Qu'est-ce qui est le plus dur, le granit ou le marbre, le nickel ou l'aluminium ? Et qu'est-ce que la dureté de toute façon? Nous essaierons de répondre à ces questions dans notre article. Un certain nombre de scientifiques étrangers se sont penchés sur le problème de la détermination de la dureté des minéraux et des substances. Parmi eux se trouvent Albert Schor, Friedrich Moos, Johan August Brinell, William Vickers et d'autres. Cependant, la seule méthode généralement acceptée pour calculer la dureté en science n'existe toujours pas.
Qu'est-ce que la dureté ?
Chacune des substances connues de la science possède un certain nombre de propriétés et de qualités physiques spécifiques. Cet article discutera de ce qu'est la dureté. Il s'agit de la capacité d'un matériau à résister à la pénétration d'un autre corps plus durable (par exemple, un outil de coupe ou de perçage).
La dureté des substances est le plus souvent mesurée en unités spéciales - kgf/mm2 (kilogramme-force par millimètre carré de surface). Il est désigné en lettres latines HB, HRC ou HRB, selon l'échelle choisie.
Le minéral le plus dur sur Terre est le diamant. Si nous parlons de matériaux d'origine artificielle, le plus durable est la fullerite. C'est un cristal moléculaire qui se forme à des températures élevées (environ 300 degrés Celsius) et à des pressions extrêmement élevées (plus de 90 000 atmosphères). Selon les scientifiques, la fullerite est environ une fois et demie plus dure que le diamant.
Qu'est-ce que la dureté ?
Il existe trois principales options de dureté:
- Surface (déterminée par le rapport de la charge à la surface de l'impression).
- Projection (le rapport de la charge à la zone de projection de l'empreinte).
- Volume (rapport charge/volume d'impression).
En plus de cela, la dureté des corps physiques est mesurée en quatre plages:
- Nanodureté (Charge inférieure à 1 gf).
- Microdureté (1 – 200 gf).
- Dureté à faible charge (200 gf - 5 kgf).
- Macrodureté (plus de 5 kgf).
Dureté des métaux
Sur 104 éléments du système périodique de Mendeleev, 82 sont des métaux. Et le nombre total d'alliages connus de l'homme atteint cinq mille! La portée des métaux dans le monde moderne est incroyablement large. Ce sont les industries militaires et chimiques, la métallurgie, l'électrotechnique, l'industrie spatiale, la joaillerie, la construction navale, la médecine, etc.
Parmi toutes les caractéristiques physiques et chimiques des métaux, la dureté est loin d'être la dernièrerôle. Après tout, elle démontre clairement:
- degré de résistance à l'usure du métal;
- résistance à la pression;
- sa capacité à couper d'autres matériaux.
Entre autres choses, la dureté d'un métal indique s'il peut être traité sur certaines machines, s'il peut être poli, etc. Soit dit en passant, les scientifiques ont prouvé depuis longtemps que la dureté d'un métal détermine en grande partie ses autres propriétés mécaniques.
Quelle est la dureté du fer, du cuivre et de l'aluminium ? Et quel métal est le plus dur et le plus durable ?
Le magnésium et l'aluminium font partie des métaux les plus tendres. Leurs valeurs de dureté varient dans les 5 kgf/mm2. Environ deux fois plus dur - nickel et cuivre (environ 10 kgf/mm2). La dureté du fer est estimée à 30 kgf/mm2. Eh bien, les métaux d'origine naturelle les plus durs sont le titane, l'osmium et l'iridium.
Détermination de la dureté: méthodes, méthodes et approches
Comment mesure-t-on la dureté d'un corps physique ? Pour ce faire, un soi-disant indenteur est introduit dans l'échantillon. Son rôle peut être joué par une boule métallique robuste, une pyramide ou un cône en diamant. Après l'effet de contact direct du pénétrateur, une empreinte reste sur l'échantillon d'essai, dont la taille détermine la dureté du matériau.
En pratique, deux groupes de méthodes de mesure de la dureté sont utilisés:
- Dynamique.
- Cinétique.
Dans ce cas, la charge appliquée lors de l'introduction du pénétrateur dans le corps peut être effectuéeen grattant, indentant (le plus souvent), coupant ou rebondissant.
Aujourd'hui, il existe plusieurs approches différentes pour déterminer la dureté:
- Rockwell;
- Brinell;
- selon Vickers;
- par Shore;
- selon Mohs.
En conséquence, il existe un certain nombre d'échelles différentes de dureté des matériaux, il n'y a pas de relation directe entre elles. L'une ou l'autre méthode de mesure est choisie en fonction d'un certain nombre de facteurs (par exemple, les propriétés d'un matériau particulier, les conditions de l'expérience, l'équipement utilisé, etc.). Les appareils qui déterminent la dureté des métaux ou des minéraux sont communément appelés testeurs de dureté.
