Научно-исследовательская работа «Какое вещество самое твёрдое?»

     Руководитель   Баязитова Ольга Александровна,

                                учитель начальных классов

     Учащийся         Девжеев Илья Владиславович

Альметьевск, 2014 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………..…..3

1.     Что такое твердость?............................................................................4

2.     Способы измерения твердости………………………………………...4

2.1.          Измерение твердости по Бринеллю……………………………….5

2.2.          Измерение твердости по Роквеллу………………………………….5

2.3.          Измерение твердости по Викерсу…………………………………...6

2.4.          Другие методы определения твердости …………………………..6

      3.Какое вещество самое твердое…………………………………………..6

      4. Измерения твердости в лаборатории…………………………………...8

Заключение……………………………………………………………………....8

Список литературы……………………………………………………………..9

Приложения……………………………………………………………………..10

Введение.

Я часто бываю на работе у мамы в институте. Мне стало интересно, что же изучают в лаборатории. Оказалось, что там изучают различные материалы и их свойства. Одно из свойств – твердость. Ее измеряют с помощью алмаза. Мама объяснила мне, что алмаз самый твердый и, если его огранить, самый красивый минерал. Оказывается, алмаз в виде бриллианта есть у мамы в сережках. Неужели на свете нет ничего тверже алмаза? А что такое твердость? Как ее измерить? На эти вопросы я попытался найти ответы, выполняя свою исследовательскую работу.

 Цель нашего исследования: узнать, что такое твердость,  исследовать способы определения твердости, определить какое вещество самое твердое.

В ходе работы была выдвинута гипотеза: предположим, что  самое твердое вещество  - это алмаз.

 Основными  задачами, на решение которых направлено исследование, являются:

- узнать  что такое твердость;

- выяснить, какие способы определения твердости существуют;

- научиться определять твердость;

- определить, что же самое твердое на земле.    

Методы:

1.  подбор и изучение литературных источников по теме;

2.  работа в Интернете;

3. работа в лаборатории;

4.  анализ полученных данных.

Этапы работы над исследованием:

Выбор темы проекта.

Планирование деятельности, подбор материала.

Проведение экспериментов в лаборатории.

Анализ проделанной работы.

Оформление работы.

Защита проекта.

1. Что такое твердость?

Из Викепедии (свободная энциклопедия в интернете)  я узнал следующее. Твёрдость — свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела — индентора. Индентор (англ. indenter от indent — вдавливать) — это изготовленный из aлмаза, твёрдого сплава или закаленной стали наконечник прибора, используемого для измерения твёрдости, который не деформируется при вдавливании. Измерять твердость в привычном для нас виде начали  более 100 лет назад. И эти способы широко используются и сегодня. Чем твёрже материал, тем меньше будет глубина проникновения наконечника в него.

А еще мне мама рассказала, что твердость можно изменять при помощи термической обработки.  Если металл нагреть и резко охладить, например, в воде, то твердость увеличится.  А если нагреть и медленно охлаждать, то твердость  можно уменьшить.  Это свойство  применяют  с древних времен при изготовлении оружия.  Самой прочной считалась Дамасская сталь и секрет ее изготовления хранили в тайне.

Изучения твердости в наше время имеет большое значение в науке, поскольку для новой техники нужны  новые материалы с большой твердостью и особыми свойствами.

2.  Способы измерения твердости

Рассматривая иллюстрации в учебнике [1] я узнал, что твердость можно измерять вдавливая наконечник (способ вдавливания), царапая поверхность (способ царапания), ударяя наконечник-шарик или по его отскоку.

Наибольшее применение получил способ вдавливания. После вдавливания на детали остается отпечаток.

Преимущества метода измерения твердости:

1. Простота измерений и отсутствие разрушения проверяемой детали в отличие от определения прочности, пластичности и вязкости. Испытания твердости не требуют изготовления специальных образцов и выполняются непосредственно на деталях, которые после измерения можно использовать по своему назначению.

2. Небольшое время  выполнения измерений (например, время измерения твердости путем вдавливания конуса 30–60 с, а путем вдавливания шарика – 1–3 мин).

3. Возможность измерений на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях, не превышающих десятых долей миллиметра.

В настоящее время существует около 30 методов измерения твердости.

В интернет источниках сообщается, что наиболее широкое распространение получили методы измерения твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу, а также метод измерения микротвердости.

