Pomiar twardości minerałów i ceramiki metodą Mohsa z użyciem twardościomierza ołówkowego

Austriacki geolog i mieralog Friedrich Mohs (1773-1839) opracował w 1822 r. 10-stopniową skalę twardości względnej minerałów, która do dziś jest powszechnie stosowana. Od opisania dzieła Mohsa rozpoczyna się każda książka i każdy artykuł naukowy lub popularno-naukowy traktujący o twardości materiałów przemysłowych w ogóle oraz o metodach badania twardości. Wynika to stąd, że F. Mohs był twórcą pierwszej skali twardości materiałów w okresie narodzin przemysłu.

Skala Mohsa składa się z 10 kopalin, które zostały uporządkowane liczbowo od najmiększej z numerem 1 do najtwardszej z numerem 10. Twardość Mohsa definiuje się jako wytrzymałość na ścieranie, albo odporność minerału na zarysowanie innym, twardszym minerałem. Twardość Mohsa oznacza się symbolem HM (od ang. Hardness of Mohs). Pomiar w skali Mohsa da się przeprowadzić z dokładnością do 0.5 HM.

Skala twardości Mohsa:

1. Talk, HM = 1

2. Gips, HM = 2

3. Kalcyt, HM = 3

4. Fluoryt, HM = 4

5. Apatyt, HM = 5

6. Ortoklaz, HM = 6

7. Kwarc, HM = 7

8. Topaz, HM = 8

9. Korund, HM = 9

10. Diament, HM = 10

Tradycyjnie próba twardości Mohsa służy do określania twardości minerałów, ale można za jej pomocą oznaczać także twardość ceramiki, stopów metali i innych sztywnych materiałów przemysłowych. Da się także wykonać konwersję z wartości twardości Mohsa (HM) na wartości twardości czy wytrzymałości na rozciąganie. Dla przykładu podano poniżej konwersję z HM na twardość Vickersa (HV) stosowaną do określania twardości metali i ceramiki oraz na wytrzymałość na rozciąganie (Rm MPa).

Konwersja z HM na HV i Rm (UTS) MPa (+ przykładowy, reprezentatywny materiał przemysłowy):

1.0 HM ≈ 27 HV

1.5 HM ≈ 37 HV

2.0 HM ≈  61 HV (bizmut)

2.5 HM ≈ 102 HV (aluminium, cynk, złoto, srebro)

3.0 HM ≈ 157 HV ≈ 510 MPa (miedź)

3.5 HM ≈ 229 HV ≈ 724 MPa (platyna)

4.0 HM ≈ 315 HV ≈ 998 MPa (nieutwardzane metale żelazne, nikiel)

4.5 HM ≈ 418 HV ≈ 1363 MPa (nieutwardzane metale żelazne)

5.0 HM ≈ 535 HV ≈ 1840 MPa (nieutwardzane metale żelazne)

5.5 HM ≈ 669 HV ≈ 2387 MPa (kobalt, szkło)

6.0 HM ≈ 817 HV (tytan, szkło)

6.5 HM ≈ 982 HV (ceramiczne płytki podłogowe, szkło)

7.0 HM ≈ 1161 HV (stal hartowana, wolfram, szkło)

8.0 HM ≈ 1567 HV (chrom, węglik tantalu)

9.0 HM ≈ 2035 HV (węglik wolframu, karborund, węglik tytanu)

10.0 HM (diament, carbonado)

Twardość materiałów w skali Mohsa oznacza się twardościomierzem Mohsa. Twardościomierz Mohsa w odróżnieniu od innych twardościomierzy nie jest urządzeniem mechanicznym. Jest kompletem minerałów wzorcowych występujących w skali Mohsa. W wersji kolekcjonerskiej ma postać skrzynki drewnianej z przegrodami, w których znajdują się ułożone kolejno w dwa rzędy nieregularne fragmenty znalezionych lub kupionych osobiście minerałów wzorcowych. W wersji handlowej minerały wzorcowe są obrobione w takie same regularne bryły. Obydwa wyżej wymienione rodzaje twardościomierzy bryłowych (skrzynkowych) mają swoje poważne minusy:

1) nieporęczność w pracach terenowych,

2) brak diamentu do oznaczania twardości w zakresie 9.5-10 HM, ponieważ na bryłę diamentu stać tylko multimilionerów. 

MATBOR Sp. z o.o. posiada w ofercie stosowane od lat na świecie "fachowe" twardościomierze ołówkowe Mohsa. Istnieje kilka wersji tych twardościomierzy. Jedna z nich zawiera 7 ołówków (w etui) o zakresie pomiarowym 4-10 HM, których rysiki są wykonane z jednorodnych minerałów wzorcowych. Inna 10 ołówków (1-10 HM). Jeszcze inna wersja, przenaczona do zatosowań ogólnoprzemysłowych, zawiera 4 ołówki (w etui) z podwójnymi rysikami wykonanymi ze stopów metali. Zakres 2-9 HM. Dołączone są też 2 metalowe wzorce twardości Mohsa: 3.5 & 5.5 HM. Wersja przemysłowa służy - oprócz minerałów - także do oznaczania twardości ceramiki (np. płytek podłogowych), szkła, metali i sztywnych tworzyw sztucznych.

Kontakt ofertowy: marketing@matbor.pl

Badanie twardości wykonuje się według następującego algorytmu:

1. Badanie twardości rozpocząć od ołówka o najmniejszej twardości.
2. Do płaskiej powierzchni próbki docisnąć ołówek pod kątem 45-90 stopni i stosując ręczną siłę nacisku około 5 kG (49 N) wykonać ruch liniowy w celu zarysowania próbki (siłę nacisku można zapamiętać dociskając wcześniej ołówek do szalki wagi, tak aby waga wskazała masę około 5 kg).
3. Za pomocą lupy sprawdzić wzrokowo lub/i za pomocą palca sprawdzić dotykowo czy na powierzchni próbki powstała rysa. Jeśli tak, to oznacza że próbka ma twardość mniejszą niż ołówek. Jeśli nie - należy powtórzyć badanie z użyciem ołówka o większej twardości.
Przykład: Jeśli dany materiał nie został zarysowany ołówkiem 4 HM, a został zarysowany ołówkiem 5 HM, to twardość materiału wynosi 4.5 HM.

R. Garbiec

Zobacz także:

• Stal hartowana - pomiar (badanie/ oznaczanie) twardości w skali Rockwella C (HRC) metodą porównawczą przy użyciu przenośnego twardościomierza pilnikowego