Introduzione: cos'è la durezza?

La durezza è la proprietà di qualsiasi materiale di resistere alle deformazioni della sua forma quando è sottoposto a una forza esterna. Il test di durezza è importante per le applicazioni tecniche e ingegneristiche in quanto aiuta a determinare la durezza e la resistenza alla trazione dei materiali.

Aiuta a sviluppare una chiara comprensione dell'idoneità del provino da testare per applicazioni specifiche. Aiuta le industrie a realizzare prodotti finali sicuri e di alta qualità che soddisfino le normative e le linee guida sulla sicurezza stabilite dalle autorità competenti.

Di seguito vengono discussi i diversi tipi di durezza e i vari metodi di prova di durezza e determinazione dei valori di durezza:

Graffio Durezza

La durezza al graffio è la capacità di un materiale di resistere alla deformazione solitamente causata da graffi e abrasioni. La durezza al graffio è un tipo di durezza che viene misurata quando la superficie di un provino viene graffiata da uno stilo che viene trascinato lungo la sua superficie sotto un carico di prova fisso.

Il metodo della durezza al graffio definisce la resistenza di un materiale all'aratura da parte di uno stilo duro. Misura la durezza del materiale e la sua capacità di resistere a graffi e abrasioni. Generalmente, un durometro a graffio è costituito da uno stilo, un tavolino portacampione portatile, un dispositivo di applicazione del carico e un'unità di elaborazione e visualizzazione dei dati.

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I primi test di durezza al graffio furono condotti da Friedrich Mohs nel 1820 che sviluppò anche la scala Mohs. Il test di durezza al graffio misura la resistenza del provino alla frattura o alla deformazione permanente dovuta all'attrito causato dallo stilo lungo la sua superficie.

Questo test utilizza un materiale più duro per graffiare la superficie del provino che è costituita da un materiale relativamente più morbido. Quando è necessario testare i rivestimenti, la durezza del graffio si riferisce alla forza necessaria per tagliare la pellicola fino al substrato. La scala di Mohs viene utilizzata per misurare la resistenza ai graffi del materiale insieme a un dispositivo di misurazione noto come sclerometro.

Durezza dell'indentazione

La durezza dell'indentazione si riferisce alla durezza di un materiale che viene determinata praticando un'impronta sulla sua superficie utilizzando un penetratore appropriato sotto un carico di prova.

Esistono molti diversi metodi di prova dell'indentazione che misurano la profondità dell'indentazione praticata sulla superficie del provino per misurarne la durezza. I test di durezza all'indentazione possono essere ulteriormente suddivisi in due categorie: test di indentazione macro e test di micro-indentazione. I test di indentazione macro utilizzano carichi di prova di grandi dimensioni superiori a 1Kgf e in alcuni casi possono arrivare fino a 3000Kgf.Tester di durezza Vickers a basso carico con display digitale a torretta automatica

Il tipo prominente di metodi di prova di macro indentazione include il metodo di prova di durezza Rockwell, il metodo Brinell, il test Vickers, il metodo di prova di durezza Knoop, ecc. Il test di micro-indentazione, d'altra parte, viene utilizzato per misurare la durezza dei metalli teneri, sottili e piccoli campione, ecc.

I carichi di prova applicati per le prove di durezza a micro-indentazione sono molto più bassi e possono variare tra 1 e 1000 gf. I test di microindentazione possono essere utilizzati per misurare le variazioni di durezza su scala microscopica. Il metodo Vickers e i metodi di prova di durezza Knoop sono due metodi di prova di durezza a micro-indentazione popolari.

I test di durezza dell'indentazione possono essere soggetti a errori. Le principali fonti di errore durante la misurazione della durezza includono tecnica scadente, calibrazione impropria dell'attrezzatura di prova, finitura impropria della superficie del campione, ecc. La superficie di prova deve essere priva di sporco, ossidazione o lubrificazione per ottenere stime affidabili della durezza. Il penetratore dovrebbe anche essere perpendicolare alla superficie del provino poiché qualsiasi inclinazione risulterà in misurazioni di durezza errate.

Durezza di rimbalzo

La durezza di rimbalzo, nota anche come durezza dinamica, misura la durezza di un materiale determinando l'altezza a cui rimbalza un martello con punta di diamante quando viene lasciato cadere da un'altezza sul provino. Questo tipo di durezza è legato all'elasticità.

