Сталь твердость по моосу

Обновлено: 03.05.2024

Понятие твердости металлов раньше было известно только выпускникам технических вузов, рабочим машиностроительных заводов и мастерам кузнечного дела. В обиход современного ножемана этот термин вошел вместе с принятием закона об оружии и ГОСТов, которые приводят признаки, на основании которых нож может быть отнесен к холодному оружию.

Одним из обязательных признаков, по которым то или иное изделие относится к холодному оружию является твердость стали из которой выполнен клинок ножа (или как это называется в ГОСТе - боевая часть холодного оружия). И начиная с этого момента, найфоманы в России начали потихоньку почитывать справочники в которых приводятся характеристики разных сталей, пояснения в различии порошковых и ламинированных сталей, ну и конечно показатели твердости стали, те самые заметные HRC.

Если один автолюбитель сможет спросить другого о том, сколько «кубиков в движке», то продвинутый найфоман, посмотрев на характеристики полевого ножа в которых указано «57-59 HRC» может на полном серьезе определить, что это модель хлипковата для бушкрафта и ей место на кухне.

Данная статья в простой и понятной форме расскажет о том, что же за зверь такой HRC, откуда от взялся и зачем он вообще нужен.

Интересный факт: На американских и европейских сайтах в числе параметров, которые указывают продавцы или производители крайне редко встречается такой параметр, как твердость стали.

Законодательно этот вопрос никак не регулируется, вот и не нужен этот параметр обычному неискушенному покупателю.

Итак, что же нам нужно знать о твердости металлов?

Человек издревле столкнулся с понятием твердости материалов. А также достаточно быстро понял, что различные материалы отличаются друг от друга по твердости и прочности. Если ударить палкой по камню, то палка либо сломается, либо отскочит. Если ударить камнем по палке, то палка сломается. Если кокос упадет с дерева на галечный пляж, то разобьется. А если долго и старательно бить кремнем по более мягкому камню, то вполне себе можно изготовить голову для каменного топора.

Постепенно, в процессе эволюции наши с вами предки поняли, что различные материалы имеют различную твердость, и в зависимости от этой твердости обладают или не обладают нужными свойствами. Так родился способ определения твердости материла, посредством сравнения его с неким эталоном.

Так, хороший плотник может определить степень усушки бревна постукивая по нему киянкой, выполненной из дерева более твердой породы. Гончар с помощью специального молоточка может определить степень готовности глиняной посуды. Вольно или невольно, каждый из нас хоть раз в жизни прибегал к аналогичному способу определения твердости предмета.

Однако, самым распространенным методом определения твердости материала до недавнего времени был склерометрический метод. Склерометрия представляет собой физический процесс, когда проверяемый материал царапает (или царапается) некий эталонный образец. Если проверяемый материла царапает эталон - значит проверяемый материал тверже.

Если проверяемый материал не может оставить следа на эталоне и при этом сам легко царапается эталоном - значит проверяемый материал имеет твердость меньше чем у эталона. Сейчас такая процедура кажется нам смешной, но до недавнего времени, это был единственный способ определить твердость материала. А как еще древние шумеры могли определить, что можно наносить надписи острой палочкой на почти засохшую глину?

Вопрос с определением твердости материалов (особенно камней и металлов) остро встал в конце XVIII и начале XIX веков, с развитием геологии и началом расцвета машиностроения.

Именно к этому времени относится появление известной всем физикам и археологам «шкалы Мооса». Однако, первым кто предложил измерять твердость металлов посредством их сравнения с эталоном был французский естествоиспытатель середины XVIII века Рене Антуан Реомюр.

Реомюр активно проводил эксперименты, связанные с плавлением и обработкой металлов и поэтому перед ним остро стоял вопрос определения различных характеристик тех сплавов, которые он получал в процессе своих изысканий.

Его идеи подхватил и развил немецкий естествоиспытатель и геолог Карл Фридрих Христиан Моос. В 1811-м году он придумал систему эталонного сравнения минералов, которая теперь носит его имя. Примерно до середины XX века это шкалой активно пользовались разведывательные геологические партии по всему миру.

Шкала Мооса представляет собой сравнительную таблицу в которой указаны различные по твердости известные минералы и указана их твердость измеряемая в критериях:

Царапается ногтем;
Царапается медью;
Царапается стеклом;
Царапает стекло;
Обрабатывается только алмазом.

