Қайсысы қатты, гранит немесе мәрмәр, никель немесе алюминий? Ал қаттылық деген не? Бұл сұрақтарға біз мақаламызда жауап беруге тырысамыз. Бірқатар шетел ғалымдары минералдар мен заттардың қаттылығын анықтау мәселесімен айналысты. Олардың қатарында Альберт Шор, Фридрих Мус, Йохан Август Бринелл, Уильям Викерс және т.б. Дегенмен, ғылымда қаттылықты есептеудің жалғыз және жалпы қабылданған әдісі әлі жоқ.
Қаттылық дегеніміз не?
Ғылымға белгілі заттардың әрқайсысының бірқатар нақты физикалық қасиеттері мен қасиеттері бар. Бұл мақалада қаттылық деген не екенін талқылаймыз. Бұл материалдың оған басқа, берік дененің (мысалы, кесу немесе тесу құралы) енуіне қарсы тұру қабілеті.
Заттардың қаттылығы көбінесе арнайы өлшем бірліктерімен өлшенеді - кгс/мм2 (ауданның бір шаршы миллиметріне килограмм-күш). Ол таңдалған шкалаға байланысты HB, HRC немесе HRB латын әріптерімен белгіленеді.
Жер бетіндегі ең қатты минерал – алмаз. Егер жасанды шыққан материалдар туралы айтатын болсақ, онда ең берік - фуллерит. Бұл жоғары температурада (300 градус Цельсий) және өте жоғары қысымда (90 000 атмосферадан астам) түзілетін молекулалық кристал. Ғалымдардың айтуынша, фуллерит алмазға қарағанда шамамен бір жарым есе қатты.
Қаттылық дегеніміз не?
Қаттылықтың үш негізгі нұсқасы бар:
- Бет (жүктеменің басып шығару бетінің ауданына қатынасымен анықталады).
- Проекция (жүктеменің іздің проекция аймағына қатынасы).
- Дыбыс (жүктеменің басып шығару көлеміне қатынасы).
Сонымен қатар физикалық денелердің қаттылығы төрт диапазонмен өлшенеді:
- Наноқаттылық (1 гф-ден аз жүктеңіз).
- Микроқаттылық (1 – 200 гф).
- Төмен жүктемелердегі қаттылық (200 гф - 5 кгс).
- Макроқаттылық (5 кгс артық).
Металдардың қаттылығы
Менделеевтің периодтық жүйесінің 104 элементінің 82-сі металдар. Ал адамға белгілі қорытпалардың жалпы саны бес мыңға жетеді! Қазіргі әлемдегі металдардың қолданылу аясы керемет кең. Бұл әскери және химия өнеркәсібі, металлургия, электротехника, ғарыш өнеркәсібі, зергерлік бұйымдар, кеме жасау, медицина және т.б.
Металдардың барлық физикалық және химиялық сипаттамаларының ішінде қаттылық соңғы деңгейден алыс.рөл. Өйткені, ол анық көрсетеді:
- металдың тозуға төзімділік дәрежесі;
- қысымға төзімділік;
- оның басқа материалдарды кесу мүмкіндігі.
Басқа нәрселермен қатар металдың қаттылығы оны белгілі бір станоктарда өңдеуге болатындығын, жылтыратуға болатынын және т.б. Айтпақшы, ғалымдар металдың қаттылығы негізінен оның басқа механикалық қасиеттерін анықтайтынын әлдеқашан дәлелдеген.
Темір, мыс және алюминийдің қаттылығы қандай? Қай металл ең қатты және төзімді?
Магний мен алюминий ең жұмсақ металдардың қатарына жатады. Олардың қаттылық мәндері 5 кгс/мм2 шамасында өзгереді. Шамамен екі есе қатты - никель және мыс (шамамен 10 кгс/мм2). Темірдің қаттылығы 30 кгс/мм2 деп есептеледі. Табиғи ең қатты металдарға титан, осмий және иридий жатады.
Қаттылықты анықтау: әдістер, әдістер және тәсілдер
Физикалық дененің қаттылығы қалай өлшенеді? Ол үшін үлгіге индентер деп аталатын элемент енгізіледі. Оның рөлін ауыр салмақты металл шар, пирамида немесе алмас конусы атқара алады. Инденттердің тікелей жанасу әсерінен кейін сынақ үлгісінде ізі қалады, оның өлшемі материалдың қаттылығын анықтайды.
Тәжірибеде қаттылықты өлшеу әдістерінің екі тобы қолданылады:
- Динамикалық.
- Кинетикалық.
Бұл жағдайда инденторды денеге енгізу кезінде түсетін жүктемені орындауға боладысызу, шегініс (көбінесе), кесу немесе кері бұру арқылы.
Бүгінде қаттылықты анықтаудың бірнеше түрлі тәсілдері бар:
- Роквелл;
- Бринелл;
- Викерс бойынша;
- by Shore;
- Mohs бойынша.
Сәйкесінше материалдардың қаттылығының бірқатар әртүрлі шкалалары бар, олардың арасында тікелей байланыс жоқ. Бір немесе басқа өлшеу әдісі бірқатар факторларға байланысты таңдалады (мысалы, белгілі бір материалдың қасиеттері, тәжірибе жағдайлары, қолданылатын жабдық және т.б.). Металдардың немесе минералдардың қаттылығын анықтайтын құрылғылар әдетте қаттылықты өлшейтін құрал деп аталады.
