6.2 Твердість тіл
1. Твердість – властивість матеріалу протидіяти проникненню у нього іншого, твердішого тіла. Найтвердішим із існуючих сьогодні матеріалів є ультратвердий фулерит (приблизно в 1,17-1,52 разів твердіший за алмаз). Однак це матеріал доступний лише у мікроскопічних кількостях. Тому за взірець найтвердішого матеріалу поки що приймають алмаз і твердість інших матеріалів порівнюють з твердістю алмазу. Але слід зауважити, що в 2010 році російським фізикам Константину Новосьолову та Андре Гейму була вручена Нобелівська премія за відкриття нового унікального матеріалу, названого графеном, на основі вуглецю. Крім того, що цей матеріал володіє різними унікальними електричними та оптичними властивостями, він по міцності на розрив перевищує сталь в 200 разів. Але поки що для порівняння твердості, особливо в мінералогії, використовують шкалу Мосса, названої в честь німецького мінералога Фрідріха Мосса, яку він запропонував в 1811 р. і цей метод і сьогодні широко використовується у мінералогічній практиці. Згідно шкали Мосса мінерали розділяються на 10 класів твердості, де наступний мінерал порівнюється з попереднім по його механічній дії на цей попередній мінерал: залишає подряпини, ріже або піддається обробці.
2. Експериментальні методи визначення твердості матеріалів. Визначення твердості матеріалів за шкалою Мосса дає лише якісну порівняльну характеристику твердості досліджуваного матеріалу. Тому необхідна об’єктивна кількісна характеристика твердості. Існують різні методи експериментального визначення твердості матеріалів. Найбільш поширений метод – це метод Брінелля. Цей метод запропонував шведський інженер Йохан Брінелль в 1900 році і такий метод залишається найбільш поширеним і в даний час. Згідно методу Брінелля, твердість визначається за діаметром відбитка, який залишає стальна загартована металева кулька діаметром 10, 5 або 2,5 мм, що втискується у поверхню досліджуваного матеріалу. Твердість обчислюється як відношення зусилля, прикладеного до кульки, до площі відбитка (причому площа відбитка береться як площа частини сфери, а не як площа кола). Твердість, визначена за цим методом, позначається HB, ( H – hardness, англ.– твердість, B – найменування шкали –Brinell)
На рис.6.1.15 наведено принципову схему визначення твердості матеріалів методом Брінелля. За допомогою гідравлічного пресу стальна кулька діаметром D протягом 30 с втискується у досліджуваний матеріал. Після цього визначається діаметр d відбитку і за формулою 6.1.13 розраховується твердість досліджуваного матеріалу в HB.
(6.1.13)
Крім методу Брінелля існують інші методи визначення твердості матеріалів.
Метод Роквелла – твердість визначається за глибиною відбитка металевої кульки чи алмазного конуса у поверхні тестованого матеріалу. Твердість, визначена за цим методом, є безрозмірною і позначається HR.
Метод Віккерса – твердість визначається за величиною відбитка, залишеного чотирикутною алмазною пірамідкою, яка втискується у поверхню. Твердість, визначена за цим методом, позначається HV.
Метод Шора – твердість визначається за висотою відскакування сталевої кульки від поверхні металу, що досліджується, чи за глибиною занурення алмазної голки під дією пружини. Твердість, визначена за цим методом, позначається HSD.
Метод Кузнєцова — Герберта — Ребіндера — твердість визначається часом загасання коливань маятника, опорою якого є досліджуваний метал.
Література
1.Савельев И. В. Курс физики. Том первый. Механика. Молекулярная физика ∕ И. В.Савельев.-М.: Наука. Гл. ред. физ. -мат. лит. , 1989. —352 с.
2.Яворский Б.М., Детлаф А.А., Лебедев А.К. Справочник по физике, 8-е изд.∕ Б.М.Яворский , А.А.Детлаф, А.К.Лебедев.-М.: Мир, 2006.-1056с
3. Детлаф А.А. , Б.М. Яворский Б.М. .Курс физики∕ А.А. Детлаф, Б.М. Яворский М.-.Высшая школа.2002.-719с.
4.Трофимова Т.И.,Павловова З.Г.Сборник задач по физике с решениями ∕ Т.И Трофимова, З.Г. Павловова .-М.: Высшая школа, 2001.-405с,
5.Трофимова Т.И. Курс физики. ∕ Т.И. Трохимова.-М.:Высшая школа, 2002Ю-420с.
6.Куліш В. В. Фізика для інженерних спеціальностей. : навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів / В. В. Куліш, Соловйов А.М., Соловйов А.М., Соловйов А.М. - К. : Наука, 2004. - 456 с.
7.Чолпан П.П. Фізика. : підручник для студентів природничих факультетів університетів і педагогічних інститутів / П. П. Чолпан. - К. : Вища школа, 2004. - 567 с. –
8.Загальний курс фізики у трьох томах. Том 1. Механіка.Молекулярна фізика і термодинаміка.Навчальний посібник. Друге видання, виправлене. За ред. Кучерика І.М.-К.-Техніка 2007.-532с
9.Галущак М.О.,Рувімський Б.М. Фізика для інженерів.Навч.посібник∕ М.О.Галущак,Б.М.Рувімський.-Іваоно-Франківськ.:Факел,2006.-216 с.
10.Біленко І.ІФізичний словник ∕ І.І.Біленко.-К.:Вища школа,1993.-319с.
МВ 02070855- 2967 -2010
Федоров О.Є. Фізика. Конспект лекцій.- Івано-Франківськ: ІФНТУНГ, 2010.-210 с.
Даний конспект лекцій узагальнює багаторічний досвід викладання курсу фізики для студентів напряму підготовки 6.040103 – «Геологія». Залишаючи цілісність курсу фізики як фундаментальної дисципліни, у пропонованому конспекті значна увага звертається на професійну орієнтацію курсу фізики. Вже з перших сторінок можна переконатись у такому підході до подання фактичного матеріалу. Значне місце у професійній орієнтації курсу фізики займають питання гравітації, з якими геологи та геофізики мають справу у гравітаційних методах розвідки корисних копалин. На основі фундаментальних фізичних законів розглядається принцип дії сучасної геологічної та геофізичної апаратури. Розглядаючи закони збереження енергії, вказується на проблеми альтернативних джерел енергії.
Цей конспект буде цікавим і зрозумілим навіть для тих, хто не має достатніх математичних знань, оскільки він містить доступні пояснення та ілюстрації.
Зав.кафедри загальної та
прикладної фізики
доктор фіз.-мат.наук, професор М.О. Галущак
Голова навчально-методичного
об’єднання спеціальності,
зав. кафедри
доктор фіз.-мат.наук, професор Петровський
Голова експертно-рецензійної
комісії університету,
зав.кафедри хімії, кандидат хім.наук,
доцент П.Д. Романко
Рецензент
Кандидат фіз.-мат.наук, доцент
кафедри загальної і прикладної фізики М.П. Мазур
Нормоконтролер Г.Я. Онуфрик
Інженер першої категорії Н.В. Мирка
Рекомендовано методичною радою університету (протокол № від……… )
© Федоров О.Є.,2010
© ІФНТУНГ, 2010