La durezza di rimbalzo viene generalmente misurata utilizzando il test di durezza di rimbalzo Leeb. Questo metodo è stato sviluppato nel 1975 da Leeb e Brandestini utilizzando un durometro portatile. Questo tester ha fornito una nuova alternativa alle tradizionali apparecchiature per prove di durezza, solitamente complesse e complesse.Tester di durezza Vickers con display digitale programmato a torretta automatica

Il metodo di prova della durezza di rimbalzo Leeb segue procedure standardizzate. La velocità del corpo varia da 1,4 m/s a 3 m/s. Con questo metodo, viene misurata la velocità del corpo prima e dopo l'impatto per determinare la durezza del provino.

Il rapporto tra la velocità di impatto e la velocità di rimbalzo fornisce la durezza Leeb dinamica del provino. L'oggetto utilizzato per effettuare l'impatto sul provino può essere in carburo di tungsteno cobalto, ceramica o diamante, oppure un penetratore a forma di sfera con raggio diverso.

La durezza del campione determinata con questo metodo è rappresentata come (esempio) 750 HL D in cui 750 indica il valore di durezza, HL indica "Durezza secondo Leeb" e D rappresenta il metodo Leeb con corpo d'urto sferico di carburo di tungsteno-cobalto con un raggio di 1,5 mm e peso di 4,5 grammi.

Selezione del miglior metodo di prova della durezza

La durezza di un materiale dipende da una serie di fattori come l'omogeneità del materiale, il tipo di materiale, le sue dimensioni e le condizioni.

Esistono diversi tipi di metodi per le prove di durezza che devono essere selezionati con attenzione per ottenere le misurazioni della durezza più accurate e affidabili.

Computer Microhardness Tester (semiautomatico) per tabella portante programmata

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I fattori che devono essere considerati prima di selezionare i metodi di prova di durezza ideali includono: il tipo di materiale da testare, la durezza del materiale da testare, l'omogeneità del materiale, le dimensioni del provino, se il montaggio è necessario per le prove di durezza, spessore del campione, ecc.

Prova di durezza Rockwell

Il test di durezza Rockwell è il metodo più comune e veloce per testare la durezza. È generalmente ideale per testare la durezza di campioni di grandi dimensioni.

Può essere utilizzato sia in linea di montaggio che in laboratorio per prove di durezza. Utilizza una sfera d'acciaio o un penetratore conico con punta di diamante per misurare la durezza a seconda della durezza del materiale da testare.

Per iniziare il test Rockwell, sul penetratore viene applicato un carico minore, generalmente di 10Kgf. Il penetratore si sposta quindi sotto il carico di prova sulla superficie del provino. Mentre il penetratore è ancora sotto l'influenza del carico di prova minore, viene applicato anche un ulteriore carico di prova maggiore. Ciò garantisce una migliore indentazione sulla superficie del campione che è chiara e misurabile.

Il metodo Rockwell per il test di durezza è popolare in quanto non è influenzato né dall'inclinazione dell'operatore né dalla rugosità della superficie la cui durezza viene testata.

Non fa uso di alcuna apparecchiatura ottica sofisticata o costosa per misurare la durezza del provino, il che lo rende un metodo economico per le prove di durezza. È un metodo non distruttivo per le prove di durezza, il che significa che il provino da testare non viene distrutto e può essere utilizzato per altri scopi dopo che la procedura di prova è stata completata.Tester di durezza Rockwell (tipo classico)

Questo metodo ha i suoi svantaggi anche in quanto non è molto accurato rispetto ad altri metodi di prova di durezza. Una piccola deviazione nella misurazione della profondità di indentazione può alterare notevolmente le letture della durezza.

Se il penetratore in questo metodo è usurato, può fornire misurazioni di durezza errate che non sono affidabili.

Il valore di durezza Rockwell viene calcolato utilizzando i grafici di conversione. Esistono quasi 30 scale Rockwell, ma la maggior parte dei materiali sono coperti dalle scale Rockwell C e B. I valori di durezza nei test Rockwell sono rappresentati come (esempio) 70 HRB dove 60 è la lettura della durezza sulla scala B.

 

Prova di durezza Brinell

La prova di durezza Brinell è uno dei metodi più antichi e più utilizzati per la prova di durezza dei materiali. Questo metodo è stato sviluppato da JA Brinell nell'anno 1900. È ideale per misurare la durezza di campioni che sono troppo ruvidi o grezzi per essere misurati con altri metodi.

Il metodo Brinell prevede l'utilizzo di carichi di prova più elevati che possono arrivare fino a 3000Kgf e un penetratore a sfera generalmente di 10 mm di diametro.Tester di durezza Rockwell per superfici elettriche

Per misurare la durezza di metalli e leghe più morbidi, vengono utilizzati anche carichi di prova più piccoli fino a 500Kgf. Il carico di prova predeterminato viene applicato al penetratore sferico che viene tenuto sulla superficie del provino generalmente per 10-15 secondi e quindi spostato.

