Skala Mohsa – skala twardości minerałów i materiałów

Skala Mohsa jest dziesięciostopniową skalą służącą do określania względnej odporności materiału na zarysowanie. Została opracowana przez niemieckiego mineraloga Friedricha Mohsa na początku XIX wieku i pomimo rozwoju znacznie dokładniejszych metod pomiaru twardości pozostaje jedną z najbardziej znanych skal twardości materiałów.
Zasada skali Mohsa jest bardzo prosta: materiał twardszy zarysuje materiał bardziej miękki. Jeżeli badany materiał rysuje apatyt o twardości 5, ale jest rysowany przez ortoklaz o twardości 6, jego twardość znajduje się pomiędzy tymi wartościami.
Skala Mohsa została opracowana przede wszystkim do identyfikacji minerałów. W przypadku metali i stopów ma znaczenie głównie porównawcze i orientacyjne. Do dokładnego oznaczania twardości metali wykorzystuje się przede wszystkim metody Brinella, Vickersa i Rockwella.

Friedrich Mohs – twórca skali twardości

Friedrich Mohs (1773–1839) był niemieckim geologiem i mineralogiem. Na początku XIX wieku opracował metodę klasyfikowania minerałów według ich odporności na zarysowanie.
Sam pomysł porównywania minerałów przez próbę ich zarysowania jest jednak znacznie starszy. Właściwość tę wykorzystywano do rozpoznawania minerałów już w starożytności. Zasługą Mohsa było przede wszystkim uporządkowanie metody i stworzenie praktycznej skali opartej na dziesięciu minerałach wzorcowych.
Mohs wybrał minerały stosunkowo łatwe do rozpoznania i uzyskania. Uporządkował je od talku, któremu przypisał wartość 1, do diamentu o wartości 10.

Skala twardości Mohsa – tabela

Jak działa skala Mohsa?

Pomiar polega na wykonaniu próby zarysowania. Materiał o większej twardości powinien pozostawić trwałą rysę na powierzchni materiału o mniejszej twardości.
Jeżeli przykładowo badany minerał:

• rysuje kalcyt o twardości 3,
• ale nie rysuje fluorytu o twardości 4,

jego twardość znajduje się pomiędzy 3 i 4 w skali Mohsa.
Podczas badania należy odróżnić rzeczywiste zarysowanie powierzchni od pozostawienia na niej materiału pochodzącego z bardziej miękkiego przedmiotu. Sam widoczny ślad nie zawsze oznacza więc powstanie rysy.

Przedmioty codziennego użytku a skala Mohsa

Do orientacyjnego badania twardości nie zawsze potrzebny jest komplet minerałów wzorcowych. Można wykorzystać przedmioty o w przybliżeniu znanej odporności na zarysowanie.

Wartości te są jedynie orientacyjne. Twardość stali zależy między innymi od jej gatunku, mikrostruktury i obróbki cieplnej, dlatego określenie „stalowy przedmiot” nie oznacza jednej stałej wartości twardości.

Skala Mohsa nie jest skalą liniową

Jedną z najważniejszych cech skali Mohsa jest to, że nie jest ona skalą liniową. Różnica pomiędzy wartościami 9 i 10 nie jest taka sama jak pomiędzy wartościami 2 i 3.
Oznacza to, że materiał o twardości 10 Mohsa nie jest po prostu dwa razy twardszy od materiału o twardości 5.
Szczególnie duża różnica występuje pomiędzy korundem i diamentem. W klasycznej skali dzieli je tylko jeden stopień – korund ma twardość 9, a diament 10 – jednak rzeczywista różnica odporności na zarysowanie jest wielokrotnie większa.

Dlaczego diament 10 Mohsa jest znacznie twardszy od korundu 9?

Skala Mohsa określa przede wszystkim kolejność materiałów, a nie wielkość różnic pomiędzy nimi. Z tego względu wartości 1–10 należy traktować jako pozycje w szeregu twardości.
W pomiarach ilościowych różnica pomiędzy korundem a diamentem okazuje się znacznie większa, niż sugerowałaby różnica jednej jednostki w skali Mohsa. Jest to jedna z najciekawszych cech tej skali i jednocześnie dobry przykład pokazujący, dlaczego nie należy wykonywać prostych obliczeń matematycznych na wartościach Mohsa.

