Для камнерезчика очень важно знать твердость обрабатываемых минералов. Почему? Потому что от твердости камня в первую очередь зависит трудоемкость его обработки (сколько времени и усилий будет затрачено на обработку минерала, какой инструмент понадобится, как лучше «раскрыть» камень).
А для драгоценных камней твердость очень важна еще и потому, что именно твердость определяет долговечность самоцвета, от твердости зависит долговечность полировки камня (в таких случаях говорят, что камень «хорошо держит полировку») и его блеск.
Что такое твердость минерала? В минералогии мирно сосуществуют несколько определений твердости минералов, например, такое: твердость камня — это сопротивление, которое оказывает его поверхность при попытке поцарапать ее другим камнем или иным предметом.
Для измерения твердости минералов делались попытки применить всевозможные методы, основанные на сопротивлении камней царапанию, истиранию, сверлению, деформации поверхности… Но все эти попытки не имели успеха. Нужен был простой, надежный и всем доступный метод. И вот наконец, чтобы упростить различение минералов по твердости, в 1811 г. немецким минералогом Фридрихом Моосом (F. Mohs) была предложена шкала твердости, которая широко применяется до сих пор, повсюду и всеми — геологами, минералогами, камнерезчиками, ювелирами. Эту шкалу стали называть шкалой твердости минералов, или шкалой Мооса.
Шкала твердости по Моосу
Шкала Мооса — это минералогическая шкала твердости, набор эталонных минералов для определения относительной твердости методом царапания. В качестве эталонов приняты 10 минералов, расположенных в порядке возрастающей твердости:
1. Тальк.
2. Гипс (каменная соль).
3. Кальцит (известковый шпат).
4. Флюорит (плавиковый шпат).
5. Апатит.
6. Полевой шпат.
7. Кварц.
8. Топаз.
9. Корунд.
10. Алмаз.
Твердость минерала по шкале Мооса выражают номером соответствующего минерала-эталона, например, твердость талька — 1, алмаза — 10, апатита — 5. Если какой-либо минерал оставляет царапину на эталонном минерале, например, на апатите, то твердость его больше или равна 5. Если минерал оставляет царапину на каком-либо эталонном минерале и сам «царапается» этим минералом, то твердость обоих минералов считают одинаковой.
Шкала Мооса очень удобна для практического применения, однако величина твердости, определяемая с ее помощью, весьма относительна и неточна. Более точное определение твердости производится, например, с помощью склерометра. Следует помнить, что номер по шкале Мооса указывает только на порядок в распределении минералов по твердости (мягче, тверже, такой же), но не имеет какого-либо количественного значения.
Для практических («походных») целей можно запомнить, что:
— человеческий ноготь оставляет царапину на гипсе (и более мягких минералах);
— кусочек обычного оконного стекла немного мягче полевого шпата;
— лезвие стального ножа немного тверже полевого шпата, но немного мягче кварца.
Сравнение: Самые твердые материалы
Так как различные виды драгоценных камней имеют по меньшей мере такую же твердость, как и кварц (7), их легко можно отличить от внешне похожих на них «мягких» стеклянных изделий, имитирующих драгоценные камни, с помощью напильника (надфиля). До того, как ввели в употребление рефрактометр, это был практически единственный метод проверки ограненных камней.
Источник: www.shkolazhizni.ru
Механические методы определения твердости.
Твердость материала – это способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твердого материала. Она определяется величиной нагрузки необходимой для начала разрушения материала. Твердость делится на относительную и абсолютную. Относительная твердость – это твердость одного материала по отношению к другому. Абсолютная твердость определяется с помощью методов вдавливания.
Твёрдость зависит от множества факторов. Среди них: межатомные расстояния вещества, валентность, природа химической связи, хрупкости и ковкости материала, гибкости, упругости, вязкости и других качеств.
Наиболее твёрдыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода — лонсдейлит, который твёрже алмаза в полтора раза и фуллерит с превышением твёрдости алмаза в два раза. Однако среди распространённых веществ по-прежнему самым твёрдым является алмаз.
Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения). Для разных материалов они будут разными. Для измерения твердости металлов применяются методы:
Метод Бринелля — твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка.