Роквелл әдісі
Роквелл қаттылығының мәні сынақ бөлігінің бетінде қалған гауһар конустың немесе металл шардың шегініс тереңдігімен анықталады. Оның үстіне ол өлшемсіз және HR әріптерімен белгіленеді. Тым жұмсақ материалдар теріс қаттылық мәндеріне ие болуы мүмкін.
Роквелл қаттылығын өлшейтін құралды өткен ғасырдың басында американдықтар Хью Роквелл мен Стэнли Роквелл ойлап тапқан. Оның қалай жұмыс істейтінін келесі бейнеден көре аласыз. Бұл әдіс үшін маңызды фактор сынақ үлгісінің қалыңдығы болып табылады. Ол сынақ корпусына интенттердің ену тереңдігінен он есе кем болмауы керек.
Инденттердің түріне және қолданылатын жүктемеге байланысты үш өлшеу таразысы бар. Олар үш латын әрпімен белгіленеді: A, B және C. Роквелл қаттылық мәні сандық пішінге ие. Мысалы: 25,5 HRC (соңғыәріп сынақта қолданылған шкаланы көрсетеді).
Бринелл әдісі
Бринелл қаттылығының мәні сыналатын металдың бетінде шыңдалған болат шар қалдыратын әсердің диаметрімен анықталады. Өлшем бірлігі кгс/мм2.
Әдісті 1900 жылы швед инженері Йохан Август Бринелл ұсынған. Сынақ келесідей жүзеге асырылады: алдымен үлгідегі инденттердің алдын ала жүктемесі орнатылады, содан кейін ғана - негізгі. Сонымен қатар, бұл жүктемедегі материал 30 секундқа дейін шыдай алады, содан кейін шегіністің тереңдігі өлшенеді. Бринелл қаттылығы (HB деп аталады) түсірілген жүктеменің алынған басып шығару бетінің ауданына қатынасы ретінде есептеледі.
Әртүрлі материалдар үшін кейбір қаттылық мәндері (Бринелл бойынша):
- Ағаш – 2, 6-7, 0 HB.
- Алюминий - 15 HB.
- Мыс – 35 HB.
- Жұмсақ болат - 120 HB.
- Шыны – 500 HB.
- Аспаптық болат - 650-700 HB.
Виккерс әдісі
Викерс әдісі бойынша қаттылық үлгіге кәдімгі төртбұрышты пирамида тәрізді гауһар ұшты басу арқылы анықталады. Жүктемені алып тастағаннан кейін материалдың бетінде қалыптасқан екі диагональды өлшеп, орташа арифметикалық d мәнін есептеңіз (миллиметрмен).
Vickers қаттылық сынағы өте ықшам (төмендегі суретті қараңыз). Сынақ бөлме температурасында (+20 градус) жүргізіледі. Дененің қаттылық мәні HV әріптерімен көрсетілген.
Қысқа әдіс
Қаттылықты өлшеудің бұл әдісін американдық өнертапқыш Альберт Шор ұсынған. Оны жиі «қайта оралу әдісі» деп те атайды. Шордың қаттылығын өлшеген кезде сыналатын материалдың бетіне белгілі бір биіктіктен стандартты өлшемдегі және массалық соққыны түсіреді. Бұл тәжірибенің негізгі мәні - шартты бірліктермен өлшенген шабуылшының кері көтерілу биіктігі.
Жағаның қаттылығы 20-дан 140 бірлікке дейінгі диапазонда өлшенеді. Жүз бірлік 13,6 мм (± 0,5 мм) көтерілу биіктігіне сәйкес келеді. Стандартқа сәйкес бұл мән шынықтырылған көміртекті болаттың қаттылығы болып табылады. Shore бойынша материалдардың қаттылығын өлшейтін заманауи құрылғы склероскоп немесе дурометр деп аталады (оны төмендегі фотода көруге болады).
Мох шкаласы
Мохс қаттылық шкаласы салыстырмалы және тек минералдарға қатысты. Эталондық минерал ретінде он минерал таңдалды, олар қаттылықты арттыру ретімен орналастырылған (төмендегі фотосуретте). Тиісінше, шкала 10 ұпайға ие (1-ден 10-ға дейін).
Қаттылықтың минералогиялық шкаласын сонау 1811 жылы неміс ғалымы Фридрих Мус ұсынған. Соған қарамастан ол әлі де геологияда қолданылады.
Мохс шкаласы бойынша белгілі бір минералдың қаттылығын қалай анықтауға болады? Мұны үлгі қалдырған сызаттарды мұқият тексеру арқылы жасауға болады. Тырнақты, мыс тиынды, шыны бөлігін немесе болат пышақты пайдалану ыңғайлы.
Егерсыналған минерал қағазға сызатпай жазады, сонда оның қаттылығы бірге тең болады. Егер тас тырнақпен оңай тырналатын болса, оның қаттылығы 2. Үш нүктеде пышақпен оңай сызылатын минералдар бар. Таста із қалдыру үшін біраз күш салу қажет болса, оның қаттылығы 4 немесе 5 болады. Қаттылығы 6 немесе одан жоғары минералдардың өзі пышақ жүзінде сызаттар қалдырады.
Қорытынды…
Сонымен қаттылық дегеніміз не? Бұл физикалық дененің жергілікті жанасу күштерінің әсерінен бұзылуға және деформацияға қарсы тұру қабілеті. Жердегі ең қатты минерал алмаз болып саналады, ал ең берік металл - иридий. Қазіргі ғылым мен техникада қаттылықты өлшеудің бірнеше әдістері қолданылады (Бринелл, Роквелл, Викерс, Шор және Мохс бойынша).