Twardość Mohsa a twardość metali

Skala Mohsa została opracowana dla minerałów, dlatego nie jest podstawową metodą oznaczania twardości stali i innych metali.
W metalurgii stosuje się przede wszystkim metody pomiarowe oparte na kontrolowanym wciskaniu wgłębnika w powierzchnię badanego materiału. Należą do nich:

• HBW – metoda Brinella,
• HV – metoda Vickersa,
• HRC i HRB – metoda Rockwella,
• HK – metoda Knoopa stosowana między innymi do pomiarów mikrotwardości.

W metodach tych wynik uzyskuje się na podstawie zachowania materiału pod określonym obciążeniem i przy zastosowaniu zdefiniowanego wgłębnika. Pozwala to uzyskać znacznie dokładniejszy i powtarzalny wynik niż w przypadku próby zarysowania.

Czy można przeliczyć skalę Mohsa na HRC, HBW lub HV?

Nie istnieje uniwersalny i dokładny przelicznik Mohs → HRC, HBW lub HV. Skale te mierzą inne zachowanie materiału.
Skala Mohsa opisuje względną odporność na zarysowanie, natomiast metody Brinella, Vickersa i Rockwella badają przede wszystkim odporność materiału na trwałe odkształcenie pod działaniem wgłębnika.
Można tworzyć orientacyjne zestawienia porównawcze, jednak nie powinny być one wykorzystywane do wyznaczania wymaganej twardości elementów konstrukcyjnych, narzędzi czy części maszyn.

Twardość a odporność na zarysowanie, ścieranie i zużycie

Pojęcie twardości jest często utożsamiane z odpornością na zużycie, ale zależność nie jest tak prosta. Twardość może istotnie wpływać na odporność materiału na ścieranie, jednak rzeczywiste zużycie zależy również od mikrostruktury, rodzaju obciążenia, obecności cząstek ściernych, temperatury, smarowania i wielu innych czynników.
Materiał o większej twardości nie musi więc automatycznie wykazywać większej trwałości w każdych warunkach eksploatacji.

Twardość nie oznacza odporności na pękanie

To jedna z najczęstszych pomyłek dotyczących twardości materiałów. Materiał bardzo twardy może być jednocześnie kruchy.
Najlepszym przykładem jest diament. Znajduje się na szczycie skali Mohsa i charakteryzuje się wyjątkową odpornością na zarysowanie, ale nie oznacza to, że jest niezniszczalny. Diament posiada określone płaszczyzny łupliwości i przy odpowiednim uderzeniu może zostać rozłupany.
Twardość należy więc odróżniać od takich właściwości jak ciągliwość, plastyczność, udarność czy odporność na pękanie.

Dlaczego materiały ścierne muszą być twardsze od obrabianego materiału?

Zasada stojąca za skalą Mohsa ma bezpośrednie zastosowanie w obróbce materiałów. Aby ziarno ścierne mogło skutecznie usuwać materiał z powierzchni obrabianego elementu, musi charakteryzować się odpowiednio wysoką twardością.
Dlatego jako materiały ścierne stosowane są między innymi:

• korund Al₂O₃,
• węglik krzemu SiC,
• regularny azotek boru CBN,
• diament.

Dobór materiału ściernego nie zależy jednak wyłącznie od jego twardości. Istotne są również między innymi odporność cieplna, kruchość ziarna, przewodność cieplna oraz reakcje chemiczne zachodzące pomiędzy materiałem ściernym a obrabianym materiałem.

Ciekawostka – diament nie zawsze jest najlepszym ścierniwem do stali

Diament jest wyjątkowo twardy, ale nie oznacza to, że jest najlepszym materiałem do każdego procesu obróbki. Przy obróbce stopów żelaza w wysokiej temperaturze mogą zachodzić niekorzystne oddziaływania pomiędzy węglem diamentu a materiałem obrabianym.
Z tego powodu do obróbki twardych stali często stosuje się regularny azotek boru CBN, mimo że jego twardość jest mniejsza od twardości diamentu. Jest to dobry przykład pokazujący, że w technice sama twardość materiału nie decyduje o jego przydatności.

Czy stal może zarysować szkło?

Tak, ale odpowiedź zależy od rodzaju stali i jej stanu. Zwykłe szkło znajduje się w przybliżeniu w okolicy 5–6 skali Mohsa. Miękka stal może nie pozostawić wyraźnej rysy, natomiast odpowiednio zahartowana stal może szkło zarysować.
Nie można więc przypisać wszystkim stalom jednej wartości w skali Mohsa. Twardość tego samego gatunku stali może ulec znaczącej zmianie w wyniku hartowania, odpuszczania, przesycania, starzenia, zgniotu lub innych procesów technologicznych.

