības mērītāju pagājušā gadsimta sākumā izgudroja amerikāņi Hjū Rokvels un Stenlijs Rokvels. Kā tas darbojas, varat redzēt nākamajā videoklipā. Šīs metodes būtisks faktors ir testa parauga biezums. Tam nevajadzētu būt mazākam par desmit reizes lielāku par ievilkšanas dziļumu testa korpusā.
Atkarībā no ievilkšanas veida un pielietotās slodzes ir trīs mērīšanas skalas. Tie ir apzīmēti ar trim latīņu burtiem: A, B un C. Rokvela cietības vērtībai ir ciparu forma. Piemēram: 25,5 HRC (pēdējaisburts norāda mērogu, kas tika izmantots testā).
Brinela metode
Brinela cietības vērtību nosaka pēc iespaida diametra, ko uz pārbaudāmā metāla virsmas atstāj rūdīta tērauda lode. Mērvienība ir kgf/mm2.
Šo metodi 1900. gadā ierosināja zviedru inženieris Johans Augusts Brinels. Pārbaudi veic šādi: vispirms tiek iestatīta parauga ievilkšanas priekšslodze un tikai pēc tam - galvenā. Turklāt materiāls zem šīs slodzes var izturēt līdz 30 sekundēm, pēc tam tiek mērīts iespieduma dziļums. Brinela cietību (saukta par HB) aprēķina kā pieliktās slodzes attiecību pret iegūtās nospieduma virsmas laukumu.
Dažas cietības vērtības dažādiem materiāliem (saskaņā ar Brinelu):
- Koks – 2, 6-7, 0 HB.
- Alumīnijs - 15 HB.
- Varš - 35 HB.
- Maigs tērauds - 120 HB.
- Stikls - 500 HB.
- Instrumentu tērauds - 650–700 HB.
Vickers metode
Cietību pēc Vikersa metodes nosaka, iespiežot paraugā rombveida galu, kam ir regulāras četrstūra piramīdas forma. Pēc slodzes noņemšanas izmēra divas diagonāles, kas veidojas uz materiāla virsmas, un aprēķiniet vidējo aritmētisko vērtību d (milimetros).
Vickers cietības testeris ir diezgan kompakts (skatiet fotoattēlu zemāk). Pārbaude tiek veikta istabas temperatūrā (+20 grādi). Korpusa cietības vērtību norāda ar burtiem HV.
Īsā metode
Šo cietības mērīšanas metodi ierosināja amerikāņu izgudrotājs Alberts Šors. To bieži dēvē arī par "atsitiena metodi". Mērot Šora cietību, uz pārbaudāmā materiāla virsmas no noteikta augstuma tiek nomests standarta izmēra un masas stienis. Šī eksperimenta galvenā vērtība ir uzbrucēja atsitiena augstums, ko mēra parastajās vienībās.
Šora cietība tiek mērīta diapazonā no 20 līdz 140 vienībām. Simts vienības atbilst atsitiena augstumam 13,6 mm (± 0,5 mm). Saskaņā ar standartu šī vērtība ir rūdīta oglekļa tērauda cietība. Mūsdienīgu iekārtu materiālu cietības mērīšanai pēc Šora sauc par skleroskopu vai durometru (to var redzēt zemāk esošajā fotoattēlā).
Mosa skala
Mosa cietības skala ir relatīva un attiecas tikai uz minerāliem. Kā atsauces minerāli tika izvēlēti desmit minerāli, kas tika sakārtoti cietības pieauguma secībā (zemāk redzamajā fotoattēlu diagrammā). Attiecīgi skalā ir 10 punkti (no 1 līdz 10).
Cietības mineraloģisko skalu ierosināja vācu zinātnieks Frīdrihs Mūss tālajā 1811. gadā. Tomēr to joprojām izmanto ģeoloģijā.
Kā noteikt konkrēta minerāla cietību pēc Mosa skalas? To var izdarīt, rūpīgi pārbaudot parauga atstāto skrāpējumu. Ir ērti izmantot nagu, vara monētu, stikla gabalu vai tērauda nazi.
Tātad, japārbaudītais minerāls raksta uz papīra, to nesaskrāpējot, tad tā cietība ir vienāda ar vienu. Ja akmens ir viegli saskrāpēts ar nagu, tā cietība ir 2. Trīs punktos ir minerāli, kurus viegli saskrāpēt ar nazi. Ja jums ir jāpieliek pūles, lai atstātu atzīmi uz akmens, tad tā cietība ir 4 vai 5. Minerāli, kuru cietība ir 6 vai augstāka, paši atstāj skrāpējumus uz naža asmens.
Nobeigumā…
Kas ir cietība? Tā ir fiziska ķermeņa spēja pretoties iznīcināšanai un deformācijai vietējo kontaktspēku ietekmē. Cietākais minerāls uz Zemes tiek uzskatīts par dimantu, un visizturīgākais metāls ir irīdijs. Mūsdienu zinātnē un tehnoloģijās tiek izmantotas vairākas cietības mērīšanas metodes (pēc Brinela, Rokvela, Vikersa, Šora un Mosa).