2.1.          Измерение твердости по Бринеллю

Метод предложен шведским инженером Юханом Августом Бринеллем в 1900 году. В качестве индентора используется стальной закаленный шарик, который вдавливают в образец на специальном прессе (приложение рис.1).                 

На поверхности образца образуется отпечаток в виде сферической лунки (рис. 2). Затем измеряют диаметр отпечатка в двух перпендикулярных направлениях с помощью микроскопа Бринелля — лупы со шкалой. Твердость равна отношению приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка, его вычисляют по формуле.

Для того чтобы каждый раз не считать значения по формуле, пользуются таблицей, в которой указана твердость в зависимости от диаметра отпечатка. Твердость обозначается цифрами и латинскими буквами, например 200 НВ. При изменении условий испытаний помимо значений твердости указываются диаметр шарика, усилие и время выдержки под нагрузкой.

2.2.          Измерение твердости по Роквеллу

Измерение твёрдости по глубине проникновения индентора было предложено в 1908 году венским профессором Людвигом в книге «Die Kegelprobe» (дословно «испытание конусом»).

Твердомер Роквелла, машина для определения глубины проникновения, был изобретен Хью М. Роквеллом и Стэнли П. Роквеллом. Эта машина была нужна чтобы быстро определять твердость после термообработки стальных подшипников. Метод Бринелля был медленным, не применимым для закалённых сталей, и оставлял слишком большой отпечаток, разрушающий деталь. Патент на новое устройство был выдан  в 1919г.

Существует 11 шкал определения твердости по методу Роквелла (A; B; C; D; E; F; G; H; K; N; T), основанных на комбинации «индентор — нагрузка». Наиболее широко используются индентеры: шарик из карбида вольфрама диаметром 1/16 дюйма (1,5875 мм) или такой же шарик из закаленной стали и конический алмазный наконечник с углом при вершине 120°. Сначала прикладывают предварительную небольшую нагрузку (10 кгс), а затем  основную большую нагрузку. Твёрдость определяется как разница в глубине отпечатка от основной и предварительной нагрузки.

Для обозначения твёрдости по методу Роквелла используется символ HR, к которому добавляется буква, указывающая на шкалу по которой проводились испытания (HRA, HRB, HRC).

2.3. Измерение твердости по Виккерсу

Измеряя твердость по Виккерсу, вдавливают в поверхность образца четырехгранную алмазную пирамиду с квадратным основанием. После приложения определенной нагрузки и выдержки под нагрузкой в течение определенного времени (для черных металлов до 15 с, для цветных – 30 ± 2 с) нагрузку снимают и измеряют обе диагонали отпечатка (рис. 6).

Величина твердости по Виккерсу определяется как отношение нагрузки на площадь боковой поверхности отпечатка. Ее обозначают символом HV, который дополняют индексами, соответствующими величине нагрузки и времени выдержки под нагрузкой, если оно отличается от стандартного.

2.4. Другие методы определения твердости

Метод царапания. Испытание материалов методом царапания, известное как склерометрия, применяется более 300 лет и является одним из старейших способов. Первые упоминания о делении минералов по прочности путем их царапания напильником относятся к середине XVII века. Идея была выдвинута Реомюром в 1722 году. Позже эту идею воплотил австрийский минералог Моос (1824 г.), впервые предложив 10-балльную шкалу. На нижней ступени этой шкалы в качестве эталона принят тальк, а на верхней — алмаз. Эта шкала до сих пор сохраняет своё значение в минералогии. Алмазным конусом, пирамидой или шариком наносится царапина, которая является мерой. При нанесении царапин на другие материалы и сравнении их с мерой судят о твердости материала.

Динамический метод (по Шору). Шарик бросают на поверхность с заданной высоты, он отскакивает на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем тверже материал.

Новые методы определения твердости. В связи с развитием современной техники, изготовлением микро-деталей и повышения требований к свойствам очень тонких поверхностных слоев особое значение приобрел метод наноиндентирования. Он заключается во вдавливании в поверхность материала алмазного пирамидального индентора (чаще Виккерса или Берковича с углом при вершине 65,03° (65,27°)). Глубина внедрения индентора колеблется от нескольких нанометров до 0,2 мкм, и определении твердости расчетным методом.

3.Какое вещество самое твердое?

Многие люди задают этот  вопрос, с целью узнать истину. Другие же зная из школьной программы про разные вещества, с уверенностью отвечают, что это алмаз!