Существуют два вида методов расчета твердости:
По методу восстановленного отпечатка твёрдость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка:
- — приложенная нагрузка, H;
- — диаметр шарика, мм;
- — диаметр отпечатка, мм.
По методу невосстановленного отпечатка твёрдость определяется как отношение приложенной нагрузки к площади внедрённой в материал части и ндентора :
где — глубина внедрения индентора, м м .
Единицами измерения являются кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твёрдость, англ.), B — Бринелль. Это одни из самых старых методов, применявшиеся еще в XIX веке.
Метод Роквелла — твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, обозначается HR, где H – hardness, а R — Rockwell. Твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 − kd, где d — глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k — коэффициент.
Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу соответствует HR 100. 3-й буквой в обозначении идёт наименование типа шкалы, напр. HRA, HRB, HRC и т.д. Для ножей твердость определяется по шкале HRC, которая фактически заканчивается на 70 единицах, так как большая твердость ножа не позволяет им полноценно пользоваться из-за снижения ударной вязкости, повышения хрупкости и т.д. Эта система была самой распространенной в XX веке.
Твердость по методу Роквелла можно измерять:
1) Алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кгс. Твердость измеряется по шкале С и обозначается HRC (например, 62 HRC). Метод позволяет определять твердость закаленной и отпущенной сталей, материалов средней твердости, поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм;
2) Алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кгс. Твердость измеряется по шкале А, совпадающей со шкалой С, и обозначается HRA. Применяется для оценки твердости очень твердых материалов, тонких поверхностных слоев (0,3 … 0,5 мм) и тонколистового материала;
3) Стальным шариком с общей нагрузкой 100 кгс. Твердость обозначается HRB и измеряется по шкале B. Так определяют твердость мягкой (отожженной) стали и цветных сплавов.
При измерении твердости на приборе Роквелла необходимо, чтобы на поверхности образца не было окалины, трещин, выбоин и др. Необходимо контролировать перпендикулярность приложения нагрузки к поверхности образца и устойчивость его положения на столике прибора. Расстояние отпечатка должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и не менее 4 мм при вдавливании шарика. Твердость измеряется не менее 3 раз на одном образце, затем выводится среднее значение. Преимущество метода Роквелла по сравнению с методами Бринелля и Виккерса заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.
Метод Виккерса — самая широкая по охвату шкала, твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Обозначается HV, где H — Hardness (твёрдость, англ.), V — Vickers (Виккерс, англ.). При испытании твердости по методу Виккерса, в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом.
После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка. Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки P и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм2) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой для сталей 10 – 15 с, а для цветных металлов – 30 с. Преимущества метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.
Твёрдость по Шору (Метод вдавливания) — твёрдость определяется по глубине проникновения в материал специальной закаленной стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины. В данном методе измерения используется прибор — дюрометр. Обычно метод Шора используется для определения твердости низкомодульных материалов (полимеров).
Метод Шора, предполагает 12 шкал измерения. Чаще всего используются варианты A (для мягких материалов) или D (для более твердых). Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается буквой используемой шкалы, записываемой после числа с указанием метода. В качестве примера, можно привести резину в покрышке колеса легкового автомобиля, которая имеет твердость примерно 70A, а школьный ластик — примерно 50A.
Твёрдость по Шору (Метод отскока) — метод определения твёрдости очень твёрдых материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боёк, падающий с определённой высоты. Твердость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка. Обозначается HSx, где H — Hardness, S — Shore и x — латинская буква, обозначающая тип использованной при измерении шкалы.
Метод Либу (твердомеры)
Это самый широко применяемый на сегодня метод в мире, твёрдость определяется как отношение скоростей до и после отскока бойка от поверхности. Обозначается HL, где H — Hardness (твёрдость, англ.), L — Leeb (Либ, англ.), а 3-й буквой идёт обозначение типа датчика, напр. HLD, HLC и т.д.
При использовании данного метода падающий нормально к поверхности исследуемого материала боек сталкивается с поверхностью и отскакивает. Скорость бойка измеряют до и после отскакивания. Предполагается, что боек не подвергается необратимой деформации.
Метод Аскер — твёрдость определяется по глубине введения стальной полусферы под действием пружины. Используется для мягких резин. По принципу измерения соответствует методу Шора, но отличается формой поверхности щупа. Аскер использует полусферу диаметром 2.54 мм.
