Hardheid
Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
De hardheid van een materiaal is de weerstand die het materiaal biedt tegen permanente mechanische vervorming.
Het begrip hardheid is van belang:
- in de mineralogie, om mineralen te karakteriseren.
- in de materiaalkunde, om de vereiste eigenschappen van (onder meer bouw- en constructie)materialen uit te drukken. De hardheid kan worden gemeten van zowel metalen, steen als kunststoffen.
Het hardste algemeen bekende mineraal is diamant. Met diamant kan in elk ander materiaal gekrast worden. Alleen ultrahard fulleriet en Aggregated Carbon Nanorods zijn harder, met een geschatte hardheid van 1,17 tot 1,52 van die van diamant. Dat materiaal is echter slechts in microscopisch kleine hoeveelheden beschikbaar.
 Zie ook Hardheidsschaal van Mohs |
| Voor 'hardheid van water', zie waterhardheid |
Inhoud |
[bewerk] Elastische en plastische vervorming
Als er met een voorwerp een (geringe) kracht wordt uitgeoefend op het oppervlak van een ander voorwerp, zullen beide voorwerpen in principe elastisch vervormen. Als de kracht wordt weggenomen, nemen de voorwerpen hun oorspronkelijke vorm weer in. Dit kan men goed waarnemen als men een rubberen balletje tegen een raam drukt, of als iemand op een schuimrubber matras gaat staan.
Op het contactoppervlak treedt een bepaalde druk op, die in het voorwerp een bepaalde schuifspanning veroorzaakt. Als deze schuifspanning een bepaalde grens overschrijdt, ontstaat er een permanente deuk of scheur. Dan spreekt men van plastische vervorming.
De druk waarbij lokaal een deukje of kras ontstaat, is kenmerkend voor de hardheid van een materiaal.
[bewerk] Bepalingsmethoden
Er zijn drie verschillende meetprincipes om hardheid te meten:
- krasbestendigheid
- indrukweerstand
- terugslaghardheid of dynamische hardheid
[bewerk] Krasbestendigheid
In de mineralogie wordt het begrip hardheid gebruikt om aan te geven in welke mate een materiaal andere, zachtere materialen kan penetreren. In zijn algemeenheid geldt dat een harder materiaal krassen kan maken op een zachter materiaal. Dit principe is door Friedrich Mohs gebruikt om een praktische bepalingsmethode voor hardheid te definiëren, de Hardheidsschaal van Mohs. Deze schaal definieert de hardheid van tien bekende mineralen. De hardheid van het hardst bekende materiaal, diamant, werd gesteld op 10; de hardheid van talk, werd gesteld op 1. De hardheid van een onbekend mineraal kan eenvoudig worden vastgesteld door uit te proberen met welke van die 10 bekende mineralen het bekrast kan worden.
Kwarts, het hoofdbestanddeel van zand, heeft in de hardheidsschaal van Mohs de hardheid 7. Mineralen met een grotere hardheid heten edelstenen; sieraden van deze mineralen worden niet dof omdat stof en zand er geen krassen in maken.
Met een sclerometer meet men de druk die met een bepaalde scherpe punt moet worden uitgeoefend om een kras of deukje in een materiaal te maken. De punt van de sclerometer wordt van een zeer hard materiaal gemaakt, bijvoorbeeld diamant. Hiermee kan men een absolute waarde voor de hardheid bepalen.
[bewerk] Indrukweerstand
De indrukweerstand wordt vooral gebruikt in de constructieleer en de metallurgie. Het wordt gewoonlijk gemeten door een harde punt of kogel met standaardafmetingen tegen een materiaal aan te drukken en vervolgens te meten hoe groot het deukje is, dat in het geteste materiaal is gevormd.
Terwijl de meetpunt in het materiaal gedrukt wordt, neemt het contactoppervlak geleidelijk toe, waardoor de druk van de punt op het materiaal afneemt. Op dat moment dringt de punt niet verder in het materiaal door.
[bewerk] Manieren
De methode werkt alleen, als het materiaal van de meetpunt harder is dan het te testen materiaal.
Er bestaan verschillende meetmethoden voor de indrukhardheid:
- Brinell (HB)
- Vickers (HV)
- Rockwell (HR) - veel toegepast in de VS
- Knoop (HK) of microhardheid test
- Meyer
De hardheid die volgens een bepaalde methode wordt gemeten, kan niet eenvoudig worden omgerekend naar de meetwaarde voor een andere methode, omdat de omstandigheden waaronder de proeven worden gedaan verschillend zijn.
De verschillen tussen de drie belangrijkste types:
| Type | Nodige voorbereiding teststuk | Plaats gebruik | Commentaar |
|---|---|---|---|
| Brinell | Het oppervlak van het teststuk moet niet veel bewerkt worden. | Werkplek | De eenvoudigste manier van de drie |
| Rockwell | Goede voorbereiding van het oppervlak nodig; krassen op het werkstuk geven een te laag resultaat. | Werkplek | Eenvoudige en snelle manier, geschikt voor hoge hardheden (tot 400 Brinell); wordt vooral voor kleine stukken gebruikt.
|
| Vickers | Zeer goede voorbereiding van het oppervlak nodig (men verkrijgt kleine indrukken, onregelmatigheden verstoren snel de metingen). | Laboratorium | Geschikt voor dunne en zeer harde materialen |
[bewerk] Terugslaghardheid of dynamische hardheid
Bij een terugslagmeting laat men vanaf een vaste hoogte, bijvoorbeeld 25 cm, een klein gewichtje op het materiaal vallen. Als het gewichtje omhoog stuitert, wordt gemeten hoe hoog het gewicht komt. Indien het gewichtje bijvoorbeeld terugstuitert tot 60% van de oorspronkelijke hoogte, is 40% van de toegevoerde energie bij het stuiteren verloren gegaan. Deze energie zal voor een belangrijk deel zijn gebruikt voor de plastische vervorming van het proefmateriaal.
Een voorbeeld van een instrument voor het bepalen van de terugslaghardheid is de Shore scleroscoop.
De terugslaghardheid wordt ook absolute hardheid genoemd.
[bewerk] Hardheid van enkele materialen
| Materiaal | Hardheid (ev. type hardheidstest) |
|---|---|
| koolstofstaal | 86-388 (RW) |
| staallegering | 149-627 (RW) |
| roestvast staal | 137-595 (RW) |
| Kovar | 68,0 (RW) |
| siliciumnitride | 17,46 VR |
| aluminiumnitride | 12,20 VR |
[bewerk] Rangschikking hardheid van polymeren:
| Materiaal | |
|---|---|
| HDPE | zachtst |
| Acrylonitril butadieen styreen | |
| Polycarbonaat | |
| PET | |
| Acryl | |
| Nylon 6 | hardst |
| Materiaalconstanten |
|---|
|
reactie op aangebrachte spanning: elasticiteitsmodulus / poissonfactor / schuifmodulus / compressiemodulus / hardheid tijdens trekproef, aflezen van het Spanning-rekdiagram: proportionaliteitsgrens / vloeigrens / treksterkte / breukspanning en -rek / taaiheid en brosheid |
