Шкала Мооса

Введение

Шкала Мооса — это мера устойчивости материала к царапинам. Идея шкалы твердости Мооса довольно проста — более твердый материал царапает более мягкий материал. Шкала построена по десятибалльной системе и представляет собой набор из десяти эталонных минералов (пронумерованных от 1 до 10), которые используются для определения относительной твердости минералов и других объектов, при этом алмаз является самым твердым материалом с максимальным значением 10.

Материалы проверяются друг против друга, и если один царапает другой, это придает материалу более высокую твердость. Гипс, например, может поцарапать тальк, поэтому он имеет более высокое значение Мооса, чем тальк.

Таблица уровней жесткости эталонных минералов по шкале Мооса

Шкала твердости Мооса проста в использовании, но ей не хватает точности из-за всего 10 шкал, почти логарифмического отношения к абсолютной твердости. Разница твердости при царапании по Моосу, равная 5 и 6, не может быть точно определена, на самом деле является скорее приближением, по сравнению с более высокоточными методами измерения твердости, таких как Виккерс или Роквелл.

Преимуществом метода измерения твердости по шкале Мооса является процесс царапания, что является доступным способом, по сравнению с вдавливанием при использовании других методов, например по Виккерсу и Роквеллу. Это особенно полезно для кристаллических материалов, таких как стекло или керамика, поскольку они разрушаются при надавливании, а не деформируются, как, например, металлы.

Несмотря на отсутствие точности, шкала Мооса актуальна для полевых геологов, которые используют шкалу для грубой идентификации минералов с помощью наборов для царапин. Твердость минералов по Моосу часто можно найти в справочных таблицах.

Твердость по шкале Мооса полезна при фрезеровании. Это позволяет оценить, какой тип резца лучше всего воздействует на данный продукт, твердость которого известна. Шкала используется производителями электроники для проверки долговечности компонентов плоских панелей (например, защитного стекла для ЖК-дисплеев или герметизации для OLED-дисплеев).

Шкала Мооса использовалась для оценки твердости экранов смартфонов. В большинстве современных дисплеев смартфонов используется стекло Gorilla Glass, которое царапается на уровне 6, а более глубокие бороздки — на уровне 7 по шкале твердости Мооса.

Кто изобрел шкалу Мооса

Он был не первым, кто сделал это, Плиний Старший впервые сравнил твердость минералов алмаза и кварца друг с другом в своей книге Naturalis Historia, написанной в 77 году нашей эры, и Фридрих решил продолжить систему порядкового ранжирования Плиния Старшего. В конце концов он придумал набор из 10 значений твердости, которые можно было определить относительно друг друга с помощью ставшего теперь известным теста на царапанье.

Хотя метод Мооса классификации минералов на основе их физических свойств не получил широкого распространения в то время, сам Моос сделал долгую и успешную карьеру в области минералогии, горного дела и наук о Земле.

Как работает шкала Мооса

Эта шакала работает по довольно простой логике — минерал, материал или предмет, который царапает другой предмет или материал, значит тверже и занимает более высокое место по шкале и наоборот. Однако если два предмета неэффективно царапают друг друга, они имеют приблизительно одинаковую твердость.

Если у вас есть образец предмета или минерала неизвестной твердости и эталонный минерал, например №6 (ортоклаз (KAlSi₃O₈), который может его поцарапать, значит твердость вашего испытуемого образца меньше или приблизительно равна твердости, соответствующей по шкале Мооса №6. Если ваш испытуемый образец не может быть поцарапанным эталонным минералом №6 (ортоклаз), значит его твердость выше или равна значению шкалы Мооса №6.

Твердость минерала по шкале Мооса является важной информацией для определения свойств вашего образца. Вы можете использовать его для определения твердости неизвестных минералов (образцов), проверяя, насколько они устойчивы к царапинам, используя эти десять эталонов, поскольку каждый из них по шкале имеет свою твердость.

Обратите внимание на одну очень важную вещь — это царапина. Когда мы говорим о «царапине» по шкале Мооса, это относится прежде всего к созданию постоянного, не стираемого повреждения на поверхности предмета, который легко виден невооруженным глазом.

Как сравнивается твердость

Что такое твердость? Твердость – это способность материала сопротивляться деформации. В нашем случае под твердостью будет пониматься сопротивление материала к царапанию, чем тверже материал, тем сложнее его поцарапать.

