Skala Mohs – skala kekerasan mineral dan bahan
Skala Mohs ialah skala sepuluh mata yang digunakan untuk menentukan rintangan relatif sesuatu bahan terhadap calar. Ia telah dibangunkan oleh ahli mineralogi Jerman, Friedrich Mohs pada awal abad ke-19 dan, meskipun terdapat perkembangan kaedah pengukuran kekerasan yang jauh lebih tepat, ia kekal sebagai salah satu skala kekerasan bahan yang paling terkenal.
Prinsip skala Mohs sangat mudah: bahan yang lebih keras akan menggaru bahan yang lebih lembutJika bahan yang diuji tercalar apatit dengan kekerasan 5 tetapi tercalar oleh ortoklas dengan kekerasan 6, kekerasannya berada di antara nilai-nilai ini.
Skala Mohs dibangunkan terutamanya untuk pengenalpastian mineral. Bagi logam dan aloi, ia digunakan terutamanya untuk tujuan perbandingan dan indikatif. Kaedah yang digunakan terutamanya untuk menentukan kekerasan logam dengan tepat. Brinell, Vickers dan Rockwell.
Friedrich Mohs – pencipta skala kekerasan
Friedrich Mohs (1773–1839) ialah seorang ahli geologi dan mineralogi Jerman. Pada awal abad ke-19, beliau telah membangunkan kaedah untuk mengklasifikasikan mineral mengikut rintangan calarnya.
Walau bagaimanapun, idea untuk membandingkan mineral dengan menggarunya jauh lebih lama. Sifat ini telah digunakan untuk mengenal pasti mineral sejak zaman dahulu. Sumbangan Mohs terutamanya adalah untuk mengatur kaedah dan mencipta skala praktikal berdasarkan sepuluh mineral piawai.
Mohs memilih mineral yang agak mudah dikenali dan diperoleh. Dia menilainya daripada talkum, yang diberikannya nilai 1, hingga berlian, yang diberikannya nilai 10.
Skala kekerasan Mohs - jadual
| Kekerasan Mohs | Mineral rujukan | Formula kimia | Charakterystyka |
|---|---|---|---|
| 1 | Bercakap | Mg3Si4O10(oh)2 | sangat lembut, mudah tercalar dengan kuku |
| 2 | plaster | Kes4· 2H2O | boleh digaru dengan kuku |
| 3 | Kalsit | Pencuri3 | mungkin tercalar dengan tembaga |
| 4 | Fluorit | Caf2 | mudah tercalar dengan bilah keluli |
| 5 | Apatit | Ca5(PO .)4)3(F,Cl,OH) | dicalar dengan bilah keluli yang mempunyai kekerasan yang sesuai |
| 6 | Ortokolas | KAlSi3O8 | boleh mencalarkan kaca biasa |
| 7 | Kuarza | ya2 | mencalar kaca dengan jelas |
| 8 | Topaz | Al2ya4(F,OH)2 | jauh lebih keras daripada kuarza |
| 9 | korundum | Al2O3 | mineral yang sangat keras yang digunakan, antara lain, sebagai bahan kasar |
| 10 | Berlian | C | nilai tertinggi pada skala Mohs klasik |
Bagaimanakah skala Mohs berfungsi?
Pengukuran ini melibatkan ujian calar. Bahan yang lebih keras sepatutnya meninggalkan calar kekal pada permukaan bahan yang lebih lembut.
Contohnya, jika mineral yang diuji:
- menarik kalsit dengan kekerasan 3,
- tetapi tidak menggaru fluorit dengan kekerasan 4,
kekerasannya adalah antara 3 dan 4 pada skala Mohs.
Semasa pemeriksaan, adalah penting untuk membezakan antara calar sebenar pada permukaan dan bahan yang ditinggalkan oleh objek yang lebih lembut. Oleh itu, tanda yang kelihatan sahaja tidak selalunya menunjukkan calar.