Алмаз (рис. 11) — искаженное греческое слово «адамас», что значит «непреодолимый», «непоборимый», «непобедимый». Эти названия, несомненно, связаны с исключительной твердостью алмаза и его устойчивостью к кислотам. Алмаз —считается самым твердым веществом на земле.  

Большинство алмазов встречается в виде отдельных целых кристаллов разной величины и формы. Наиболее распространенная форма природных кристаллов — это восьмигранник (октаэдр). Реже встречаются алмазы с двенадцатью ромбовидными гранями. Иногда попадается алмаз, внутри которого сидит другой алмаз (алмаз в алмазе). Кристаллы алмаза в большинстве случаев бесцветные. Реже они имеют светло-зеленоватую, светло-голубоватую или светло-розовую окраску.

Крупные алмазы встречаются в природе очень редко. Находка такого алмаза — большое событие. История многих крупных камней богата приключениями, иногда трагическими. Самый крупный алмаз в мире весом около 600 гр — «Куллинан» был найден в 1905 году на руднике «Премьер» в Южной Африке. И что удивительно: этот огромный камень оказался осколком какого-то сверхгигантского алмаза!

Из беседы с мамой я узнал, что алмазы, непригодные для огранки, то есть те, которые не могут стать бриллиантами, используются для технических нужд. Из них изготовляют инструменты — буровые коронки, резцы, сверла. Алмазные пластинки чрезвычайно долговечны.

Но наука не стоит на месте и с каждым днем развивается все стремительнее и стремительнее. Изучив вместе с мамой Интернет-источники мы выяснили, что с некоторых пор самое твердое вещество уже не алмаз.

В результате, на сегодняшний день самым твердым веществом, по мнению многих интернет статей, является - Лонсдейлит. Лонсдейлит оказался в полтора раза тверже алмаза.  Но и это заблуждение тех, кто ленится поискать правду.

Группе американских и китайских ученых удалось получить самый прочный на сегодняшний день материал - специально обработанный Лонсдейлит. Он оказался на 58 % тверже алмаза.

Но это не означает, что оно самое твердое. Есть еще более твердый материал, который называется Фуллерит (рис.12).

Вот его можно считать самым твердым веществом в мире, и он превосходит по твердости алмаз в 2 раза!

В 2005 г. ученые из Университета Байройт в Германии, подвергнув чистый углерод воздействию необычайно высоких температур под давлением, создали новый материал. Его назвали «гипералмаз», или «агрегированные нано-стержни алмаза» (ADNR), и, хотя материал этот невероятно твердый, с виду он больше напоминает асфальт или блестящий черный пудинг. Давно не секрет, что с помощью давления и тепла можно превратить одну форму чистого углерода (графит) в другую (алмаз). Это я узнал, посмотрев слайды в интернете. Однако байройтская команда не использовала ни ту ни другую. Они взяли третью форму чистого углерода — фуллерит. Воздействие на фуллерит сверхвысоких температур (2220 °С) и сжатия (в 200 000 раз превышающего нормальное давление атмосферы) создало не только самое твердое, но и самое жесткое и плотное вещество из известных науке. Поскольку ADNR может процарапать алмаз, его твердость, в буквальном смысле, «зашкаливает».

Недостаток алмаза,  Лонсдейлита и Фуллерита – они кристаллические вещества. И они годятся только для изготовления украшений.

Но недавно ученые сумели синтезировать вещество, которое намного тверже алмаза (Рис.13). (На сколько, цифра не сообщается! Возможно секрет). Абсолютно новый тип алмазов получился благодаря раскрытию условий образования метеоритных алмазов Карбонадо.

Они сумели сделать те же самые условия вакуума и высокой температуры. Самое важное в этом открытии даже не сверхтвердость этого нового алмаза, а то, что его можно синтезировать любой формы. Кроме всего прочего этот материал превосходит все известные проводники и в 5 раз лучше передает тепло, чем медь. Новый алмаз толщиной намного меньше, чем человеческий волос, будет крепче любого гвоздя.

Новым алмазом нужной формы можно будет заменить кристаллы кремния, которые используются в электронике и таким способом улучшить надежность и производительность в разы. Перспективы открываются буквально во всех направлениях.

Однако эти материалы доступны только в микроскопических количествах. Самым твёрдым из распространённых веществ сегодня является алмаз.

Но есть неутешительная новость для фанатов алмазов: эти бриллианты не «навсегда». Графит (который, как ни странно, — одно из наиболее мягких веществ, известных науке: он мягок, как тальк) химически намного устойчивее алмаза. На самом деле любой алмаз очень медленно превращается обратно в графит. Правда, процесс этот незаметен. Не стоит опасаться, что в один прекрасный день серьги у вас в ушах обернутся карандашами.