Испытание образца на твердость проводят следующим образом. Острие эталонного образца помещают на поверхность испытуемого образца и пытаются нанести на его поверхности царапину. Вследствие чего можно рассмотреть четыре ситуации, возникающие при сравнении твердости двух образцов:

1. Когда образец А может поцарапать образец Б, значит образец А тверже образца Б.
2. Когда образец А не может поцарапать образец Б, значит образец Б тверже образца А.
3. Когда два образца имеют одинаковую твердость, нанесение царапины друг на друга будет затруднено и неэффективно. Могут образоваться царапины сомнительного характера — микроцарапины,  идентификация повреждения как царапины вовсе будет затруднена.
4. Когда образец А может быть поцарапан образцом Б, но не может быть поцарапан образцом В, тогда твердость образца А находится где-то посередине между твердостью образцов Б и С.

Процедура определения твердости по шкале Мооса с помощью эталона

При проведении теста на твердость вы анализируете устойчивость образца к царапинам. Некоторые образцы могут не поцарапаться, а разбиться, деформироваться во время испытания. При растяжении или нагрузке образцы, которые считаются твердыми, часто ломаются из-за недостатка или отсутствия ударной вязкости. С другой стороны, другие образцы могут быть деформированы или разрушены при растяжении или напряжении из-за недостаточной прочности. Помните, что вы проверяете устойчивость образца к царапинам, поэтому при оценке образца не дайте себя ввести в заблуждение из-за возможного разрушения испытуемого образца.

• Начните с поиска чистой, ровной, не поцарапанной части поверхности образца, которую необходимо оценить.
• Крепко возьмитесь за исследуемый образец. Вы можете положить его на стол или любую устойчивую плоскость для удобной фиксации, если поверхность испытуемого образца видна и доступна.
• Возьмите эталонный минерал, твердость которого уже известна по шкале Мооса. Используя заостренный край, плотно прижмите его к испытательному образцу и попытайтесь поцарапать его поверхность.
• Осмотрите поверхность испытуемого образца. Пальцем удалите все минеральные остатки или фрагменты, затем пощупайте и проверьте на наличие четкого и очевидного истирания. Будьте осторожны, чтобы не перепутать минеральный порошок или остатки с царапиной. Царапина будет отчетливой канавкой, прорезанной на минеральной поверхности, а не следом на поверхности, который стирается. Используйте ручную лупу, чтобы хорошо рассмотреть то, что произошло. Если испытуемый образец был поцарапан, значит, его твердость мягче или похожа на материал, который вы использовали, чтобы поцарапать его. Но если на поверхности испытуемого образца не образовалась царапина, то он тверже, чем материал, которым вы его царапали.
• Лучше всего провести тест еще раз, чтобы подтвердить свой результат, особенно если вы не уверены или у вас есть вопросы по поводу результатов теста. Убедитесь, что вы используете другую чистую, гладкую поверхность.

Этапы проведения теста на твердость по шкале Мооса подручными средствами

Есть довольно много простых инструментов, которые могут быть очень полезными и удобными для быстрой проверки твердости. Основные подручные материалы для определения твердости: ноготь (2,5), медная монетка (3), кусочек стекла (5,5-6,5), кусочек кварца (7), стальной напильник (6,5-7,5), сапфировая пилка (9)

• Ноготь имеет твердость 2,5. Если вы можете поцарапать или сделать царапину на внешней стороне образца минерала ногтем, вы сразу же сможете определить, что его твердость составляет менее 2,5. Немного тверже гипса с твердостью 2, но мягче кальцита с твердостью 3.
• Другой используемый инструмент, который немного тверже вашего ногтя, — это медная монета. Имеет твердость 3,0. Когда вы можете поцарапать образец монетой, это означает, что он имеет по меньшей мере или равное значение твердости с кальцитом, имеющим твердость 3.
• Как правило, обычный нож со стальным лезвием имеет твердость около 5,5.

Как использовать подручные средства по шкале Мооса

• Найдите чистую поверхность на испытуемом образце.
• Попробуйте поцарапать эту поверхность острием предмета известной твердости , плотно прижав его к испытуемому образцу. Например, можно попробовать поцарапать поверхность кончиком стального напильника (твердость около 7), острием куска стекла (около 6), краем медной копейки (3) или ногтя (2,5).
• Если ваше «острие» тверже образца для испытаний, вы должны почувствовать, как оно впивается в образец.
• Изучите образец. Есть ли выгравированная линия? Нащупайте царапину ногтем, так как иногда мягкий материал оставляет след, похожий на царапину. Если образец поцарапан, значит, он мягче или равен по твердости тестируемому материалу. Если образец не поцарапалась, то он тверже своего эталона.
• Если вы не уверены в результатах теста, повторите его, используя острую поверхность из известного материала и свежую поверхность из неизвестного.
• Большинство людей не носят с собой примеры всех десяти уровней твердости по шкале Мооса, но у вас, вероятно, что то найдется в любой ситуации. Например, если вы поцарапаете образец стеклом, вы знаете, что его твердость меньше 6. Если вы не можете поцарапать его монетой, вы знаете, что его твердость находится между 3 и 6.

