В.А. Борисов — Определение твердости керамики по методу Бринелля

К оглавлению сборника «Керамика как исторический источник»

В последние десятилетия все более пристальное внимание исследователей привлекают “внутренние” свойства и качества древней керамики: химический и минералогический состав, структура сырья и теста, плотность, прочность, прокаленность и другие физико-химические и физико-механические особенности черенка. Наименее изученным свойством керамики, на наш взгляд, является твердость, а ведь именно этот механический показатель лежит в основе прочности и долговечности глиняного сосуда. Вашему вниманию предлагаются некоторые результаты лабораторных опытов, посвященных изучению твердости древней керамики, проведенных в Гурьевском городском центре школьной археологии в 1994-1995 гг.

Для проведения измерений были взяты образцы керамики самусьской, ирменской, большереченской, татарской культур, раннего и позднего средневековья с памятников Кемеровской области. Для сравнения замерялись фрагменты современной глиняной посуды, изготовленной на Гавриловском гончарном заводе в первой половине нашего столетия. Была изготовлена и серия лабораторных образцов керамики для экспериментов с прокаливанием. Всего проведено более 160 различных опытов, исследовано 42 фрагмента керамической посуды.

Для измерения твердости мы использовали прибор для определения механических свойств материалов. Прибор состоит из приборного столика с датчиком прилагаемой силы, винтового пресса и стального стержня с полусферическим наконечником диаметром 2,5 мм, соединенного с индикатором глубины проникновения стержня в образец. Твердостью, как известно, называется способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого материала. Стальной стержень с усилием в 300 ньютон вдавливаем в испытуемый образец, по индикатору определяем глубину вдавливания, затем по специальной таблице находим площадь полученного отпечатка. Разделив силу вдавливания на площадь отпечатка, находим искомую величину твердости (НВ). Такой способ определения твердости называется методом Бринелля и широко используется в промышленности.

Неравномерность плотности, промешанности и прокаленности теста приводят к тому, что две, даже рядом находящиеся точки замера, дают различные показатели твердости, а если под наконечник попадают видимые с поверхности поры или твердые зерна примесей, то разброс показателей очень велик. Следовательно, речь может идти только о средней твердости, которую мы получаем, делая 8-10 замеров на образце площадью
4-6 кв.см.

Дальнейшие замеры показали, что твердость наружной поверхности фрагмента не может являться показателем твердости всего образца. Даже твердость противоположных поверхностей — наружной и внутренней, почти никогда не совпадают. Например, твердость наружной поверхности фрагмента сосуда со стоянки Раздольный 4 (Гурьевский район) составила 115,3 НВ, а внутренней — 87,0 НВ. Мы решили замерить твердость внутренних слоев образца. Для этого изготавливали шлифы, снимая один за другим слои керамики толщиной 1 мм и замеряя твердость образовавшихся поверхностей. Послойная твердость раздольнинской керамики выглядела следующим образом: 1 слой — 95,4 НВ, 2 слой — 107,0 НВ, 3 слой — 94,9 НВ. 4 слой — 71,4 НВ, 5 слой — 93,4 НВ. Средняя твердость всех слоев и поверхностей фрагмента составила 94,9 НВ. Эту цифру мы назвали средней твердостью образца. При толщине фрагмента 6 мм для ее определения потребовалось 70 единичных замеров.

Может ли твердость одного фрагмента являться показателем твердости всего сосуда? Для ответа на этот вопрос мы взяли 6 образцов из стенки сосуда баночного типа (предположительно русская керамика 19 века ручной формовки из с. Ур-Бедари Гурьевского района) последовательно — от венчика до околодонной части и у каждого определили его среднюю твердость. Результаты таковы: 1 обр. — 150,3 НВ, 2 обр. — 150,0 НВ, 3 обр. — 154,3 НВ, 4 обр. — 160,7 НВ, 5 обр. — 146,9 НВ. 6 обр. — 150,6 НВ. Вывод — средняя твердость одного образца близка средней твердости всего сосуда, которая составляет 152,0 НВ.

Предварительные данные наших исследований показывают, что для такого сложного “организма”, как черепок глиняного сосуда, недостаточно единичных или средних замеров твердости поверхностей. Необходим “сквозной”, послойный замер всего образца.

Положительной стороной послойного замера твердости образца является возможность создать наглядную схему динамики развития не только твердости, но и плотности, прокаленности, структуры теста и распределения примесей внутри стенки сосуда. Если точки твердости каждого слоя фрагмента нанести на сетку координат, где на оси X будут отложены слои в мм, а на оси У — НВ и соединить эти точки кривой линией, то получим график твердости фрагмента керамики в поперечном разрезе.

Первое, что бросается в глаза, когда мы начинаем изучать графики древней керамики — это их многообразие. Исследовав более 40 фрагментов, мы не встретили ни одного повторяющегося дважды графика. Каждый фрагмент имеет свое “лицо”, свои особенности, отражающие многообразие физико-механических свойств глиняной посуды. От бессистемного изучения случайных образцов мы перешли к комплексному изучению керамики по памятникам, набирая статистический материал и, одновременно, экспериментируя с лабораторными образцами. Попробуем на примере одного образца раннесредневековой керамики со стоянки Раздольный 4 показать нашу методику исследования.

