Способы измерения твёрдости
Степень крепости материала оценивают посредством вдавливания в него более прочного предмета, а также шлифования и царапания его поверхности. Выбор, по какой шкале измерять твёрдость минералов, большой. Кроме оставления борозды эталонными кристаллами Мооса существует 6 основных методов измерения:
- Шкала Роквелла – фиксируется глубина проникновения идентора с алмазным наконечником в материал. Применяется в отношении металлов и сплавов.
- Твёрдость по Шору определяют так же. Дополнительно метод позволяет исследовать крепкость пластмассы и эластичных предметов.
- Шкала Кнупа работает по принципу вдавливания. Оценка результата производится в единицах Кнупа: алмаз – 8500, корунд – 2000.
- Твёрдость горной породы по методу Шрейнера количественно определяется отношением нагрузки на пуансон к площади штампа. Сопровождается измерение вычерчиванием диаграммы деформации.
- Шкала Розиваля построена по примеру таблицы Мооса: показатели для ряда минералов получены с помощью прибора твердомера по результатам шлифования образцов. Трудоёмкость метода не позволила ему вытеснить классику.
- Пирамида Виккерса, армированная алмазами, статически вдавливается в предмет испытаний, а результат смотрят по площади отпечатка через микроскоп. Приборы называются твердомерами (например, ПМТ-3).
Все точные методы нахождения крепкости уступают быстрому табличному способу определения по сравниванию прочностных свойств минералов. Не всегда необходимо видеть разрушающую нагрузку, в большинстве случаев достаточно знать, какой камень является более твёрдым.
Нормы жесткости для питьевой воды
В СанПиН указаны вариативные величины, в зависимости от применения водных растворов. Жесткость воды по ГОСТУ также регламентируется в зависимости от типа и назначения жидкостей:
- Для обычной сетевой водицы определяется концентрация магния (до 50 мг/л).
- В бутилированной учитываются показатели Ca = 25-130 и Mg = 5-65 мг/л.
- Для воды, использующейся в хозяйственно-питьевых целях ПДК питьевой воды по жесткости не должно превышать 350 мг/л (7-10 мг-экв/л или 1-1,5 грамма на литр).
- Для напитков высшей категории нормой является Жо=1,5-7, для первой не более 7 мг-экв/л.
- По ВОЗ-нормативам в питьевой водице допустимо 10-30 мг магния и 20-80 мг кальция на 1 литр.
- Общая жесткость для питьевой воды по EC не выше 1,2 мг-экв/л.
Нормативно установлены нижние пределы показателей жесткости питьевой воды. В нормальной водичке обязательно должно присутствовать небольшое количество солей. Кальций полезен для организма, из напитков его микроэлементы усваивается лучше, чем из продуктов. Массовая концентрация кальция в питьевой воде не должна быть ниже 0,12, магния меньше 0,04, сульфатов и хлоридов менее 2 мг/дм3. Мягкая водичка вымывает из тела кальций, вызывая неприятные последствия — разрушаются кости и зубы. Слишком жесткая вызывает образование камней в организме, нарушает работу системы выделения. Соленая вода разрушительно действует на оборудование гидросистем, засоряет отложениями стенки трубопроводов, увеличивает расходы на нагрев.
Если в воде солей жесткости больше, чем предписано стандартами, нужно её очистить до допустимых показателей. В табличке указаны степени солевой концентрации по шкале жёсткости с показателями в промилле.
Шкала жесткости
| Концентрация солей | Величина в ppm (в промилле или мг/л) |
| Представляющая опасность для жизни | свыше 500 |
| Предельно допустимая | 500 |
| Средний показатель вод, добываемых из природныхводоемов | 400 |
| Допустимое значение воды, подающейся из водопровода | 300 |
| После прохождения угольных фильтров | 170 |
| После очистки системой обратного осмоса | 0-50 |
Принципы градации от Мооса
Систему сравнений твёрдости кристаллов изобрёл немецкий геолог Фридрих Моос (другой вариант звучания — Мосс). Она представляет собой десятибалльную шкалу из эталонных минералов, расположенных в порядке возрастания прочности.
При попытке поцарапать одним кристаллом другой выстраивается цепочка от самого мягкого камня (талька) до наикрепчайшего (алмаза). Информирует шкала твердости Мооса только о сравнительной прочности сопоставляемых минералов.