К самому мягкому эталонному минералу относится таль, к самому твердому минералу отнесен алмаз. Твердость талька по шкале Мооса составляет «1», твердость алмаза составляет «10». Между тальком и алмазом по мере возрастания твердости расположены: гипс (твердость 2), кальцит (твердость 3), флюорит (твердость 4), апатит (твердость 5), ортоклаз (твердость 6), кварц (твердость 7), топаз (твердость 8), корунд (твердость 9). Такой простой способ определения твердости минералов оказался незаменим в полевых условиях.

Помимо шкалы Мооса, существуют другие способы определения твердости материалов, которые получили активное развитие в конце XIX и в начале XX века. Обычно выделяют четыре самых известных способа определения твердости металлов:

Метод Бринелля;
Метод Виккерса;
Метод Шора;
Метод Роквелла.

Забегая вперед, заметим: все эти методы похожи между собой, так как основаны на вдавливании эталонного образца в поверхность металла. Различаются только форма эталона, сила давления, формула расчета величины.

Элемент, который вдавливается в поверхность металла, называется «индентор». В качестве индентора могут использоваться стальной шарик (метод Бринелля), алмазный конус (метод Роквелла), алмазная пирамидка (методы Виккерса и Шора).

Все о твердости стали

Твёрдость — свойство стали (или другого сплава) оказывать сопротивление сдавливанию более твёрдым телом, например, быстрорежущей сталью или победитом.

Что это такое?

Твёрдость стали – одна из важнейших величин (показателей), имеющих основное значение для её использования при разных условиях. Это значит, что стальной сплав, не обладающий минимально необходимой при выполнении определённых задач твёрдостью, быстро выходит из строя в режиме частой и длительной нагрузки.

Например, гвоздь, будучи изготовленным из железа, в котором почти нет углерода, нельзя было бы вбить даже в деревяшку. Он тут же затупился и согнулся бы. Чтобы избежать подобных ситуаций, в сталь вводят важнейший компонент – углерод. Твёрдость стали по шкале Роквелла должна достигать как минимум 36 единиц, только тогда стальной состав можно будет с большим успехом применить, например, в качестве конструкционного материала.

Но если такое свойство не обеспечивается в полной мере, то железо подлежит переплавке. Чистое железо, не обладающее достаточной твёрдостью, присущей стали, можно встретить только в лабораториях.

Виды шкал по методу измерения

Твёрдость стали как характеристика влияет на конкретное её применение. Она определяется как частное от деления величин нагрузки и площади поверхности друг на друга. Однако различают поверхностную, объёмную и проекционную твёрдость. Поверхностная определяется величиной давления, которую выдерживает заготовка. Проекционная – деление значения силовой нагрузки к площади проекции области давления. Объёмная – та же величина, поделённая на конкретный объём испытуемой зоны.

Макротвёрдость – воздействие от 2 Н до 3 кН силы для внедрения давящего тела в сдавливаемое на глубину в 200 нанометров. Микротвёрдость – сила менее 2 ньютона на ту же глубину. Нанотвёрдость – внедрение тела с любой силой воздействия на глубину менее 200 нм.

По Бринеллю

Суть метода определения твёрдости по Бринеллю сводится к диаметру отпечатка, который оставляется шариком из твёрдого сплава, вжимаемым в испытуемую поверхность. Величина твёрдости в этом случае равна отношению усилия, прилагаемого к шарику, к площади оставленного на поверхности следа испытательной нагрузки. Площадь отпечатка при этом равна площади части поверхности шарика. Значение твёрдости по Бринеллю равно килограммам силового воздействия на квадратный миллиметр. Встречающееся обозначение HB (что значит «твёрдость Бринелля») указывает на неиспользование испытательных шариков для определения искомой величины.

По Роквеллу

Метод Роквелла, по своей сути, напоминает испытание вдавления алмазного конуса в тестируемый материал. Размерность – конкретные единицы, включая производные – не задана. Несмотря на существования нескольких шкал по Роквеллу, используют лишь две из них – A (до 100 единиц) и B (до 130 по HRC). Твёрдость алмаза – максимальная, аналогов у данного материала в природе, да и при промышленном их получении, не существует. Для сравнения, эльбор имеет всего лишь 90, а не 100 единиц твёрдости.

