ความแข็งคืออะไร? การหาค่าความแข็ง

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 05:43

อะไรแข็งกว่ากัน หินแกรนิตหรือหินอ่อน นิกเกิลหรืออะลูมิเนียม? และความแข็งคืออะไร? เราจะพยายามตอบคำถามเหล่านี้ในบทความของเรา นักวิทยาศาสตร์ต่างชาติจำนวนหนึ่งได้จัดการกับปัญหาในการพิจารณาความกระด้างของแร่ธาตุและสารต่างๆ ในหมู่พวกเขามี Albert Schor, Friedrich Moos, Johan August Brinell, William Vickers และคนอื่น ๆ อย่างไรก็ตาม วิธีเดียวที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปสำหรับการคำนวณความแข็งในวิทยาศาสตร์ยังไม่มีอยู่

ความแข็งคืออะไร

สารที่นักวิทยาศาสตร์รู้จักแต่ละชนิดมีคุณสมบัติและคุณสมบัติทางกายภาพจำเพาะหลายประการ บทความนี้จะกล่าวถึงความแข็ง นี่คือความสามารถของวัสดุในการต้านทานการแทรกซึมของวัตถุอื่นที่ทนทานกว่า (เช่น เครื่องมือตัดหรือเจาะ)

ความกระด้างของสารมักวัดในหน่วยพิเศษ - kgf/mm² (แรงกิโลกรัมต่อพื้นที่ตารางมิลลิเมตร) มันถูกกำหนดด้วยตัวอักษรละติน HB, HRC หรือ HRB ขึ้นอยู่กับมาตราส่วนที่เลือก

แร่ที่แข็งที่สุดในโลกคือเพชร ถ้าเราพูดถึงวัสดุที่มีต้นกำเนิดเทียมแล้ววัสดุที่ทนทานที่สุดคือฟูลเลอไรต์ เป็นผลึกโมเลกุลที่ก่อตัวขึ้นที่อุณหภูมิสูง (ประมาณ 300 องศาเซลเซียส) และความดันสูงมาก (มากกว่า 90,000 บรรยากาศ) นักวิทยาศาสตร์ระบุว่า ฟูลเลอร์ไรท์นั้นแข็งกว่าเพชรประมาณหนึ่งเท่าครึ่ง

ความแข็งคืออะไร

มีสามตัวเลือกความแข็งหลัก:

• พื้นผิว (กำหนดโดยอัตราส่วนของน้ำหนักต่อพื้นที่ผิวของงานพิมพ์)
• ฉาย (อัตราส่วนของโหลดต่อพื้นที่ฉายของสำนักพิมพ์)
• ปริมาณ (อัตราส่วนการโหลดต่อปริมาณการพิมพ์).

นอกจากนี้ ความกระด้างของร่างกายวัดได้ 4 ช่วง:

1. ความแข็งระดับนาโน (โหลดน้อยกว่า 1 gf).
2. ความแข็งระดับไมโคร (1 – 200 gf).
3. ความแข็งที่โหลดต่ำ (200 gf - 5 kgf).
4. ความแข็งมาโคร (มากกว่า 5 กก.)

ความแข็งของโลหะ

จาก 104 ธาตุในระบบธาตุของเมนเดเลเยฟ 82 ธาตุเป็นโลหะ และจำนวนโลหะผสมที่มนุษย์รู้จักก็มีถึงห้าพัน! ขอบเขตของโลหะในโลกสมัยใหม่นั้นกว้างอย่างไม่น่าเชื่อ เหล่านี้คืออุตสาหกรรมการทหารและเคมี, โลหะ, วิศวกรรมไฟฟ้า, อุตสาหกรรมอวกาศ, เครื่องประดับ, การต่อเรือ, ยา ฯลฯ

ในบรรดาลักษณะทางกายภาพและทางเคมีของโลหะ ความแข็งยังห่างไกลจากสุดท้ายบทบาท. เธอแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่า:

• ระดับความต้านทานการสึกหรอของโลหะ;
• ต้านทานแรงดัน;
• ความสามารถในการตัดวัสดุอื่นๆ

ความแข็งของโลหะแสดงให้เห็นว่าสามารถแปรรูปในเครื่องบางเครื่องได้หรือไม่ สามารถขัดมันได้หรือไม่ อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ได้พิสูจน์มานานแล้วว่าความแข็งของโลหะเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางกลอื่นๆ ของโลหะเป็นส่วนใหญ่

เหล็ก ทองแดง และอลูมิเนียมมีความแข็งเท่าไหร่? แล้วโลหะอะไรแข็งที่สุดและทนทานที่สุด?