Если испытуемый камень не оставляет следа на кварцевой грани, а эталон не царапает образец, тогда можно утверждать, что крепкость проверяемого кристалла равна 7 по таблице шкалы Мооса.
| Контрольный минерал | Номер по определителю | Другие камни той же прочности | Царапающий предмет | Значение твёрдости резца |
| Тальковый камень | 1 | Графит | Ноготь | 2,5 |
| Гипс (селенит) | 2 | Галит, слюда, хлорит | ~ | ~ |
| Кальцит (исландский шпат) | 3 | Биотит, серебро, золото | Медная монета | 3,5 |
| Флюорит (плавиковый шпат) | 4 | Сфалерит, доломит | Нож из железа, оконное стекло | 5,5 |
| Апатит | 5 | Лазурит, гематит | ~ | ~ |
| Ортоклаз (адуляр, полевой шпат) | 6 | Опал, рутил | Гвоздь из стали | 6,5 |
| Кварц (агат, яшма, аметист, горный хрусталь, авантюрин) | 7 | Турмалин, гранат | Победитовое сверло | 8,5 |
| Топаз | 8 | Аквамарин, изумруд, шпинель | ~ | ~ |
| Корунд (сапфир, рубин) | 9 | Карбид вольфрама | Алмаз | 10 |
| Алмаз | 10 | Эльбор | ― | ― |
Для удобства использования эталонный минерал закрепляют на конце трубки эпоксидным клеем. Царапают осторожно, стараясь не повредить образец. Таким же образом работают и с подручными предметами. Поскольку твердость стекла по шкале Мооса занимает среднее положение (между значениями 5 и 6), то испытание начинают именно с царапания его поверхности.
Что такое шкала Мооса
Что такое шкала Мооса, основные отличия от других методов измерения твёрдости различных материалов (другие методы коротко так же описаны в статье).
Шкала Мооса (минералогическая шкала твёрдости) – это качественная порядковая шкала (а конкретно – прикладная, а не теоретическая) представляет собой порядковую шкалу, которая характеризует стойкость разных материалов к царапанию. То есть можно сказать по простому – шкала Мооса показывает какой материал может поцарапать другой материал. В этой шкале присутствуют различные определённые и неопределённые (обобщённые) различные материалы, которые включают однокомпонентные (металлы, оксиды) и многокомпонентные (минералы, дерево, сплавы, драгоценные камни).
Шкала Мооса Основана на способности более твердого материала царапать более мягкий материал (тут даже добавить нечего).
Простая шкала Мооса содержит 10 минералов в качестве эталонных, которые упорядочены в порядке возрастания твердости от очень мягкого (тальк), до очень твердого (алмаз).
Большинство минералов из таблицы (кроме алмаза) относительно распространены и их легко или недорого получить.
- — Тальк;
- — Гипс;
- — Кальцит;
- — Флюорит;
- — Апатит;
- — Ортоклаз;
- — Кварц;
- — Топаз;
- — Корунд;
- — Алмаз.
Простой вариант шкалы Мооса
Самый простой вариант шкалы Мооса ниже (фактически прикладная твёрдость):
- 1 — Карандаш (графит);
- 2 — Поваренная соль;
- 2-2,5 — Можно поцарапать ногтем;
- 2,5-3 — Золото, серебро;
- 3 — Медная монета;
- 4-4,5 — Гвоздь (мягкий сплав стали);
- 4-5 — Железо;
- 5 — Стекло (самый распространённый материал для сравнения и тестов);
- 5-6,5 — Лезвие ножа;
- 6,5 — Стальной напильник (уже может царапать стекло);
- 7 — Легко царапает стекло;
- 7+ — Напильник из закаленной стали (легко царапает стекло);
- 8 — Наждачная бумага, минерал очень легко царапает стекло;
- 9 — Минерал режет стекло (по факту даже небольшого нажима хватает, чтобы оставлять на стекле сильные отметины);
- 10 — Используется как стеклорез.
