EUComprensione della durezza dei materiali: tipi, test e applicazioni
- Scritto da: Gavin Leone
- Aggiornato da: CoCo
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La durezza è una delle proprietà fondamentali di un materiale. Indica se il materiale può resistere alla deformazione. Comprendere questa proprietà è fondamentale per aziende manifatturiere come Proto Labs Ltd.
È importante perché la durezza e la durevolezza della superficie determinano le prestazioni del prodotto su un'ampia gamma di materiali.
Questo articolo esamina in dettaglio la durezza di un materiale, illustrando anche alcuni metodi di prova della durezza, le loro applicazioni e come scegliere il test di durezza del materiale più adatto alle proprie esigenze.
Durezza del materiale: definizione
Per definizione, è la capacità di qualsiasi materiale di resistere a deformazioni, ammaccature o graffi. Qui, deformazione significa deformazione permanente, nota anche come deformazione plastica. Un materiale non ritorna alla sua forma originale in deformazione plastica quando viene applicata una forza.
Si può anche fare riferimento al valore di durezza di un materiale. Inoltre, misurare ogni tipo di durezza, ad esempio graffio, rimbalzo e indentazione, richiede un set di strumenti diverso.
La durezza è essenziale per la struttura del materiale perché ne influenza la resistenza all'usura, la durata e le prestazioni. I materiali duri includono una vasta gamma di materiali, tra cui diamante, quarzo o cemento. I materiali possono essere naturalmente duri, come il tungsteno, utilizzato negli acciai per utensili.
Ad esempio, i componenti in acciaio temprato utilizzati nella lavorazione meccanica e negli utensili mantengono la loro forma e la loro efficacia più a lungo rispetto ai materiali più morbidi come polimeri, colloidi o tensioattivi.
Oppure possono essere metalli teneri. Come l'oro puro, si piega o si graffia facilmente. Tuttavia, l'indurimento superficiale può essere migliorato aggiungendo argento o rame per creare una lega. Mescolando metalli teneri insieme si migliora il loro valore di durezza.
È possibile migliorare la durezza anche con il calore, un processo che funziona con i materiali termoindurenti. Tempra dei materiali metallici CNC. Per migliorare la durezza del materiale e la resistenza all'usura, la parte metallica viene riscaldata con processi come la cementazione, la nitrurazione, la carbonitrurazione e la tempra a induzione.
Al giorno d'oggi, le moderne reti digitali offrono soluzioni di cementazione che integrano dati di durezza in tempo reale per una migliore ottimizzazione del processo.
La durezza e la resistenza all'usura sono fattori chiave nella scelta dei materiali per utensili, parti di macchine e rivestimenti protettivi.
Diverse unità di durezza
In settori come quello aerospaziale, automobilistico ed edile, i materiali vengono sottoposti a test di durezza per verificarne la resistenza a condizioni estreme. Questi settori utilizzano diverse scale di misura, come Rockwell HRC, Vickers HV e Brinell HB, per confrontare la durezza dei materiali.
Il tipo di prova di durezza determina diverse unità di durezza.
La durezza viene spesso misurata in mm Newton al quadrato (N/mm²) o n mm Newton al quadrato (N/mm²), a seconda del metodo di prova. È simile a quella della pressione. Pertanto, è possibile utilizzare il Pascal anche per la durezza dei materiali. Alcune unità di misura di durezza comunemente utilizzate includono:
Numero di durezza Brinell (BHN): È possibile calcolare il valore di durezza Brinell dividendo il carico applicato per la superficie dell'impronta.
Numero di durezza Rockwell (HRA, HRB, HRC, ecc.): L'HR determina la durezza misurando l'aumento netto della profondità di indentazione di un carico maggiore e minore.
Numero di durezza Vickers (HV): Utilizza un penetratore piramidale diamantato per misurare materiali di piccole dimensioni. Viene solitamente espresso in kgf/mm² o N/mm².
Numero di durezza Knoop (HK): Simile al Vickers ma progettato per materiali e rivestimenti molto delicati.
Valore di durezza Leeb (HLD, HLS, HLE, ecc.): Un test dinamico che misura la velocità di rimbalzo per determinare la durezza, utile per i test in loco di componenti di grandi dimensioni.
