Twardy jak diament

W życiu codziennym twardość i miękkość to cechy odnoszące się zwykle do spraw kulinarnych (z jajkami na czele) oraz tkanin (np. „miękka wełna”) a w szczególności materacy do spania. Owszem, w języku potocznym pojawiają się stosowne przymiotniki w kontekście charakteru (np. „twardy gość”). Dziś jednak chciałbym przybliżyć nieco temat twardości, jako cechy tworzyw i materiałów wykorzystywanych przez inżynierów.

Mamy tu do czynienia z nieco podobną sytuacją, jak w przypadku lepkości i gęstości, o których już kiedyś pisałem (https://chemiawolowku.pl/wszystko-plynie/). Rzecz w tym, że w języku potocznym trochę inaczej rozumiemy pewne cechy fizyczne. A więc w inżynierii twardość to odporność na zarysowanie lub wgniecenie , czyli mówiąc bardziej profesjonalnie „odporność na odkształcenie miejscowe” (tzn. na obszarze mniejszym niż rozmiar przedmiotu).

Blisko pojęcia twardości jest ścieralność, czyli podatność na zarysowania na dużej powierzchni i wywołany tym ubytek masy. Z kolei odporność na siły odkształcające przedmiot jako całość to już kwestia sprężystości. Dodajmy jeszcze do kompletu kruchość, czyli podatność na pękanie i rozpad na mniejsze elementy pod wpływem zewnętrznej siły.

Wszystkie te cechy są od siebie zasadniczo niezależne. Plastelina jest miękka (czyli o niskiej twardości), nie jest krucha ani sprężysta. Stal jest sprężysta i dość twarda, ale na pewno nie krucha. Złoto z kolei jest miękkie, choć też nie kruche. Wreszcie słynny diament, symbol twardości, jest bardzo twardy, ale też i kruchy, co stanowi wyzwanie dla jubilerów zajmujących się jego cięciem i szlifowaniem.

Pojęcie twardości (i podatności na zarysowanie) jest ważne w wielu dziedzinach techniki (szczególnie w jej obszarze zwanej „inżynierią materiałową”). Twardość powłok ochronnych, twardość ceramiki (w tym np. płytek podłogowych), twardość drewna, czy wreszcie twardość kryształów i minerałów (w tym np. kamieni szlachetnych) – to tylko niektóre obszary, gdzie twardość jest istotną cechą.

Trzeba jednak przyznać, że twardość jest cechą dość nieokreśloną. Nie da się jej wyrazić bezwzględnie  w jakiejkolwiek jednostce z układu SI, czy nawet w jednostce będącej kombinacją tych podstawowych, takich jak sekunda, gram czy metr. W ciągu wielu lat historii nauki i techniki opracowano kilkanaście metod pomiaru twardości, z których kilka zdobyło niesłabnącą popularność.

Chyba jedną z pierwszych sposobów pomiaru twardości była prosta metoda, którą można by streścić w pytaniu „co czym?”, a dokładnie „co czym można zarysować?”. Do dziś znana i stosowana jest skala stworzona w 1812 roku przez niemieckiego mineraloga Friedricha Mohsa. Uszeregował on minerały w kolejności od najbardziej miękkiego do najtwardszego, wybierając dziesięć z nich jako swoiste „kamienie milowe” stanowiące stopnie skali, przy czym minerał o wyższej twardości w skali Mosha rysuje ten o mniejszej twardości. Te wspomniane dziesięć minerałów to talk, gips, kalcyt, fluoryt, apatyt, ortoklaz, kwarc, topaz, korund i diament.

Ponieważ oszacowanie (bowiem trudno mówić o dokładnym pomiarze) twardości w skali Mosha wymagałoby posiadania wzorcowych próbek wszystkich wymienionych minerałów, w praktyce stosuje się jeszcze bardziej zgrubną metodę opisową, np. minerał o twardości 2 w skali Mosha daje się zarysować paznokciem, a fluoryt już nie, ale za to da się go zarysować stalowym nożem. Korund z kolei sam rysuje i tnie szkło, ale sam może być zarysowany diamentem. A diament? On rysuje wszystko, ale sam zarysowany może być tylko innym diamentem.

Przyznajcie, że prosta i dość intuicyjna metoda Mosha nie jest zbyt dokładna. Stąd opracowano inne metody, bardziej precyzyjne, które na podobnej zasadzie jak opisana metoda nazwano od nazwisk ich wynalazców. Większość z tych metod oparta jest nie na rysowaniu, a wciskaniu w powierzchnię badanego materiału kulki (w metodzie Brinella i odmianie metody Rockwella), stożka (w metodzie Rockwella) lub ostrosłupa (w metodzie Vickersa). Te kulki, stożki i ostrosłupy są w zależności od wariantu metody wykonane z diamentu, węglików spiekanych (o twardości zbliżonej do diamentu) lub hartowanej stali. Te metody są stosowane do pomiaru twardości ceramiki, metali, drewna, lakierów oraz tworzyw sztucznych. Do materiałów bardziej miękkich i sprężystych (jak różnego rodzaju elastomery, czyli tzw. gumy) stosuje się metodę Shore’a polegającą na wciskaniu w próbkę stalowej igły.

We wszystkich wspomnianych metodach twardość wyznacza się poprzez stosunek siły wciskającej do powierzchni lub głębokości otworu wytworzonego w danym materiale. Czyli tak na dobrą sprawę zwykle jednostką twardości jest jednostka ciśnienia – paskal (Pa), to znaczy stosunek siły do powierzchni na jaką działa. Ze względów historycznych i wygody użytkowników stosuje się w każdej z metod specyficzne jednostki, które pozwalają wyrażać twardość w bardziej przyjaznych wartościach całkowitych, a nie jakiś ułamkach.

Niezależnie od metody, warunki jej przeprowadzenia są ściśle zdefiniowane i określone w krajowych i międzynarodowych normach ISO. Opisują one rozmiary wgłębników, wartości przykładanej siły, szybkość wciskania itp. Zapewnia to, że niezależnie od miejsca wykonania wyniki pomiarów dla tego samego materiału będą porównywalne. Dodatkowym ułatwieniem jest stosowanie specjalnych aparatów, stworzonych właśnie do pomiarów twardości, gdzie producent zapewnia spełnienie zapisów poszczególnych norm.

Wspomniane metody wydają się, co by dużo nie mówić, mało pasjonujące i nudne. Niemniej są one bardzo potrzebne i doceńmy tę pracę, dzięki której konstruktorzy wiedzą jaki lakier wybrać na karoserię naszego samochodu, czy dane płytki nadają się na podłogę w kuchni czy raczej ścianę w łazience. Podobnie z panelami podłogowymi, talerzami i innymi przedmiotami codziennego użytku, względem których mamy oczekiwania, by były dostatecznie twarde i odporne na zarysowania. A może być wręcz przeciwnie i będziemy szukać materiałów miękkich, na przykład na materace do spania czy maty do ćwiczeń lub zabawy. Ale pamiętajmy, że nauka i technika to nie tylko konstrukcja biomimetycznych implantów medycznych czy rakiet kosmicznych. To także żmudne i czasochłonne pomiary w ściśle określonych warunkach.

Kończąc już nasze dzisiejsze „twarde” rozważania, trzeba jeszcze wspomnieć o innej twardości, bardzo dobrze znanej wszystkim chemikom, a mianowicie „twardości wody”. Ale to już jest temat na zupełnie inną opowieść…

Wojciech Smułek

21.03.2022