Tvrdost

Rozbalit box

Obsah boxu

Tvrdost je mechanická vlastnost materiálů, která vyjadřuje jejich odpor proti vnikání cizího tělesa, proti plastické deformaci nebo proti abrazivnímu opotřebení. Je to jedna z klíčových charakteristik, která ovlivňuje použití a trvanlivost materiálů v mnoha technických aplikacích. Koncept tvrdosti se liší v závislosti na typu materiálu (např. kov, keramika, polymer) a na zvolené metodě měření. Měření tvrdosti je důležité pro kontrolu kvality, vývoj materiálů a analýza poruch.

⏳ Historie a vývoj měření tvrdosti

Koncept tvrdosti je starý jako lidská civilizace, kdy lidé intuitivně rozlišovali mezi tvrdými a měkkými materiály pro výrobu nástrojů a zbraně. První formalizovanou stupnici tvrdosti zavedl v roce 1812 německý mineralog Friedrich Mohs. Jeho Mohsova stupnice tvrdosti je založena na principu vzájemného rýpání a dodnes se používá pro rychlé a orientační určení tvrdosti minerálů. V 19. a 20. století s rozvojem metalurgie a materiálové vědy vznikaly přesnější a kvantitativnější metody měření tvrdosti, které umožňovaly numerické vyjádření této vlastnosti. Mezi průkopníky patří Johan August Brinell, který v roce 1900 představil metodu dnes známou jako Brinellova tvrdost. Následovaly metody Vickers (1921), Rockwell (kolem 1919) a Knoop (1939), které se staly standardem pro průmyslové i vědecké aplikace. Moderní přístupy zahrnují i nanoindentace a dynamické metody, které poskytují detailní informace o mechanickém chování materiálů na mikroskopické úrovni.

🔬 Typy tvrdosti a metody měření

Existuje několik hlavních typů tvrdosti, které se liší principem měření a oblastí použití. Každá metoda je definována normami, například ISO nebo ASTM.

Brinellova tvrdost (HB)

Brinellova tvrdost je jednou z nejstarších a nejpoužívanějších metod pro měření tvrdosti kovů. Princip spočívá ve vtlačování kalené ocelové kuličky (nebo kuličky ze slinutého karbidu) s definovanou silou do povrchu materiálu. Tvrdost se vypočítá z průměru vtisku a aplikované síly podle vzorce. Je vhodná pro měření tvrdosti středně tvrdých až měkkých materiálů a pro materiály s heterogenní strukturou, jako jsou litiny. Standardní zatížení se pohybuje od 1 do 3000 kp (9,81 až 29420 N).

Vickersova tvrdost (HV)

Vickersova tvrdost je univerzální metoda vhodná pro široké spektrum materiálů, včetně velmi tvrdých, tenkých vrstev nebo malých vzorků. Využívá diamantový indentor ve tvaru čtyřbokého jehlanu s vrcholovým úhlem 136°. Tvrdost se určuje z velikosti úhlopříček vtisku a aplikované síly. Výhodou je, že výsledky jsou nezávislé na zatížení v širokém rozsahu, což umožňuje porovnávání tvrdosti různých materiálů. Je široce používána v výzkumu a vývoji i v průmyslu.

Rockwellova tvrdost (HR)

Rockwellova tvrdost je rychlá a široce používaná metoda, zejména v průmyslové výrobě, protože je snadno automatizovatelná a nevyžaduje měření vtisku. Měření probíhá ve dvou fázích: nejprve se aplikuje předběžné zatížení, poté hlavní zatížení. Rozdíl hloubky vtisku mezi těmito dvěma fázemi se převede na hodnotu tvrdosti na jedné z mnoha Rockwellových stupnic (např. HRA, HRB, HRC), které se liší typem indentoru (kuželový diamant nebo ocelová kulička) a velikostí zatížení.

Knoopova tvrdost (HK)

Knoopova tvrdost je mikrotvrdostní metoda, která používá diamantový indentor ve tvaru prodlouženého jehlanu. Vytváří podlouhlý, rombický vtisk, který je mělký vzhledem k jeho délce. Tato metoda je ideální pro měření tvrdosti tenkých vrstev, keramických materiálů, skla a křehkých materiálů, kde by jiné metody mohly způsobit praskání.

Shoreova tvrdost (HS, A, D)

Shoreova tvrdost je primárně určena pro měření tvrdosti polymerů, plastů a pryží. Existuje několik stupnic, nejčastěji Shore A pro měkčí materiály a Shore D pro tvrdší plasty. Měří se hloubka vniknutí indentoru (jehly nebo tupého kuželu) do materiálu pod definovanou silou. Výsledky jsou odečítány přímo na stupnici a jsou bezrozměrné.