Метод Кузнецова — Герберта — Ребиндера — твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл.
Метод Польди (двойного отпечатка шарика) — твердость оценивается в сравнении с твердостью эталона, испытание производится путем ударного вдавливания стального шарика одновременно и в образец, и в эталон.
Твёрдость минералов.
Шкала твёрдости минералов Мооса (склерометры царапающие) – метод определения твёрдости минералов путём царапания одного минерала другим, для сравнительной диагностики твёрдости минералов между собой по системе мягче-твёрже. Испытываемый минерал либо не царапается другим минералом (эталоном Мооса или склерометром) и тогда его твёрдость по Моосу выше, либо царапается — и тогда его твёрдость по Моосу ниже. Шкала Мооса — опредедяет, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый материал, и какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом.
Источник: tsprof.com
Твердость по моосу что это
Карл Фридрих Моос
Наука измерять
Дмитрий Иванович Менделеев, выдающийся учёный по самому что ни на есть гамбургскому счёту, отличался многообразием интересов. Чем он только за свою жизнь не занимался! Даже метрологией. С 1893 года он был директором Палаты мер и весов. Дмитрий Иванович не отнёсся к этой должности как к синекуре, и сделал на своём месте очень много.
Фактически он основал в России метрологию, службу точных и правильных измерений. Без такой службы невозможно представить развитое промышленное государство.
Менделеев считал, что любая наука начинается с измерения. Мнение авторитетное, с которым не согласиться невозможно. Следует только обсудить, что такое измерение, какие виды измерений возможны и какую информацию можно получить, измеряя.
Основные определения
Измерение – это операция, проводимая по фиксированным правилам (алгоритму), в результате которой данному наблюдаемому свойству системы ставится в соответствие некоторое число. Иначе можно сказать, что, если каким-то объектам по некоторому правилу ставятся в соответствие числа, значит производится измерение этих объектов. В зависимости от природы того или иного объекта или свойства результатом измерения может быть выражен действительным или натуральным числом (порядковым номером).
Измерение, казалось бы, единичная операция. Но результат измерения, между тем, не имеет смысла, если он не соотносится с множеством других результатов измерения того же свойства системы. Именно множество измерений характеризует измеряемое свойство.
Типы данных
Для сравнения результатов измерений их удобно определённым образом упорядочить и образовать измерительную шкалу, с которой соотносить результаты последующих измерений.
Типы шкал
В зависимости от типа измеряемых объектов различают 4 типа шкал измерения.
Номинальная шкала
Эта шкала используется при классификации, которую можно рассматривать, как измерение значений качественных свойств. Примерами качественных свойств являются цвета изделий, названия модели, пол человека или животного, родовая и видовая принадлежность растения и животного. Результатом измерения является заключение о принадлежности некоторому классу. Например, автомобили можно классифицировать по цвету, по наименованию компании изготовителя, по типу двигателя (бензиновый, дизельный, электрический) и по многим другим признакам.
Шкала твёрдости Мооса.
Количество классов конечно, поэтому их можно занумеровать натуральными числами. Таким образом, измерение по номинальной шкале даёт в качестве результата некоторый номер класса, к которому был отнесен объект или свойство.
С величинами, которые измеряются по номинальной шкале, можно выполнять только одну операцию — проверку их совпадения или несовпадения некоторому критерию. Таким образом, между объектами одного класса устанавливаются отношения тождества.
Порядковая или ранговая шкала
Отношения тождества – самые общие. В измерение некоторых свойств можно ввести также отношение порядка, то есть указать, что некоторое измеряемой свойство больше другого измеряемого свойства. В этом случае говорят о ранговой шкале.
Примером такой шкалы является оценка успеваемости путём выставления баллов: отличники, «хорошисты», «троечники» и «двоечники» по-разному относятся к предмету, по-разному осваивают учебный материал. В соответствии с оценкой, выставленной учителем, они занимают ту или иную ступеньку (или ранг) шкалы успеваемости. Такое ранжирование неизбежно приводит к уравниванию.
