Què és més dur, granit o marbre, níquel o alumini? I què és la duresa de totes maneres? Intentarem respondre aquestes preguntes al nostre article. Diversos científics estrangers van tractar el problema de determinar la duresa de minerals i substàncies. Entre ells hi ha Albert Schor, Friedrich Moos, Johan August Brinell, William Vickers i altres. Tanmateix, l'únic mètode generalment acceptat per calcular la duresa a la ciència encara no existeix.
Què és la duresa?
Cadauna de les substàncies conegudes per la ciència té una sèrie de propietats i qualitats físiques específiques. Aquest article tractarà què és la duresa. Aquesta és la capacitat d'un material per resistir la penetració d'un altre cos més durador (per exemple, una eina de tall o de perforació).
La duresa de les substàncies es mesura més sovint en unitats especials: kgf/mm2 (quilogram-força per mil·límetre quadrat d'àrea). Es designa amb lletres llatines HB, HRC o HRB, segons l'escala escollida.
El mineral més dur de la Terra és el diamant. Si parlem de materials d'origen artificial, el més durador és la fullerita. És un cristall molecular que es forma a altes temperatures (uns 300 graus centígrads) i pressions extremadament altes (més de 90.000 atmosferes). Segons els científics, la fullerita és aproximadament una vegada i mitja més dura que el diamant.
Què és la duresa?
Hi ha tres opcions principals de duresa:
- Superfície (determinada per la relació entre la càrrega i la superfície de la impressió).
- Projecció (la relació entre la càrrega i l'àrea de projecció de l'empremta).
- Volum (ràtio de càrrega a volum d'impressió).
A més d'això, la duresa dels cossos físics es mesura en quatre rangs:
- Nanoduresa (càrrega inferior a 1 gf).
- Microduresa (1 – 200 gf).
- Duresa amb càrregues baixes (200 gf - 5 kgf).
- Macroduresa (més de 5 kgf).
Duresa dels metalls
Dels 104 elements del sistema periòdic de Mendeleiev, 82 són metalls. I el nombre total d'aliatges coneguts per l'home arriba als cinc mil! L'abast dels metalls al món modern és increïblement ampli. Aquestes són les indústries militar i química, la metal·lúrgia, l'enginyeria elèctrica, la indústria espacial, la joieria, la construcció naval, la medicina, etc.
Entre totes les característiques físiques i químiques dels metalls, la duresa està lluny de ser l'últimapaper. Després de tot, ella demostra clarament:
- grau de resistència al desgast del metall;
- resistència a la pressió;
- la seva capacitat per tallar altres materials.
Entre altres coses, la duresa d'un metall indica si es pot processar en determinades màquines, si es pot polir i similars. Per cert, els científics han demostrat des de fa temps que la duresa d'un metall determina en gran mesura les seves altres propietats mecàniques.
Quina és la duresa del ferro, coure i alumini? I quin metall és el més dur i més durador?
El magnesi i l'alumini es troben entre els metalls més tous. Els seus valors de duresa varien en 5 kgf/mm2. Aproximadament el doble de dures: níquel i coure (uns 10 kgf/mm2). La duresa del ferro s'estima en 30 kgf/mm2. Bé, els metalls més durs d'origen natural inclouen titani, osmi i iridi.
Determinació de la duresa: mètodes, mètodes i enfocaments
Com es mesura la duresa d'un cos físic? Per fer-ho, s'introdueix a la mostra un anomenat sagnador. El seu paper el pot jugar una bola de metall resistent, una piràmide o un con de diamant. Després de l'efecte de contacte directe del penetrador, queda una empremta a la mostra de prova, la mida de la qual determina la duresa del material.
A la pràctica, s'utilitzen dos grups de mètodes per mesurar la duresa:
- Dinàmic.
- Cinètica.
En aquest cas, la càrrega aplicada durant la introducció del penetrador al cos es pot dur a termerascant, sagnant (la majoria de vegades), tallant o rebotant.
Avui hi ha diversos enfocaments diferents per determinar la duresa:
- Rockwell;
- Brinell;
- segons Vickers;
- per la costa;
- segons Mohs.
En conseqüència, hi ha diverses escales de duresa dels materials, no hi ha cap relació directa entre elles. Un o un altre mètode de mesura s'escull en funció d'una sèrie de factors (per exemple, les propietats d'un material determinat, les condicions de l'experiment, l'equip utilitzat, etc.). Els dispositius que determinen la duresa de metalls o minerals s'anomenen comprovadors de duresa.
Mètode Rockwell
El valor de duresa Rockwell es determina per la profunditat de la sagnat d'un con de diamant o una bola metàl·lica que queda a la superfície de la peça d'assaig. A més, és adimensional i es denota amb les lletres HR. Els materials massa tous poden tenir valors de duresa negatius.
