Che cosa è più duro, granito o marmo, nichel o alluminio? E comunque cos'è la durezza? Cercheremo di rispondere a queste domande nel nostro articolo. Numerosi scienziati stranieri hanno affrontato il problema della determinazione della durezza di minerali e sostanze. Tra questi ci sono Albert Schor, Friedrich Moos, Johan August Brinell, William Vickers e altri. Tuttavia, l'unico metodo generalmente accettato per calcolare la durezza nella scienza non esiste ancora.
Cos'è la durezza?
Ognuna delle sostanze conosciute dalla scienza ha una serie di proprietà e qualità fisiche specifiche. Questo articolo discuterà cos'è la durezza. Questa è la capacità di un materiale di resistere alla penetrazione di un altro corpo più durevole al suo interno (ad esempio uno strumento da taglio o perforazione).
La durezza delle sostanze viene spesso misurata in unità speciali - kgf/mm2 (chilogrammo di forza per millimetro quadrato di area). È designato in lettere latine HB, HRC o HRB, a seconda della scala scelta.
Il minerale più duro sulla Terra è il diamante. Se parliamo di materiali di origine artificiale, il più resistente è la fullerite. È un cristallo molecolare che si forma a temperature elevate (circa 300 gradi Celsius) e pressioni estremamente elevate (oltre 90.000 atmosfere). Secondo gli scienziati, la fullerite è circa una volta e mezza più dura del diamante.
Cos'è la durezza?
Ci sono tre opzioni principali di durezza:
- Superficie (determinata dal rapporto tra il carico e la superficie della stampa).
- Proiezione (il rapporto tra il carico e l'area di proiezione dell'impronta).
- Volume (rapporto volume carico/stampa).
Oltre a questo, la durezza dei corpi fisici viene misurata in quattro intervalli:
- Nanodurezza (carica meno di 1 gf).
- Microdurezza (1 – 200 gf).
- Durezza a bassi carichi (200 gf - 5 kgf).
- Macrodurezza (oltre 5 kgf).
Durezza dei metalli
Su 104 elementi del sistema periodico di Mendeleev, 82 sono metalli. E il numero totale di leghe conosciute dall'uomo raggiunge i cinquemila! La portata dei metalli nel mondo moderno è incredibilmente ampia. Queste sono le industrie militari e chimiche, metallurgia, ingegneria elettrica, industria spaziale, gioielleria, cantieristica navale, medicina, ecc.
Tra tutte le caratteristiche fisiche e chimiche dei metalli, la durezza non è l'ultimaruolo. Dopotutto, dimostra chiaramente:
- grado di resistenza all'usura del metallo;
- resistenza alla pressione;
- la sua capacità di tagliare altri materiali.
Tra le altre cose, la durezza di un metallo mostra se può essere lavorato su determinate macchine, se può essere lucidato e simili. A proposito, gli scienziati hanno da tempo dimostrato che la durezza di un metallo determina in gran parte le sue altre proprietà meccaniche.
Qual è la durezza di ferro, rame e alluminio? E qual è il metallo più duro e durevole?
Il magnesio e l'alluminio sono tra i metalli più morbidi. I loro valori di durezza variano entro 5 kgf/mm2. Circa il doppio della durezza: nichel e rame (circa 10 kgf/mm2). La durezza del ferro è stimata in 30 kgf/mm2. Ebbene, i metalli più duri di origine naturale includono titanio, osmio e iridio.
Determinazione della durezza: metodi, metodi e approcci
Come si misura la durezza di un corpo fisico? Per fare ciò, nel campione viene introdotto un cosiddetto penetratore. Il suo ruolo può essere svolto da una sfera di metallo pesante, una piramide o un cono di diamante. Dopo l'effetto di contatto diretto del penetratore, sul campione di prova rimane un'impronta, la cui dimensione determina la durezza del materiale.
In pratica vengono utilizzati due gruppi di metodi per misurare la durezza:
- Dinamico.
- Cinetica.
In questo caso è possibile eseguire il carico applicato durante l'introduzione del penetratore nel corpograffiando, rientrando (il più delle volte), tagliando o rimbalzando.
Oggi ci sono diversi approcci per determinare la durezza:
- Rockwell;
- Brinell;
- secondo Vickers;
- da Shore;
- secondo Mohs.
Di conseguenza, esistono diverse scale di durezza dei materiali, non esiste una relazione diretta tra di loro. L'uno o l' altro metodo di misurazione viene scelto in base a una serie di fattori (ad esempio, le proprietà di un particolare materiale, le condizioni dell'esperimento, l'attrezzatura utilizzata, ecc.). I dispositivi che determinano la durezza di metalli o minerali sono comunemente chiamati tester di durezza.
