Ce este mai dur, granit sau marmură, nichel sau aluminiu? Și totuși ce este duritatea? Vom încerca să răspundem la aceste întrebări în articolul nostru. O serie de oameni de știință străini s-au ocupat de problema determinării durității mineralelor și substanțelor. Printre aceștia se numără Albert Schor, Friedrich Moos, Johan August Brinell, William Vickers și alții. Cu toate acestea, singura și general acceptată metodă de calcul a durității în știință încă nu există.
Ce este duritatea?
Fiecare dintre substanțele cunoscute de știință are o serie de proprietăți și calități fizice specifice. Acest articol va discuta despre ce este duritatea. Aceasta este capacitatea unui material de a rezista la pătrunderea unui alt corp mai durabil în el (de exemplu, un instrument de tăiere sau de perforare).
Duritatea substanțelor se măsoară cel mai adesea în unități speciale - kgf/mm2 (kilogram-forță pe milimetru pătrat de suprafață). Este desemnat cu litere latine HB, HRC sau HRB, în funcție de scara aleasă.
Cel mai dur mineral de pe Pământ este diamantul. Dacă vorbim despre materiale de origine artificială, atunci cea mai durabilă este fullerita. Este un cristal molecular care se formează la temperaturi ridicate (aproximativ 300 de grade Celsius) și la presiuni extrem de mari (peste 90.000 de atmosfere). Potrivit oamenilor de știință, fullerita este de aproximativ o dată și jumătate mai tare decât diamantul.
Ce este duritatea?
Există trei opțiuni principale de duritate:
- Suprafață (determinată de raportul dintre încărcare și aria suprafeței imprimării).
- Proiecție (raportul dintre încărcare și aria de proiecție a amprentei).
- Volum (raportul de încărcare a volumului de imprimare).
Pe lângă aceasta, duritatea corpurilor fizice este măsurată în patru intervale:
- Nanoduritate (încărcare mai mică de 1 gf).
- Microduritate (1 – 200 gf).
- Duritate la sarcini mici (200 gf - 5 kgf).
- Macroduritate (mai mult de 5 kgf).
Duritatea metalelor
Din cele 104 elemente ale sistemului periodic al lui Mendeleev, 82 sunt metale. Iar numărul total de aliaje cunoscute omului ajunge la cinci mii! Domeniul de aplicare al metalelor în lumea modernă este incredibil de larg. Acestea sunt industriile militare și chimice, metalurgie, inginerie electrică, industria spațială, bijuterii, construcții navale, medicină etc.
Dintre toate caracteristicile fizice și chimice ale metalelor, duritatea este departe de ultimarol. La urma urmei, ea demonstrează clar:
- grad de rezistență la uzură a metalului;
- rezistenta la presiune;
- capacitatea sa de a tăia alte materiale.
Printre altele, duritatea unui metal arată dacă poate fi prelucrat pe anumite mașini, dacă poate fi lustruit și altele asemenea. Apropo, oamenii de știință au demonstrat de mult timp că duritatea unui metal determină în mare măsură celel alte proprietăți mecanice ale acestuia.
Care este duritatea fierului, cuprului și aluminiului? Și care metal este cel mai dur și mai durabil?
Magneziul și aluminiul sunt printre cele mai moi metale. Valorile durității lor variază în intervalul de 5 kgf/mm2. Aproximativ de două ori mai tare - nichel și cupru (aproximativ 10 kgf/mm2). Duritatea fierului este estimată la 30 kgf/mm2. Ei bine, cele mai dure metale de origine naturală includ titanul, osmiul și iridiul.
Determinarea durității: metode, metode și abordări
Cum se măsoară duritatea unui corp fizic? Pentru a face acest lucru, un așa-numit indentor este introdus în probă. Rolul său poate fi jucat de o bilă metalică rezistentă, piramidă sau con de diamant. După efectul de contact direct al indentorului, pe proba de testat rămâne o amprentă, a cărei dimensiune determină duritatea materialului.
În practică, se folosesc două grupe de metode de măsurare a durității:
- Dinamic.
- Kinetic.
În acest caz, sarcina aplicată în timpul introducerii indentorului în corp poate fi efectuatăprin zgâriere, indentare (cel mai des), tăiere sau revenire.
Astăzi există mai multe abordări diferite pentru a determina duritatea:
- Rockwell;
- Brinell;
- conform lui Vickers;
- pe mal;
- conform lui Mohs.
În consecință, există o serie de scări diferite de duritate a materialelor, nu există o relație directă între ele. Una sau alta metodă de măsurare este aleasă pe baza unui număr de factori (de exemplu, proprietățile unui anumit material, condițiile experimentului, echipamentul utilizat etc.). Dispozitivele care determină duritatea metalelor sau mineralelor sunt denumite în mod obișnuit teste de duritate.