Objek harian dan skala Mohs
Untuk ujian kekerasan kasar, satu set lengkap mineral rujukan tidak selalunya diperlukan. Objek dengan rintangan calar yang diketahui secara anggaran boleh digunakan.
| Barang | Anggaran kekerasan Mohs |
|---|---|
| Kuku | kira-kira 2,5 |
| Barang yang diperbuat daripada tembaga | kira-kira 3–3,5 |
| Bilah pisau/kaca | kira-kira 5–5,5 |
| Paku keluli | kira-kira 6–6,5 |
| Kuarza | 7 |
Nilai-nilai ini hanyalah anggaran sahaja. Kekerasan keluli bergantung kepada, antara lain, gred, mikrostruktur dan rawatan habanya, jadi istilah "objek keluli" tidak bermaksud nilai kekerasan tetap tunggal.
Skala Mohs bukanlah skala linear
Salah satu ciri terpenting dalam skala Mohs ialah ia bukan skala linearPerbezaan antara nilai 9 dan 10 tidak sama dengan perbezaan antara nilai 2 dan 3.
Ini bermakna bahan dengan kekerasan Mohs 10 bukan sekadar dua kali lebih keras daripada bahan dengan kekerasan 5.
Terdapat perbezaan yang sangat besar antara korundum dan berlian. Pada skala klasik, ia hanya dipisahkan oleh satu darjah—korundum mempunyai kekerasan 9 dan berlian kekerasan 10—tetapi perbezaan sebenar dalam rintangan calar adalah berkali-kali lebih besar.
Mengapakah berlian Mohs 10 jauh lebih keras daripada korundum 9?
Skala Mohs terutamanya menggambarkan susunan bahan, bukan magnitud perbezaan antara bahan tersebut. Oleh itu, nilai 1–10 harus dianggap sebagai kedudukan dalam satu siri kekerasan.
Dalam pengukuran kuantitatif, perbezaan antara korundum dan berlian ternyata jauh lebih besar daripada perbezaan satu unit pada skala Mohs. Ini adalah salah satu ciri paling menarik skala ini dan contoh yang baik mengapa pengiraan matematik mudah tidak boleh dilakukan pada nilai Mohs.
Kekerasan Mohs dan kekerasan logam
Skala Mohs dibangunkan untuk mineral dan oleh itu bukanlah kaedah utama untuk menentukan kekerasan keluli dan logam lain.
Dalam metalurgi, kaedah pengukuran terutamanya bergantung pada penyisipan terkawal indentor ke dalam permukaan bahan yang diuji. Ini termasuk:
- Kaedah HBW – Brinell,
- Kaedah HV – Vickers,
- HRC dan HRB – kaedah Rockwell,
- HK – Kaedah Knoop digunakan, antara lain, untuk pengukuran kekerasan mikro.
Kaedah-kaedah ini memperoleh keputusan berdasarkan kelakuan bahan di bawah beban tertentu dan menggunakan lekukan yang ditetapkan. Ini membolehkan keputusan yang jauh lebih tepat dan boleh diulangi berbanding ujian calar.
Bolehkah skala Mohs ditukar kepada HRC, HBW atau HV?
Tiada faktor penukaran Mohs → HRC, HBW atau HV yang universal dan tepat. Skala ini mengukur tingkah laku bahan yang berbeza.
Skala Mohs menggambarkan relatif rintangan calar, manakala kaedah Brinell, Vickers dan Rockwell terutamanya mengkaji rintangan bahan terhadap ubah bentuk kekal di bawah tindakan indentor.
Perbandingan indikatif boleh dibuat, tetapi ia tidak boleh digunakan untuk menentukan kekerasan elemen struktur, alat atau bahagian mesin yang diperlukan.
Kekerasan dan rintangan terhadap calar, lelasan dan haus
Konsep kekerasan sering dikaitkan dengan rintangan haus, tetapi hubungannya tidak begitu mudah. Kekerasan boleh menjejaskan rintangan lelasan bahan dengan ketara, tetapi haus sebenar juga bergantung pada mikrostruktur, jenis beban, kehadiran zarah kasar, suhu, pelinciran dan banyak faktor lain.
Bahan yang mempunyai kekerasan yang lebih tinggi tidak semestinya lebih tahan lama di bawah semua keadaan operasi.