Méthode Rockwell
La valeur de dureté Rockwell est déterminée par la profondeur de l'indentation d'un cône de diamant ou d'une bille métallique laissée à la surface de l'éprouvette. De plus, il est sans dimension et est désigné par les lettres HR. Les matériaux trop mous peuvent avoir des valeurs de dureté négatives.
Le testeur de dureté Rockwell a été inventé au début du siècle dernier par les Américains Hugh Rockwell et Stanley Rockwell. Vous pouvez voir comment cela fonctionne dans la vidéo suivante. Un facteur critique pour cette méthode est l'épaisseur de l'éprouvette. Elle ne doit pas être inférieure à dix fois la profondeur de pénétration du pénétrateur dans le corps d'épreuve.
Selon le type de pénétrateur et la charge appliquée, il existe trois échelles de mesure. Ils sont désignés par trois lettres latines: A, B et C. La valeur de dureté Rockwell a une forme numérique. Par exemple: 25,5 HRC (dernièrela lettre indique l'échelle qui a été utilisée dans le test).
Méthode Brinell
La valeur de dureté Brinell est déterminée par le diamètre de l'empreinte laissée par une bille d'acier trempé sur la surface du métal testé. L'unité de mesure est kgf/mm2.
La méthode a été proposée en 1900 par l'ingénieur suédois Johan August Brinell. Le test est effectué comme suit: d'abord, la précharge du pénétrateur sur l'échantillon est définie, et ensuite seulement - la principale. De plus, le matériau sous cette charge peut supporter jusqu'à 30 secondes, après quoi la profondeur d'indentation est mesurée. La dureté Brinell (appelée HB) est calculée comme le rapport de la charge appliquée à la surface de l'impression résultante.
Quelques valeurs de dureté pour différents matériaux (selon Brinell):
- Bois – 2, 6-7, 0 HB.
- Aluminium - 15 HB.
- Cuivre – 35 HB.
- Acier doux - 120 HB.
- Verre – 500 HB.
- Acier à outils - 650-700 HB.
Méthode Vickers
La dureté selon la méthode Vickers est déterminée en pressant une pointe de diamant dans l'échantillon, ayant la forme d'une pyramide quadrangulaire régulière. Après avoir retiré la charge, mesurez les deux diagonales formées à la surface du matériau et calculez la valeur moyenne arithmétique d (en millimètres).
Le testeur de dureté Vickers est assez compact (voir photo ci-dessous). Le test est effectué à température ambiante (+20 degrés). La valeur de dureté du corps est indiquée par les lettres HV.
Méthode courte
Cette méthode de mesure de la dureté a été proposée par l'inventeur américain Albert Shor. Elle est aussi souvent appelée "méthode de rebond". Lors de la mesure de la dureté Shore, un percuteur de taille et de masse standard est lâché d'une certaine hauteur sur la surface du matériau testé. La valeur clé de cette expérience est la hauteur de rebond du percuteur, mesurée en unités conventionnelles.
La dureté Shore est mesurée dans la plage de 20 à 140 unités. Cent unités correspondent à une hauteur de rebond de 13,6 mm (± 0,5 mm). Selon la norme, cette valeur correspond à la dureté de l'acier au carbone trempé. Un appareil moderne pour mesurer la dureté des matériaux selon Shore s'appelle un scléroscope ou un duromètre (on peut le voir sur la photo ci-dessous).
Échelle de Mohs
L'échelle de dureté de Mohs est relative et s'applique exclusivement aux minéraux. Dix minéraux ont été sélectionnés comme minéraux de référence, qui ont été classés par ordre croissant de dureté (dans le schéma photo ci-dessous). En conséquence, l'échelle comporte 10 points (de 1 à 10).
L'échelle minéralogique de dureté a été proposée par le scientifique allemand Friedrich Moos en 1811. Néanmoins, il est toujours utilisé en géologie.
Comment déterminer la dureté d'un minéral particulier sur l'échelle de Mohs ? Cela peut être fait en examinant attentivement la rayure laissée par l'échantillon. Il est pratique d'utiliser un ongle, une pièce de monnaie en cuivre, un morceau de verre ou un couteau en acier.
Alors sile minéral testé écrit sur le papier sans le rayer, alors sa dureté est égale à un. Si la pierre se raye facilement avec un ongle, sa dureté est de 2. Trois points ont des minéraux qui se rayent facilement avec un couteau. Si vous devez faire un effort pour laisser une marque sur la pierre, sa dureté est de 4 ou 5. Les minéraux d'une dureté de 6 ou plus laissent eux-mêmes des rayures sur la lame du couteau.
En conclusion…
Alors, qu'est-ce que la dureté ? C'est la capacité d'un corps physique à résister à la destruction et à la déformation sous l'influence des forces de contact locales. Le minéral le plus dur sur Terre est considéré comme le diamant et le métal le plus durable est l'iridium. Dans la science et la technologie modernes, plusieurs méthodes de mesure de la dureté sont utilisées (selon Brinell, Rockwell, Vickers, Shore et Mohs).