Metodo Rockwell
Il valore di durezza Rockwell è determinato dalla profondità della rientranza di un cono di diamante o di una sfera di metallo lasciata sulla superficie del provino. Inoltre, è adimensionale ed è indicato dalle lettere HR. I materiali troppo morbidi possono avere valori di durezza negativi.
Il cosiddetto durometro Rockwell è stato inventato all'inizio del secolo scorso dagli americani Hugh Rockwell e Stanley Rockwell. Puoi vedere come funziona nel seguente video. Un fattore critico per questo metodo è lo spessore del provino. Non dovrebbe essere inferiore a dieci volte la profondità di penetrazione del penetratore nel corpo di prova.
A seconda del tipo di penetratore e del carico applicato, ci sono tre scale di misurazione. Sono designati da tre lettere latine: A, B e C. Il valore di durezza Rockwell ha una forma numerica. Ad esempio: 25,5 HRC (ultimola lettera indica la scala utilizzata nel test).
Metodo Brinell
Il valore di durezza Brinell è determinato dal diametro dell'impronta lasciata da una sfera di acciaio temprato sulla superficie del metallo da testare. L'unità di misura è kgf/mm2.
Il metodo fu proposto nel 1900 dall'ingegnere svedese Johan August Brinell. Il test viene eseguito come segue: prima viene impostato il precarico del penetratore sul campione e solo allora quello principale. Inoltre, il materiale sotto questo carico può resistere fino a 30 secondi, dopodiché viene misurata la profondità della rientranza. La durezza Brinell (indicata come HB) è calcolata come il rapporto tra il carico applicato e la superficie della stampa risultante.
Alcuni valori di durezza per diversi materiali (secondo Brinell):
- Legno – 2, 6-7, 0 HB.
- Alluminio - 15 HB.
- Rame – 35 HB.
- Acciaio dolce - 120 HB.
- Vetro – 500 HB.
- Acciaio per utensili - 650-700 HB.
Metodo Vickers
La durezza secondo il metodo Vickers viene determinata premendo una punta di diamante nel campione, a forma di piramide quadrangolare regolare. Dopo aver rimosso il carico, misurare le due diagonali formate sulla superficie del materiale e calcolare il valore medio aritmetico d (in millimetri).
Il durometro Vickers è abbastanza compatto (vedi foto sotto). Il test viene effettuato a temperatura ambiente (+20 gradi). Il valore di durezza del corpo è indicato dalle lettere HV.
Metodo corto
Questo metodo di misurazione della durezza è stato proposto dall'inventore americano Albert Shor. Viene anche spesso definito il "metodo di rimbalzo". Quando si misura la durezza Shore, un percussore di dimensioni e massa standard viene fatto cadere da una certa altezza sulla superficie del materiale da testare. Il valore chiave di questo esperimento è l' altezza di rimbalzo dell'attaccante, misurata in unità convenzionali.
La durezza Shore è misurata nell'intervallo da 20 a 140 unità. Cento unità corrispondono a un' altezza di rimbalzo di 13,6 mm (± 0,5 mm). Secondo la norma, questo valore è la durezza dell'acciaio al carbonio temprato. Un moderno dispositivo per misurare la durezza dei materiali secondo Shore è chiamato scleroscopio o durometro (lo si può vedere nella foto sotto).
Scala Mohs
La scala di durezza Mohs è relativa e si applica esclusivamente ai minerali. Dieci minerali sono stati selezionati come minerali di riferimento, che sono stati disposti in ordine di durezza crescente (nel diagramma fotografico sotto). Di conseguenza, la scala ha 10 punti (da 1 a 10).
La scala mineralogica della durezza fu proposta dallo scienziato tedesco Friedrich Moos nel 1811. Tuttavia, è ancora usato in geologia.
Come determinare la durezza di un particolare minerale sulla scala di Mohs? Questo può essere fatto esaminando attentamente il graffio lasciato dal campione. È conveniente usare un'unghia, una moneta di rame, un pezzo di vetro o un coltello d'acciaio.
Quindi seil minerale testato scrive sulla carta senza graffiarla, quindi la sua durezza è pari a uno. Se la pietra si graffia facilmente con un'unghia, la sua durezza è 2. Tre punte hanno minerali che si graffiano facilmente con un coltello. Se devi fare uno sforzo per lasciare un segno sulla pietra, la sua durezza è 4 o 5. I minerali con una durezza pari o superiore a 6 lasciano graffi sulla lama del coltello.
In conclusione…
Quindi cos'è la durezza? Questa è la capacità di un corpo fisico di resistere alla distruzione e alla deformazione sotto l'influenza delle forze di contatto locali. Il minerale più duro sulla Terra è considerato il diamante e il metallo più durevole è l'iridio. Nella scienza e nella tecnologia moderne vengono utilizzati diversi metodi di misurazione della durezza (secondo Brinell, Rockwell, Vickers, Shore e Mohs).