Расширенная шкала Мооса
Ниже расширенная таблица твердости разных веществ по шкале Мооса:
| Вещество или минерал | Твердость по Моосу |
| Пирофиллит, молибденит | 1-2 |
| Боксит, уголь | 1-3 |
| Лимонит | 1-5 |
| Лед, сахар, галлий, стронций, индий, олово, барий, таллий, свинец, графит | 1,5 |
| Гипс, кальций | 1,5-2 |
| Сера | 1,5-2,5 |
| Сильвит, глауконит, кадмий, селен | 2 |
| Каменная соль, киноварь, хлорит, висмут, янтарь | 2-2,5 |
| Мусковит | 2-3 |
| Серебро, золото, галенит, медь, биотит, слюда | 2,5-3 |
| Алюминий, известняк, кальцит, борная кислота, нитрофоска | 3 |
| Арагонит, витерит, ангидрит | 3-3,5 |
| Жемчуг, латунь, мышьяк | 3-4 |
| Серпентин | 3-5 |
| Сфалерит, родохрозит, малахит, доломит, куприт, халькопирит, азурит, барит | 3,5-4 |
| Сидерит, пирротин, доломит | 3,5-4,5 |
| Флюорит, бронза фосфористая | 4 |
| Мрамор | 4-5 |
| Зубная эмаль, асбест, апатит, марганец, цирконий , палладий , обсидиан | 5 |
| Титанит, монацит, стекло | 5-5,5 |
| Нефрит, уранинит, ильменит, энстатит, керамогранит (полированный) | 5-6 |
| Магнетит | 5-6,5 |
| Нефелин, авгит, арсенопирит, актинолит, бустамит, кобальтит | 5,5-6 |
| Родонит, диопсид, опал, железняк красный | 5,5-6,5 |
| Титан, германий , ниобий , родий , уран | 6 |
| Рутил, пирит, пренит, плагиоклаз, ортоклаз, амазонит, андезин, анортоклаз, бенитоит, гельвин, иридий | 6-6,5 |
| Кремний | 6,5 |
| Яшма | 6,5-7 |
| Агат, цоизит, эпидот, касситерит, пиролюзит | 6-7 |
| Марказит | 6-7,5 |
| Гранит, танзанит, сподумен, оливин, жадеит, аксинит, хризопраз, жадеит | 6,5-7 |
| Силлиманит, гранат | 6,5-7,5 |
| Кварц, кварцевое стекло, каменная галька, аметист, авантюрин, форстерит, осмий, силикон, рений, ванадий, хром | 7 |
| Турмалин, кордиерит, альмандин, борацит, кордиерит, данбурит | 7-7,5 |
| Циркон, андалузит, эвклаз, гамбергит, сапфирин | 7,5 |
| Изумруд , закаленная сталь, вольфрам, шпинель, берилл, бериллий, аквамарин, красный берилл, ганит, пейнит | 7,5-8 |
| Топаз, Фианит | 8 |
| Хризоберилл, александрит, холтит | 8,5 |
| Керамогранит (неполированный) | 8,5 |
| Корунд, рубин, сапфир, алунд, хром | 9 |
| Муассанит, бор | 9,5 |
| Победит (карбид вольфрама + углерод + кобальт) | 9,5-9,6 |
| Карборунд (некоторые шлифовальные диски) | 9-10 |
| Алмаз, карбонадо | 10 |
*Победит выделен специально, так как большинство «хороших» фрез по дереву и металлу как раз делают из победита.
Отличие шкалы Мооса от других методов измерений твёрдости
Чем отличается шкала Мооса (и технология) от других способов измерения твёрдости различных материалов?
Несмотря на недостаточную точность шкалы Мооса, она актуальна для полевых геологов (изначально и была для них и предназначена), которые используют её для грубой идентификации минералов. Образцы для исследований можно несложно найти в природе (за исключением алмаза). То есть данная шкала направленна на определение твёрдости материалов сравнительным способом с невысокой точностью. Но несмотря на это шкала Мооса получила широкое распространения и закрепилась не только у исследователей, но и в бытовом применении.
Шкала Бриннеля
Метод измерения твёрдости по Бриннелю относится к старейшим методам, здесь твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Для этого необходимо оборудование, которое с измеренным усилием позволит вдавить твёрдомер (шарик) в материал, а затем, с помощью микроскопа или увеличительного стекла, замерить диаметр оставленного отпечатка. Обозначается HB, где H — Hardness (твёрдость, англ.), B — Brinell (Бринелль, англ.)