По Моосу

Метод определения твёрдости по шкале Мооса основан на сравнении с эталонами 10 минеральных веществ – от талька до алмаза. К примеру, если испытуемая деталь процарапывается апатитом, но не поддаётся флюориту, то его твёрдость оказалась в диапазоне 4-5 единиц. Но абсолютная твёрдость колеблется от 1 до 1600 единиц.

По Виккерсу

Метод Виккерса несколько отличается от своего предыдущего аналога. Вдавливание осуществляется не конусом, а пирамидкой, из того же алмаза. Единицы измерения – как и в случае метода Бринелля.

По Шору

В отличие от метода Роквелла и иных аналогов вместо алмазного острия применяют закалённую иглу под действием настраиваемой пружины. Область применения – в основном для полимерных, а не стальных составов. Шкала в основном представлена вариантами A – для мягких пластиков, и D – для твёрдых. Для вычисления твёрдости стали определяют не глубину проникновения, а высоту отскакивания иглы или специального бойка.

Другие

Метод Кузнецова–Герберта– Ребиндера состоит в следующем: величина твёрдости вычисляется по времени затухания колебания маятника, опёртого об исследуемый образец.

Метод Польди (двойного отпечатка шарика) заключается в следующем: твёрдость измеряют путём сопоставления с твёрдостью образцовой заготовки и эталонной детали. Последовательно вдавливают шарик в тот и другой образцы.

Метод Бухгольца применяют в основном для выяснения значения твёрдости лака или краски, слой которой успел полностью высохнуть и затвердеть. Для проверки может использоваться любое остриё.

Метод Янка рассчитан для определения твёрдости древесных изделий и заготовок. Предусматривает использование статики и динамики для вычисления значения твёрдости.

Во всех случаях применяются приборы-твердомеры. Покрытие или поверхность основного материала предусматривает разрушение или сохранение поверхностного слоя. Ни один из вышеописанных методов не является истиной в последней инстанции – данные способы применяются в качестве приближённого, оценочного суждения о значениях твёрдости материала той или иной разновидности.

Для одних и тех же сортов стали величины могут существенно отличаться, а диапазоны величин для разных марок стали одного и того же рода – располагаться так, что любые зависимости окажутся в виде отчётливых кривых на графике. А также твёрдость меняется при разных внешних температуре и давлении.

Твёрдость сталей разных марок

Чем твёрже сталь, тем больше в ней должно содержаться углерода. Это задаёт то значение твёрдости, которое превысить не удастся, сколько данную марку сплава ни пытаться перезакалить. Для Ст20 твёрдость по шкале Роквелла в среднем равна 38 единиц, для Ст60 – 63. Повышение твёрдости промежуточных сортов стали начиная от наиболее низкоуглеродистой приближённо линейное. Наибольшей популярностью пользуются сорта стали 3, 30, 20, 53, 20Х, 55, 45, 35, 65Г, 12ХФ, 30Х, 25, 38ХА, при этом легирующие добавки управляют не столько параметром твёрдости, сколько иными – ударной вязкостью, упругостью, стойкостью к коррозии. Например, хромистые стали типа 20Х, 12Х, 30Х, 38ХА – несколько более устойчивы к ржавлению, чем простые их собратья без данной добавки. Никель, к примеру, повышает прокаливаемость. В целом же тенденция к повышению твёрдости прослеживается следующим образом: у Ст3 она не превышает 35 единиц по всё той же шкале Роквелла, у Ст30 в состоянии поставки – уже 44, у проката Ст35 – 47, Ст40 – 53, Ст45 – 57, Ст50 – 59, Ст55 – 61. Стали с содержанием углерода менее 0,3% по массе не поддаются закаливанию – из них изготавливают проволоку и гвозди.

Однако у некоторых высоколегированных и среднелегированных сталей твёрдость по Роквеллу может колебаться в значительных пределах (в режиме закалки и отпускания): 20Х – 55… 63, 65Г – 45… 47, Х12МФ – 61… 64, 30Х – 48… 54, 38ХА – 60… 61,5. Здесь, опять же, отслеживается аналогичная закономерность: чем больше углерода в сплаве, тем выше твёрдость. Однако вместе с ней растёт и способность крошиться при прикладывании к острию значительной силы при разрезании – с увеличением количества углерода по массе состава.

Для сравнения, твёрдость чугуна, содержание угля в котором превышает 2,14% по массе, преодолевает сама себя как явление: хрупкость чугуна настолько велика, что многие чугунные изделия растрескиваются от удара молотка, чего не происходит со стальными.

Как проверить в домашних условиях?