L'anomenat comprovador de duresa Rockwell va ser inventat a principis del segle passat pels nord-americans Hugh Rockwell i Stanley Rockwell. Podeu veure com funciona en el següent vídeo. Un factor crític per a aquest mètode és el gruix de la mostra de prova. No hauria de ser inferior a deu vegades la profunditat de penetració del penetrador al cos de prova.
Depenent del tipus de sagnador i de la càrrega aplicada, hi ha tres escales de mesura. Estan designats per tres lletres llatines: A, B i C. El valor de duresa Rockwell té una forma numèrica. Per exemple: 25,5 HRC (últimla lletra indica l'escala que es va utilitzar a la prova).
Mètode Brinell
El valor de duresa Brinell ve determinat pel diàmetre de la impressió que deixa una bola d'acer endurit a la superfície del metall que s'està provant. La unitat de mesura és kgf/mm2.
El mètode va ser proposat l'any 1900 per l'enginyer suec Johan August Brinell. La prova es porta a terme de la següent manera: primer, s'estableix la precàrrega del penetrador a la mostra i només després, la principal. A més, el material sota aquesta càrrega pot suportar fins a 30 segons, després dels quals es mesura la profunditat de sagnat. La duresa Brinell (anomenada HB) es calcula com la relació entre la càrrega aplicada i la superfície de la impressió resultant.
Alguns valors de duresa per a diferents materials (segons Brinell):
- Fusta – 2, 6-7, 0 HB.
- Alumini - 15 HB.
- Core – 35 HB.
- Acer suau - 120 HB.
- Vidre – 500 HB.
- Acer per a eines - 650-700 HB.
Mètode Vickers
La duresa segons el mètode Vickers es determina prement una punta de diamant a la mostra, que té la forma d'una piràmide quadrangular regular. Després de treure la càrrega, mesura les dues diagonals formades a la superfície del material i calcula el valor mitjà aritmètic d (en mil·límetres).
El provador de duresa
Vickers és bastant compacte (vegeu la foto de sota). La prova es realitza a temperatura ambient (+20 graus). El valor de duresa del cos s'indica amb les lletres HV.
Mètode Shor
Aquest mètode de mesura de la duresa va ser proposat per l'inventor nord-americà Albert Shor. També es coneix sovint com el "mètode de rebot". Quan es mesura la duresa Shore, un percutor de mida i massa estàndard es deixa caure des d'una certa alçada sobre la superfície del material que s'està provant. El valor clau d'aquest experiment és l'alçada de rebot del davanter, mesurada en unitats convencionals.
La duresa Shore es mesura en el rang de 20 a 140 unitats. Cent unitats corresponen a una alçada de rebot de 13,6 mm (± 0,5 mm). Segons la norma, aquest valor és la duresa de l'acer al carboni endurit. Un dispositiu modern per mesurar la duresa dels materials segons Shore s'anomena escleroscopi o duròmetre (es pot veure a la foto següent).
escala de Mohs
L'escala de duresa de Mohs és relativa i s'aplica exclusivament als minerals. Es van seleccionar deu minerals com a minerals de referència, que es van ordenar per ordre de duresa creixent (al diagrama fotogràfic següent). En conseqüència, l'escala té 10 punts (de l'1 al 10).
L'escala mineralògica de la duresa va ser proposada pel científic alemany Friedrich Moos l'any 1811. No obstant això, encara s'utilitza en geologia.
Com determinar la duresa d'un mineral en particular a l'escala de Mohs? Això es pot fer examinant acuradament la rascada deixada per la mostra. És convenient utilitzar una ungla, una moneda de coure, un tros de vidre o un ganivet d'acer.
Així que siel mineral provat escriu al paper sense ratllar-lo, aleshores la seva duresa és igual a un. Si la pedra es ratlla fàcilment amb una ungla, la seva duresa és de 2. Tres puntes tenen minerals que es ratllen fàcilment amb un ganivet. Si heu de fer un esforç per deixar una marca a la pedra, aleshores la seva duresa és de 4 o 5. Els minerals amb una duresa de 6 o superior deixen esgarrapades a la fulla del ganivet.
En conclusió…
Aleshores, què és la duresa? Aquesta és la capacitat d'un cos físic per resistir la destrucció i la deformació sota la influència de les forces de contacte locals. Es considera que el mineral més dur de la Terra és el diamant, i el metall més durador és l'iridi. A la ciència i la tecnologia modernes, s'utilitzen diversos mètodes de mesura de la duresa (segons Brinell, Rockwell, Vickers, Shore i Mohs).
