Что характеризует прочность металла при механических испытаниях


Механические свойства металлов и сплавов

К основным механическим свойствам металлов относятся прочность, вязкость, пластичность, твердость, выносливость, ползучесть, износостойкость. Они являются главными характеристиками металла или сплава.

Рассмотрим некоторые термины, применяемые при характеристике механических свойств. Изменения размеров и формы, происходящие в твердом теле под действием внешних сил, называются деформациями, а процесс, их вызывающий,— деформированием. Деформации, исчезающие при разгрузке, называются упругими, а не исчезающие после снятия нагрузки — остаточными или пластическими.

Напряжением  называется величина внутренних сил, возникающих в твердом теле под влиянием внешних сил.

Под прочностью материала понимают его способность сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. О прочности судят по характеристикам механических свойств, которые получают при механических испытаниях. К статическим испытаниям на прочность относятся растяжение, сжатие, изгиб, кручение, вдавливание. К динамическим относятся испытания на ударную вязкость, выносливость и износостойкость. Эластичностью называется способность материалов упруго деформироваться, а пластичностью — способность пластически деформироваться без разрушения.

Вязкость — это свойство материала, которое определяет его способность к поглощению механической энергии при постепенном увеличении пластической деформации вплоть до разрушения материала. Материалы должны быть одновременно прочными и пластичными.

Твердость — это способность материала сопротивляться проникновению в него других тел.

Выносливость — это способность материала выдерживать, не разрушаясь, большое число повторно-переменных нагрузок.

Износостойкость — это способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

Ползучесть — это способность материала медленно и непрерывно пластически деформироваться (ползти) при постоянном напряжении (особенно при высоких температурах).

Поведение некоторых металлов (например, отожженной стали) при испытании на растяжение показано на рис. 3. При увеличении нагрузки в металле сначала развиваются процессы упругой деформации, удлинение образца при этом незначительно. Затем наблюдается пластическое течение металла без повышения напряжения, этот период называется текучестью. Напряжение, при котором продолжается деформация образца без заметного увеличения нагрузки, называют пределом текучести. При дальнейшем повышении нагрузки происходит развитие в металле процессов наклепа (упрочнения под нагрузкой). Наибольшее напряжение, предшествующее разрушению образца, называют пределом прочности при растяжении.

Рис. 3. Диаграмма деформации пр

Механические испытания металлов

Intertek проводит механические испытания металлов с использованием испытаний на удар, растяжение и твердость, чтобы определить, подходит ли металл для предполагаемого использования.

Механические испытания металлов - это неотъемлемый процесс определения того, как исследуемый материал работает в жестких условиях и соответствует ли он национальным или международным стандартам.

Литейные заводы, производители, производители, держатели металлических запасов, импортеры и инспекторы по сварке нуждаются в уверенности в том, что металл или сплав подходят для использования по назначению или соответствуют отраслевым спецификациям.

В Intertek мы проводим испытания на удар, растяжение и твердость в своих лабораториях с использованием современного испытательного оборудования. Кроме того, у нас есть собственные механические цеха для изготовления образцов для испытаний в соответствии с британскими, американскими и международными стандартами.

Испытание на удар
Испытание на удар измеряет способность материала поглощать энергию при разрушении с высокой скоростью. Это дает представление о «ударной вязкости» металла, и для испытаний на удар обычно используются два метода: Шарпи или Изод.

Испытание на растяжение
Испытание на растяжение или испытание на растяжение используется для определения поведения металла при его вытягивании. Испытания на растяжение могут измерять предел текучести, предел текучести и предел прочности при растяжении.У нас есть ряд машин для испытания на растяжение, которые могут прикладывать нагрузки от нескольких ньютонов до 1000 килограммов ньютонов и проводить испытания при температуре до 600 ° C.

Испытание на твердость
Испытание на твердость оценивает влияние металла или сплава на остаточное вдавливание, а глубина или размер вмятины измеряются для определения значения твердости. Существует несколько различных тестов на твердость, и мы используем методы Бринелля, Виккерса и Роквелла.