Общеизвестно, что сталь не царапается большинством цветных металлов. Можно попробовать поцарапать заготовкой стеклянную бутылку или осколок от листового оконного стекла, однако такой метод окажется весьма приближённым.

Проверка твёрдости в домашних условиях достигается попыткой высверлить сломанным, но подточенным заново сверлом из быстрорежущей стали. Если сталь при этом затупится, то твёрдость сплава явно превышает 64 единицы по Роквеллу. Сверлить эксклюзивные приборы, например, дорогостоящие ножи, вряд ли кто возьмётся, но просверлить отверстие в обычной детали, которая после подобного испытания вряд ли потеряет исходную функциональность, можно.

Если сталь легко процарапывается осколком бутылочного или оконного стекла, то перед вами, скорее всего, подделка. Быстрорежущую сталь особой твёрдости нелегко процарапать стеклом. А вот твёрдость победита, к примеру, такова, что победитовое сверло не царапается стеклом – скорее оно само его с лёгкостью процарапает.

Чтобы убедиться, что перед вами стальное сверло, а не победитовое, можно попробовать им просверлить глиняный кирпич или гранитный камень. Если при этом оно быстро затупится, то вы столкнулись с обычным сверлом из стали (оно сверлит лишь дерево).

Быстрорежущее сверло можно проверить на качество, просверлив им стальную деталь. Верно и обратное: заострённым обломком старого быстрорежущего сверла, который был подточен вручную, на напильнике или наждачке, высверливают заготовку с той стороны и в том участке, чьё повреждение не влияет на качество работы детали (например, это некритичная комплектующая вроде части стальной рамы). В этом случае проверяется качество закалки, нормализации, отжига или отпуска. Данный приём позволяет проверить, насколько нарушена технология термообработки отдельных деталей устройства, выдержит ли оно заявленный уровень ударно-вибрационной нагрузки.

Кроме механических способов проверки, присутствуют и термические. Например, инструментальная сталь, из которой изготовлен нож, нагревается до температуры закалки, указанной в инструкции к закаливанию конкретной массы стали. Далее инструмент охлаждается в масле. Затем его нагревают до температуры отпуска – и вновь охлаждают. В описании к определённой марке стали указано, что сталь приобретает определённый оттенок при нагреве – нагревать её нужно, пока она не приобретёт данный оттенок, затем вновь охладить. После отпуска исчезнут все усталостные напряжения, и стальной сплав обретёт ту твёрдость, что указана в его описании.

Если оказалось, что твёрдость далека от ожидаемой, значит, вы столкнулись с подделкой, закалить и отпустить изделие, как это наблюдалось бы с заявленной маркой стали, не удастся. Такие изделия годятся лишь для переплавки в качестве металлолома.

Как повысить?

Повышению твёрдости через закаливание и отпускание не подлежат сорта низкоуглеродистой стали. Даже когда изначально кажется, что масло, прижигаемое к поверхности закаливаемой заготовки, превратится в уголь и этим обогатит процентное содержание углерода, то на самом деле это не так. Сталь должна обладать более чем тремя промилле углерода (по массе), только тогда возможно немного повысить её твёрдость в домашних условиях. Дополнительному закаливанию и отпусканию подвергаются все быстрорежущие составы, относящиеся к инструментальным сталям, а также нержавейки начиная с серии Ст-31Х14.

Перед закаливанием рекомендуется выполнить отжиг. Температура отжига, как правило, ниже, чем во время закалки, но заметно выше, чем при отпускании. Например, сталь У12А обладает твёрдостью 64 по шкале Роквелла. Закаливают при 800 по Цельсию – вначале раскалённый инструмент ненадолго (на доли секунды) опускают в воду, затем – несколько раз на это же время – в масло. Сталь эта раскаляется до светло-красного, для чего достаточно применить большой костёр, к примеру, в шашлычнице или печке из огнеупорного кирпича, либо в самодельной муфельной печи. Причём работать эта печь вполне может от спирали, залитой в огнеупорную глину или даже помещённой в керамику. Но в качестве источника нагрева допустимо и использование паяльной лампы – например, газосварки, переведённой из турборежима в режим обычного горения пропана или метана. О том, что раскаливание инструмента происходит штатно, свидетельствует покраснение металла.

Однако, превысив температуру до 1300 и более градусов, велик риск перегреть сплав, из которого изготовлен прокаливаемый инструмент – сталь делается почти белой и окончательно теряет твёрдость.