Kekerasan tidak bermaksud ketahanan terhadap keretakan
Ini adalah salah satu kesilapan yang paling biasa mengenai kekerasan bahan. Bahan yang sangat keras boleh menjadi rapuh pada masa yang sama.
Berlian adalah contoh utama. Ia berada di bahagian atas skala Mohs dan sangat tahan calar, tetapi ini tidak bermakna ia tidak boleh dimusnahkan. Berlian mempunyai satah belahan tertentu dan boleh hancur dengan hentaman yang betul.
Oleh itu, kekerasan harus dibezakan daripada sifat-sifat seperti kemuluran, keplastikan, kekuatan hentaman atau rintangan patah.
Mengapakah bahan pelelas perlu lebih keras daripada bahan yang sedang diproses?
Prinsip di sebalik skala Mohs mempunyai aplikasi langsung dalam pemprosesan bahan. Agar butiran kasar dapat menanggalkan bahan dari permukaan benda kerja dengan berkesan, ia mesti mempunyai kekerasan yang cukup tinggi.
Oleh itu, bahan berikut digunakan sebagai bahan kasar:
- korundum Al2O3,
- silikon karbida SiC,
- boron nitrida kubik CBN,
- berlian.
Walau bagaimanapun, pilihan bahan kasar bukan sahaja bergantung pada kekerasannya. Faktor lain yang penting termasuk rintangan haba, kerapuhan butiran, kekonduksian terma dan tindak balas kimia antara bahan kasar dan bahan yang sedang diproses.
Fakta menarik – berlian tidak selalunya merupakan bahan pelelas terbaik untuk keluli
Berlian memang sangat keras, tetapi itu tidak bermakna ia adalah bahan terbaik untuk setiap proses pemesinan. Pemesinan aloi ferus pada suhu tinggi boleh menyebabkan interaksi yang tidak baik antara karbon berlian dan bahan yang sedang diproses.
Atas sebab ini, ia sering digunakan untuk memproses keluli keras. CBN boron nitrida kubik, walaupun kekerasannya lebih rendah daripada berlian. Ini adalah contoh yang baik tentang bagaimana, dalam kejuruteraan, kekerasan sesuatu bahan sahaja tidak menentukan kegunaannya.
Bolehkah keluli menggaru kaca?
Ya, tetapi jawapannya bergantung pada jenis keluli dan keadaannya. Kaca biasa mempunyai ketebalan lebih kurang 5-6 pada skala Mohs. Keluli lembut mungkin tidak meninggalkan calar yang kelihatan, manakala keluli yang dikeraskan dengan betul boleh menggaru kaca.
Oleh itu, adalah mustahil untuk memberikan satu nilai kepada semua keluli pada skala Mohs. Kekerasan gred keluli yang sama boleh berubah dengan ketara akibat pengerasan, pembajaan, rawatan haba larutan, penuaan, kerja sejuk atau proses teknologi lain.
Adakah keluli tahan karat lebih keras daripada keluli biasa?
Tiada jawapan tunggal untuk soalan ini. Istilah "keluli tahan karat"meliputi sekumpulan bahan yang sangat besar dengan struktur dan sifat yang berbeza.
Keluli tahan karat austenit mungkin mempunyai kekerasan yang agak rendah dalam keadaan anil, tetapi menguat dengan ketara semasa ubah bentuk plastik. Sebaliknya, keluli tahan karat martensitik boleh mencapai kekerasan yang sangat tinggi selepas pengerasan.
Oleh itu, apabila membandingkan logam, nilai-nilai tersebut jauh lebih berguna. HBW, HV atau HRC diberikan bersama-sama dengan keadaan material.
Adakah nilai Mohs 5,5 bermaksud betul-betul di pertengahan antara 5 dan 6?
Tidak. Nilai perantaraan, seperti 5,5, digunakan untuk menunjukkan bahawa bahan tersebut lebih keras daripada mineral rujukan dengan nilai 5, tetapi lebih lembut daripada mineral dengan nilai 6.