Используя Intertek для механических испытаний, вы получаете полную гарантию качества, что наши услуги будут соответствовать вашим срокам выполнения, а результаты наших испытаний предоставят вам необходимую информацию, которая поможет вам обеспечить безопасную и надежную работу ваших продуктов или оборудования и что ваши выбор материала соответствует национальным или международным стандартам.

Отправьте нам заявку

Нужна помощь или есть вопрос? +61 1300 046 837

.

Механические испытания - Испытания на растяжение, часть 1

Механические испытания проводятся для получения данных, которые могут использоваться для целей проектирования или как часть процедуры соединения материалов или схемы приемки оператора. Самая важная функция может заключаться в предоставлении проектных данных, поскольку важно, чтобы предельные значения, которые конструкция может выдержать без сбоев, были известны.

Рис.1. Типовая машина для испытания на растяжение

Неадекватный контроль свойств материала со стороны поставщика или некомпетентные процедуры соединения и операторы, однако, не менее важны для поставки продукта, который безопасен в использовании.Примером этой двойной роли механических испытаний является испытание на растяжение, которое может использоваться либо для определения предела текучести стали для использования в расчетах конструкции, либо для подтверждения того, что сталь соответствует требованиям к прочности, указанным в спецификации материала.

Механические испытания также можно разделить на количественных или качественных испытаний. Количественный тест - это тест, который предоставляет данные, которые будут использоваться для целей проектирования, качественный тест, результаты которого будут использоваться для сравнений - твердость или испытания по Шарпи-V - например, как тест «годен / не годен», такой как тест на изгиб.

Данные о механических свойствах получены в результате относительно небольшого числа стандартных испытаний, и они будут рассмотрены в следующих нескольких статьях. Они будут включать испытания на растяжение и ударную вязкость, испытания, используемые для процедуры сварки и утверждения сварщика, а также испытания, используемые для определения эксплуатационных свойств.

Испытание на растяжение

Как упоминалось ранее, испытание на растяжение используется для получения информации, которая будет использоваться в расчетах конструкции, или для демонстрации того, что материал соответствует требованиям соответствующей спецификации - следовательно, это может быть количественное или качественное испытание.

Испытание проводится путем захвата концов соответствующим образом подготовленного стандартизованного испытательного образца в машине для испытания на растяжение и последующего приложения постоянно возрастающей одноосной нагрузки до тех пор, пока не произойдет отказ. Образцы для испытаний стандартизированы для того, чтобы результаты были воспроизводимыми и сопоставимыми, как показано на Рис. 2 .

Рис.2. Образцы на растяжение стандартной формы

Образцы считаются пропорциональными , когда длина , L 0 , связана с исходной площадью поперечного сечения, A 0 , выраженной как L 0 = k√A 0 .Константа k составляет 5,65 в спецификациях EN и 5 в кодах ASME. Они дают измерительную длину примерно в 5 раз больше диаметра образца и 4 раза в диаметре образца соответственно - хотя эта разница может не быть технически значимой, это важно при заявлении о соответствии спецификациям.

Рис.3. Кривая напряжения / деформации

Измеряются как нагрузка (напряжение), так и растяжение (деформация) испытательного образца, и на основе этих данных строится инженерная кривая напряжения / деформации , Рис.3 . По этой кривой мы можем определить:

a) предел прочности при растяжении , также известный как предел прочности при растяжении , нагрузка при разрушении, деленная на исходную площадь поперечного сечения, где предел прочности при растяжении (UTS), σ max = P max / A 0 , где P max = максимальная нагрузка, A 0 = исходная площадь поперечного сечения. В спецификациях EN этот параметр также обозначается как «R m »;

b) предел текучести (YP), напряжение, при котором деформация меняется с упругой на пластическую, т.е. ниже предела текучести, разгрузка образца означает, что он возвращается к своей исходной длине, выше предела текучести произошла остаточная пластическая деформация, YP или σ y = P yp / A 0 , где P yp = нагрузка в пределе текучести.В спецификациях EN этот параметр также обозначается как «R e »;

c) Повторно собрав сломанный образец, мы также можем измерить относительное удлинение , El%, насколько испытательный образец растянулся при разрыве, где El% = (L f - L 0 / L o ) x100 где L f = измерительная длина до разрыва, а L 0 = исходная измерительная длина. В спецификациях EN этот параметр также обозначается как «A» ( Fig. 4a ).

d) уменьшение площади на процентов площади , насколько образец сузился или уменьшился в диаметре в точке разрушения, где R = A% = (A 0 - A f / A 0 ) x 100 где A f = площадь поперечного сечения в месте разрушения. В спецификациях EN этот параметр также обозначается как «Z» ( Fig. 4b ).

