ТВЁРДОСТЬ — свойство материала сопротивляться проникновению в него другого твердого тела, а также свойство более твердого тела проникать в другие материалы. Твердость определяется как величина нагрузки необходимой для начала разрушения минерала. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз. Относительная — твердость одного минерала относительно другого. Является важнейшим диагностическим свойством. Абсолютная, она же инструментальная — изучается следствием вдавливания.
Твёрдость зависит от:
- Межатомных расстояний.
- Координационного числа — чем выше число, тем выше твёрдость.
- Валентности.
- Природы химической связи
- От направления (например, минерал дистен — вдоль его твёрдость 4, а поперёк 7)
- Хрупкости и ковкости
- Гибкости — минерал легко гнётся, изгиб не выпрямляется. Пр: «тальк»
- Упругости — минерал сгибается, но выпрямляется. Пр: «слюды»
- Вязкости — минерал трудно сломать..
- Спайности
Наиболее твёрдым из существующих на сегодняшний день материалов является лонсдейлит, на 58 % превосходящий по твердости алмаз, однако маловероятно практическое использование из-за сложности его получения. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз.
Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения):
Шкала Мооса — определяется по тому, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый материал, и какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом.
Шкала́ Мо́оса (минералогическая шкала твёрдости) — набор эталонных минералов для определения относительной твёрдости методом царапания. В качестве эталонов приняты 10 минералов, расположенных в порядке возрастающей твёрдости.
Значения шкалы от 1 до 10 соответствуют 10 достаточно распространённым минералам от талька до алмаза. Твёрдость минерала измеряется путём поиска самого твёрдого эталонного минерала, который он может поцарапать; и/или самого мягкого эталонного минерала, который царапает данный минерал.
Твёрдость по Моосу Эталонный минерал
1 Тальк
2 Гипс
3 Кальцит
4 Флюорит
5 Апатит
6 Ортоклаз
7 Кварц
8 Топаз
9 Корунд
10 Алмаз
Метод Бринелля — твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части сферы, а не как площадь круга); размерность единиц твердости по Бринеллю кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твёрдость, англ.), B — Бринелль;
Метод Роквелла — твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA; 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.
При этом методе индентором является алмазный конус или стальной закаленный шарик. В отличие от измерений по методу Бринелля твердость определяют по глубине отпечатка, а не по его площади. Глубина отпечатка измеряется в самом процессе вдавливания, что значительно упрощает испытания. Нагрузка прилагается последовательно в две стадии (ГОСТ 9013-59): сначала предварительная, обычно равная 10 кгс (для устранения влияния упругой деформации и различной степени шероховатости), а затем основная.
После приложения предварительной нагрузки индкатор, измеряющий глубину отпечатка, устанавливается на нуль. Когда отпечаток получен приложением окончательной нагрузки, основную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения наконечника t.
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 — твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к пирамидке, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части поверхности пирамиды, а не как площадь ромба); размерность единиц твёрдости по Виккерсу кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV;
Метод Шора — твёрдость определяется по глубине введения закаленной стальной иглы под действием пружины. Обычно метод Шора используется для определения твердости полимерных материалов. Метод Шора описан стандартом ASTM D2240, который оговаривает 12 вариантов измерения. Чаще всего используются варианты A (для мягких материалов) или D (для более твердых). Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HSA для измерения по варианту A, или HSD для измерения по варианту D;
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 в образец и эталон;
Для инструментального определения твёрдости методом вдавливания используются твердомеры. Методы определения твердости, в зависимости от степени воздействия на объект, могут относиться как к неразрушающим, так и к разрущающим методам.