Кто-то получил «четвёрку», потому что чуть-чуть ошибся, а для кого-то это – высшее достижение. Другой пример ранговой шкалы – шкала твёрдости минералов, введенная немецким учёным Моосом. Если один минерал оставляет царапину на другом минерале, он считается более твёрдым. Таким образом можно распределить минералы по десяти степеням твёрдости, не измеряя само значение твёрдости и даже не давая теоретического определения твёрдости.
Социологи в своих опросах широко используют ранговые шкалы. Они часто задают вопросы об отношении к какому-либо явлению и просят респондентов выставить оценку и дать один из ответов в диапазоне от «очень хорошо» до «очень плохо».
Интервальная или разностная шкала
В этом случае можно вспомнить всем известную шкалу изменения температур, например, по Цельсию или измерение времени. Измерение температуры происходит путём сравнения с некоторой эталонной температурой. Результат измерения по интервальной шкале – действительное число.
От одной интервальной шкалы к другой можно легко перейти с помощью линейного преобразования, то есть, переносом в другую точку эталонного значения и растяжения (или сжатия шкалы. Именно с помощью линейного преобразования происходит пересчёт одной температурной шкалы в другую, например, шкалы Цельсия в шкалу Фаренгейта.
Абсолютная шкала
По сравнению с интервальной шкалой в абсолютной шкале есть ещё одно дополнительное свойство, нулевая точка. Нулевая точка имеет определённый физический смысл, в ней измеряемое качество отсутствует. Поэтому сдвигать начало отсчёта в абсолютной шкале невозможно. С помощью абсолютных шкал измеряется большая часть физических свойств: масса, длина, сила. Шкала измерения температур Кельвина также является абсолютной.
Измерение твёрдости
Любая теория хороша своим практическим применением. Опробуем же всё, что было сказано выше на примере одной очень полезной и не совсем обычной шкалы. Это – шкала Мооса, которая была придумана в 1812 году немецким минералогом и геологом Карлом Фридрихом Кристианом Моосом (Carl Friedrich Christian Mohs ; 1773 —1839).
В отличие от большинства современных ему учёных, Моос, изучая минералы уделял много внимания их физическим свойствам, а не только химическому составу. Твёрдость – одна из главных физических характеристик минерала. Сейчас её можно точно определить специальными приборами. Способ же, предложенный Моосом был неточным, зато простым и доступным в полевых условиях.
Не потащишь же с собой в горы тяжеленный твердомер! К тому же, как оказалось, шкала Мооса, объединённая с другими методами описания физических свойств кристалла, позволяла быстро и достаточно точно определить, с каким из минералов мы имеем дело.
Ранговая десятибалльная шкала относительной твердости минералов Мооса основана на том, что более твёрдый материал оставляет царапину на поверхности минерала более мягкого. Значения шкалы от 1 до 10 соответствуют десяти достаточно распространённым эталонным минералам с твёрдостью, нарастающей от талька (1) до алмаза (10). Кроме этих эталонные минералы включают гипс (твёрдость по Моосу 2), кальцит (3), флюорит (4), апатит (5), полевой шпат (6), кварц (7), топаз (8) и корунд (9)
Если проверяемый минерал оставляет на эталонном материале царапину, его твёрдость по шкале Мооса выше. Если проверяемый минерал царапается эталонным материалом, его твёрдость по шкале Мооса ниже эталона. Твёрдость проверяемого минерала по Моосу будет находиться между самым твёрдым эталонным материалом, который можно им поцарапать самым мягким эталонным материалом, который оставляет на нём царапину. Например, если тестируемый минерал царапается кварцем, но не царапается полевым шпатом, то его твёрдость находится в диапазоне от 6 до 7.
Твёрдость, определяемая по шкале Мооса, относительная. Соотношение реальных твёрдостей совсем другие. Корунд (твёрдость по Моосу 9) в 2 раза твёрже топаза (8), в то время, как алмаз (10) в 4 раза более твёрдый, чем корунд.
Иногда для определения твердости по Моосу используют подручные средства. У графитового карандаша относительная твёрдость 1, у поваренной соли – 2, твёрдость ногтя – 2.5, монеты из меди – 3, железного гвоздя — 4, стекла — 5, стального ножа — 6, а твёрдость напильника – 7. При определении твёрдости с помощью подручных средств лучше всего начинать проверку со стекла. Ведь значение его твердости находится примерно на середине шкалы.
Источник: eponym.ru