Ciascuna di queste unità fornisce preziose informazioni sulle proprietà meccaniche di un materiale, aiutando gli ingegneri a determinare i materiali migliori per applicazioni specifiche.
Tabella di equivalenza della durezza dei materiali
È possibile confrontare diverse scale di durezza utilizzando una tabella di equivalenza. Le conversioni di durezza tra HB, Rockwell HRC e Vickers HV consentono la standardizzazione tra i vari settori.
Questa tabella fornisce conversioni approssimative tra i valori di durezza Brinell, Rockwell, Vickers e Leeb per vari materiali.
| Durezza Brinell (HB) | Rockwell C (HRC) | Durezza Vickers (HV) | Durezza Leeb (HL) |
| 100 | 10 | 105 | 500 |
| 150 | 15 | 160 | 550 |
| 200 | 20 | 210 | 600 |
| 300 | 30 | 310 | 700 |
| 350 | 35 | 360 | 750 |
| 250 | 25 | 260 | 650 |
Questa tabella serve come riferimento rapido per confrontare diversi valori di durezza e aiuta a selezionare i materiali più adatti per applicazioni industriali e ingegneristiche. Un numero maggiore, indipendentemente dall'unità di misura, indicherà una maggiore durezza del materiale.
Tipi dei metodi di prova della durezza
Esistono diversi metodi consolidati per testare la durezza dei materiali, ognuno adatto a materiali e applicazioni differenti. Tutti questi metodi incidono il materiale e misurano la deformazione plastica.
Se un materiale ha un'elevata durezza, la sua deformazione sarà inferiore rispetto a un materiale con una durezza inferiore. Un elemento comune a tutti questi metodi è l'utilizzo di un penetratore specifico per verificare la resistenza a trazione finale di qualsiasi oggetto di prova.
Prova di durezza Brinell
Il penetratore è una sfera in acciaio temprato con un diametro di indentatura di circa 10 mm (per materiali più morbidi) o una sfera in carburo di tungsteno (per materiali più duri). L'unità di misura della durezza Brinell cambia da HB/HBN a HBW quando si utilizza il tungsteno.
L'indentatore viene quindi spinto con una forza elevata nella superficie del materiale, per circa 30 secondi. La forza applicata dipende dal materiale di prova. L'ammaccatura causata viene quindi osservata al microscopio e se ne determina la dimensione misurando l'ammaccatura come media di lunghezze prese ad angolo retto.
Quindi, si calcola il valore di durezza Brinell (BHN) come accennato in precedenza. Il valore di durezza Brinell HB kg/mm² aiuta a determinare la capacità di carico per applicazioni ingegneristiche.
La prova di durezza Brinell è adatta a materiali più teneri come ghisa e alluminio, nonché a materiali con superfici ruvide. È comunemente utilizzata in applicazioni industriali che richiedono la misurazione di componenti di grandi dimensioni.
Test di durezza Rockwell
Il test di durezza Rockwell è il metodo più comunemente utilizzato per misurare la durezza di un materiale, perché sono disponibili numerose scale tra cui scegliere.
La scala di durezza Rockwell C HRC è comunemente utilizzata per testare componenti in acciaio temprato in applicazioni industriali. Le scale di durezza Rockwell indicano i vari tipi di combinazione di penetratore e carico utilizzati.
La scala HRB Rockwell B MPa è utilizzata per i materiali più morbidi, mentre la scala HRC Rockwell C MPa è ideale per gli acciai temprati.
Per migliorare l'accuratezza del test di durezza Rockwell, è possibile rimuovere eventuali superfici irregolari dall'indentatore applicando prima un piccolo carico. Il carico minore aiuta a collegare perfettamente l'indentatore al materiale da testare.
Quindi, proprio come in precedenza, nel test Rockwell, si applica una forza al carico principale per testare la durezza del pezzo e si misura la durezza del materiale. I valori di durezza Rockwell vengono quindi letti direttamente da una macchina di prova nota come "dial gouge".
Il test di durezza Rockwell è ampiamente utilizzato per metalli e materie plastiche grazie alla sua velocità, semplicità e precisione.