แมกนีเซียมและอะลูมิเนียมเป็นโลหะที่อ่อนที่สุด ค่าความแข็งจะแตกต่างกันไปภายใน 5 kgf/mm² แข็งเป็นสองเท่า - นิกเกิลและทองแดง (ประมาณ 10 กก./มม.²) ความแข็งของเหล็กอยู่ที่ประมาณ 30 kgf/mm² โลหะที่แข็งที่สุดจากแหล่งกำเนิดตามธรรมชาติ ได้แก่ ไททาเนียม ออสเมียม และอิริเดียม

การหาค่าความแข็ง: วิธีการ วิธีการและแนวทาง

ความแข็งของร่างกายวัดได้อย่างไร? ในการทำเช่นนี้ จะมีการแนะนำหัวกดที่เรียกว่าตัวอย่าง บทบาทของมันสามารถเล่นได้กับลูกบอลโลหะหนัก พีระมิด หรือรูปกรวยเพชร หลังจากผลกระทบจากการสัมผัสโดยตรงของหัวกด รอยประทับยังคงอยู่บนตัวอย่างทดสอบ ซึ่งขนาดจะเป็นตัวกำหนดความแข็งของวัสดุ

ในทางปฏิบัติ ใช้วิธีการวัดความแข็งสองกลุ่ม:

1. ไดนามิก
2. จลนศาสตร์

ในกรณีนี้ สามารถดำเนินการโหลดที่ใช้ในระหว่างการนำหัวกดเข้าสู่ร่างกายได้โดยการเกา เยื้อง (บ่อยที่สุด) ตัดหรือเด้งกลับ

วันนี้มีหลายวิธีในการพิจารณาความแข็ง:

• ร็อคเวลล์;
• บริเนล;
• ตาม Vickers;
• ริมฝั่ง;
• ตาม Mohs.

ดังนั้น วัสดุที่มีความแข็งต่างกันหลายระดับ จึงไม่มีความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างกัน เลือกวิธีการวัดอย่างใดอย่างหนึ่งโดยพิจารณาจากปัจจัยหลายประการ (เช่น คุณสมบัติของวัสดุเฉพาะ สภาวะของการทดลอง อุปกรณ์ที่ใช้ เป็นต้น) อุปกรณ์ที่กำหนดความแข็งของโลหะหรือแร่ธาตุมักเรียกว่าเครื่องวัดความแข็ง

วิธีร็อกเวลล์

ค่าความแข็ง Rockwell ถูกกำหนดโดยความลึกของการเยื้องของกรวยเพชรหรือลูกโลหะที่เหลืออยู่บนพื้นผิวของชิ้นทดสอบ นอกจากนี้ยังไม่มีมิติและเขียนแทนด้วยตัวอักษร HR วัสดุที่อ่อนเกินไปอาจมีค่าความแข็งเป็นลบ

ที่เรียกว่าเครื่องทดสอบความแข็ง Rockwell ถูกประดิษฐ์ขึ้นเมื่อต้นศตวรรษที่ผ่านมาโดยชาวอเมริกัน Hugh Rockwell และ Stanley Rockwell คุณสามารถดูวิธีการทำงานในวิดีโอต่อไปนี้ ปัจจัยสำคัญสำหรับวิธีนี้คือความหนาของชิ้นงานทดสอบ ไม่ควรน้อยกว่าสิบเท่าของความลึกการเจาะของหัวกดเข้าไปในตัวทดสอบ

ขึ้นอยู่กับชนิดของหัวกดและน้ำหนักที่ใช้ มีสเกลวัดสามแบบ พวกมันถูกกำหนดด้วยตัวอักษรละตินสามตัว: A, B และ C ค่าความแข็ง Rockwell มีรูปแบบตัวเลข ตัวอย่างเช่น: 25.5 HRC (สุดท้ายตัวอักษรระบุมาตราส่วนที่ใช้ในการทดสอบ).

วิธีบริเนล

ค่าความแข็งของบริเนลนั้นพิจารณาจากเส้นผ่านศูนย์กลางของรอยประทับที่เหลือโดยลูกเหล็กชุบแข็งบนพื้นผิวของโลหะที่กำลังทดสอบ หน่วยวัดคือ kgf/mm².

วิธีการนี้เสนอในปี 1900 โดยวิศวกรชาวสวีเดน Johan August Brinell การทดสอบดำเนินการดังนี้: ขั้นแรก โหลดล่วงหน้าของหัวกดบนตัวอย่างถูกตั้งค่า และจากนั้น - อันหลักเท่านั้น นอกจากนี้ วัสดุที่อยู่ภายใต้ภาระนี้สามารถทนต่อได้ถึง 30 วินาที หลังจากนั้นจึงวัดความลึกของการเยื้อง ความแข็งแบบบริเนล (เรียกว่า HB) คำนวณจากอัตราส่วนของโหลดที่ใช้กับพื้นที่ผิวของงานพิมพ์

ค่าความแข็งบางอย่างสำหรับวัสดุต่างกัน (ตาม Brinell):

• ไม้ – 2, 6-7, 0 HB.
• อลูมิเนียม - 15 HB.
• ทองแดง – 35 HB.
• เหล็กอ่อน - 120 HB.
• แก้ว – 500 HB.
• เหล็กเครื่องมือ - 650-700 HB.

