Víte, který kov je ze všech nejtvrdší?

Tato na první pohled prostá otázka nemá jednoznačnou odpověď. Pod pojmem tvrdost kovu se dají chápat různé vlastnosti. (délka blogu 5 min.)

Žijeme v době, která všechno definuje podle norem DIN. Není tedy divu, že u jevů, kterými se zabývali lidé už v dávnější minulosti, existuje tak trochu zmatek. Protože i v dobách, kdy ještě neexistovala moderní věda se svými znalostmi struktury hmoty a vysvětlení různých jevů spočívalo v akceptanci boží vůle, lidé používali různé techniky, které se zažily a přežily dodnes. Ty samozřejmě nemohou být v souladu s moderními vědeckými postupy. A to se týká i určování tvrdosti různých materiálů.

A tak - pokud se ze zvědavosti zeptáte, který kov je v našem světě nejtvrdší - zní odpověď: záleží na tom… čemu říkáte tvrdost. Můžeme být rádi, že alespoň v definici kovu není chaos.

Pokud mluvíme o opravdu čistém kovu (a nikoliv o slitině kovů), zní odpověď: nejtvrdší je osmium nebo chrom. Slovo “nebo” se vloudilo díky dvojí definici tvrdosti - staré a zažité - a moderní, založené na vědeckých poznatcích. 

Tvrdost podle pana Mohse

Nejspíš budete znát onu starou a zažitou definici tvrdosti. Je založena na porovnávání tvrdosti dvou materiálů mezi sebou. Jinými slovy - máte dva materiály a snažíte se jedním z nich poškrábat druhý. Ten který škrábanec obdržel, je měkčí a ten, na kterém se žádný škrábanec neobjevil, je tvrdší. 

Podle této definice je sádra tvrdší než křída nebo mastek, sklo je tvrdší než sádra, křemen je tvrdší než zlato, rubín je tvrdší než křemen a nejtvrdší ze všech jsou diamanty. Výsledkem je stupnice od 1 do 10, která se jmenuje Mohsova stupnice. 

Carl Friedrich Christian Mohs

 (1773 - 1839) byl německo-rakouský mineralog. Byl to právě on, kdo v roce 1812 vytvořil stupnici tvrdosti pro minerály s 10 stupni. Mastek má v této stupnici například tvrdost 1 a diamant tvrdost 10. 

Nejtvrdší čistý kov, chrom má tvrdost 8,5. Chrom je tedy jednoznačně měkčí než diamant, ale mezi čistými kovy je nejtvrdší v tom smyslu, že je odolnější při poškrábání.

Mohsova stupnice tvrdosti má ale jednu chybu - není lineární. Rozdíly v tvrdosti mezi dvěma sousedními standardními minerály nejsou stejné. Jedná se zkrátka jen o pomůcku - ne o vědecky odůvodnitelný proces. 

Tvrdost podle Brinnella

Moderní doba si proto s Mohsovým rozdělením nevystačila. Dnes je tvrdost materiálů posuzována jinak. Definuje se podle odolnosti, kterou musí materiál vykazovat proti vnikajícímu předmětu. Existují samozřejmě také přesně definované postupy k měření hloubky průniku do materiálu. 

Poměrně brzy si kromě toho lidé všimli, že minerály vykazují často dvě různé hodnoty tvrdosti - podle toho, v jakém směru se měří. Je to způsobeno tím, že krystaly mohou mít nižší tvrdost na površích, které probíhají rovnoběžně s krystalovou strukturou, než na těch, které k ní probíhají kolmo.

Johan August Brinell

(1849 - 1925), který vytvořil vědečtější hodnocení tvrdosti materiálů, byl švédský inženýr. Jeho metoda testování tvrdosti byla světu představena na světové výstavě v Paříži v roce 1900.

Takzvaná tvrdost podle Brinella má jednu výhodu: poskytuje nejen informaci o samotné tvrdosti daného povrchu, ale také o stabilitě materiálu. Během zkoušky tvrdosti je pevná kulička svisle vtlačena do povrchu testovaného materiálu. Na základě průměru otisku a jeho porovnání s průměrem kuličky se pak vypočítává tvrdost podle Brinella.

Tvrdost různých kovů

Čisté zlato má například poměrně nízkou tvrdost podle Brinella 0,245 (tvrdost podle Mohse je 2,5). To vysvětluje, proč se ani tak ušlechtilý kov, jakým je zlato, nepoužívá na šperky v čisté formě - musí být ve formě slitiny s jinými kovy. Největší stabilitu nabízí slitina se stříbrem a mědí s podílem zlata 75 %. 

S tvrdostí podle Brinella 0,392 a tvrdostí podle Mohse 3,5 je ale například platina odolnější než zlato. Slitina platiny se dá tedy běžně používat ve šperkařství i s vysokou ryzostí (bývá kolem 95 %).

Tvrdostí se ovšem oba vzácné šperkařské kovy nevyrovnají svým kolegům ze skupiny platinových kovů. 

Platinové kovy

do skupiny platinových kovů patří prvky ruthenium, rhodium, palladium (lehké platinové kovy), osmium, iridium a platina (těžké platinové kovy). Všechny mají podobné fyzikální a chemické vlastnosti a obvykle se také nacházejí společně v nerostných nalezištích.

Platinové kovy jsou velice husté - jeden krychlový centimetr platiny váží například zhruba  20 gramů - dvacetkrát více než voda. Je jen logické, že hustota kovu souvisí s jeho tvrdostí. 

Osmium – nejtvrdší kov podle Brinella

Na stupínkách vítězů při posuzování nejtvrdších kovů se umísťují osmium, iridium a wolfram.  Osmium je nejhustší z nich - a je tedy i nejtvrdším kovem podle Brinella. 

Vysoká hustota těchto kovů se vysvětluje jejich strukturou - vzdálenosti mezi jednotlivými atomy jsou jen velmi malé. To mimochodem způsobuje i další jejich vlastnost - vysokou teplotu tání - tyto velmi tvrdé kovy tají až při teplotě kolem 3 000 °C.