Что такое шкала твердости по Моосу для металлов и минералов.

Люди часто слышат о Шкале твердости по Моосу, когда речь идет о драгоценных камнях. Однако эта система также используется для ранжирования металлов. Давайте посмотрим, чем шкала может быть полезна потенциальному покупателю драгоценностей, и как она применяется для сравнения твердости металлов.

Что такое шкала твердости по Моосу.

Шкала Мооса — система, используемая для ранжирования материалов по их твердости, которая позволяет вести классификацию с помощью чисел от 1 до 10. Ее применяют, чтобы сравнивать прочность драгоценных камней, металлов и некоторых других материалов и оценивать их относительную долгосрочность.

Оценка металла по шкале Мооса берет за основу то, насколько легко образец может быть поцарапан другими металлами. Например, коэффициент твердости золота — 2,5-3, что значительно ниже коэффициента твердости большинства других материалов.

В то время как графит и некоторые виды пластика стоят на одном конце шкалы, имея значение 1, то на другой ее конец ставится алмаз, одно из самых твердых веществ на Земле. Он оценивается в 10 баллов.

Шкала твердости по Моосу для оценки твердости металлов.

Вот список коэффициентов твердости для некоторых металлов, с которыми каждый человек, скорее всего, сталкивается в своей повседневной жизни, особенно при контакте с драгоценностями:

Олово: 1.5
Цинк: 2.5
Золото: 2.5-3
Серебро: 2.5-3
Алюминий: 2.5-3
Медь: 3
Медь: 3
Бронза: 3
Никель: 4
Платина: 4-4.5
Сталь: 4-4.5
Железо: 4.5
Палладий: 4.75
Родий: 6
Титан: 6
Укрепленная сталь: 7-8
Вольфрам: 7.5
Карбид вольфрама: 8.5-9

Почему важно знать твердость металлов.

Когда немецкий геолог Фридрих Моос создал шкалу, которую мы используем сегодня, он применил простой принцип для определения твердости любого материала: какие материалы могут поцарапать его, и какие материалы он сам может поцарапать.

Например, платина, у которой твердость 4-4.5, может быть поцарапана всеми материалами, у которых более высокий коэффициент по шкале Мооса. Например, топаз, коэффициент которого 8, может поочередно поцарапать любой материал, который имеет более низкий коэффициент (например, золото, твердость которого оценена в 2.5-3 балла).

Из представленной выше таблицы видно, какие металлы могут поцарапать другие, а какие могут поцарапать их. Это ценная информация, так как может подсказать, изделия из каких драгоценных металлов можно хранить вместе, а из каких — нельзя.

Также, данная информация о твердости металлов поможет определить, изделия из каких драгоценых сплавов более надежны в носке.

Как применить шкалу твердости для металлов.

Когда Вы решились на покупку изделия из драгоценного металла, но колеблетесь, украшение из какого материала предпочесть, то поможет именно шкала твердости по Моосу.

Сравнив коэффициенты, Вы определитесь с предварительным выбором и сможете решить, подходит ли Вам это изделие еще и по цене.

Например, платина гораздо более надежна, чем серебро, и в целом, более твердые служат дольше при постоянной носке. Однако платина, также, намного дороже серебра, таким образом, необходимо подумать, готовы ли Вы заплатить дополнительную цену за прочность.

Твердость металлических сплавов.

Шкала Мооса для каждого металла означает твердость в его чистом состоянии, т.е. без любых других материалов, смешанных с ним.

Однако в действительности почти все металлы, используемые в драгоценностях, объединяют с другими для создания более прочного или более дешевого материала.

Например, золото часто смешивается с никелем, цинком, медью и другими металлами для придания ему дополнительной твердости.

Точно так же, когда к вольфраму, имеющему коэффициент твердости 7,5 в чистом виде, добавляют углерод, получившийся карбид вольфрама будет иметь коэффициент уже 8.5-9 по Шкале твердости Мооса.

Комплект для определения твердости минералов

Шкала твердости Мооса

Шкала Мооса (минералогическая шкала твёрдости) представляет собой качественную порядковую шкалу, характерезующую стойкость различных минералов к царапанию. Используется для определения относительной твердости образцов минералов.

Основана на способности более твердого материала царапать более мягкий материал.

Шкала содержит 10 минералов в качестве эталонных, упорядочивая их в порядке возрастания твердости от очень мягкого (тальк) до очень твердого (алмаз).

