Il controllo della durezza dei materiali

In meccanica si parla spesso della durezza dei materiali, ma il più delle volte non è ben chiaro cosa si intenda esattamente con il termine “durezza”; inoltre, sono conosciuti solo in modo approssimativo i vari sistemi di misurazione di questa caratteristica dei materiali.

Con il termine durezza si indica un valore numerico relativo alle caratteristiche di “resistenza alla deformazione permanente”.

Si tratta quindi di una caratteristica che indica la deformabilità plastica del materiale.

In base ai diversi metodi di misurazione della durezza vengono individuate diverse scale, le più comuni delle quali sono:

Le diverse prove di durezza sono sostanzialmente basate sulla individuazione della resistenza di un materiale a lasciarsi penetrare da un altro.

Nel “Sistema internazionale di unità di misura” non esiste un’unità di misura fondamentale per la durezza.

Inoltre, le varie scale ottenute con i diversi sistemi di misura non possono essere comparate fra loro in modo preciso.

Esistono delle tabelle di conversione tra le diverse scale di durezza, ma sono approssimative.

Nella industria dell’autotrazione, si usano per gli ingranaggi, degli acciai con diverse caratteristiche.

Un parametro che indica approssimativamente la lavorabilità di un acciaio è appunto la sua durezza.

È prassi normale controllare la durezza allo stato di ricottura isotermica, di bonifica e di temprato.

durezza dei materiali
Fig. 1 – Penetratore sferico tipo Brinell.

In questo caso, si usano normalmente le scale Brinell (HB) o Rockwell (HRC).

È anche importante il controllo della durezza degli utensili, specie quelli in HSS come creatori e coltelli stozzatori e qui si utilizza quasi sempre la scala Rockwell (HRC).

Misura della durezza con metodo Brinell

Il penetratore usato con questo metodo è di forma sferica in acciaio temprato o in metallo duro (carburo sinterizzato).

Viene applicato un carico noto che genera un’impronta sul, pezzo da controllare.

Il rapporto tra la forza applicata e la superficie dell’impronta indica la durezza Brinell (fig. 1).

H = F/S dove F indica la forza peso in kg e S la superficie dell’impronta in mm2.

Poiché l’impronta è una calotta sferica si può calcolare la sua superficie e quindi il rapporto di cui sopra con la seguente formula:

durezza dei materiali

 

(1)

 

dove D è il diametro del penetratore e d è il diametro dell’impronta.

La prova con penetratore in acciaio temprato è generalmente considerata affidabile quando il valore trovato è inferiore a 350, mentre deve essere inferiore a 650 se si usa il penetratore in metallo duro.

Misura della durezza con metodo Vickers

La scala Vickers è una scala di valori ottenuta dalla prova di durezza Vickers (fig. 2).

durezza dei materiali
Fig. 2 – Impronta del penetratore tipo Vickers.

I risultati ottenuti sono generalmente equiparabili, con la dovuta approssimazione, ai valori in scala Brinell.

Nella prova Vickers il penetratore di diamante è costituito da una piramide retta a base quadrata con un angolo di θ = 136°.

Quello che si misura è il rapporto fra il carico applicato e la superficie dell’impronta.

Poiché l’impronta ricalca la piramide a base quadrata del penetratore la sua superficie si calcola con:

durezza dei materiali

 

(2)

 

Il carico applicato varia da 1 kg a 120 kg.

 

Misura della durezza con metodo Rockwell

La procedura per la misurazione della durezza con questo metodo è un po’ più complessa rispetto i metodi precedentemente descritti.

Infatti, si possono usare due diversi tipi di penetratore:

  1. Il primo è un cono in diamante con apertura di 120° e raggio di raccordo sul vertice di 0,2 mm; si usa prevalentemente su materiali molto duri, cioè con valori di durezza Brinell HB>200;
  2. Il secondo tipo di penetratore è una sfera in metallo duro con un diametro di 1/16” (1,59 mm) usato per materiali con durezza HB<200.

Se si usa il penetratore conico la durezza rilevato si indica con la sigla HRC (Hardness Rockwell Cone), mentre se si usa il penetratore sferico la durezza si indica con la sigla HRB (Hardness Rockwell Ball).

La procedura si svolge in tre fasi (fig. 3):

durezza dei materiali
Fig.3 – Schema delle tre fasi per la misura della durezza HRB.
  • Si posiziona il penetratore sulla superficie da controllare applicando un precarico di circa 100 N o di circa 30 N.
  • Si applica poi un carico che può variare da circa 500 N (Scala A), 1500 N (scala C), 900 N (Scala D). Il tempo di carico è di 4±2 secondi. La scala C è la più usata.
  • Quando il penetratore raggiunge la penetrazione massima si rimuove la forza addizionale lasciando il precarico che agisce ancora sul pezzo. La misura della profondità raggiunta serve per determinare la misura di durezza con la formula 3:

durezza dei materiali

 

(3)

 

cioè

  (HR = 100 – e)                                                                                                        (4)

Dove: h è la profondità di penetrazione residua del penetratore in millimetri; in sostanza è la profondità dell’impronta dopo aver tolto il carico per eliminare la deformazione elastica; e rappresenta le unità Rockwell ognuna delle quali corrisponde a 0,002 mm.

Per la determinazione della durezza HRB si applica un precarico di 130 N e la formula di cui sopra diventa:

durezza dei materiali

                                                                                   (5)

 

Con un carico di 980 N si ottiene la scala HRB-B mentre con un carico di 29,4 N si ottiene la scala HRB-T.

Nell’industria meccanica le scale più usate sono la Rockwell HRC, la Brinell HB, e la Vickers HV ed è quindi di una certa utilità la tabella di comparazione di queste tre grandezze anche se, come si è già detto, il confronto non è del tutto preciso.

Nella tabella 1 sono quindi comparati i valori delle scale di cui sopra.

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Durezza secondo la scala di Mohs

La scala di Mohs è un criterio empirico per la valutazione della durezza dei materiali.

Essa assume come riferimento la durezza di dieci minerali numerati progressivamente da 1 a 10, tali che ciascuno è in grado di scalfire quello che lo precede ed è scalfito da quello che lo segue.

Per determinare la durezza di un minerale non si fa altro che provare quale minerale della scala esso scalfisca e da quale sia scalfitto.

Nella tabella 2 sono riportate le durezze e le caratteristiche dei minerali considerati.

La scala di Rosiwal è un’evoluzione della scala di Mohs che viene utilizzata per identificare la durezza di un minerale. Tali valori sono indicati talvolta come durezza assoluta.

In questa scala viene attribuito il valore di 1000 alla durezza del corindone e la durezza degli altri minerali viene determinata con prove di laboratorio che misurano la loro resistenza all’abrasione.

Misura della durezza con metodo Knoop

La scala di Knoop è un sistema di misurazione della durezza dei materiali, impiegato specialmente per materiali molto duri e fragili, come per esempio ceramica e vetro.

La prova di durezza Knoop viene fatta con un apparecchio simile a quello usato per determinare la durezza Vickers.

Il penetratore anche in questo caso ha una punta di diamante piramidale, ma con base romboidale allungata anziché quadrata come nella prova Vickers.

Il carico applicato varia normalmente da 5 a 25 kg.

È chiamata anche “prova di micro-durezza” perché le dimensioni dell’impronta vengono lette con un microscopio.

Una volta noto il carico applicato P (in kg) e la lunghezza L dell’impronta lungo la diagonale maggiore (in mm), il valore HK di durezza nella scala di Knoop viene calcolato con la formula 6:

 

(6)

 

dove Cp  è un fattore di correzione dipendente dalla forma del penetratore, normalmente 0,070279.

Il valore ottenuto ha quindi la dimensione di kg/mm2.

Valori indicativi della durezza Knoop comparati con le scale di Mohs e di Rosiwal sono riportati nella tabella 2.

Quanto detto finora è valido per la misura della durezza su pezzi di un certo spessore, ma non vale per la determinazione della durezza di film sottili, come possono essere i ricoprimenti del tipo TiN o similari.

Poiché lo spessore dello strato ricoprente è piccolo, non sono validi i metodi tradizionali per il rilievo della durezza, cioè Brinell, Rockwell, Vickers ecc.

Infatti, nel caso dei rivestimenti, l’attendibilità della misura della durezza dipende dal rapporto fra la profondità di misura e lo spessore del rivestimento stesso, che non dovrebbe superare 1/10, altrimenti il valore trovato potrebbe essere influenzato dalla durezza del materiale su cui il rivestimento è depositato.

Nel caso di rivestimenti “tradizionali” (rivestimenti galvanici, nichelature chimiche, cromature a spessore, ecc.), in cui gli spessori sono dell’ordine del decimo di millimetro, si parla di micro-durezza (l’indentatore procede per profondità di centesimi di millimetro).

Nel caso di rivestimenti PVD o CVD, in cui gli spessori in gioco sono dell’ordine del millesimo di millimetro (micron), è necessario effettuare indentazioni profonde pochi millesimi di micron (nanometri), misurando cioè la nano-durezza.

Si parla allora di rilievo della nano-durezza espressa in GPa (Giga Pascal).

Questa si basa sulla misura dell’impronta lasciata da un indentatore a forma piramidale in diamante (del tipo usato per la misura Vickers), che penetra il film per pochi nm.

In particolare, si fa riferimento all’analisi della curva di carico/scarico in cui il valore di carico applicato viene riportato su un grafico in funzione della corrispondente area dell’impronta lasciata.

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Fig. 4 – Schema controllo nano-durezza.

Dopo aver raggiunto un carico massimo predeterminato (o una profondità massima) lo stesso viene ridotto e la profondità di penetrazione decresce perché il materiale recupera elasticità.

È proprio dalla pendenza della curva di scarico che vengono determinate le proprietà elastiche. La durezza è derivata dalla profondità residua della curva di scarico.

La nano-durezza, come si è detto, si misura in GPa e si ricava dalla seguente formula:

 

(7)

 

dove A(hc) è l’area dell’impronta permanente, cioè quella che rimane dopo il rilascio del carico F.

FN è la componente normale della forza applicata; hmax la profondità massima raggiunta dall’indentatore durante una misura; hf è la profondità dell’impronta permanente dopo ogni misura; hc è l’altezza per la quale il materiale segue la forma dell’indentatore, in pratica viene esclusa la slabbratura dell’impronta; hs = hmax – hc.

Come si può osservare nella figura 5, la profondità dell’impronta permanente, nel caso rappresentato, è di poco più di 600 nanometri (0,6 micrometri).

Come esempio, nella tabella 3, sono riportati i valori della nano-durezza di alcuni materiali.

Fig. 5 – Curve di carico e scarico della profondità dell’impronta

Cosa è un Giga Pascal? Letteralmente vuol dire un miliardo di Pascal.

Il Pascal è l’unità di misura della pressione, e precisamente è un Newton per metro quadrato: Pa = N/m2

È una pressione molto piccola; tanto per rendersi conto sarebbe la pressione che esercita un etto di zucchero sparso uniformemente su un metro quadrato. Se trasformiamo i N in kg (forza peso) e il m2 in mm2 si ha:

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(8)

 

Quindi 1 GPa corrisponde a 100 kg/mm2.

durezza dei materiali

di Gianfranco Bianco