Mohsova stupnice tvrdosti

Mohsova stupnice tvrdosti je relativní stupnice založená na schopnosti jednoho minerálu rýpat do druhého. Sahá od 1 (mastek) do 10 (diamant). Je jednoduchá a rychlá, ale poskytuje pouze pořadovou informaci, nikoli kvantitativní. Používá se hlavně v mineralogii a geologii.

Tvrdost podle Leeba

Tvrdost podle Leeba (HL) je dynamická metoda, která měří tvrdost na základě odrazu. Indentor (kulička) je vystřelena proti povrchu materiálu a měří se rychlost nárazu a rychlost odrazu. Je vhodná pro měření tvrdosti velkých a těžkých součástí, které nelze snadno transportovat do laboratoře, a pro měření na místě.

🧪 Faktory ovlivňující tvrdost

Tvrdost materiálu je komplexní vlastnost, ovlivněná mnoha faktory:

Krystalová struktura: Materiály s kovovou vazbou a hustě uspořádanými krystalovými mřížkami (např. BCC nebo HCP) jsou obvykle tvrdší.
Chemické složení: Přítomnost legujících prvků (např. uhlík v oceli) nebo jiných atomů může výrazně zvýšit tvrdost tvorbou intermetalických sloučenin nebo tuhých roztoků.
Tepelné zpracování: Procesy jako kalení, popouštění nebo cementace mohou změnit mikrostrukturu materiálu a tím i jeho tvrdost.
Velikost zrna: Podle Hall-Petchova vztahu menší velikost zrna obvykle vede k vyšší tvrdosti a pevnosti.
Deformační zpevnění: Deformační zpevnění (tvrdnutí za studena) zvyšuje hustotu dislokací, což vede ke zvýšení tvrdosti.
Teplota: Mnoho materiálů vykazuje nižší tvrdost při vyšších teplotách v důsledku zvýšené atomární mobility.

🛠️ Praktické aplikace tvrdosti

Měření a kontrola tvrdosti má obrovský význam v mnoha průmyslových odvětvích:

Strojírenství: Pro zajištění správné pevnosti a odolnost proti opotřebení součástí, jako jsou ozubená kola, hřídele, ložiska nebo řezné nástroje.
Automobilový průmysl: Kontrola tvrdosti motorových dílů, brzdových kotoučů a karoserie pro optimalizaci výkonu a bezpečnosti.
Letectví a kosmonautika: Zajištění spolehlivosti a životnosti kritických komponent, které musí odolat extrémním podmínkám.
Výroba nástrojů: Pro výběr vhodných materiálů pro řezné nástroje, lisovací nástroje a formy.
Stavebnictví: Kontrola tvrdosti betonu, kamenů a dalších stavebních materiálů.
Metalurgie: Sledování účinnosti procesů tepelného zpracování a legování.
Zubní lékařství: Vývoj a testování tvrdosti zubních implantátů a výplňových materiálů.

💡 Zajímavosti a kuriozity

Nejtvrdší známý materiál: Absolutně nejtvrdším známým materiálem je diamant, který má na Mohsově stupnici tvrdost 10. Vědci však neustále objevují a syntetizují nové materiály, které se blíží tvrdosti diamantu nebo ji v některých aspektech překonávají, například lonsdaleit nebo některé nitridy bor.
Tvrdost vody: Pojem "tvrdost" se používá i v chemii k popisu tvrdosti vody, která se vztahuje k obsahu rozpuštěných soli vápníku a hořčíku, nikoli k mechanické odolnosti.
Indentor z diamantu: Pro měření tvrdosti velmi tvrdých materiálů se často používají indentory z monokrystalického diamantu, protože diamant je sám o sobě extrémně tvrdý a odolný proti opotřebení.
Křehkost vs. tvrdost: Tvrdost se často zaměňuje s křehkostí. Materiál může být velmi tvrdý, ale zároveň křehký (např. keramika), což znamená, že se snadno láme při nárazu. Naopak, měkký materiál může být houževnatý a odolný proti praskání.

👶 Pro laiky

Představte si, že máte dva kameny. Jeden je měkký a snadno ho poškrábete nehtem, druhý je tak tvrdý, že do něj neuděláte rýhu ani ocelovým klíčem. To je základní myšlenka tvrdosti. Tvrdost je prostě to, jak moc se materiál brání, když se do něj snažíte něčím vrypnout, zatlačit ho nebo ho poškrábat. Je to jako když si hrajete s modelínou (měkká) a s LEGO kostkou (tvrdá). Do modelíny snadno uděláte otisk prstu, ale do LEGO kostky ne. Vědci a inženýři potřebují vědět, jak jsou materiály tvrdé, aby mohli vybrat ten správný pro různé věci. Například, když se vyrábí nůž, chcete, aby jeho čepel byla tvrdá, aby se neotupila. Když se vyrábí pneumatika, potřebujete, aby byla spíše měkká a pružná, aby dobře držela na silnici. Různé metody měření tvrdosti jsou jen různé způsoby, jak tuto "odolnost proti zatlačení" změřit a porovnat.

Zdroje