Рис.4: а) Расчет удлинения в процентах, б) Расчет процентного уменьшения площади

(a) и (b) являются мерой прочности материала, (c) и (d) указывают на пластичность или способность материала деформироваться без разрушения.

Наклон упругой части кривой, по существу прямая линия, дает Модуль упругости Юнга , меру того, насколько конструкция будет упруго деформироваться под нагрузкой.

Низкий модуль упругости означает, что конструкция будет гибкой, а высокий модуль - жесткой и негибкой.

Для получения наиболее точной кривой напряжение / деформация к образцу должен быть прикреплен экстензометр для измерения удлинения измерительной длины.Менее точный метод - это измерение перемещения траверсы натяжной машины.

Кривая напряжения-деформации на рис. 3 показывает материал, который имеет хорошо выраженный предел текучести, но только отожженная углеродистая сталь демонстрирует такое поведение. Металлы, упрочненные легированием, термообработкой или холодной обработкой, не обладают ярко выраженной текучестью, поэтому необходимо найти какой-то другой метод для определения «предела текучести».

Это делается путем измерения предела текучести ( предел текучести со смещением в американской терминологии), напряжения, необходимого для создания небольшой заданной величины пластической деформации в испытательном образце.

Предел текучести измеряется путем проведения линии, параллельной упругой части кривой напряжения / деформации при заданной деформации, эта деформация является процентом от исходной измерительной длины, следовательно, - 0,2%, 1% - (см. Рис.5 ).

Рис.5. Определение предела текучести

Например, 0,2% предела текучести можно измерить с использованием остаточной деформации 0,2 мм в образце с измерительной длиной 100 мм.Таким образом, испытательная прочность не является фиксированной характеристикой материала, например пределом текучести, а будет зависеть от заданной пластической деформации. Поэтому важно, чтобы при рассмотрении прочности доказательства всегда указывалось процентное значение. В большинстве спецификаций стали используется деформация 0,2%, R P0.2 в спецификациях EN.

Некоторые материалы, такие как отожженная медь, серый чугун и пластмассы, не имеют прямой упругой части на кривой напряжения / деформации.В этом случае обычная практика, аналогичная методу определения предела текучести, заключается в определении «предела текучести» как напряжения, вызывающего определенную остаточную деформацию.

Часть 2 этой серии, посвященная механическим испытаниям, будет охватывать испытания на растяжение при утверждении процедуры сварки.

Эту статью подготовил Gene Mathers .

.

Исследование структуры и механических свойств технических соединений из титана

Целью исследования являлась технология сварки титановых трубопроводов. Проанализированы превращения этого материала под действием термической сварки. Основная цель заключалась в оценке свойств титановых участков стыка. Соединения труб разной толщины сваривали аргонодуговой сваркой TIG с оптимальной и пониженной интенсивностью газового потока. Были испытаны структура и механические свойства этих соединений.Для соединений, сваренных в этих двух условиях, были получены разные результаты испытаний. Даны рекомендации по технологии сварки и термообработке стыков после сварки.

1. Введение

Титан и его сплавы занимают важное место среди металлических конструкционных материалов из-за их особо ценных физико-химических свойств [1–3], которые включают небольшой удельный вес и большую прочность при нормальных и повышенных температурах. Эти материалы обладают высокой устойчивостью к атмосферной коррозии и различным агрессивным средам.Таким образом, благодаря своим свойствам, титан и его сплавы находят множество применений в строительстве установок, трубопроводов и химического оборудования [4–6], как, например, реактор, сделанный из стального титанового листа с взрывоопасной оболочкой (рис. 1) [ 7, 8] или сварной технический титановый трубопровод.