Шкала Роквела
Метод измерения твёрдости по Роквелу – является самым распространённый из методов начала XX века, твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Обозначается HR, где H — Hardness (твёрдость, англ.), R — Rockwell (Роквелл, англ.), а 3-й буквой идёт обозначение типа шкалы, напр. HRA, HRB, HRC и т.д. Сама методика очень похожа на метод Бриннеля.
Шкала Виккерса
Метод измерения твёрдости по Виккерсу – имеет самую широкую по охвату шкалу. Твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Обозначается HV, где H — Hardness (твёрдость, англ.), V — Vickers (Виккерс, англ.). Методика измерения похожа на две предыдущих.
Шкала Шора
Метод измерения твёрдости по Шору используется редко, в данной методике твёрдость материала определяется по высоте отскока бойка от поверхности. Обозначается HS, где H — Hardness (твёрдость, англ.), S — Shore (Шор, англ.), а 3-й буквой идёт обозначение типа шкалы, напр. HSD
Шкала Либа
Метод измерения твёрдости по Либу чем-то напоминает метод Шора, и (как пишут, я так вообще про это ни сном ни духом…) является самым распространённым методом в мире. Твёрдость в этом методе определяется как отношение скоростей до и после отскока бойка от поверхности. Обозначается HL, где H — Hardness (твёрдость, англ.), L — Leeb (Либ, англ.), а 3-й буквой идёт обозначение типа датчика, напр. HLD, HLC и т.д.
Твёрдость стали (или инструментов), как правило, присутствует в описании или технических характеристиках.
В новых статьях будет подробно описаны другие шкалы и методы измерения.
Таблица со шкалой сравнения
Сопоставление прочностной характеристики, полученной по различным методикам, с таблицей Мооса полезно в практическом применении камней. Абсолютные значения твёрдости определяют по другим оценкам, сравнение критериев видно в таблице.
| Минералы и горные породы | Градация по Моосу | По Шрейнеру, МПа | Крепкость по шкале Кнупа, единиц | Твёрдость шлифования в воде по Розивалю | Прочность по микротвердомеру ПМТ-2, ПМТ-3, кг/мм² |
| Тальк | 1 | 250―400 | 12 | 0,03 | 2,4 |
| Гипс | 2 | 32 | 1,25 | 40 | |
| Кальцит, мрамор, ангидрит | 3 | 950―1400 | 135 | 4,5 | 110 |
| Флюорит, доломит | 4 | 2500―3200 | 160 | 5 | 190 |
| Апатит, гранит | 5 | 3000―3700 | 400 | 6,5 | 530 |
| Ортоклаз, базальт | 6 | 3900 | 500 | 37 | 790 |
| Кварц, диабаз | 7 | 6300 | 1250 | 120 | 1120 |
| Топаз | 8 | 1550 | 175 | 1430 | |
| Корунд | 9 | 1900 | 1000 | 2060 | |
| Алмаз | 10 | 8300 | 140000 | 10060 |
Причина твёрдости гранита заключается в сложном минеральном составе, где основные компоненты, кварц и слюда, отнесены к разным категориям — 7 и 2. Их количественное соотношение и определяет свойства горной породы.
С помощью шкалы Мооса сравнивают также твёрдость металлов — это удобно, когда подбирается оправа для драгоценного камня.
| Наименование | Олово | Золото, серебро | Медь, бронза | Никель | Платина | Палладий | Титан | Вольфрам |
| Значение по градации | 1,5 | 2,5―3 | 3 | 4 | 4,5 | 4,7 | 6 | 7,5 |
Из таблицы видно, какие металлы могут поцарапать другие. Это обстоятельство важно учитывать при совместном хранении украшений.
Нормы жесткости для воды
Нормирование определяется документами стандартизации: ГОСТ, СанПиН, ТУ. Точные данные получают, проводя испытания проб в аккредитованных лабораториях, в санэпидстанциях. Для фиксирования лабораторных показаний приняты международные единицы измерения жесткости воды:
- моль/м3 — количество молей на кубический метр жидкости;
- мг-экв/л — миллиграмм-эквиваленты на кубический дециметр (на 1 литр);
- °Ж — градус жесткости.
Измеряемая единица жесткости воды 1°Ж равна 1 мг-экв/л и равна 1/2 миллимоля на литр. Допустимые значения для ионов кальция и магния разные: для Ca2+1°Ж=20,04, для Mg2+1°Ж=12,16 мг/л (примечание: эти показатели вставляются в расчетную формулу, см. далее по тексту*).
