¿Qué es más duro, el granito o el mármol, el níquel o el aluminio? ¿Y qué es la dureza de todos modos? Intentaremos responder a estas preguntas en nuestro artículo. Varios científicos extranjeros se ocuparon del problema de determinar la dureza de minerales y sustancias. Entre ellos se encuentran Albert Schor, Friedrich Moos, Johan August Brinell, William Vickers y otros. Sin embargo, todavía no existe el único método generalmente aceptado para calcular la dureza en la ciencia.
¿Qué es la dureza?
Cada una de las sustancias conocidas por la ciencia tiene una serie de propiedades y cualidades físicas específicas. Este artículo discutirá qué es la dureza. Esta es la capacidad de un material para resistir la penetración de otro cuerpo más duradero (por ejemplo, una herramienta de corte o perforación).
La dureza de las sustancias se suele medir en unidades especiales: kgf/mm2 (kilogramo-fuerza por milímetro cuadrado de área). Se designa en letras latinas HB, HRC o HRB, según la escala elegida.
El mineral más duro de la Tierra es el diamante. Si hablamos de materiales de origen artificial, entonces el más duradero es la fullerita. Es un cristal molecular que se forma a altas temperaturas (alrededor de 300 grados centígrados) y presiones extremadamente altas (más de 90.000 atmósferas). Según los científicos, la fullerita es aproximadamente una vez y media más dura que el diamante.
¿Qué es la dureza?
Hay tres opciones principales de dureza:
- Superficie (determinada por la relación entre la carga y el área de superficie de la impresión).
- Proyección (la relación entre la carga y el área de proyección de la huella).
- Volumen (proporción de carga a volumen de impresión).
Además de esto, la dureza de los cuerpos físicos se mide en cuatro rangos:
- Nanodureza (Carga inferior a 1 gf).
- Microdureza (1 – 200 gf).
- Dureza a bajas cargas (200 gf - 5 kgf).
- Macrodureza (más de 5 kgf).
Dureza de los metales
De los 104 elementos del sistema periódico de Mendeleiev, 82 son metales. ¡Y el número total de aleaciones conocidas por el hombre llega a cinco mil! El alcance de los metales en el mundo moderno es increíblemente amplio. Estas son las industrias militar y química, la metalurgia, la ingeniería eléctrica, la industria espacial, la joyería, la construcción naval, la medicina, etc.
Entre todas las características físicas y químicas de los metales, la dureza está lejos de ser la últimarole. Después de todo, ella demuestra claramente:
- grado de resistencia al desgaste del metal;
- resistencia a la presión;
- su capacidad para cortar otros materiales.
Entre otras cosas, la dureza de un metal muestra si se puede procesar en ciertas máquinas, si se puede pulir y similares. Por cierto, los científicos han demostrado durante mucho tiempo que la dureza de un metal determina en gran medida sus otras propiedades mecánicas.
¿Cuál es la dureza del hierro, el cobre y el aluminio? ¿Y qué metal es el más duro y duradero?
El magnesio y el aluminio se encuentran entre los metales más blandos. Sus valores de dureza varían dentro de los 5 kgf/mm2. Aproximadamente el doble de duro: níquel y cobre (alrededor de 10 kgf/mm2). La dureza del hierro se estima en 30 kgf/mm2. Bueno, los metales de origen natural más duros son el titanio, el osmio y el iridio.
Determinación de la dureza: métodos, métodos y enfoques
¿Cómo se mide la dureza de un cuerpo físico? Para hacer esto, se introduce un llamado indentador en la muestra. Su función puede ser desempeñada por una bola de metal resistente, una pirámide o un cono de diamante. Después del efecto de contacto directo del indentador, queda una huella en la muestra de prueba, cuyo tamaño determina la dureza del material.
En la práctica, se utilizan dos grupos de métodos para medir la dureza:
- Dinámico.
- Cinética.
En este caso, la carga aplicada durante la introducción del penetrador en el cuerpo se puede realizarrasguñando, sangrando (la mayoría de las veces), cortando o rebotando.
Hoy existen varios enfoques diferentes para determinar la dureza:
- Rockwell;
- Brinell;
- según Vickers;
- por la orilla;
- según Mohs.
En consecuencia, hay varias escalas diferentes de dureza de los materiales, no hay una relación directa entre ellas. Uno u otro método de medición se elige en función de una serie de factores (por ejemplo, las propiedades de un material en particular, las condiciones del experimento, el equipo utilizado, etc.). Los dispositivos que determinan la dureza de metales o minerales se denominan comúnmente probadores de dureza.