Test di durezza Vickers
Il test Vickers viene utilizzato principalmente per i materiali più teneri perché garantisce una maggiore precisione. Calcolare la durezza dei materiali tramite il test Vicker è più semplice perché viene utilizzato lo stesso penetratore (diamante) per tutti i carichi di prova.
Per le aree con struttura microscopica, viene utilizzata una lente d'ingrandimento. Il penetratore diamantato è una piramide a 4 lati e viene inserito nel pezzo, dopodiché la macchina raggiunge un valore di forza predeterminato. Quindi, viene misurata la profondità di penetrazione e viene calcolato il valore di durezza Vickers.
Test di durezza Knoop
Il test di durezza Knoop, noto anche come metodo di prova di microdurezza, è simile al metodo Vickers, ma utilizza un penetratore allungato a forma di diamante per determinare la durezza dei materiali.
È specificamente progettato per testare materiali molto sottili, rivestimenti e microcomponenti. Questo test di durezza del materiale viene utilizzato quando le impronte sono ravvicinate.
Il valore di durezza Knoop (HK) viene calcolato misurando la diagonale lunga dell'impronta, rendendolo ideale per prove a bassa forza su materiali delicati.
Prova di durezza Leeb
Il test Leeb è una prova di durezza dinamica che utilizza un dispositivo di impatto per misurare la velocità di rimbalzo di un penetratore. È anche chiamato test di durezza di rimbalzo Leeb. Il valore di durezza Leeb (HL) viene calcolato in base alla perdita di energia durante l'impatto.
Nella prova di durezza Leeb, un dispositivo d'impatto stimola un corpo d'impatto verso la superficie di prova utilizzando la forza di una molla. Questo processo si divide in tre fasi principali:
Fase di avvicinamento: la forza della molla accelera il corpo d'impatto nella direzione della superficie di prova.
Fase di impatto – Il corpo d'impatto entra in contatto con il campione di prova, causando una deformazione plastica o elastica. Il corpo d'impatto si arresta completamente quando il materiale assorbe l'energia.
Fase di rimbalzo: le proprietà elastiche sia del corpo d'impatto che del campione provocano il rimbalzo del corpo d'impatto.
Un magnete all'interno del dispositivo d'impatto genera una tensione indotta mentre si muove attraverso una bobina, consentendo una misurazione della velocità senza contatto. Il sistema elettronico registra i valori di picco sia in fase di impatto che di rimbalzo.
Il valore di durezza viene quindi calcolato utilizzando il rapporto tra la velocità di rimbalzo (vr) e la velocità di impatto (vi), moltiplicato per un fattore di 1000. Questa misurazione fornisce una valutazione accurata della durezza di un materiale.
Questo metodo è ideale per componenti grandi e pesanti e per prove di durezza in loco, soprattutto quando è richiesta la portabilità.
Test scleroscopico
Lo scelerscopio è uno strumento utilizzato per misurare la durezza dinamica di un materiale. In questo test, un martello viene lasciato cadere sulla superficie del materiale e l'altezza del rimbalzo del martello viene misurata per determinarne la durezza.
Per i materiali più duri, il rimbalzo sarà maggiore. I metalli morbidi hanno un rimbalzo minore perché si crea un'ammaccatura sulla superficie di prova quando l'energia d'impatto si esaurisce.
Il test scleroscopico viene utilizzato principalmente per la valutazione della durezza superficiale, in particolare per i materiali che non possono essere testati utilizzando i metodi di indentazione standard.
Ogni prova di durezza ha i suoi vantaggi e le sue applicazioni. La scelta del test più adatto, che sia Brinell, Rockwell o Vickers, dipende da fattori quali il tipo di materiale, le condizioni della superficie, le dimensioni del campione e i requisiti di accuratezza.
Carichi di prova di durezza
La quantità di forza applicata durante una prova di durezza è chiamata "carico". Un dispositivo di prova di durezza viene utilizzato per applicare la forza, fn/kgf. Le unità di misura sono la forza di prova fn e i chilogrammi forza kgf. La forza applicata in chilogrammi influisce significativamente sull'accuratezza e l'affidabilità dei risultati.