Все минералы из таблицы, кроме алмаза, относительно распространены и их легко или недорого получить.

Если минерал царапет эталон, значит его твердость — выше, если он царапается эталоном — ниже.

Шкала Мооса создана в 1812 году и названа в честь изобретателя немецкого геолога и минеролога Фридриха Мооса. С тех пор было изобретено множество различных методов определения твердости: метод Бринеля, Кнупа, Роквелла, Шора, Виккерса.

Определение твердости по Моосу — это относительное целочисленное сравнение устойчивости к царапинам.

Другие методы измерения твердости оперируют устойчивостью к вдавливанию. Для испытаний используется «Индентор» который вдавливается в исследуемый образец с тщательно измеренной силой. Затем размер или глубина выемки на образце и величина силы используются для расчета значения твердости. Поскольку в каждом из этих тестов используются разные аппараты и разные расчеты, их нельзя сравнивать напрямую друг с другом.

Шкала Мооса получила широкое распространение т.к. метод определения твердости прост в исполнении, недорог и люди быстро его понимают.

Несмотря на недостаточную точность, шкала актуальна для полевых геологов, которые используют её для грубой идентификации минералов когда исследуются легко идентифицируемые образцы или когда нет возможности использовать более сложные тесты.

Некоторые используют легкодоступные предметы для быстрого испытания. Например геолог может иметь карманный нож, которым можно определить является ли образец тверже или мягче чем значение 5-6,5 по Моосу.

Ниже представлена расширенная таблица веществ, минералов, драгоценных камней:

Вещество или минерал	Твердость по Моосу
Пирофиллит, молибденит	1-2
Боксит, уголь	1-3
Лимонит	1-5
Лед, сахар, галлий, стронций, индий, олово, барий, таллий, свинец, графит	1,5
Гипс, кальций	1,5-2
Сера	1,5-2,5
Сильвит, глауконит, кадмий, селен	2
Каменная соль, киноварь, хлорит, висмут, янтарь	2-2,5
Мусковит	2-3
Серебро, золото, галенит, медь, биотит, слюда	2,5-3
Алюминий, известняк, кальцит, борная кислота, нитрофоска	3
Арагонит, витерит, ангидрит	3-3,5
Жемчуг, латунь, мышьяк	3-4
Серпентин	3-5
Сфалерит, родохрозит, малахит, доломит, куприт, халькопирит, азурит, барит	3,5-4
Сидерит, пирротин, доломит	3,5-4,5
Флюорит, бронза фосфористая	4
Мрамор	4-5
Зубная эмаль, асбест, апатит, марганец, цирконий , палладий , обсидиан	5
Титанит, монацит	5-5,5
Нефрит, уранинит, ильменит, энстатит, керамогранит (полированный)	5-6
Магнетит	5-6,5
Нефелин, авгит, арсенопирит, актинолит, бустамит, кобальтит	5,5-6
Родонит, диопсид, опал, железняк красный	5,5-6,5
Титан, германий , ниобий , родий , уран	6
Рутил, пирит, пренит, плагиоклаз, ортоклаз, амазонит, андезин, анортоклаз, бенитоит, гельвин, иридий	6-6,5
Кремний	6,5
Яшма	6,5-7
Агат, цоизит, эпидот, касситерит, пиролюзит	6-7
Марказит	6-7,5
Гранит, танзанит, сподумен, оливин, жадеит, аксинит, хризопраз, жадеит	6,5-7
Силлиманит, гранат	6,5-7,5
Кварц, каменная галька, аметист, авантюрин, форстерит, осмий, силикон, рений , ванадий	7
Турмалин, кордиерит, альмандин, борацит, кордиерит, данбурит	7-7,5
Циркон, андалузит, эвклаз, гамбергит, сапфирин	7,5
Изумруд , закаленная сталь, вольфрам, шпинель, берилл, бериллий, аквамарин, красный берилл, ганит, пейнит	7,5-8
Топаз, Фианит	8
Хризоберилл, александрит, холтит	8,5
Керамогранит (неполированный)	8,5
Корунд, рубин, сапфир, алунд, хром	9
Муассанит, бор	9,5
Карборунд	9-10
Алмаз, карбонадо	10

Что такое шкала Мооса и как по ней определить подделку

При характеристике каждого самоцвета описывается его твёрдость по шкале Мооса. А известно ли вам, почему именно по ней сравниваются все минералы и что значат указанные цифры?

