Nella scienza dei materiali, la prova di durezza svolge un ruolo importante nell'analisi e nel controllo della qualità, soprattutto per quanto riguarda stress e usura. È un metodo essenziale per valutare durezza dei materiali ed è ampiamente utilizzato in settori che vanno dall'automotive all'edilizia, dall'ingegneria biomedica alla ricerca. Questo articolo esplora i principi fondamentali, i metodi di prova, le attrezzature e le procedure coinvolte nelle prove di durezza.
Contenuti
Che cosa sono le prove di durezza?
La prova di durezza è un processo che verifica la capacità di un materiale di resistere alla deformazione, soprattutto quando viene incisa in modo permanente sulla superficie da un materiale più duro. Misura la profondità o la dimensione dell'impronta lasciata da un penetratore duro sotto un carico standard. In parole povere, è un metodo che aiuta a determinare il livello di durezza di un materiale.
Le prove di durezza affondano le loro radici nel 1812, quando Friedrich Mohs introdusse una scala di durezza a dieci punti che classifica i minerali dal talco (1) al diamante (10). Seguirono i moderni metodi strumentali: Brinell (indentazione con sfera nel 1900), Shore Scleroscope (rimbalzo nel 1907), Rockwell (profondità nel 1919), Vickers (piramide di diamante nel 1921) e Knoop (microindentazione nel 1939).
Metodi di prova della durezza
Esistono diversi tipi di metodi di prova di durezza, classificati come metodi di prova dinamici o metodi di prova statici. Vediamo alcuni di quelli più comunemente utilizzati:
Prova di durezza Rockwell (HR)
Test di durezza Rockwell Misura la durezza di un materiale premendo un cono di diamante sulla sua superficie sotto un carico specifico e misurando poi la profondità dell'indentazione risultante. Questo metodo è rapido, semplice e privo di stress. È utile principalmente nei test su acciai e leghe per il controllo qualità.
Prova di durezza Brinell (HB)
A differenza del metodo Rockwell, il Prova di durezza Brinell Utilizza una sfera di acciaio o carburo per creare un'impronta sulla superficie del materiale, che viene poi misurata per determinarne la durezza. Applica anche un carico, ma misura il diametro dell'impronta per valutare la durezza del materiale. La particolarità di questo metodo è la sua elevata efficacia nel testare materiali con superfici irregolari e ruvide. Viene applicato principalmente per testare getti e forgiati.
Prova di durezza Vickers (HV)
A differenza dei metodi precedentemente menzionati che misurano la profondità e il diametro dell'indentazione, Prova di durezza Vickers Il metodo Vickers è diverso. Misura la lunghezza delle diagonali del segno ottenuto penetrando il campione di prova con una piramide di diamante a 136°. Tuttavia, un aspetto è simile: applica anche un carico fisso. Il metodo Vickers è unico perché può essere utilizzato per testare un'ampia varietà di materiali come ceramiche, metalli e compositi.
Prova di durezza di Mohs
Come accennato in precedenza, Prova di durezza di Mohs Misura la durezza di un materiale in base alla sua capacità di graffiarne un altro. È un processo semplice che applica procedure qualitative ed è adatto per testare minerali e campioni utilizzati nei processi geologici.
Test di durezza Knoop
Prova di durezza Knoop È noto per la sua unicità nel testare materiali piccoli e minuscoli come rivestimenti e film sottili. I carichi applicati sono piccoli e il penetratore che penetra il campione di prova è sottile e lungo, con una punta fine. La misurazione viene eseguita concentrandosi solo sulla lunghezza delle diagonali lunghe.
Attrezzatura per prove di durezza
Ogni specifico metodo di prova di durezza ha la sua configurazione unica, tuttavia la maggior parte dei metodi comunemente utilizzati generalmente è costituita da queste quattro importanti apparecchiature:
- Un penetratore utilizzato per penetrare il materiale di prova e creare un segno o un'indentazione (sfera in acciaio, diamante o carburo).
- Un sistema che applica il carico o la forza necessari.
- Un mezzo per osservare e misurare il segno o l'indentazione lasciati dal tempo potrebbe essere una bilancia o un microscopio; in alcuni casi è automatizzato.
- Naturalmente, ogni macchina deve essere calibrata di tanto in tanto per funzionare in modo ottimale, lo stesso vale per le apparecchiature per le prove di durezza.