วิธีวิคเกอร์

ความแข็งตามวิธี Vickers ถูกกำหนดโดยการกดปลายเพชรเข้าไปในตัวอย่าง โดยมีรูปร่างเป็นปิรามิดทรงสี่เหลี่ยมปกติ หลังจากนำโหลดออกแล้ว ให้วัดเส้นทแยงมุมทั้งสองที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของวัสดุและคำนวณค่าเฉลี่ยเลขคณิต d (เป็นมิลลิเมตร)

เครื่องทดสอบความแข็งของ Vickers ค่อนข้างกะทัดรัด (ดูรูปด้านล่าง) การทดสอบดำเนินการที่อุณหภูมิห้อง (+20 องศา) ค่าความแข็งของร่างกายแสดงด้วยตัวอักษร HV

วิธีสั้น

วิธีการวัดความแข็งนี้เสนอโดย Albert Shor นักประดิษฐ์ชาวอเมริกัน นอกจากนี้ยังมักเรียกกันว่า "วิธีการสะท้อนกลับ" เมื่อทำการวัดความแข็งของชอร์ ตัวหยุดงานขนาดและมวลมาตรฐานจะถูกหย่อนจากความสูงระดับหนึ่งลงบนพื้นผิวของวัสดุที่ทำการทดสอบ ค่าสำคัญของการทดลองนี้คือความสูงการเด้งกลับของกองหน้า ซึ่งวัดเป็นหน่วยทั่วไป

ความแข็งของฝั่งวัดอยู่ในช่วงตั้งแต่ 20 ถึง 140 หน่วย หนึ่งร้อยหน่วยสอดคล้องกับความสูงสะท้อนกลับ 13.6 มม. (± 0.5 มม.) ตามมาตรฐาน ค่านี้คือความแข็งของเหล็กกล้าคาร์บอนชุบแข็ง อุปกรณ์ที่ทันสมัยสำหรับวัดความแข็งของวัสดุตามชอร์เรียกว่า scleroscope หรือ durometer (สามารถดูได้ในรูปด้านล่าง)

สเกลโมห์

ระดับความแข็งของ Mohs นั้นสัมพันธ์กันและใช้กับแร่ธาตุเท่านั้น แร่ธาตุสิบชนิดได้รับการคัดเลือกเป็นแร่ธาตุอ้างอิง ซึ่งจัดเรียงตามลำดับความแข็งที่เพิ่มขึ้น (ในแผนภาพด้านล่าง) ดังนั้นมาตราส่วนจึงมี 10 คะแนน (ตั้งแต่ 1 ถึง 10)

ระดับความแข็งแร่ได้รับการเสนอโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันชื่อ ฟรีดริช มูส ย้อนกลับไปในปี พ.ศ. 2354 อย่างไรก็ตาม ยังคงใช้ในด้านธรณีวิทยา

จะตรวจสอบความแข็งของแร่ชนิดใดชนิดหนึ่งในระดับ Mohs ได้อย่างไร? ซึ่งสามารถทำได้โดยตรวจสอบรอยขีดข่วนที่เหลือโดยตัวอย่างอย่างระมัดระวัง ใช้เล็บมือ เหรียญทองแดง เศษแก้วหรือมีดเหล็กได้สะดวก

งั้นถ้าแร่ที่ทดสอบแล้วเขียนบนกระดาษโดยไม่ทำให้เกิดรอยขีดข่วน จากนั้นความแข็งจะเท่ากับหนึ่ง ถ้าหินถูกขูดขีดได้ง่ายด้วยเล็บมือ ความแข็งของมันคือ 2 จุดสามจุดมีแร่ธาตุที่ขูดด้วยมีดได้ง่าย หากคุณต้องการที่จะทิ้งรอยไว้บนหิน ความแข็งของมันคือ 4 หรือ 5 แร่ธาตุที่มีความแข็ง 6 หรือสูงกว่านั้นจะทิ้งรอยขีดข่วนไว้บนใบมีด

สรุป…

ความแข็งคืออะไร? นี่คือความสามารถของร่างกายในการต้านทานการทำลายและการเสียรูปภายใต้อิทธิพลของแรงสัมผัสในท้องถิ่น แร่ที่แข็งที่สุดในโลกถือเป็นเพชร และโลหะที่ทนทานที่สุดคืออิริเดียม ในวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสมัยใหม่ มีการใช้วิธีการวัดความแข็งหลายวิธี (อ้างอิงจาก Brinell, Rockwell, Vickers, Shore และ Mohs)