Предлагаем расширить свой кругозор.

История вопроса

Метод определения устойчивости к царапанью минералов и соответствующая шкала появилась только в XIX веке. Основной вклад внёс учёный, именем которого и названа таблица – Карл Фридрих Моос.

Первые попытки

Ещё с древности философы и алхимики замечали, что минералы различаются между собой не только цветом, но и прочностью. Одни буквально крошатся в руках, а другие царапают даже металлы.

Учёные Средних веков пытались классифицировать камни по субъективным впечатлениям об их хрупкости. Затем стали применять напильник: им пытались распилить камень. Если это получалось, то минерал считался хрупким, если нет, твёрдым.

Так продолжалось до тех пор, пока в 1811 году Фридрих Моос не предложил определять прочность путём царапанья минералов образцами с известными показателями.

Заслуга Вернера

В 1722 г. математик из Франции Рене Реомюр, а в 1724 г. в Германии Абраам Вернер высказали идею царапать камни другим минералом, признанным наиболее твёрдым из всех пород. Но они не довели дело до конца, определяя прочность небольшого числа минералов. Систематизировать их Вернер стал не только по твёрдости, но и по цвету, запаху, весу и даже вкусу.

При его жизни все минералы делились на 4 группы:

Поддаются царапанью ногтем.
Не поддаются ногтю, но от ножа появляется царапина.
Не остается след от ножа и не появляются искры.
Металлический нож не оставляет следа, но под действием огнива появляются искры.

Позже именно этот способ царапанья минералов эталоном с известной прочностью лег в основу определения твёрдости Моосом. Таким образом, Вернера можно назвать идейным вдохновителем создателя таблицы, но вся слава досталась именно Моосу.

Интересно! По некоторым данным, Моос был учеником Вернера, который поделился с молодым учёным своими наблюдениями и вычислениями.

Суть метода и поиски учёных

Принцип метода оказался прост: Моос взял гипс и не смог им поцарапать ни один другой камень. Его твёрдость он условно определил как 1.

Следующие минералы он расположил в порядке возрастания твёрдости. Последним камнем под номером 10 оказался алмаз, который не мог поцарапать ни один другой самородок.

Например, твердость равна 7 в том случае, если ни исследуемый самоцвет, ни кварц не повреждают друг друга.

Выбранные эталоны

Учёный выбрал 10 минералов, соответствие одному из которых и называется твёрдостью по шкале Мооса.

В таблице перечислены минералы – эталоны твёрдости.

Минерал	Свойства
1	Тальк	Легко царапается даже ногтем, сам не повредит ни одному минералу. Твёрдость графита примерно та же, именно поэтому в качестве подручного материала при проверке нередко используется простой карандаш.
2	Гипс	Повреждается ногтем и оставляет царапины на тальке.
3	Кальцит	Царапает предыдущий эталон.
4	Флюорит	Повреждает предыдущий эталон, сам царапается ножом.
5	Апатит	Твёрдость стекла по шкале Мооса 5,5. Следовательно, самоцвет тоже можно повредить стеклом, прилагая большую силу.
6	Ортоклаз	Царапает стекло при сильном надавливании, сам повреждается напильником из стали.
7	Кварц	Прочнее стекла и мягче алмаза.
8	Топаз	Прочный минерал, царапающий кварц, стекло. Шлифуется инструментами с алмазным напылением.
9	Корунд	Уступает лишь алмазу.
10	Алмаз	Максимально твёрдый.

Количественные величины

Шкала Мооса – отражение относительной прочности камней. То есть, если на первом месте стоит тальк, а на 10 – алмаз, то это не значит, что разница между их твёрдостью кратна всего 10.

На самом деле алмаз твёрже талька в 1500 раз. Измеряется абсолютная твёрдость всех самородков на специальных приборах – склерометрах.

Вот так выглядит расширенная таблица минералов с абсолютными показателями.

Относительная величина	Минерал	Абсолютная величина
1	Тальк	1
2	Гипс	3
3	Кальцит	9
4	Флюорит	21
5	Апатит	48
6	Ортоклаз	72
7	Кварц	100
8	Топаз	200
9	Корунд	400
10	Алмаз	1500

Кажущиеся недостатки

Несмотря на условность показателей, все попытки доработать шкалу не получали признания. Учёным казалось неверным брать за эталон кальцит из-за того, что его твёрдость меняется. Но аналогичный ему минерал галенит также не стал идеальным по этому показателю.