Технический титан по сравнению с химически чистым элементом обычно загрязнен кислородом, азотом, водородом, углеродом, железом, кремнием и другими элементами. Количество этих примесей обычно составляет 0.2–1,2%. Эти случайные элементы образуют с чистым титаном соответствующие бинарные диаграммы равновесных систем (рис. 2) [9].

Титан технический и однофазные сплавы титана относятся к одной группе. Содержание стабилизирующих фазу элементов невелико и не превышает граничного значения в фазе. Таким образом, структура этих сплавов после пластической деформации и отжига состоит в основном из твердого раствора (> 95%).

В случае чистого титана температура аллотропного превращения равна 1155.5 К. При нагревании в этих условиях элементарная ячейка с гексагональной решеткой трансформируется в ячейку, которая кристаллизуется в систему правильной центрической решетки. При охлаждении происходит полное обратное превращение. При малых скоростях нагрева и охлаждения превращение развивается за счет зарождения новой фазы и увеличения зародышей (диффузия). Нагревание полуфабрикатов из титана выше температуры аллотропного превращения () всегда приводит к росту зерен независимо от нагрева или охлаждения.

При быстром охлаждении от температуры фазовой стабильности превращение становится мартенситным со сдвиговым механизмом (). Мартенсит титана является метастабильной фазой и образуется в результате деформации решетки [10]. Мартенситная фаза кристаллизуется в гексагональную решеточную систему и определяет пересыщенный твердый раствор замещения элементов в. Помимо условий нагрева и охлаждения, морфология мартенсита зависит от начальной термической и пластической обработки.В зависимости от структуры можно выделить большие области с двойными кристаллами и иглами или пластинами с различным расположением, характерным для фазы.

В случае технического титана превращение происходит при более высокой температуре от 1133 до 1233 К. В его структуре содержится небольшое количество фазы за счет водорода и железа, которые находятся в пределах их равновесной растворимости в фазе α . Частицы фазы ограничивают рост пластинки фазы.

Титан проявляет особенно высокое сродство к кислороду в твердом и жидком состоянии при температурах выше 773 К. Азот увеличивает прочность титана больше, чем кислород и углерод. Водород увеличивает хрупкость титана.

2. Свариваемость технического титана

Из-за высокой термической эффективности переплава во время сварки титан подвергается другому термическому циклу сварки по сравнению со сталью. Основная проблема заключается в хорошей пластичности сварного соединения, которая зависит от структуры сварного шва и фазовых превращений, происходящих в зоне термического влияния при температурах выше превращения.Процесс сварки требует высокой точности из-за сильной химической активности кислорода, азота и водорода в области нагреваемого соединения.

В случае однофазных сплавов рост столбчатых кристаллов начинается из расплавленных зерен основного материала. Фазовое превращение при охлаждении сварных соединений обеспечивает дендритную структуру сварного шва. Фазовое превращение титана и его физические свойства определяют структурные изменения в различных объемах зоны термического влияния (рис. 3 (а)).Зона термического влияния характеризуется неравномерным нагревом каждого из объемов сплава. Это вызывает гетерогенное состояние напряжений, деформаций, фазовых превращений и структурных изменений. Различия в скорости охлаждения и отжига в зонах термического влияния для различной толщины свариваемых элементов представлены на рисунке 3 (б).

.

Испытание на устойчивость к царапинам

Набор для определения твердости по Моосу: Набор для лабораторной шкалы твердости по Моосу, содержащий: (1) тальк; (2) гипс; (3) кальцит; (4) флюорит; (5) апатит; (6) ортоклаз; (7) кварц; (8) топаз; и (9) корунд. Алмаз не входит в состав большинства наборов, чтобы снизить стоимость. Кроме того, образец алмаза был бы настолько мал, что его нужно было бы закрепить в ручке, чтобы его можно было использовать. Приобретите набор для определения минеральной твердости.

Что такое шкала твердости Мооса?

Одним из наиболее важных тестов для идентификации образцов минералов является испытание на твердость по Моосу.Этот тест сравнивает стойкость минерала к царапинам десятью эталонными минералами, известными как шкала твердости Мооса (см. Таблицу слева). Тест полезен, потому что большинство образцов данного минерала имеют очень близкую твердость. Это делает твердость надежным диагностическим свойством для большинства минералов.