Procedura del test di durezza
Sebbene le procedure varino leggermente a seconda del metodo, i passaggi generali includono:
Preparazione del campione
La superficie di prova deve essere liscia, pulita e priva di calcare o rivestimenti, a meno che l'obiettivo non sia testare superfici rivestite.
Applicazione del carico
L'indentatore viene premuto sulla superficie sotto un carico specificato per un certo periodo di tempo.
Misurazione dell'indentazione
La profondità o il diametro/diagonale dell'indentazione vengono misurati utilizzando strumenti ottici o elettronici.
Calcolo della durezza
La macchina o l'operatore calcola un valore di durezza basandosi su formule standard.
Applicazioni delle prove di durezza
- Processo di controllo e confronto dei livelli di durezza dei materiali per una selezione adeguata in base alle esigenze applicative.
- Verificare i processi di trattamento termico confermandone l'efficacia, ad esempio processi come la tempra o la tempra
- Garantire e controllare la qualità della produzione nei processi di fabbricazione verificando la presenza di errori o difetti.
- Controllo del trattamento superficiale mediante valutazione della durezza dei rivestimenti, della galvanica o della nitrurazione.
Vantaggi e limiti di ciascun metodo
| Metodo | Vantaggi | Limiti |
|---|---|---|
| Rockwell | Veloce e facile da usare | Limitato per materiali molto sottili |
| Brinell | Ideale per superfici ruvide | Meno preciso, grande rientranza |
| Vickers | Preciso, universale | Richiede tempo |
| Moh | Semplice, adatto al campo | Soggettivo, qualitativo |
| Nodo | Alta risoluzione per strati sottili | Richiede abilità e superfici pulite |
FAQ
Perché il test di durezza Vickers è preferito per i componenti realizzati con metallurgia delle polveri?
Parti di metallurgia delle polveri mantengono un certo livello di porosità residua e un penetratore a raggio ampio può colpire un poro e fornire una lettura ingannevolmente bassa. Il metodo Vickers utilizza una piramide di diamante che lascia un'impronta molto piccola, quindi la misurazione può essere collocata interamente all'interno di una zona completamente densa. Il basso carico di prova registra quindi la durezza intrinseca della matrice metallica piuttosto che la durezza "apparente" complessiva della struttura porosa. Per i metalli sinterizzati, HV5, HV10 e HV20 sono gli intervalli di carico standard raccomandati.
I test di durezza possono danneggiare il materiale?
Dipende dal metodo di prova di durezza. Questo perché i metodi di prova di durezza si dividono in prove di durezza distruttive (ad esempio Rockwell, Brinell, Vickers) e prove di durezza non distruttive (ad esempio durometri Leeb portatili). Le prove di durezza distruttive lasciano danni permanenti al materiale di prova dopo l'indentazione, mentre le prove di durezza non distruttive lasciano una piccola deformazione che non influisce sul materiale o sulle sue proprietà.
Esiste uno standard per la prova di durezza?
Sì, i test di durezza sono conformi a standard diversi come ASTM e ISO. Ad esempio, ASTM E10 e ISO 6506 guidano entrambi il test di durezza Brinell, mentre ASTM E18 e ISO 6508 sono per il test di durezza Rockwell.
Quali sono le fonti di errore da controllare quando si eseguono prove di durezza?
Gli errori durante i test di durezza possono derivare da diverse fonti: dall'operatore, al materiale di prova, all'attrezzatura e persino al processo di prova stesso, per citarne alcuni;
- Quando la superficie del campione di prova non è adeguatamente preparata per la prova.
- Applicazione del carico non uniforme.
- Deriva della calibrazione dovuta a un errore dell'apparecchiatura.
- Utilizzo di un penetratore danneggiato, usurato o non correttamente allineato.
- Errore umano nella lettura dei risultati.
Qual è la differenza tra i metodi di prova di durezza dinamica e quelli di prova di durezza statica?
I metodi di prova di durezza dinamica prevedono un processo in cui il carico viene applicato improvvisamente con un rapido aumento del carico. Viene misurata la velocità di rimbalzo (convertita in numero di durezza), ad esempio nei test di durezza Leeb e Shore Scleroscopic. I metodi di prova di durezza statica, invece, utilizzano un carico costante o un carico gradualmente aumentato. Misurano invece la profondità di indentazione, come nei test Brinell, Vickers e Knoop.