Поэтому единственной признанной во всем мире системой классификации минералов по твёрдости остается шкала Мооса.

Научные изыскания

Существуют и другие классификации минералов по твёрдости: Кнупа, Бринеля, Роквела или Виккерса. В их основу положена устойчивость камня не к царапанью, а к вдавливанию.

Измерение производится на специальном приборе, надавливающем на минерал с заданной силой. По формуле на основании силы и соответствующей ей глубины ямки рассчитывается прочность. Аппараты различаются между собой, поэтому и цифры получаются разные, не позволяя сравнивать величины разных методов.

Другие учёные придумали технически более сложные способы расчёта. Несмотря на точность показателей, большинству людей понятнее и привычнее сравнивать твёрдость камней по шкале Мооса.

Шкала твёрдости Мооса для металлов

Царапать можно не только минералы, но и металлы. Определение их твёрдости необходимо в машиностроении, на промышленных предприятиях.

Что это такое

Принцип для металлов аналогичен шкале минералов. Первое место в ней занимает олово с показателем 1,5, а на последнем – карбид вольфрама с твёрдостью 9. Сталь по шкале Мооса располагается в середине (4–4,5), с ней часто делают сплавы для повышения прочности мягких металлов.

Почему нужно знать твёрдость металлов

От показателя зависит:

износостойкость изготовленных из металла деталей;
метод их обработки;
способность влиять на другие материалы.

Металлические сплавы

Для ювелирных изделий чаще всего используются сплавы драгоценных металлов. Смешивание мягкого и дешёвого металла с более твёрдым способно повысить прочность сплава, не увеличивая его стоимость.

Шкала Мооса для минералов

Шкала, предложенная Карлом Моосом, позволяет отнести минерал к тому или иному классу и сравнить их между собой. Важно понять, что она относительна, а абсолютная твёрдость измеряется только прибором под названием склерометр.

Понятие твёрдость минерала

Твёрдостью минерала в научной терминологии обозначается свойство предмета сопротивляться внедрению другого твёрдого тела.

Принцип работы по шкале

Умея работать со шкалой, легко вычислить класс, к которому принадлежит найденный материал.

Например, геолог во время работы находит самородок. Помимо внешних характеристик он может определить твёрдость, проведя по камню лезвием ножа. Если на нём не остаётся царапины, то показатель выше 6. Затем этим самоцветом пробуют повредить стекло: в зависимости от результата присваивается показатель прочности.

Возможность определения класса минерала подручными средствами

Принципом определения прочности минералов по Моосу в настоящем активно пользуются геологи, археологи, искатели драгоценных минералов. Камнерезы определяют возможность обработки породы тем или иным минералом.

Например, твёрдость гранита по шкале Мооса 5–7, что позволяет инструментами на его основе обрабатывать многие самородки. При отсутствии эталона используются соответствующие им по прочности подручные материалы.

Твёрдость	Эталон
1	Грифель простого карандаша
2	Каменная соль
2–2,5	Ноготь
2,5–3	Твёрдость золота по шкале Мооса
3,5	Медная монета
4–5	Гвоздь
5,5	Стекло
6	Нож
6,5	Напильник (сталь)
7	Напильник (закалённая сталь)
8	Минерал повреждает стекло
9–10	Разрезает стекло

Имитации камней

Умея пользоваться шкалой и зная её показатели, можно отличить подделку от натуральных камней. Так, обычный напильник может легко повредить подделку из стекла, а вот драгоценный камень останется целым.

Замечания

Шкала позволяет оценить прочность материала лишь приблизительно и сравнить образцы между собой.

Непостоянная величина

Изобретенная Моосом шкала не учитывает слоистое строение некоторых камней и различия в спайности пород. Поэтому при повреждении разных участков одного и того же минерала показатели твёрдости могут различаться.

Важно! Даже направление царапины может повлиять на конечный результат. Так, обсидиан имеет показатель 5–5,5, он зависит от разного состояния минерала.

На показатель влияют примеси в самоцвете, вариации ориентации кристаллической решётки.

Между целыми числами

Не каждый минерал относится к строго определённой группе. Самоцветам присваивается дробный показатель. Пример: твёрдость агата по шкале Мооса 6,5. Следовательно, он повреждает ортоклаз, но и следующий эталон – кварц –царапает агат.

Читайте также: