prove di durezza

Materie:	Altro
Categoria:	Tecnologia Meccanica
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Data:	22.05.2006
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PROPRIETA’ MECCANICHE

Le proprietà meccaniche di un materiale determinano i limiti di impiegabilità del materiale stesso in applicazioni in cui esso debba sostenere un carico o resistere ad uno sforzo. La determinazione e la valutazione delle proprietà meccaniche dei materiali sono di fondamentale importanza nella normativa, anche se esiste il problema della discrepanza tra i valori di resistenza teorica e quelli di resistenza effettiva.
Il termine “resistenza” è ambiguo e deve essere specificato, poiché esistono vari tipi di resistenza meccanica: resistenza teorica, alla compressione, alla trazione, alla flessione, alla frattura, ecc..Per quanto detto vengono eseguite delle prove sui materiali.

PROVE SUI MATERIALI

Le caratteristiche dei materiali che si intende adoperare devono essere riconosciute per mezzo di prove, che pongono in evidenza la resistenza e il modo di deformarsi del materiale sotto l’azione delle forze esterne.
• Nelle prove statiche di rottura il carico cresce in misura piuttosto lenta;
• nelle prove ad urto il carico raggiunge il valore massimo in piccole frazioni di secondo;
• nelle prove di scorrimento, condotte soltanto a caldo, il carico è tenuto costante per lungo tempo;
• nelle prove a fatica si hanno variazioni di sforzo ripetute un gran numero di volte.

PROVE DI RESISTENZA

E’ compito dei laboratori di tecnologia determinare i limiti di resistenza dei diversi materiali alle diverse sollecitazioni. In tali laboratori si preparano i "provini", cioè dei "pezzi" opportunamente sagomati e dimensionati, i quali vengono sottoposti a prove condotte secondo norme ISO. I risultati ottenuti sui provini vengono estesi agli oggetti costruiti con lo stesso materiale e sottoposti allo stesso tipo di azione.
Si conducono prove di trazione, di compressione, di flessione,di durezza ecc. che possono essere semplici o variamente combinate fra loro, di tipo statico o dinamico, periodiche o uniche, a freddo e a caldo, speciali e normali, ecc. a seconda delle esigenze.
Tutti i risultati vengono riportati su tabelle o su diagrammi per utilizzare relativi dati in occasioni successive. Anche se esistono questi diagrammi e tabelle spesso occorre eseguire delle prove sui materiali stessi per avere dati precisi.
Di queste prove la durezza è una delle più importanti per le sue caratteristiche che di seguito andranno illustrate.

SCOPO DELLA PROVA DI DUREZZA

Le prove di durezza sono eseguite per ottenere un indice convenzionale dal quale trarre informazioni sulle qualità e sulle proprietà del materiale.
La prova di durezza è una delle più importanti e delle più utilizzate che si eseguono in laboratorio, la definizione di durezza non è unica, infatti, si tratta di una proprietà convenzionale dei materiali che dipende dal metodo utilizzato per rilevarla.
I valori della durezza vengono determinati secondo vari metodi, fra i quali sono più comunemente impiegati quelli Brinell, Vickers e Rockwell. Ogni metodo usa un diverso penetratore e un valore diverso del carico. Se, su uno stesso materiale, eseguiamo prova di durezza con metodi differenti otteniamo indici differenti.
Perciò, nel fornire gli indici di durezza dei materiali, si deve sempre indicare il tipo di prova effettuata.
Dopo il numero che dà l’indice di durezza si deve indicare il tipo di prova: HB (Brinell), HR (Rockwell), HV (Vickers).
In metallurgia per durezza s’intende la resistenza che un materiale oppone alla penetrazione di un materiale più duro secondo una compressione localizzata.

Considerando la sola durezza metallurgica, le prove si dividono in:
a) Prove di durezza per penetrazione statica;
b) Prove di durezza per penetrazione dinamica.

Le prove del punto “a” costituiscono il gruppo maggiore ai fini industriali e si dividono in:
a) Prove di macrodurezza;
b) Prove di microdurezza.

Le prove di durezza sono molto in uso perché hanno diversi vantaggi:
• non richiedono provette, potendosi eseguire direttamente sul pezzo in esame;
• non distruggono ne alterano l’organo sottoposto alla prova;
• forniscono indici di confronto per un giudizio sulle qualità dei materiali;
• consentono di stabilire il grado di lavorabilità alle macchine utensili di un pezzo;
• consentono di valutare con buona approssimazione, la resistenza a trazione degli acciai.

Al crescere della temperatura la durezza diminuisce.

PROVE DI DUREZZA

La durezza è una misura della resistenza di un metallo alla deformazione plastica permanente. La durezza di un metallo viene misurata comprimendo un penetratore sulla sua superficie; il penetratore, che è solitamente una sfera, una piramide o un cono, è costituito da un materiale molto più duro del materiale che viene provato, i materiali comunemente usati per i penetratori sono, per esempio, l’acciaio temperato, il carburo di tungsteno o il diamante. La maggior parte delle prove di durezza standardizzate prevede la lenta applicazione di una forza nota, che comprime il penetratore in direzione perpendicolare alla superficie del metallo in prova. Dopo aver realizzato l’impronta il penetratore viene tolto dalla superficie. Viene quindi calcolato o letto direttamente sulla macchina di prova un valore empirico di durezza, basato sull’area dell’impronta o sulla sua profondità.
Il valore della durezza con ciascuna delle prove Brinell, Vickers e Rockwell dipende dalla forma dell’impronta e dalla forza applicata.
Essendo ricavati in modo sostanzialmente convenzionale, i valori di durezza ottenuti con metodi diversi o con scale diverse non sono correlabili tra loro. Se non per mezzo di tabelle di conversione di tipo prettamente sperimentale e valide per singoli classi di materiali.
Inoltre poiché la durezza di un metallo dipende dalla facilità con cui esso si deforma plasticamente; per singole classi di materiali si possono determinare empiricamente delle correlazioni tra durezza e resistenza meccanica, in particolare carico di rottura; questo tipo di correlazione è molto utile in quanto la prova di durezza è molto più semplice da realizzare della prova di trazione, e può essere praticamente di tipo non distruttivo (cioè la piccola impronta del penetratore può non essere dannosa ai fini dell’utilizzo di un oggetto); per queste ragioni, nell’industria si fa un ampio ricorso alla prova di durezza sia per avere una stima delle caratteristiche di resistenza di un materiale sia come metodo di controllo di qualità, in particolare per verificare l’efficienza di trattamento di indurimento dei materiali.
Molto importante dire che per le prove di durezza non si usano le macchine universali, ma macchine dedicate, dette durometri.

Durometro di Galileo Proiettore di profili

Nelle nostre prove utilizziamo un durometro di Galileo che ci può indicare direttamente i valori di durezza dei materiali nella scala Rockwell B e C. Questo si utilizzerà sia per le prove Rockwell sia per le prove Brinell e Vickers, con la sola differenza che nelle ultime due prove dovremo rilevare il profilo dell’impronta sul pezzo, cui vogliamo rilevare la durezza, sul proiettore di profili.
Questo durometro ha un funzionamento molto semplice. Si sistema il provino sulla parte superiore del vitone, dopo di che si muove il volantino per avvicinare il provino al penetratore. Quando il provino tocca il penetratore sullo schermo viene individuato un movimento sulla scala, quindi tramite la ghiera si applica un precarico di 10 kg che si riesce ad individuare grazie a una linea di riferimento sullo schermo.
Il carico che andrà a sollecitare il provino sarà dato da un sistema di leve in modo tale da avere un carico elevato con dei pesi non eccessivi. Inoltre il carico deve essere applicato in modo graduale e questo avviene tramite un freno ad olio che impiega circa 8 secondi per applicarlo completamente.
Dopo aver spiegato il funzionamento del durometro di Galileo si passerà ad analizzare una ad una i tre metodi di rilevamento della durezza.

DUREZZA BRINELL

La norma che illustra le modalità di esecuzione della prova di durezza Brinell è la UNI EN ISO 6506

Il metodo di durezza Brinell viene usato in prevalenza per materiali teneri, quali acciai dolci, ottoni, leghe leggere. Questo è stato ideato dal metallurgico Brinell e consiste nel premere una sfera levigata d’acciaio temperato o di metallo duro di diametro “D”, per un prestabilito intervallo di tempo, con una prestabilita forza “F”(carico di prova), contro la superficie del pezzo o della provetta in esame e nel misurare il diametro medio “d” dell’impronta dopo la rimozione del carico di prova.
La durezza risulta, per un certo carico, inversamente proporzionale alla superficie dell’impronta lasciata dalla sfera sul pezzo.
Il diametro D della sfera di solito è di 10mm e il carico F più usato è di 3000 Kg (29.400 N).
Per materiali più teneri, il carico può essere diminuito sino a 50 Kg (49 N), ciò per evitare che la sfera penetri interamente nel materiale, sfondandolo.
Il carico massimo deve essere raggiunto gradualmente e mantenuto per un tempo variabile da 10 a 15 secondi.
Lo spessore del pezzo in prova deve essere almeno 8 volte la profondità dell’impronta.
Il diametro dell’impronta d deve essere compreso fra un quarto e la metà del diametro della sfera D, altrimenti la prova non è valida.

Impronta:calotta sferica

L’indice di durezza Brinell è dato dal rapporto fra il valore del carico F e la superficie S dell’impronta riscontrabile sul materiale. Il suo simbolo è espresso con la sigla HB.

con F espresso in newton (N).
Il fattore 0,102 introdotto nella formula ha l’unico scopo di non mutare gli indici HB determinati in passato, esprimendo F in Kgf. Quindi si inserirà il fattore 0,102 solo se la forza la esprimiamo in newton.
Con il simbolo S si indica il valore della superficie dell’impronta che sarà una calotta sferica. Con la seguente formula si individua la superficie della calotta sferica:

S= π*d*h

Ma per individuare il valore dell’altezza occorre fare alcuni passaggi matematici che portano ad una formula definitiva della durezza brinell con le seguenti grndezze come riportata:

Si moltiplica per il valore 0.102 per ottenere i valori confrontabili con quelli delle prove precedenti all’uscita della normativa ISO, in cui i valori non si potevano più esprimere in Kgf, ma bisognava esprimerli in N.

Il carico che si applicherà al provino non sarà casuale ma dovrà seguire delle determinate regole e relazioni. La relazione a cui ci si deve attenere obbligatoriamente per svolgere una prova accettabile è la seguente:

F = K* D2

Dove per “K” si indica una costante del materiale di cui si fa la prova. Facendo un esempio, volendoci calcolare il carico per materiale metallico ( cui K=30) e ammettendo di voler usare un penetratore di diametro di 2,5 mm si avrà un carico:

F = 30* (2.5)2

F = 187.5 Kg

Per poter individuare semplicemente i carichi da inserire esistono delle tabelle come riportato sotto cui viene indicato materiale e diametro penetratore.

Diametro D in mm
Spessore provino in mm
Acciai
ghise K=30 F(Kg)
Alluminio
Leghe leggere K=10 F(Kg)
Ottone K=5
F(Kg)
Materiali teneri K=2.5 F(Kg)
Piombo materiali più teneri K=1 F(Kg)
Materiali tenerissimi K=0.5 F(Kg)
10
>6
3000
1000
1500
100
100
50
5
3-6
750
250
125
25
25
11.5
2.5
1.5-3
187.5
62.5
31.25
6.5
6.5
3.1
2
1.5-3
120
40
20
4
4
2
1