Mohsova stupnice – stupnice tvrdosti minerálů a materiálů

Mohsova stupnice je desetibodová stupnice používaná k určení relativní odolnosti materiálu vůči poškrábání. Byla vyvinuta německým mineralogem Friedrichem Mohsem na počátku 19. století a navzdory vývoji mnohem přesnějších metod měření tvrdosti zůstává jednou z nejznámějších stupnic tvrdosti materiálů.
Princip Mohsovy stupnice je velmi jednoduchý: tvrdší materiál poškrábe měkčí materiálPokud testovaný materiál poškrábe apatit o tvrdosti 5, ale je poškrábán ortoklasem o tvrdosti 6, jeho tvrdost se nachází mezi těmito hodnotami.
Mohsova stupnice byla vyvinuta především pro identifikaci minerálů. V případě kovů a slitin se používá především pro srovnávací a orientační účely. Metody používané především k přesnému stanovení tvrdosti kovů Brinell, Vickers a Rockwell.

Friedrich Mohs – tvůrce stupnice tvrdosti

Friedrich Mohs (1773–1839) byl německý geolog a mineralog. Na počátku 19. století vyvinul metodu pro klasifikaci minerálů podle jejich odolnosti proti poškrábání.
Myšlenka porovnávání minerálů jejich poškrábáním je však mnohem starší. Tato vlastnost se k identifikaci minerálů používá již od starověku. Mohsův přínos spočíval především v organizaci metody a vytvoření praktické stupnice založené na deseti standardních minerálech.
Mohs vybral minerály, které byly relativně snadno rozpoznatelné a získatelné. Seřadil je od mastku, kterému přiřadil hodnotu 1, až po diamant, kterému přiřadil hodnotu 10.

Mohsova stupnice tvrdosti - tabulka

Jak funguje Mohsova stupnice?

Měření zahrnuje provedení testu poškrábáním. Tvrdší materiál by měl zanechat trvalý škrábanec na povrchu měkčího materiálu.
Například pokud testovaný minerál:

• táhne kalcit s tvrdostí 3,
• ale nepoškrábe fluorit s tvrdostí 4,

jeho tvrdost se pohybuje mezi 3 a 4 na Mohsově stupnici.
Během kontroly je důležité rozlišovat mezi skutečným škrábancem na povrchu a materiálem, který zanechal měkčí předmět. Viditelná stopa sama o sobě proto ne vždy znamená škrábanec.

Předměty denní potřeby a Mohsova stupnice

Pro hrubou zkoušku tvrdosti není vždy nutná kompletní sada referenčních minerálů. Lze použít objekty s přibližně známou odolností proti poškrábání.

Tyto hodnoty jsou pouze přibližné. Tvrdost oceli závisí mimo jiné na jejím druhu, mikrostruktuře a tepelném zpracování, takže termín „ocelový předmět“ neznamená jednu pevnou hodnotu tvrdosti.

Mohsova stupnice není lineární stupnice

Jednou z nejdůležitějších vlastností Mohsovy stupnice je, že Není to lineární měřítkoRozdíl mezi hodnotami 9 a 10 není stejný jako rozdíl mezi hodnotami 2 a 3.
To znamená, že materiál s Mohsovou tvrdostí 10 není jednoduše dvakrát tvrdší než materiál s tvrdostí 5.
Mezi korundem a diamantem je obzvláště velký rozdíl. Na klasické stupnici je dělí pouze jeden stupeň – korund má tvrdost 9 a diamant tvrdost 10 – ale skutečný rozdíl v odolnosti proti poškrábání je mnohonásobně větší.

Proč je diamant Mohsova stupnice 10 mnohem tvrdší než korund 9?

Mohsova stupnice primárně popisuje pořadí materiálů, nikoli velikost rozdílů mezi nimi. Hodnoty 1–10 by proto měly být považovány za pozice v řadě tvrdosti.
Při kvantitativních měřeních se rozdíl mezi korundem a diamantem ukazuje být mnohem větší, než by naznačoval rozdíl jedné jednotky na Mohsově stupnici. To je jeden z nejzajímavějších rysů této stupnice a dobrý příklad toho, proč by se s Mohsovými hodnotami neměly provádět jednoduché matematické výpočty.

Mohsova tvrdost a tvrdost kovů

Mohsova stupnice byla vyvinuta pro minerály, a proto není primární metodou pro stanovení tvrdosti oceli a jiných kovů.
V metalurgii se metody měření primárně spoléhají na řízené zavádění vtlačovacího tělíska do povrchu testovaného materiálu. Patří mezi ně:

• HBW – Brinellova metoda,
• HV – Vickersova metoda,
• HRC a HRB – Rockwellova metoda,
• HK – Knoopova metoda používá se mimo jiné pro měření mikrotvrdosti.

Tyto metody odvozují výsledky na základě chování materiálu při specifickém zatížení a s použitím definovaného vtlačovacího tělíska. To umožňuje dosáhnout výrazně přesnějších a opakovatelnějších výsledků než vrypové testování.

Je možné převést Mohsovu stupnici na HRC, HBW nebo HV?

Neexistuje žádný univerzální a přesný převodní faktor Mohs → HRC, HBW nebo HV. Tyto stupnice měří různé chování materiálů.
Mohsova stupnice popisuje relativní odolnost proti poškrábání, zatímco Brinellova, Vickersova a Rockwellova metoda primárně zkoumají odolnost materiálu vůči trvalé deformaci působením vtlačovacího tělíska.
Orientační srovnání lze vytvořit, ale neměla by být používána k určení požadované tvrdosti konstrukčních prvků, nástrojů nebo strojních součástí.

Tvrdost a odolnost proti poškrábání, oděru a opotřebení

Pojem tvrdosti se často spojuje s odolností proti opotřebení, ale tento vztah není tak jednoduchý. Tvrdost může významně ovlivnit odolnost materiálu proti oděru, ale skutečné opotřebení závisí také na mikrostruktuře, typu zatížení, přítomnosti abrazivních částic, teplotě, mazání a mnoha dalších faktorech.
Materiál s větší tvrdostí nemusí být automaticky odolnější za všech provozních podmínek.

Tvrdost neznamená odolnost proti praskání

Toto je jedna z nejčastějších chyb týkajících se tvrdosti materiálů. Velmi tvrdý materiál může být zároveň křehký.
Diamant je toho ukázkovým příkladem. Nachází se na vrcholu Mohsovy stupnice a je výjimečně odolný proti poškrábání, ale to neznamená, že je nezničitelný. Diamanty mají specifické štěpné roviny a správným nárazem se dají roztříštit.
Tvrdost by se proto měla odlišovat od vlastností, jako je tažnost, plasticita, rázová houževnatost nebo odolnost proti lomu.

Proč musí být abrazivní materiály tvrdší než zpracovávaný materiál?

Princip Mohsovy stupnice má přímé uplatnění při zpracování materiálů. Aby brusné zrno mohlo účinně odstraňovat materiál z povrchu obrobku, musí mít dostatečně vysokou tvrdost.
Proto se jako abrazivní materiály používají:

• korund Al₂O₃,
• karbid křemíku SiC,
• kubický nitrid boru CBN,
• diamant.

Výběr brusného materiálu však nezávisí pouze na jeho tvrdosti. Mezi další důležité faktory patří tepelná odolnost, křehkost zrna, tepelná vodivost a chemické reakce mezi brusným materiálem a zpracovávaným materiálem.

Zajímavý fakt – diamant není vždy nejlepším brusným prostředkem pro ocel

Diamant je mimořádně tvrdý, ale to neznamená, že je nejlepším materiálem pro každý obráběcí proces. Obrábění železných slitin za vysokých teplot může vést k nepříznivým interakcím mezi uhlíkem diamantu a obráběným materiálem.
Z tohoto důvodu se často používá ke zpracování tvrdých ocelí. kubický nitrid boru CBN, i když je jeho tvrdost nižší než tvrdost diamantu. Toto je dobrý příklad toho, jak v inženýrství samotná tvrdost materiálu neurčuje jeho užitečnost.

Může ocel poškrábat sklo?

Ano, ale odpověď závisí na druhu oceli a jejím stavu. Běžné sklo má přibližně 5-6 stupňů Mohsovy stupnice. Měkká ocel nemusí zanechat viditelný škrábanec, zatímco správně kalená ocel sklo poškrábat může.
Proto není možné přiřadit všem ocelím jednu hodnotu na Mohsově stupnici. Tvrdost stejné jakosti oceli se může výrazně měnit v důsledku kalení, popouštění, rozpouštěcího tepelného zpracování, stárnutí, tváření za studena nebo jiných technologických procesů.

Je nerezová ocel tvrdší než běžná ocel?

Na tuto otázku neexistuje jediná odpověď. Termín „nerezová ocel„zahrnuje velmi širokou skupinu materiálů s různými strukturami a vlastnostmi.“
Austenitická nerezová ocel mohou mít v žíhaném stavu relativně nízkou tvrdost, ale během plastické deformace výrazně zpevňují. Martenzitické nerezové oceli naopak mohou po kalení dosáhnout velmi vysoké tvrdosti.
Proto jsou při porovnávání kovů hodnoty mnohem užitečnější. HBW, HV nebo HRC daný stavem materiálu.

Znamená Mohsova hodnota 5,5 přesně v polovině mezi 5 a 6?

Ne. Mezilehlé hodnoty, například 5,5, se používají k označení, že materiál je tvrdší než referenční minerál s hodnotou 5, ale měkčí než minerál s hodnotou 6.
To neznamená, že rozdíl v tvrdosti mezi apatitem a ortoklasem je matematicky poloviční. To je dáno ordinální, nikoli lineární povahou Mohsovy stupnice.

Tvrdost může záviset na směru testování

U některých krystalických materiálů nemusí být odolnost proti poškrábání rovnoměrná ve všech směrech. To je způsobeno strukturou krystalové mřížky a různou silou vazeb v jednotlivých krystalografických směrech.
To znamená, že stejný krystal může vykazovat různou tvrdost v závislosti na směru, ve kterém je testován. To je další důvod, proč by Mohsova stupnice měla být považována spíše za praktickou srovnávací stupnici než za přesnou metrologickou metodu.

Mohsova stupnice a Brinellova, Vickersova a Rockwellova stupnice

Mohsova stupnice – výhody a omezení

Největší výhodou Mohsovy stupnice je její jednoduchost. K provedení hrubého odhadu není potřeba žádné složité vybavení, a proto je tato metoda stále velmi užitečná v mineralogii, geologii a rychlé identifikaci materiálů.
Mezi její omezení patří nedostatek linearity a nízká přesnost. Stupnice přímo neurčuje mechanické vlastnosti materiálu a nenahrazuje laboratorní měření tvrdosti.

Mohsova stupnice – nejdůležitější informace

• Mohsova stupnice určuje relativní odolnost materiálu proti poškrábání,
• pohybuje se od 1 pro mastek do 10 pro diamant,
• materiál s vyšší pozicí může poškrábat materiál s nižší pozicí na stupnici,
• stupnice je ordinální a nelineární,
• Rozdíl mezi 9 a 10 je mnohem větší, než naznačuje jeden stupeň na stupnici,
• tvrdost není totéž co lomová houževnatost, rázová houževnatost nebo odolnost proti opotřebení,
• Neexistuje jediný přesný převodní faktor Mohsovy stupnice na HBW, HV nebo HRC,
• Metody Brinell, Vickers a Rockwell se používají především k přesnému měření tvrdosti kovů.

Mohsova stupnice zůstává vynikajícím příkladem jednoduché testovací metody, která i přes více než dvě století vývoje materiálové vědy stále nachází praktické uplatnění. V případě kovů by však měla být brána především jako vodítko – k přesnému stanovení tvrdosti ocelí a slitin by měly být použity vhodné standardizované metody měření.

Použití – Převodník tvrdosti Brinell HB, Rockwell HRC, Vickers HV, Mohs

Tvrdost kovů a ocelí – metody měření, stupnice tvrdosti a převod
Tvrdost dle Rockwella HRC, HRB a HRA – metoda měření, stupnice a aplikace
Tvrdost dle Brinella HBW – metoda měření, stupnice, vzorec a použití
Tvrdost dle Vickerse HV – metoda měření, vzorec a použití
Knoopova tvrdost HK – metoda měření, mikrotvrdost a použití
Mohsova stupnice – tabulka tvrdosti minerálů a materiálů
Převod tvrdosti HBW, HRC, HRB a HV – převodní tabulky