Diversi test di durezza richiedono livelli di carico specifici per fornire risultati accurati. Tuttavia, il test di durezza Vickers viene utilizzato sia su scala macro che micro.
Prova di durezza Brinell: utilizza carichi pesanti (500–3,000 kgf) applicati attraverso una sfera di acciaio temprato per testare materiali come ghisa e leghe di alluminio.
Prova di durezza Rockwell: applica un carico minore (15 kgf) seguito da un carico maggiore (60, 100 o 150 kgf), rendendolo ideale per vari metalli e plastiche.
Prova Vickers: utilizza carichi molto leggeri (1 gf–1 kgf 1 gf–120 kgf 10 gf–100 kgf mm o n) per misurare materiali di piccole dimensioni.
Prova di durezza Knoop: utilizzare carichi molto leggeri (da pochi grammi a 50 kgf) per misurare con precisione materiali piccoli o sottili.
Prova di durezza Leeb: utilizza un dispositivo d'impatto con forza regolabile, a seconda del materiale e delle dimensioni della parte sottoposta a prova.
La scelta del carico di prova corretto garantisce valori di durezza accurati e ripetibili, consentendo agli ingegneri di confrontare i materiali in modo affidabile.
Standard di prova di durezza
Diverse organizzazioni hanno stabilito standard per garantire coerenza e accuratezza nelle prove di durezza. Due standard ampiamente accettati sono ASTM (American Society for Testing Materials) e ISO (International Organization for Standardization).
Questi standard aiutano produttori e laboratori a seguire procedure uniformi per la misurazione della durezza dei materiali. Alcuni standard ASTM e ISO comuni sono:
ASTM E10: specifica il metodo per la prova di durezza Brinell, garantendo risultati accurati per metalli fusi e componenti pesanti.
ASTM E18: descrive le procedure per il test di durezza Rockwell, comunemente utilizzato nelle applicazioni industriali.
ASTM E92: definisce le linee guida per il test di durezza Vickers, ideale per materiali sottili e test di microdurezza.
ISO 6506: simile all'ASTM E10, è un metodo standard per la prova di durezza Brinnell.
ISO 6508: stabilisce gli standard internazionali per i test di durezza Rockwell, garantendo la compatibilità globale.
ISO 6507: definisce gli standard per il test di durezza Vickers, concentrandosi su precisione e coerenza.
ISO 4545: riguarda la prova di durezza Knoop.
Il rispetto di questi standard di prova garantisce che le misurazioni della durezza siano accurate, riproducibili e confrontabili tra diversi settori e strutture di prova.
Perché dovresti eseguire i test di durezza?
L'esecuzione di prove di durezza è essenziale per garantire che i materiali soddisfino gli standard prestazionali e di sicurezza. I test prima e dopo la tempra a induzione e i trattamenti alla fiamma aiutano a verificare l'integrità strutturale del materiale. Ecco i motivi principali per cui le prove di durezza sono importanti:
Controllo qualità: i test di durezza aiutano i produttori a garantire che i loro materiali soddisfino le specifiche richieste prima della produzione.
Selezione del materiale: gli ingegneri possono confrontare diversi materiali e selezionare quello migliore in base al suo valore di durezza.
Valutazione della resistenza all'usura: i test di durezza forniscono informazioni sulla capacità di un materiale di resistere all'attrito e all'usura nel tempo.
Prevenzione dei guasti: i test aiutano a identificare i materiali deboli che potrebbero rompersi sotto stress, riducendo il rischio di guasti imprevisti nei macchinari e nelle strutture.
Ottimizzazione del processo: i processi di trattamento termico come la cementazione, la nitrurazione e la tempra a induzione possono essere regolati per ottenere i livelli di durezza desiderati.
I ripetuti controlli della durezza consentono alle attività industriali di aumentare la durabilità dei materiali attraverso l'ottimizzazione dei processi, che si traduce in prestazioni superiori del prodotto.
Conclusione
Le industrie che utilizzano materiali durevoli devono eseguire test di durezza corretti per comprendere la resistenza dei materiali. Questi test aiutano gli ingegneri a selezionare i materiali migliori, ottimizzare i processi di produzione e prevenire guasti nei componenti critici.