Método Rockwell
El valor de la dureza Rockwell está determinado por la profundidad de la muesca de un cono de diamante o bola de metal que queda en la superficie de la pieza de prueba. Además, es adimensional y se denota con las letras HR. Los materiales demasiado blandos pueden tener valores de dureza negativos.
El llamado probador de dureza Rockwell fue inventado a principios del siglo pasado por los estadounidenses Hugh Rockwell y Stanley Rockwell. Puedes ver cómo funciona en el siguiente vídeo. Un factor crítico para este método es el espesor de la muestra de prueba. No debe ser inferior a diez veces la profundidad de penetración del penetrador en el cuerpo de prueba.
Según el tipo de penetrador y la carga aplicada, hay tres escalas de medición. Se designan con tres letras latinas: A, B y C. El valor de la dureza Rockwell tiene forma numérica. Por ejemplo: 25,5 HRC (últimola letra indica la escala que se utilizó en la prueba).
Método Brinell
El valor de dureza Brinell está determinado por el diámetro de la impresión que deja una bola de acero endurecido en la superficie del metal que se está probando. La unidad de medida es kgf/mm2.
El método fue propuesto en 1900 por el ingeniero sueco Johan August Brinell. La prueba se lleva a cabo de la siguiente manera: primero, se establece la precarga del indentador en la muestra, y solo luego, la principal. Además, el material bajo esta carga puede soportar hasta 30 segundos, después de lo cual se mide la profundidad de la muesca. La dureza Brinell (denominada HB) se calcula como la relación entre la carga aplicada y el área de la superficie de la impresión resultante.
Algunos valores de dureza para diferentes materiales (según Brinell):
- Madera – 2, 6-7, 0 HB.
- Aluminio - 15 HB.
- Cobre – 35 HB.
- Acero dulce - 120 HB.
- Vidrio – 500 HB.
- Acero para herramientas - 650-700 HB.
Método Vickers
La dureza según el método Vickers se determina presionando una punta de diamante en la muestra, que tiene la forma de una pirámide cuadrangular regular. Después de retirar la carga, mida las dos diagonales formadas en la superficie del material y calcule el valor medio aritmético d (en milímetros).
El probador de dureza Vickers es bastante compacto (vea la foto a continuación). La prueba se realiza a temperatura ambiente (+20 grados). El valor de dureza del cuerpo se indica con las letras HV.
Método corto
Este método para medir la dureza fue propuesto por el inventor estadounidense Albert Shor. También se le conoce como el "método de rebote". Al medir la dureza Shore, se deja caer un percutor de tamaño y masa estándar desde cierta altura sobre la superficie del material que se está probando. El valor clave de este experimento es la altura de rebote del delantero, medida en unidades convencionales.
La dureza Shore se mide en el rango de 20 a 140 unidades. Cien unidades corresponden a una altura de rebote de 13,6 mm (± 0,5 mm). Según la norma, este valor es la dureza del acero al carbono templado. Un dispositivo moderno para medir la dureza de los materiales según Shore se llama escleroscopio o durómetro (se puede ver en la foto de abajo).
Escala de Mohs
La escala de dureza de Mohs es relativa y se aplica exclusivamente a los minerales. Se seleccionaron diez minerales como minerales de referencia, que se organizaron en orden creciente de dureza (en el diagrama de fotos a continuación). En consecuencia, la escala tiene 10 puntos (del 1 al 10).
La escala mineralógica de dureza fue propuesta por el científico alemán Friedrich Moos en 1811. Sin embargo, todavía se usa en geología.
¿Cómo determinar la dureza de un mineral en particular en la escala de Mohs? Esto se puede hacer examinando cuidadosamente el rasguño dejado por la muestra. Es conveniente utilizar una uña, una moneda de cobre, un trozo de vidrio o un cuchillo de acero.
Así que siel mineral probado escribe sobre el papel sin rayarlo, entonces su dureza es igual a uno. Si la piedra se raya fácilmente con una uña, su dureza es 2. Tres puntas tienen minerales que se rayan fácilmente con un cuchillo. Si necesita hacer un poco de esfuerzo para dejar una marca en la piedra, entonces su dureza es 4 o 5. Los minerales con una dureza de 6 o más dejan rayas en la hoja del cuchillo.
En conclusión…
Entonces, ¿qué es la dureza? Esta es la capacidad de un cuerpo físico para resistir la destrucción y la deformación bajo la influencia de las fuerzas de contacto locales. Se considera que el mineral más duro de la Tierra es el diamante y el metal más duradero es el iridio. En la ciencia y la tecnología modernas, se utilizan varios métodos de medición de la dureza (según Brinell, Rockwell, Vickers, Shore y Mohs).