Фридрих Моос, немецкий минералог, разработал шкалу в 1812 году. Он отобрал десять минералов с совершенно разной твердостью, от очень мягкого (тальк) до очень твердого (алмаз).За исключением алмаза, все минералы относительно распространены, и их легко или недорого получить.

Сравнение твердости

«Твердость» - это устойчивость материала к царапинам. Тест проводится путем размещения острого наконечника одного образца на немаркированной поверхности другого образца и попытка поцарапать. Вот четыре ситуации, которые вы можете наблюдать при сравнении твердости двух образцов:

  1. Если образец A может поцарапать образец B, то образец A тверже, чем образец B.

  2. Если образец A не царапает образец B, то образец B тверже, чем образец A.

  3. Если два образца имеют одинаковую твердость, они будут относительно неэффективными при царапая друг друга. Могут появиться небольшие царапины, или их будет сложно устранить. определить, не образовалась ли царапина.

  4. Если Образец А можно поцарапать Образцом В, но нельзя поцарапать Образцом С, то твердость образца A находится между твердостью образца B и образца C.

Испытание на твердость по Моосу: При проведении испытания поместите неизвестный образец на столешницу и крепко удерживайте его на месте одной рукой. Затем поместите точку эталонного образца на плоскую немаркированную поверхность неизвестного образца. Плотно прижмите эталонный образец к неизвестному и намеренно проведите им по плоской поверхности, сильно прижимая. Чтобы избежать травм, перетащите известный образец подальше от тела и параллельно пальцам, удерживающим неизвестный образец.

Методика испытания на твердость по Моосу

  • Для начала найдите гладкую поверхность без царапин.

  • Одной рукой крепко прижмите образец неизвестной твердости к столешнице так, чтобы испытуемая поверхность была открыта и доступна. Столешница поддерживает образец и помогает удерживать его неподвижно во время теста. (Если вы проводите этот тест за красивым столом, вам может потребоваться толстый кусок картона, толстая резиновая прокладка или лист другого материала, чтобы защитить поверхность от царапин.)

  • Возьмите один из образцов стандартной твердости другой рукой и поместите острие этого образца на выбранную плоскую поверхность неизвестного образца.

  • Плотно прижмите острие стандартного образца к неизвестному образцу и с сильным давлением проведите острием стандартного образца по поверхности неизвестного образца.

  • Осмотрите поверхность неизвестного образца. Смахните пальцем любые образовавшиеся минеральные фрагменты или порошок.Поцарапала ли тест? Будьте осторожны, не перепутайте минеральный порошок или остатки с царапиной. Царапина - это отчетливая бороздка на минеральной поверхности, а не след на поверхности, который стирается. Используйте ручную линзу, чтобы хорошо рассмотреть, что произошло.

  • Проведите тест еще раз, чтобы подтвердить свои результаты.

Твердость обычных минералов по Моосу


Советы по измерению твердости по Моосу

  • Список минералов в порядке их твердости может оказаться полезным.Если вы определите, что образец имеет твердость 4 по шкале Мооса, вы можете быстро получить список потенциальных минералов.

  • Практика и опыт улучшат ваши способности при выполнении этого теста. Вы станете быстрее и увереннее.

  • Если твердость неизвестного образца составляет около 5 или меньше, вы сможете поцарапать без особых усилий. Однако если неизвестный образец имеет твердость около 6 или выше, то для создания царапины потребуется приложить некоторую силу.Для этих образцов крепко прижмите неизвестное к столу, поместите эталонный образец напротив него, твердо нажмите с решимостью, затем, удерживая давление, медленно проведите эталонным образцом по поверхности неизвестного.

  • Не дайте себя одурачить, если мягкий стандартный образец оставит след на твердом неизвестном. Этот знак похож на то, что оставляет мел на доске. Он сотрет, не оставив царапины. Проведите пальцем по тестируемой поверхности. Если образовалась царапина, будет видна бороздка.Если следы стираются, значит, царапины не было. Проверьте наличие царапины с помощью ручной линзы.

  • Некоторые твердые материалы также очень хрупкие. Если один из ваших образцов ломается или крошится, а не царапается, вы должны быть очень осторожны при проведении теста. Тестирование крошечных или зернистых образцов может быть трудным.