Использование твердомеров

Альтернативой использованию эталонных минералов для тестирования является набор твердомеров (стекломеров) для определения по шкале Мооса. Они представляют собой удобные инструменты с двумя остроконечными иглами разной твердости. На корпусе имеются циферные маркировки с двух сторон, обозначающие твердость по шкале Мооса. Такие твердомеры обеспечивают гораздо больший контроль, а их острые иглы можно использовать для проверки мелких минеральных зерен в породе, что эффективнее, чем царапать куском эталонного минерала.

Принцип работы аналогичен минеральным эталонам, если игла оставляет царапину, значит она тверже тестируемого образца, если же остается тонкая металлическая полоска от металла иглы — значит образец тверже. Для большей уверенности полезно использовать ручную лупу или стереомикроскоп при исследовании результатов теста.

Использование твердомеров показывает, что они отлично справляются со своей задачей. Ими проще пользоваться и результаты получаются достаточно более точными, чем при испытании минеральными образцами. Если игла затупилась, в наборе обычно есть заточной абразивный инструмент. Единственным недостатком таких наборов является большая цена.

Есть ли вещества тверже алмаза и мягче талька

Алмаз не самое твердое вещество на нашей планете, есть и более твердые, но они встречаются гораздо реже. Исследователи сообщили, что вюрцит, кубический нитрид бора и лонсдейлит могут быть тверже алмаза.

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.

Соотношение со шкалой Виккерса

Когда Фридрих Моос разработал свою шкалу в 1812 году, в мировой науке было очень мало информации о твердости различных минералов и предметов. Фактически он интуитивно выбрал десять разных минералов с разной твердостью и произвольно расположил их в виде десятибалльной шкалы от 1 до 10. Это была относительная шкала, по которой минерал неизвестной твердости можно было сравнить с группой из десяти эталонных минералов, тем самым определить его твердость согласно бальной системе.

Тест на твердость по Виккерсу использует алмазный наконечник и основан на вдавливании в поверхность образца для измерения ее твердости. Чем выше значение, тем тверже материал. Тест Виккерса включает в себя обнаружение вмятины и сравнение ее с силой, необходимой для ее достижения. Как только это соотношение определено, остается только вычислить твердость материала (используется конкретное уравнение для определения значения твердости материала).

Шкала Мооса легко интерпретируется, но ей не хватает достоверности других тестов. Разницу между 5 и 6 по шкале Мооса невозможно точно определить, тогда как различия в твердости по шкале Виккерса гораздо более ощутимы.

Тем не менее шкала Мооса выдержала испытание временем и широко используется во всем мире уже более 200 лет — главным образом потому, что она проста в использовании, недорога и люди быстро ее понимают. Другие разработанные тесты на твердость, хоть и являются более эффективными и точными, не нашли такого массового применения из за сложности, недоступности дорого оборудования и используются в основном в профессиональных лабораториях.

Переменная твердость одного и того же минерала

В справочниках и интернет-ресурсах часто указывается твердость каждого минерала как конечная единица, но на самом деле многие минералы имеют переменную твердость. Все зависит от направления, в котором их царапают при тесте и показатели будут разными в большую или меньшую сторону.

Например, возьмем минерал кианит (Al₂O(SiO₄), силикат алюминия, обладающий переменной твердостью. Минерал кианит часто встречается в виде кристаллов линейной формы, обладающий красивым синим, зеленым, желтым, фиолетовым, бесцветным и даже почти черным цветом. Это красивый минерал. Но при определении его твердости по шкале Мооса обнаружится следующий факт — кристалл имеет твердость около 5, если испытывать его поверхность эталоном параллельно длинной оси кристалла, твердость около 7 обнаружится, если испытание проводить параллельно короткой оси кристалла. Почему так происходит? Причина в строении кристаллической решетки. Эти разные направления сталкиваются с различными связующими средами в кристалле кианита. Связи, препятствующие царапанью параллельно длинной оси пластинчатого кристалла, слабее тех, которые встречаются при царапании по ширине кристалла. Промежуточные твердости встречаются и в других направлениях.