Ini tidak bermakna perbezaan kekerasan antara apatit dan ortoklas secara matematiknya separuh. Ini disebabkan oleh sifat ordinal, bukan linear, skala Mohs.
Kekerasan mungkin bergantung pada arah pengujian
Dalam sesetengah bahan kristal, rintangan calar mungkin tidak seragam dalam semua arah. Ini disebabkan oleh struktur kekisi kristal dan kekuatan ikatan yang berbeza-beza dalam arah kristalografi individu.
Ini bermakna kristal yang sama boleh menunjukkan kekerasan yang berbeza bergantung pada arah ia diuji. Ini adalah satu lagi sebab mengapa skala Mohs harus dianggap sebagai skala perbandingan praktikal dan bukannya kaedah metrologi yang tepat.
Skala Mohs dan skala Brinell, Vickers dan Rockwell
| Kaedah | Apa yang diukur? | Penggunaan biasa |
|---|---|---|
| Mohs | rintangan calar | mineral, seramik, perbandingan bahan anggaran |
| Brinell HBW | rintangan lekukan bola | keluli, besi tuang, logam bukan ferus |
| Vickers HV | rintangan lekuk piramid berlian | logam, lapisan nipis, pengukuran kekerasan mikro dan makro |
| Rockwell HRC/HRB | kedalaman jejak kekal | sentiasa, pengeluaran bersiri, kawalan kualiti |
| Knoopa HK | jejak indentor berlian memanjang | kekerasan mikro, lapisan nipis dan bahan rapuh |
Skala Mohs - kelebihan dan kekurangan
Kelebihan terbesar skala Mohs ialah kesederhanaannya. Tiada peralatan yang kompleks diperlukan untuk melakukan anggaran kasar, itulah sebabnya kaedah ini kekal sangat berguna dalam mineralogi, geologi dan pengenalpastian bahan yang pantas.
Batasannya termasuk kekurangan kelinearan dan ketepatan yang rendah. Skala ini tidak menentukan secara langsung sifat mekanikal sesuatu bahan dan tidak menggantikan ukuran kekerasan makmal.
Skala Mohs – maklumat yang paling penting
- Skala Mohs menentukan rintangan calar relatif sesuatu bahan,
- antara 1 untuk talkum hingga 10 untuk berlian,
- bahan dengan kedudukan yang lebih tinggi boleh menggaru bahan yang lebih rendah pada skala,
- skala tersebut adalah ordinal dan tak linear,
- perbezaan antara 9 dan 10 adalah jauh lebih besar daripada yang ditunjukkan oleh satu darjah pada skala,
- kekerasan tidak sama dengan ketahanan patah, kekuatan hentaman atau rintangan haus,
- tiada faktor penukaran tunggal yang tepat daripada Mohs kepada HBW, HV atau HRC,
- Kaedah Brinell, Vickers dan Rockwell digunakan terutamanya untuk mengukur kekerasan logam dengan tepat.
Skala Mohs kekal sebagai contoh terbaik kaedah pengujian mudah yang, meskipun telah berkembang selama lebih dua abad dalam sains bahan, masih menemui aplikasi praktikal. Walau bagaimanapun, dalam kes logam, ia harus dianggap terutamanya sebagai garis panduan – kaedah pengukuran piawai yang sesuai harus digunakan untuk menentukan kekerasan keluli dan aloi dengan tepat.
Aplikasi – Penukar kekerasan Brinell HB, Rockwell HRC, Vickers HV, Mohs
Kekerasan logam dan keluli – kaedah pengukuran, skala kekerasan dan penukaran
Kekerasan Rockwell HRC, HRB dan HRA – Kaedah Pengukuran, Skala dan Aplikasi
Kekerasan Brinell HBW – Kaedah Pengukuran, Skala, Formula dan Aplikasi
Kekerasan Vickers HV – Kaedah Pengukuran, Formula dan Aplikasi
Kekerasan Knoop HK – Kaedah Pengukuran, Mikrokekerasan dan Aplikasi
Skala Mohs – jadual kekerasan mineral dan bahan
Jadual penukaran – penukaran kekerasan HBW, HRC, HRB dan HV