  • Некоторые образцы содержат примеси. Если результаты вашего теста явно неубедительны или информация из вашего теста не соответствует другим свойствам, не сомневайтесь, повторите тест еще раз.Возможно, в один из ваших образцов попал небольшой кусочек кварца (или другой примеси).

  • Не будь слабаком! Это очень распространенная проблема. Некоторые люди небрежно трут один образец о другой и затем ищут след. Тест проводится не так! Это делается одним медленным, решительным движением с сильным нажимом с целью порезать царапину.

  • Будьте осторожны! При тестировании мы бережно держим исследуемый камень, чтобы в случае проскальзывания отмычки в пальце не образовалась дыра.

  • При проведении испытания на твердость мы кладем на стол толстый лист плотного картона или резиновую прокладку, чтобы защитить его поверхность от царапин.

  • Этот тест следует проводить на лабораторном столе или рабочем столе с прочной поверхностью или защитным покрытием. Не проводите такой тест на хорошей мебели.

  • Проверьте крошечные частицы или зерна, поместив их между двумя частями минерала-индекса и соскребая их вместе. Если зерна тверже минерала-индекса, образуются царапины.Если зерна более мягкие, они размазываются.

Твердость обычных предметов

Некоторые люди используют несколько обычных объектов для испытания на твердость по Моосу в полевых условиях. Ноготь, медная монета, гвоздь, кусок стекла, лезвие ножа, стальной напильник, полосатая пластина и кусок кварца - обычные предметы, предлагаемые в некоторых учебниках геологии.

Твердость по Моосу обычных предметов
Ноготь 2 к 2.5
Медный лист 3
Гвоздь от 3 до 6,5
Стекло от 4 до 7
Лезвие ножа 5 до 6,5
Стальной напильник до 6,5
Штриховая пластина 6,5 до 7
Кварц 7

Идея состоит в том, что человек может быстро вытащить эти предметы из поясного ремня и провести испытание на твердость менее чем за минуту.Однако, если вы собираетесь использовать обычные предметы для определения твердости, настоятельно рекомендуется подтвердить твердость всех предметов в вашем наборе.

Мы проверили значения твердости предметов из "обычного полевого набора", предложенных в трех вводных учебниках геологии, и обнаружили, что некоторые из них сильно различаются.

Таким образом,

В приведенной выше таблице перечислены значения твердости, которые мы нашли в обычных элементах, предлагаемых для испытаний на твердость в полевых условиях - без проведения исчерпывающего поиска.

Инструменты для определения твердости по Моосу: Инструменты для измерения твердости просты в использовании. У них есть латунный щуп и «резец» из сплава, который используется для определения твердости. Поместите острие кирки на неизвестный образец и проведите им по поверхности. Он либо поцарапается, либо скользит по поверхности, либо оставит след металла. Поставляются с твердостью 2 (пластиковое острие), 3 (медное острие) и от 4 до 9 (тщательно отобранные сплавы). Они отлично подходят для тестирования небольших образцов или для тестирования мелких зерен, внедренных в скалу.Эти отборы твердости доступны в магазине Geology.com.

Выбор твердости

Альтернативой использованию эталонных минералов для испытаний является набор «выборок твердости». Эти кирки имеют острые металлические наконечники, которые можно использовать для очень точного тестирования. Кирки обеспечивают гораздо больший контроль, а их острые наконечники можно использовать для проверки мелких минеральных зерен в породе.

Острые кирки можно использовать легко, и они либо оставляют царапины, если они тверже, чем исследуемый образец, либо оставляют после себя крошечную полосу металла, если они мягче.Изучите тестовый сайт с ручной линзой, чтобы увидеть результаты вашего теста.

Мы использовали кирки твердости и думаем, что они отлично справляются со своей задачей. Они проще в использовании и более точны, чем испытания на образцах. Когда они затупятся, их можно затачивать. Единственный Обратной стороной является их цена (около 80 долларов за комплект).

Тверже алмаза, мягче талька?