По структуре вода может быть мягкой, средней, жесткой. Мягкой считается дистиллированная, кипяченая, дождевая, талая водичка. Жидкость средней жёсткости поступает из централизованных водопроводов. Артезианская и родниковая водица тоже отличаются средними показателями. К сильножесткой относится вододобыча из соленых водоемов, нуждающаяся в опреснении. В таблице показаны концентрации солей в разных размерных единицах.
Предельно допустимое содержание солей жесткости в воде
| Степень жесткости воды | Показатель в мг-экв/л | Показатель в °Ж | Показатель в ppm |
| Слишком мягкая | до 1,5 | до 1-1,5 | 0-70 |
| Мягкая | 1,5-4 | 1,6-4 | 71-140 |
| Среднежёсткая | 5-8 | 5-12 | 141-210 |
| Сильножёсткая | 9-12 | 13-22 | 211-320 |
| Сверхжёсткая | свыше 12 | 23-34 | 321-530 |
Значения прочности драгоценных минералов
Испытание на твёрдость хорошо подходит для того, чтобы отличить редкие красивые кристаллы от их стеклянных или искусственных имитаций. К драгоценным камням относят природные минералы в естественном или обработанном виде — алмазы (бриллианты), сапфиры (синие), рубины, изумруды, александриты.
В особых условиях выращивают синтетические аналоги драгоценных камней. Стоят такие самоцветы значительно дешевле. Недобросовестные производители из искусственных кристаллов или ювелирного стекла необходимого цвета изготавливают украшения, после чего предлагают их по тем же ценам, что и естественные. Известная имитация — фианит. Он очень похож на бриллиант, но его стоимость несопоставима с натуральными камнями. Выявить подделку путём нахождения твёрдости по Моосу несложно:
- когда у сапфира значение указывается 7, то велика вероятность, что сделан кабошон из кварца;
- если в паспорте на бриллиант показатель прочности — 8,5, а должен быть 10, становится понятно, что этот камень не имеет природного происхождения (у фианита показатель именно 8,5).
Иногда в доказательство того, что кристалл натуральный, приводят довод: он царапает стекло. Но надо знать, что ювелирное стекло также оставляет след на обычном. В таблице приведены значения для некоторых камней.
| Кристалл | Твёрдость по Моосу | Кристалл | Твёрдость по Моосу |
| Рубин | 9 | Агат | 6,5―7 |
| Александрит | 8,5 | Яшма | 6―7 |
| Шпинель | 8 | Амазонит | 6―6,5 |
| Топаз | 8 | Нефрит | 6―6,5 |
| Аквамарин | 7,5―8 | Рутил | 6―6,5 |
| Берилл | 7,5―8 | Родонит | 5,5―6,5 |
| Пироп | 7,5―8 | Обсидиан | 5―5,5 |
| Турмалин | 7,5―8 | Пурпурит | 4,5 |
| Циркон | 6,5―7,5 | Кораллы | 3―4 |
Шкала твёрдости Мооса, несмотря на относительность результатов, остаётся основным инструментом в геологических изысканиях. В полевых условиях каждый переносимый на себе килограмм веса на учёте, а для идентификации неизвестного образца породы достаточно простого ножа и стекла.
Сведения о твёрдости минералов в большинстве справочников приводятся в относительных величинах. Абсолютными значениями интересуется узкий круг специалистов. Другое направление преимущественного использования шкалы Мооса — ювелирное дело. Ориентируясь на показатели твёрдости кристаллов, выбирают способ обработки камня, вариант шлифования и нужные для этого станки и инструменты.
Замечания
Шкала позволяет оценить прочность материала лишь приблизительно и сравнить образцы между собой.
Непостоянная величина
Изобретенная Моосом шкала не учитывает слоистое строение некоторых камней и различия в спайности пород. Поэтому при повреждении разных участков одного и того же минерала показатели твёрдости могут различаться.
Важно! Даже направление царапины может повлиять на конечный результат. Так, обсидиан имеет показатель 5–5,5, он зависит от разного состояния минерала.
На показатель влияют примеси в самоцвете, вариации ориентации кристаллической решётки.