Czy stal nierdzewna jest twardsza od zwykłej stali?

Nie można udzielić jednej odpowiedzi na to pytanie. Określenie „stal nierdzewna” obejmuje bardzo dużą grupę materiałów o różnych strukturach i właściwościach.
Austenityczna stal nierdzewna może mieć stosunkowo niewielką twardość w stanie wyżarzonym, ale silnie umacniać się podczas odkształcenia plastycznego. Z kolei martenzytyczne stale nierdzewne po hartowaniu mogą osiągać bardzo wysoką twardość.
Dlatego przy porównywaniu metali znacznie bardziej użyteczne są wartości HBW, HV lub HRC podane wraz ze stanem materiału.

Czy wartość 5,5 Mohsa oznacza dokładnie połowę pomiędzy 5 i 6?

Nie. Wartości pośrednie, takie jak 5,5, są używane do określenia, że materiał jest twardszy od minerału wzorcowego o wartości 5, ale bardziej miękki od minerału o wartości 6.
Nie oznacza to matematycznej połowy różnicy twardości pomiędzy apatytami i ortoklazem. Wynika to z porządkowego, a nie liniowego charakteru skali Mohsa.

Twardość może zależeć od kierunku badania

W niektórych materiałach krystalicznych odporność na zarysowanie nie musi być jednakowa we wszystkich kierunkach. Wynika to z budowy sieci krystalicznej i różnej siły wiązań w poszczególnych kierunkach krystalograficznych.
Oznacza to, że ten sam kryształ może wykazywać różną twardość zależnie od kierunku wykonania próby. Jest to kolejny powód, dla którego skalę Mohsa należy traktować jako praktyczną skalę porównawczą, a nie precyzyjną metodę metrologiczną.

Skala Mohsa a skale Brinella, Vickersa i Rockwella

Skala Mohsa – zalety i ograniczenia

Największą zaletą skali Mohsa jest jej prostota. Do wykonania orientacyjnego badania nie jest potrzebna skomplikowana aparatura, dlatego metoda do dziś pozostaje bardzo użyteczna w mineralogii, geologii i szybkiej identyfikacji materiałów.
Jej ograniczeniem jest natomiast brak liniowości oraz niewielka dokładność. Skala nie określa bezpośrednio właściwości mechanicznych materiału i nie zastępuje laboratoryjnych pomiarów twardości.

Skala Mohsa – najważniejsze informacje

• skala Mohsa określa względną odporność materiału na zarysowanie,
• obejmuje wartości od 1 dla talku do 10 dla diamentu,
• materiał o wyższej pozycji może zarysować materiał znajdujący się niżej w skali,
• skala jest porządkowa i nieliniowa,
• różnica pomiędzy 9 i 10 jest znacznie większa niż sugeruje jeden stopień skali,
• twardość nie jest tym samym co odporność na pękanie, udarność czy odporność na zużycie,
• nie istnieje jeden dokładny przelicznik Mohs na HBW, HV lub HRC,
• do dokładnego pomiaru twardości metali stosuje się przede wszystkim metody Brinella, Vickersa i Rockwella.

Skala Mohsa pozostaje doskonałym przykładem prostej metody badawczej, która mimo ponad dwóch stuleci rozwoju materiałoznawstwa nadal znajduje praktyczne zastosowanie. W przypadku metali powinna być jednak traktowana przede wszystkim jako metoda orientacyjna – do dokładnego określania twardości stali i stopów należy stosować odpowiednie znormalizowane metody pomiarowe.

Aplikacja – Konwerter twardości Brinella HB, Rockwella HRC, Vickersa HV, Mohsa

Twardość metali i stali – metody pomiaru, skale twardości i przeliczanie
Twardość Rockwella HRC, HRB i HRA – metoda pomiaru, skale i zastosowanie
Twardość Brinella HBW – metoda pomiaru, skala, wzór i zastosowanie
Twardość Vickersa HV – metoda pomiaru, wzór i zastosowanie
Twardość Knoopa HK – metoda pomiaru, mikrotwardość i zastosowanie
Skala Mohsa – tabela twardości minerałów i materiałów
Przeliczanie twardości HBW, HRC, HRB i HV – tabele konwersji