Алмаз - не самое твердое вещество из известных, но более твердые материалы встречаются гораздо реже.Исследователи сообщают, что вюрцит нитрид бора и лонсдейлит могут быть тверже алмаза. [1]

Вряд ли вы найдете минерал мягче талька. Однако некоторые металлы мягче. К ним относятся: цезий, рубидий, литий, натрий и калий. Вероятно, вам никогда не понадобится проверять их твердость. [2]

Сравнение твердости по шкале Мооса-Виккерса: На этой диаграмме сравнивается твердость минералов-индексов шкалы твердости Мооса (целочисленная шкала) с их твердостью по Виккерсу (непрерывная шкала).Твердость по Моосу - это устойчивость к царапинам, а твердость по Виккерсу - это устойчивость к вдавливанию под давлением. График показывает огромную разницу между твердостью корунда и алмаза по Виккерсу, которые отличаются друг от друга всего на одну единицу по шкале твердости Мооса.

Шкала твердости Мооса по сравнению с другими

Когда Фридрих Моос разработал свою шкалу твердости в 1812 году, информации о твердости минералов было очень мало. Он просто выбрал десять минералов разной твердости и произвольно разместил их по целочисленной шкале от 1 до 10.Это была относительная шкала, в которой минерал неизвестной твердости мог быть протестирован против группы из десяти индексных минералов, чтобы увидеть, где он находится на шкале.

9011

Шкала Мооса выдержала испытание временем и широко использовалась миру более 200 лет - в основном потому, что это легко сделать, недорого и люди быстро это понимают.Были разработаны и другие испытания на твердость, но ни один из них не получил столь широкого распространения.

«Твердость по шкале Мооса» - это относительное целочисленное сравнение «устойчивости к царапинам». В большинстве других шкал твердости используется «устойчивость к вдавливанию иглой, к которой прикладывается определенное давление в течение определенного периода времени». Хотя эти испытания отличаются от твердости по шкале Мооса по своей методике, все они представляют собой испытания устойчивости к смещению атомов со своих позиций давлением на поверхность образца минерала.

Одной из таких шкал является шкала твердости Виккерса. В тесте Виккерса размер отпечатка оценивается под микроскопом и используется для расчета значения твердости. Значения твердости по Виккерсу образуют непрерывную шкалу, которая дает больше информации о твердости минералов по сравнению с целыми значениями шкалы Мооса. Таблица, в которой сравниваются минералы по шкале Мооса с их твердостью по Виккерсу, показана здесь вместе с графиком данных. График показывает, что с точки зрения твердости по Виккерсу промежутки между целыми значениями шкалы Мооса неодинаковы по ширине.Кроме того, промежутки между минералами с более высокой твердостью по Моосу намного шире, чем между более мягкими минералами. Что касается твердости по Виккерсу, алмаз намного тверже корунда.

Лучший способ узнать о минералах - это изучить коллекцию небольших образцов, с которыми вы можете обращаться, исследовать и наблюдать за их свойствами. Недорогие коллекции минералов доступны в магазине Geology.com.

Вариации твердости одного минерала

Хотя в справочниках и на веб-сайтах часто указывается единая твердость для каждого минерала, многие минералы имеют переменную твердость.Они имеют большую или меньшую твердость в зависимости от направления, в котором они царапаются.

Хорошо известным примером минерала с переменной твердостью является кианит. Кианит часто встречается в кристаллах пластинчатой ​​формы. Эти кристаллы имеют твердость около 5, если они испытываются параллельно длинной оси кристалла, и твердость около 7, если они испытываются параллельно короткой оси кристалла. Почему? Эти разные направления сталкиваются с разными связующими средами в кристалле кианита.Связи, которые сопротивляются царапинам параллельно длинной оси кристалла с лезвиями, слабее, чем связи, возникающие при царапании по ширине кристалла. В остальных направлениях встречаются промежуточные твердости.

Другой пример - алмаз. Люди, которые занимаются огранкой алмазов, знали об их переменной твердости на протяжении сотен лет. Они знают, что кристалл алмаза, параллельный октаэдрическим граням кристалла, почти невозможно распилить и его очень сложно полировать.Алмаз можно расколоть в этом направлении путем раскалывания, и лучший способ разрезать его в этом направлении - лазер. Самое мягкое и лучшее направление для пиления или полировки кристалла алмаза - параллельно его кубическим граням. Эта информация является критически важной для мастеров, разрабатывающих дизайн ограненного алмаза. Понимание этого и работа с ним экономят время, деньги и создают лучший продукт с меньшими отходами.

