Temps géologiques >
Voir l'échelle stratigraphique des temps géologiques

Galerie photos >
Accédez à toutes les photos

Galerie des planches >
Accédez à toutes les planches

Les auteurs & Crédits >

 

   

 

(voir planche 3)

La dureté est une propriété très utile qui, pour les minéraux, peut être synonyme de qualité.

La dureté peut être définie comme la résistance qu'oppose un solide à sa destruction mécanique. Ainsi, plus un solide est dur et plus il sera difficile de le rayer ou de l'user. Dans le domaine minéral, cette propriété est principalement liée à la distribution des atomes.

Longtemps estimée de façon relative, la dureté se mesure maintenant avec précision, ce qui permet une comparaison rigoureuse entre les différents minéraux.

Les facteurs de la dureté des minéraux

Les minéraux sont des assemblages d'ions, d'atomes et de molécules. Au plan chimique, ces assemblages sont d'autant plus résistants à la séparation que les forces qui les maintiennent sont élevées. Parmi ces forces, citons les liaisons ioniques (entre les ions), les liaisons covalentes et métalliques (entre les atomes), et les liaisons de Van der Waals (entre les molécules). A ces forces se superposent d'autres paramètres atomiques comme les rayons ioniques (taille des atomes) ou la densité atomique (nombre d'atomes par unité de volume). Le rôle de ce dernier paramètre, qui est fonction de la distance entre atomes est illustré par le tableau ci-dessous qui montre la relation entre la distance interatomique de différents oxydes et leur dureté. La figure a en planche 3  quant à elle, montre le rôle de la distribution des atomes vis-à-vis des clivages.

 

BeO

MgO

CaO

SrO

BaO

Distance entre atomes (en nm)

15,5

21,0

24,0

25,7

27,7

dureté

9

6,5

4,5

3,5

3,3

Mesure de la dureté des minéraux

Le premier énoncé d'une règle de mesure de dureté des minéraux a été établi par Mohs au XIXème siècle. Il s'agit d'une évaluation relative qui aboutit à une échelle de dureté allant de 1 à 10, se référant à la dureté de 10 minéraux témoins:

Dans cette classification, un minéral raye tous ceux qui sont en dessous de lui dans l'échelle, et il est rayé par tous ceux qui sont situés au-dessus de lui.  Cette échelle a été largement utilisée, et l'on continue d'exprimer la dureté des minéraux selon une graduation allant de 1 à 10. Toutefois, les grandeurs attribuées aujourd'hui sont le résultat de mesures beaucoup plus rigoureuses. En effet, si l'échelle de Mohs permet de classer les minéraux selon leur dureté, elle n'en indique pas la valeur absolue. Il s'agit d'une classification relative (plus dur que, moins dur que…) dont les défauts majeurs sont un manque de repères intermédiaires et une distribution très inégale des minéraux témoins . Ainsi, sur une échelle de dureté absolue qui irait de 1 à 10 000, l'échelle de Mohs présente 7 minéraux pour des valeurs de 1 à 1 000, 2 pour des valeurs de 1 000 à 2 000, et seulement 1 pour les valeurs allant de 2 000 à 10 000 (planche 3, d).   

Au XXe siècle, les besoins en métallurgie ont conduit à développer des techniques plus performantes qui permettent des mesures absolues de la dureté des métaux et des minéraux. Il s'agit par exemple du microduromètre de Vickers dont le principe consiste à réaliser un impact sur une surface solide, avec une pointe de diamant taillée selon un  prisme à 4 faces et qui s'enfonce dans le minéral sous la poussée d'une masse. La dureté peut alors être exprimée en fonction de la pression (exprimée en kg.mm-2) et de la surface de l'impact exprimée par la moyenne des deux diagonales du prisme en creux sur  l'échantillon (planche 3c).

Différents auteurs ont fait évoluer cette technique pour l'adapter à des matériaux particuliers. Rockwell, par exemple, remplace la pointe diamantée par une bille d'un acier très dur, et il mesure la surface du cercle d'impact pour une pression donnée. Un peu plus tard Brinel associe la technique de Vickers à celle de Rockwell. Une autre méthode consiste à rayer la surface du minéral étudié à l'aide d'une pointe diamantée. C'est le microscléromètre de Rosival. La dureté est alors une expression de la pression exercée sur la pointe diamantée et de la largeur de la rayure obtenue (planche 3, c).

Mais revenons au microduromètre de Vickers . Avec cet appareil, la dureté de Vickers (DV) est exprimée par la relation suivante:

où P est la charge qui pèse sur le diamant (en kg-force), θ est l'angle du prisme de diamant et de la longueur moyenne des deux diagonales du prisme d'impact.

Si l'on fixe universellement l'angle du prisme (136°) et la charge à 1kg, cette expression devient:

Les valeurs obtenues pour les minéraux de l'échelle de Mohs montrent que 9 minéraux ont des duretés de Vickers allant de 1 à 2 000 et un seul au delà de 2 000, le diamant dont la dureté est de 8500. Dans le cas du microscléromètre de Rosival, on obtient une distribution encore plus inégale: talc = 0,03, gypse = 1,25, calcite = 4,5, fluorite = 5, apatite = 6,5, orthose = 37, quartz = 120, topaze = 175, corindon = 1000, diamant = 140 000.

Comme la dureté des minéraux était définie  selon l'échelle de Mohs depuis le XIXème siècle, il aurait été incongru de substituer une nouvelle grandeur. Aussi devait-on établir une relation entre l'échelle de Mohs (relative) et la dureté absolue mesurée au microduromètre. C'est à Krushov que l'on doit cette relation qui donne une expression fiable de la dureté de Vickers (DV) traduite dans l'échelle de Mohs (DM) qui, rappelons-le, va de 1 à 10 :

Prenons l'exemple de la planche 3d. Cette expérience a été faite avec des données standard : P=1kg et θ=136° . Les deux diagonales du prisme inversé (impact) ont une longueur de 14 μm chacune, soit une moyenne de 0,014mm. La dureté Vickers de ce matériau, à cet endroit, est:

Avec l'expression de Krushov, cette valeur, exprimée dans l'échelle de Mohs, devient:

Ce matériau raye donc l'ongle et la calcite (DM=3) et il est rayé par la fluorite(DM=4).