La profondità di indentazione effettuata dal penetratore sulla superficie del provino viene quindi misurata e studiata utilizzando apparecchiature ottiche avanzate che garantiscono una migliore precisione e affidabilità.

La tabella di conversione Brinell viene quindi utilizzata per convertire il diametro medio della rientranza effettuata nel corrispondente valore di durezza Brinell. Utilizzando le tabelle di conversione, il valore di durezza Brinell può anche essere convertito nella corrispondente resistenza alla trazione.

Anche il metodo Brinell per la prova di durezza presenta alcuni inconvenienti. L'operatore può commettere errori nella misurazione della profondità di indentazione sulla superficie del provino, il che può influire notevolmente sulle misurazioni della durezza.

Poiché il metodo prevede apparecchiature ottiche avanzate e sofisticate per misurare la durezza del provino, è più costoso rispetto al metodo Rockwell. Ci vuole anche più tempo per testare la durezza poiché la superficie del provino deve essere preparata prima del test.

Anche il metodo Brinell non funzionerà in modo accurato se la superficie del campione è troppo sottile, ovvero inferiore a 9,6 mm.

Le letture della durezza utilizzando il metodo Brinell sono rappresentate come 600 HBW, dove 600 indica il valore della durezza e HBW indica "Durezza Brinell" con penetratore a sfera in tungsteno. Se viene utilizzato un penetratore a sfera d'acciaio, le letture saranno rappresentate come 600 HBS dove HBS indica "Durezza Brinell" con penetratore a sfera d'acciaio.

Test di durezza Vickers

Il test Vickers utilizza lo stesso principio del metodo Brinell con l'unica eccezione del tipo di penetratore utilizzato.

Il tipo di penetratore deve essere modificato con il metodo Brinell a seconda del tipo di materiale da testare. Tuttavia, lo stesso penetratore di diamante viene utilizzato nel metodo Vickers per misurare la durezza di tutti i tipi di campioni.Tester di durezza Vickers a basso carico con display digitale a torretta automatica

Il penetratore utilizzato in questo metodo ha la forma di una piramide retta. Sul penetratore viene applicato un carico di prova che si preme contro la superficie del provino lasciando così una rientranza.

Le lunghezze diagonali di questi segni di indentazione vengono misurate utilizzando sistemi ottici, risultando in letture di durezza estremamente accurate. Il tempo di permanenza, il tempo per il quale la forza di prova viene applicata attraverso il penetratore sulla superficie del provino, è generalmente compreso tra 10-15 secondi in questo metodo.

Il test Vickers utilizza carichi di micro-prova che sono molto inferiori rispetto al metodo Brinell. È un metodo di prova di microdurezza che è più adatto per misurare la durezza di materiali che sono troppo sottili o piccoli per le prove di durezza macro.

Questo metodo è più adatto per misurare la durezza di lamiere sottili di metallo, piccoli campioni, ecc. Il test Vickers è un metodo non distruttivo che garantisce che il campione possa essere utilizzato dopo il completamento del test. Ci sono alcune limitazioni del metodo Vickers.

Richiede che la superficie del provino sia priva di imperfezioni e quindi è necessario del tempo per preparare la superficie del provino prima di condurre il test. Occorrono almeno 30-60 secondi per condurre questo test e il tempo è esclusivo del tempo impiegato per la preparazione della superficie del provino.

Il test Vickers non è raccomandato per la produzione di massa nelle linee di assemblaggio ed è più adatto per i test di laboratorio. Le misurazioni della durezza nel test Vickers sono rappresentate come 700 HV/10 dove 700 è il valore di durezza Vickers a cui è stato ottenuto utilizzando una forza di prova di 10Kgf.

Test di durezza Knoop

Il metodo di prova di durezza Knoop è un'alternativa al metodo Vickers. È un metodo di misurazione della microdurezza adatto per misurare la durezza di materiali fragili e fragili come la ceramica. È anche utile per le prove di durezza di piccole aree allungate come i rivestimenti.

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Il metodo Knoop utilizza anche un diamante piramidale come penetratore, ma il penetratore è allungato invece di essere una piramide retta come nel metodo Vickers. Poiché il metodo viene utilizzato per le prove di durezza di materiali fragili, utilizza micro carichi fino a 1Kgf.

Il penetratore utilizzato in questo metodo penetra nella superficie del provino solo la metà della profondità rispetto al metodo Vickers, il che lo rende perfetto per le prove di durezza del provino fragile.

A causa della forma del penetratore, il metodo Knoop è più adatto per misurare campioni allungati più lunghi come i rivestimenti. È importante notare che la superficie del campione deve essere preparata adeguatamente prima di eseguire il test Knoop per garantire misurazioni di durezza accurate e affidabili.

 

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