Metoda Rockwell
Valoarea durității Rockwell este determinată de adâncimea adâncirii unui con de diamant sau a unei bile de metal rămase pe suprafața piesei de testare. Mai mult, este adimensional și este notat cu literele HR. Materialele prea moi pot avea valori negative de duritate.
Așa-numitul tester de duritate Rockwell a fost inventat la începutul secolului trecut de americanii Hugh Rockwell și Stanley Rockwell. Puteți vedea cum funcționează în următorul videoclip. Un factor critic pentru această metodă este grosimea probei de testat. Nu trebuie să fie mai mică de zece ori adâncimea de penetrare a indentorului în corpul de testare.
În funcție de tipul de indentor și de sarcina aplicată, există trei scale de măsurare. Ele sunt desemnate prin trei litere latine: A, B și C. Valoarea durității Rockwell are o formă numerică. De exemplu: 25,5 HRC (ultimullitera indică scara care a fost folosită în test).
Metoda Brinell
Valoarea durității Brinell este determinată de diametrul amprentei lăsate de o bilă de oțel călit pe suprafața metalului testat. Unitatea de măsură este kgf/mm2.
Metoda a fost propusă în 1900 de inginerul suedez Johan August Brinell. Testul se efectuează după cum urmează: mai întâi, se setează preîncărcarea indentorului pe eșantion și numai apoi - cea principală. Mai mult, materialul sub această sarcină poate rezista până la 30 de secunde, după care se măsoară adâncimea adâncirii. Duritatea Brinell (denumită HB) este calculată ca raport dintre sarcina aplicată și aria suprafeței imprimării rezultate.
Unele valori de duritate pentru diferite materiale (conform Brinell):
- Lemn – 2, 6-7, 0 HB.
- Aluminiu - 15 HB.
- Cupru – 35 HB.
- Oțel moale - 120 HB.
- Sticlă – 500 HB.
- Oțel pentru scule - 650-700 HB.
Metoda Vickers
Duritatea conform metodei Vickers se determină prin presarea unui vârf de diamant în eșantion, având forma unei piramide patrulatere obișnuite. După îndepărtarea sarcinii, măsurați cele două diagonale formate pe suprafața materialului și calculați valoarea medie aritmetică d (în milimetri).
Testerul de duritate
Vickers este destul de compact (vezi fotografia de mai jos). Testul se efectuează la temperatura camerei (+20 de grade). Valoarea durității corpului este indicată de literele HV.
Metoda Shor
Această metodă de măsurare a durității a fost propusă de inventatorul american Albert Shor. Este adesea denumită și „metoda rebound”. La măsurarea durității Shore, un percutor de dimensiune și masă standard este aruncat de la o anumită înălțime pe suprafața materialului testat. Valoarea cheie a acestui experiment este înălțimea de rebound a atacatorului, măsurată în unități convenționale.
Drititatea Shore este măsurată în intervalul de la 20 la 140 de unități. O sută de unități corespunde unei înălțimi de rebound de 13,6 mm (± 0,5 mm). Conform standardului, această valoare este duritatea oțelului carbon călit. Un dispozitiv modern pentru măsurarea durității materialelor conform Shore se numește scleroscop sau durometru (se vede în fotografia de mai jos).
Scara Mohs
Scara de duritate Mohs este relativă și se aplică exclusiv mineralelor. Au fost selectate zece minerale ca minerale de referință, care au fost aranjate în ordinea creșterii durității (în diagrama foto de mai jos). În consecință, scara are 10 puncte (de la 1 la 10).
Scara mineralogică a durității a fost propusă de omul de știință german Friedrich Moos încă din 1811. Cu toate acestea, este încă folosit în geologie.
Cum se determină duritatea unui anumit mineral pe scara Mohs? Acest lucru se poate face examinând cu atenție zgârietura lăsată de eșantion. Este convenabil să folosiți o unghie, o monedă de cupru, o bucată de sticlă sau un cuțit de oțel.
Deci dacămineralul testat scrie pe hârtie fără să-l zgârie, apoi duritatea sa este egală cu unu. Daca piatra se zgarie usor cu unghia, duritatea ei este de 2. Trei puncte au minerale care se zgarie usor cu un cutit. Dacă trebuie să depuneți un efort pentru a lăsa un semn pe piatră, duritatea acesteia este de 4 sau 5. Mineralele cu o duritate de 6 sau mai mare lasă ei înșiși zgârieturi pe lama cuțitului.
În concluzie…
Deci, ce este duritatea? Aceasta este capacitatea unui corp fizic de a rezista distrugerii și deformării sub influența forțelor locale de contact. Cel mai dur mineral de pe Pământ este considerat a fi diamantul, iar cel mai durabil metal este iridiul. În știința și tehnologia modernă, sunt utilizate mai multe metode de măsurare a durității (conform Brinell, Rockwell, Vickers, Shore și Mohs).