Еще один хороший пример — это алмаз. Специалисты, работающие с огранкой алмазов, знакомы с его переменной твердостью уже не одно столетие. Они знают, что параллельный октаэдрическим граням кристалл алмаза практически невозможно распилить и очень трудно отполировать. Алмаз можно расколоть в этом направлении путем скалывания, и лучший способ его резки в этом направлении — с помощью лазера. Самое мягкое и лучшее направление для распиловки или полировки кристалла алмаза — параллельно его кубическим граням. Эта информация является важным знанием для мастеров, которые планируют дизайн ограненного бриллианта. Понимание этого и работа с ним экономит время, экономит деньги и создает лучший продукт с меньшими потерями.

Какие еще бывают тесты на твердость, кроме Мооса

Тест по шкале Мооса – очень простой, но неточный сравнительный тест. Возможно, его простота позволила ему стать наиболее широко используемым тестом на твердость.

С тех пор как в 1812 году была разработана шкала Мооса, было изобретено множество различных тестов на твердость. К ним относятся тесты Бринелля, Кнупа, Роквелла, Виккерса и др. В каждом из этих тестов используется крошечный «индентор», который прикладывается 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 расчеты, их сложно напрямую сравнивать друг с другом. Поэтому, если был проведен тест на твердость по Кнупу, число обычно указывается как «твердость по Кнупу». По этой причине результаты испытаний на твердость по шкале Мооса также следует указывать как «твердость по шкале Мооса».

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

Испытание на твердость по Роквеллу

Роквелл — это метод быстрого определения твердости, разработанный для производственного контроля, с прямым считыванием, в основном используемый для металлических материалов. Твердость по Роквеллу (HR) рассчитывается путем измерения глубины отпечатка после того, как индентор был вдавлен в материал образца при заданной нагрузке.

• Обычно используется для более крупных образцов геометрии
• «Быстрый тест», используемый в основном для металлических материалов.
• Может использоваться для расширенных испытаний, таких как испытание Джомини (концевая закалка) (HRC)

Тест на твердость по Виккерсу

Виккерс — это тест на твердость для всех твердых материалов, включая металлические материалы. Твердость по Виккерсу (HV) рассчитывается путем измерения длины диагонали отпечатка в материале образца, оставленного индентором с алмазной пирамидой при заданной нагрузке. Диагонали отпечатка измеряются оптически, чтобы определить твердость, используя таблицу или формулу.

• Используется для определения твердости всех твердых материалов, включая металлические материалы.
• Подходит для широкого спектра применений
• Включает подгруппу испытаний сварных швов на твердость.

Тест на твердость по Кнупу

Knoop (HK) является альтернативой тесту Виккерса в области определения микротвердости. Он в основном используется для тестирования в хрупких материалах, а также для проверки твердости тонких слоев. Пирамидальный алмазный наконечник вдавливается в полированную поверхность испытуемого материала с известной (часто 100 г.) нагрузкой в течение заданного времени выдержки, а полученное вдавление измеряется с помощью микроскопа.

• Используется для хрупких и тонких материалов, таких как керамика
• Подходит для небольших вытянутых площадей, таких как покрытия

Тест на твердость по Бринеллю

Испытание на твердость по Бринеллю используется для определения твердости больших образцов из материалов с крупнозернистой или неоднородной структурой зерна. Вдавливание при испытании на твердость по Бринеллю (HBW) оставляет относительно большой отпечаток с использованием шарика из карбида вольфрама. Размер отступа читается оптически.

• Используется для материалов с крупнозернистой или неоднородной структурой зерна.
• Используется для больших образцов
• Подходит для поковок и литья с крупными структурными элементами

Заключение

Определение твердости неизвестной породы, материала или минерала часто бывает очень полезным в процессе идентификации. Твердость является мерой сопротивления минерала истиранию и измеряется по стандартной шкале – шкале твердости Мооса. Шкала Мооса была названа в честь Фредерика Мооса (1773-1839), немецкого минеролога. Она состоит из 10 довольно распространенных минералов (за исключением алмаза) известной твердости, которые упорядочены по номерам от самого мягкого (1) до самого твердого (10).

Как подсказывает здравый смысл, шкала Мооса основана на том факте, что более твердый материал царапает более мягкий. Используя простой тест на царапанье, вы можете определить относительную твердость неизвестного минерала. Шкала Мооса не утратила свою актуальность и по сей день, несмотря на не самые точные результаты. Простота использования, возможность работать с эталонами из подручных средств делают его незаменимым, быстрым тестом, позволяющим во многих ситуациях сделать правильные выводы.