4. Измерения твердости в лаборатории

Получив теоретические сведения и узнав, что такое твердость,  изучив способы ее измерения, я  перешёл к доказательству: сам измерил твердость стальных образцов несколькими методами (приложение 2). В лаборатории материаловедения в Альметьевском Государственном Нефтяном институте   мы вначале измерили твердость незакаленных образцов методом Бриннелля. Твердость получилась у  стали 45 – НВ 207 , сталь У8 – НВ 187.  Затем мы провели закалку этих сталей. Нагрели образцы в печи, затем резко охладили в воде. Затем мы измерили твердость этих образцов методом Роквелла и определили, что твердость изменилась. После закалки твердость у стали 45  - 50 HRC, у стали У8 – 63 НRC. Сравнив по таблице значения твердости этих двух методов, определили, что твердость стала больше. Еще была измерена твердость алюминиевого образца методом Виккерса. Твердость составила HV 167 (это соответствует твердости по Бриннелю НВ 42) . Индентором был алмазный наконечник.

Заключение

Все  то, что я  хотел узнать, я нашел и представил Вам здесь. В ходе исследовательской  работы я пришёл к выводу, что самое твердое вещество на сегодняшний день это уже не алмаз, а Фуллерит и Гипералмаз. Но эти вещества получены в очень малых количествах и не используются пока нигде. Самым распространенным и широко используемым твердым материалом является алмаз. Алмаз имеет свойство медленно превращаться в графит.

Изучив,  что такое твердость и научившись ее определять разными методами, я сделал выводы: твердость – это важное свойство определения качества изделий; есть много способов определения твердости и в связи с развитием науки появляются новые; твердость можно изменить, а значит получить и новые самые твердые вещества.

Гипотеза, выдвинутая в начале работы, не подтвердилась.

Список используемой литературы

1.            Материаловедение и технология металлов / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин М.: Высшая школа, 2000 г, 638 с.

Интернет-источники

1.            physorg.com.              

2.            http://smexota.net/all/08-2012/6f999ef918.php

3.            http://ru.wikipedia.org

4.            http://www.xn--80acabqu3b5cza.xn--p1ai/kamni/almaz-samoe-tverdoe-veshhestvo-na-zemle

5.            http://zablugdeniyam-net.ru/priroda/kakoe-iz-izvestnyx-veshhestv-samoe-tverdoe/

Приложение 1.

                                  Рис.1. Твердомер Бринелля                Рис.2. Отпечаток          Рис.3. Лупа Бринелля и измерение                    

                                                                                                  отпечатка лупой

Рис.4. Схема определения твердости по Роквеллу.        Рис. 5. Твердомер Роквелла

Наиболее широко используемые шкалы твёрдости по Роквеллу:

Рис. 6. Отпечатки на образце       Рис. 7. Схема измерения      Рис.8. Твердомер

            (вид в микроскоп)                 твердости по Виккерсу.
               

Рис. 9. Определение твердости методом царапания.

Рис.10. Нанотвердомер

Рис. 11. Алмаз                                                               Рис.12. Строение Фуллерита

Рис.13.     Вещество, которое намного тверже алмаза                                                                                  

Приложение 2. Измерения, проводимые в лаборатории

                                а)                                        б)                                                   в)

Измерение твердости на твердомере Роквелла: а) – установка образца на стол прибора; б) – поворот маховика для установления стрелки на ноль; в) - индикатор установлен в начальное положение;

                                    а)                                        б)                                         в)

Измерение твердости на твердомере Роквелла: а) – нажатие педали для приложения нагрузки б) – индикатор показывает значение твердости; в) – определение значения по индикатору.

а)                                                                                   б)

Термическая обработка: а) – стальной образец в термической печи; б) – включение печи и выбор режима нагрева.

                                а)                                        б)                                                   в)

Термическая обработка: а) – открытие печи после нагрева; б) – извлечение образца; в) – закалка (образец опускается в ведро с водой).

Остывший закаленный стальной образец

.     

                              а)                                         б)                                                   в)

Измерение твердости на твердомере Виккерса: а) –приложение нагрузки и получение отпечатка б) – индентор вдавливается в образец; в) – измерение величины диагоналей с помощью встроенного в прибор микроскопа.

Настройка прибора и измерение

Приложение 3.  Сравнение твердости образцов