Выветривание также может повлиять на твердость минерального образца.Выветривание изменяет состав минерала, при этом продукт выветривания обычно более мягкий, чем исходный материал. При испытании твердости, полос или других свойств минерала лучше всего проводить испытания на только что сломанной поверхности с ожидаемым блеском, не подвергавшейся атмосферным воздействиям.

О испытаниях на твердость

Тест на твердость, разработанный Фридрихом Моосом, был первым известным тестом для оценки устойчивости материала к царапинам. Это очень простой, но неточный сравнительный тест.Возможно, его простота позволила ему стать наиболее широко используемым испытанием на твердость.

С момента разработки шкалы Мооса в 1812 году было изобретено множество различных тестов на твердость. К ним относятся тесты Бринелля, Кнопа, Роквелла, Шора и Виккерса. В каждом из этих тестов используется крошечный «индентор», который прикладывают к тестируемому материалу с тщательно измеренной силой. Затем размер или глубина вмятины и величина силы используются для расчета значения твердости.

Поскольку в каждом из этих тестов используется разное оборудование и разные вычисления, их нельзя напрямую сравнивать друг с другом. Таким образом, если был проведен тест на твердость по Кнупу, число обычно указывается как «твердость по Кнупу». По этой причине результаты испытаний на твердость по Моосу также следует указывать как «твердость по Моосу».

Почему существует так много разных тестов на твердость? Тип используемого испытания определяется размером, формой и другими характеристиками испытуемых образцов.Хотя эти тесты сильно отличаются от теста Мооса, между ними есть некоторая корреляция. [2]

Твердость, ударная вязкость и прочность

При проверке твердости помните, что вы проверяете «устойчивость к царапинам». Во время теста некоторые материалы могут выйти из строя по другим причинам. Они могут сломаться, деформироваться или рассыпаться вместо того, чтобы поцарапаться. Твердые материалы часто ломаются под воздействием нагрузки. Это недостаток жесткости. Другие материалы могут деформироваться или рассыпаться под воздействием нагрузки.Этим материалам не хватает прочности. Всегда имейте в виду, что вы проверяете устойчивость к царапинам. Не дайте себя обмануть другими типами отказов в тестируемом образце.

Использование для испытаний на твердость

Тест на твердость по Моосу почти исключительно используется для определения относительной твердости образцов минералов. Это делается как часть процедуры идентификации минералов в полевых условиях, в классе или в лаборатории, когда исследуются легко идентифицируемые образцы или когда недоступны более сложные тесты.

В промышленности другие испытания на твердость проводятся для определения пригодности материала для конкретного промышленного процесса или конкретного конечного применения. Испытания на твердость также проводятся в производственных процессах, чтобы подтвердить, что упрочняющие обработки, такие как отжиг, отпуск, наклепывание или поверхностное упрочнение, были выполнены в соответствии со спецификациями.

Шкала твердости минералов
Минеральные Mohs Vickers
(кг / мм 2 )
1um 2 61
Кальцит 3 157
Флюорит 4 315
Апатит 5 535
5 535
Кварц 7 1161
Топаз 8 1567
Корунд 9 2035
Алмаз
Источники информации
[1] Ученые открывают материал тверже алмаза - Лиза Зига, статья на веб-сайте Phys.org, февраль 2009 г.

[2] Шкала твердости минералов Мооса: статья в Википедии, последний доступ - июль 2016 г.

[3] Твердость материала: статья на веб-сайте Центра перспективной инженерии жизненного цикла, Университет Мэриленда, последний доступ в июле 2016 г.


Некоторые замечания по правописанию

Шкала твердости Мооса названа в честь ее изобретателя Фридриха Мооса. Это означает, что при вводе имени теста апостроф не нужен. «Мооса» и «Мооса» неверны.

Google действительно умно использует эти имена. Вы даже можете ввести «Шкалу твердости Мо» в качестве запроса, и Google знает, что возвращать результаты для «Шкалы твердости Мооса». :-)

.

Смотрите также