Керамика взята из шурфа, вскрывшего культурный слой на глубине 25-30 см. Размеры образца — 5,2х3,4 см, толщина — 8 мм. Фрагмент неорнаментирован, двуцветный. Наружная часть (2-2,5 мм) коричневая, внутренняя (5,5-6 мм) — черная. Обе поверхности имеют следы копоти. Образец разделили на две части. Одна половина использовалась для определения плотности методом водонасыщения. Она составила 72,3%. Другая — для послойного графирования твердости. Шлифы изучались под микроскопом с 30-кратным увеличением, имеющим градуированную шкал} с ценой деления 0,1 мм.

Послойное изучение шлифов под микроскопом дало следующие результаты: 1.) поверхности образца плотные. Редко встречаются водяные поры округлой формы размером от 0,05 до 0,2 мм и нитевидные усадочные трещины. Несмотря на тщательное заглаживание стенок сосуда, древнему мастеру не удалось полностью скрыть выступающие зерна примесей. 2.) Примеси равномерно распределены в теле черепка. Мелкозернистый песок (0,05-0,1 мм ) — 15-20 %, средне и крупнозернистый песок (0,2-1,2 мм) — 10-15%, шамот (0,5-2,0 мм) — 20-25%. Процентное соотношение примесей определялось по лабораторным шаблонам. 3.) Внутренние слои образца имеют значительную пористость, которая постепенно возрастает от поверхностей к середине. Она могла появиться в результате обжига сосуда при его изготовлении и усилиться в процессе эксплуатации, так как следы копоти говорят о том, что сосуд использовался для горячего приготовления пищи. Многократно повторенный процесс нагревания и остывания мог привести к появлению многочисленных температурных разрывов внутри стенок горшка. Присутствие шамота повышало сопротивляемость керамики, но, видимо, только частично.

Для “чтения” графика твердости необходимо уточнить нумерацию слоев и поверхностей. Наружная поверхность — слой №0, далее идут через 1 мм слои № 1,2…7, внутренняя поверхность — слой №8. Средняя твердость образца составила 104,7 НВ. Наружная (108,8 НВ) и внутренняя (106,6 НВ) поверхности приблизительно равны средней твердости фрагмента. Твердость прилегающих к поверхностям слоев № 2 и № 7 резко возрастает: соответственно — 113,5 НВ и 131,3 НВ. Можно объяснить высокую твердость этих слоев их уплотнением методом заглаживания в период изготовления. В лабораторных условиях нам удалось получить подобный образец, когда сырую заготовку тщательно, выгладили с обеих сторон. После обжига и послойного замера твердости был получен график, у которого края подняты верх по равнению со средними слоями. Образцы, изготовленные без уплотнения крайних слоев, дали графики другой конфигурации.

Отличие раздольнинского археологического образца в том, что его поверхности мягче прилегающих внутренних слоев, возможно, здесь мы столкнулись с явлением изменения физико-механических свойств керамики под влиянием окружающей среды. Фрагмент находился в культурном слое многие сотни лет. Кислотно-щелочное воздействие почвы, многократное намокание и вымораживание, другие факторы могли “ослабить” поверхности черепка.

Слои, находящиеся в средней части черепка (№ 3, 4, 5), отличаются слабой твердостью (93,7 НВ, 90,0 НВ, 95,0 НВ). Такой провал твердости объясняется высокой пористостью керамики в этой части фрагмента.

Подобные графики твердости, в которых края подняты вверх, а середина опущена ниже линии средней твердости, встречались нам всегда, когда исследовалась керамика с содержанием шамота. Возможно такой тип графиков присущ, прежде всего, кухонной посуде, так как подавляющее большинство шамотосодержащей керамики имеют следы копоти и нагара. Средняя твердость образцов кухонной посуды, как правило, низкая — от 68,4 НВ до 110,2 НВ. Такая же низкая и плотность — от 50 % до 72,3 %.
Послойные замеры твердости керамики и ее графирование, проводимые параллельно с изучением плотности, пористости, прокаленности и структуры глиняного теста, позволяют раскрыть секреты древней технологии, определить функциональное назначение посуды, уяснить процессы, происходящие в стенке сосуда в ходе его эксплуатации и последующего воздействия на его обломки разрушительных природных сил. Графики твердости могут лечь в основу паспортазации физико-механических свойств керамического материала памятника и региона, что позволит выявить традиции древнего керамического производства в той или иной местности.

В этот день:

  • Дни рождения
  • 1904 Родился Николай Николаевич Воронин — советский археолог, один из крупнейших специалистов по древнерусской архитектуре.
  • Дни смерти
  • 1947 Умер Николай Константинович Рерих — русский художник, философ-мистик, писатель, путешественник, археолог, общественный деятель. Автор идеи и инициатор Пакта Рериха — первого в истории международного договора о защите культурного наследия, установившего преимущество защиты культурных ценностей перед военной необходимостью. Проводил раскопки в Петербургской, Псковской, Новгородской, Тверской, Ярославской, Смоленской губерниях.

Метки

Свежие записи

Рубрики

Updated: 11.10.2014 — 09:42
Яндекс.Метрика