Dal laboratorio alla produzione: perchè la prova di durezza di un materiale è la chiave per valutare resistenza, usura e affidabilità prestazionale.
Rieccoci in un nuovo capitolo della nostra rubrica “messi alla prova“! Per la prima volta scopriremo di un test facente parte di quelle che abbiamo definito nel primo capitolo “prove non distruttive“, ossia quelle analisi che in linea di principio possono essere svolte tranquillamente anche su un pezzo definitivo, “buono” per essere venduto. Ad esempio, qualora volessimo analizzare la durezza su una superficie di un articolo di grandi dimensioni e in un’area che non ne inficia il perfetto utilizzo come la superficie temprata di una ruota dentata di un motore navale.
Ci addentreremo in un altro aspetto fondamentale della tecnologia meccanica: la prova di durezza. Anche se meno spettacolare della resilienza, o ancor più della trazione, la prova di durezza di un materiale rivela molto sulla sua resistenza all’usura e alla deformazione permanente, parametri essenziali per ingegneri e progettisti.
Un breve salto nel passato
La prova di durezza ha radici profonde che risalgono ai primi esperimenti di metallurgia. Uno dei metodi più celebri, la scala di Mohs, fu sviluppato da Friedrich Mohs nel 1812 per classificare i minerali in base alla loro capacità di graffiare altri materiali (vedi tabella). Oggi, l’indagine sulla durezza è fondamentale nell’industria grazie a standard come la scala Rockwell, Brinell e Vickers, che forniscono misure precise della resistenza di un materiale.
Che cos’è la prova di durezza?
In termini semplici, la prova di durezza misura la resistenza di un materiale alla deformazione permanente. Si esegue applicando una forza controllata tramite un penetratore su un campione di materiale e misurando la profondità o la dimensione dell’impronta. Immagina di scegliere il materiale giusto per una ruota dentata o per la lamiera che utilizzerai per costruire uno scivolo di un impianto di materiali da cava: devi sapere se resisterà all’usura quotidiana senza perdere le sue proprietà essenziali.
La procedura del test
La prova di durezza si svolge in un laboratorio attrezzato anche se oggigiorno esistono anche apparecchiature portatili (durometri) che forniscono indicazioni precise in maniera estremamente comoda e veloce (vedi Figura 1). A seconda del metodo utilizzato, il campione può essere sottoposto a diversi tipi di penetratori (Figura 2):
- Brinell: utilizza una sfera di acciaio o carburo di tungsteno
- Rockwell: impiega un cono di diamante o una sfera d’acciaio
- Vickers: si avvale di una piramide di diamante
Il campione viene posizionato sotto il penetratore e una forza viene applicata per un tempo determinato. La misura della durezza si ottiene dal calcolo della superficie o della profondità dell’impronta. È fondamentale che il test venga eseguito su superfici levigate e pulite per garantire risultati accurati. Nello specifico, la formula della durezza Brinell è la seguente:
Dove:
- F è la forza applicata sul penetratore, espressa in newton (N)
- D è il diametro della sfera del penetratore, espresso in millimetri (mm)
- d è il diametro dell’impronta lasciata sulla superficie del materiale, espresso in millimetri (mm)
Curiosità: il famosissimo acciaio altoresistenziale antiusura Hardox di SSAB, deve il numero che segue il nome proprio alla durezza Brinell! Ad esempio: Hardox 450 o Hardox 500.
La formula della durezza Rockwell è invece la seguente:
Dove:
- N è un numero costante che varia a seconda della scala Rockwell utilizzata (ad esempio, 100 per la scala Rockwell C)
- h è la profondità permanente di penetrazione, misurata in millimetri (mm), che si verifica dopo la rimozione del carico minore
La prova di durezza Rockwell è caratterizzata dall’applicazione di un carico minore iniziale, seguito da un carico maggiore, e quindi dal rilascio del carico maggiore per misurare la profondità di penetrazione residua. Le scale Rockwell più comuni sono:
- Scala Rockwell C (HRC): utilizza un penetratore a cono di diamante e un carico maggiore di 150 kgf
- Scala Rockwell B (HRB): utilizza una sfera d’acciaio da 1/16 di pollice e un carico maggiore di 100 kgf
Queste scale consentono di misurare la durezza di diversi materiali, dai metalli duri a quelli più morbidi.
Infine, la formula della durezza Vickers è la seguente:
Dove:
- F è la forza applicata sul penetratore, espressa in chilogrammi-forza (kgf)
- d è la diagonale media dell’impronta lasciata sulla superficie del materiale, espressa in millimetri (mm)
Il valore 1.8544 è un fattore costante derivato dalla geometria del penetratore Vickers, che è una piramide quadrata di diamante con un angolo di 136 gradi tra le facce opposte. La prova di durezza Vickers è molto versatile e può essere utilizzata per misurare la durezza di materiali molto duri e sottili, grazie alla precisione nel misurare l’impronta lasciata dal penetratore.
L’interpretazione dei risultati
I risultati delle prove di durezza forniscono indicazioni cruciali sulle proprietà meccaniche di un materiale: un alto valore di durezza indica una buona resistenza all’usura e alla deformazione, ideale per componenti soggetti a stress continuo. Tuttavia, un materiale troppo duro può essere fragile, un compromesso che deve essere considerato attentamente.
Fattori influenzanti
La durezza di un materiale può essere influenzata da diversi fattori, tra cui la sua composizione chimica, il trattamento termico e la microstruttura. Ad esempio, un acciaio temprato avrà una durezza significativamente maggiore rispetto a uno non trattato. È essenziale testare i materiali in condizioni reali per comprendere appieno le loro capacità.
Le correlazioni empiriche
È intuitivo comprendere che più un materiale è duro e più è resistente alla trazione. Esistono delle correlazioni basate su prove empiriche e possono fornire una stima della resistenza a rottura di un materiale, a partire dalla sua durezza attraverso delle semplici tabelle di conversione che, tuttavia, possono variare sulla base degli eventuali trattamenti termici superficiali e al tipo di materiale. Indicativamente per le leghe ferrose la conversione tra la durezza con metodo Brinell e la resistenza a trazione è:
dove σ (sigma minuscolo) indica la resistenza a rottura in megapascals (MPa).
Le applicazioni pratiche
Immagina di lavorare nel settore aerospaziale: scegliere materiali con la giusta durezza è fondamentale per garantire la sicurezza e l’efficienza dei componenti aerei. Allo stesso modo, nell’industria automobilistica, la durezza delle superfici di contatto nei motori è cruciale per la durata del veicolo.
In conclusione, la prova di durezza non è solo una misura tecnica, ma una garanzia di prestazioni e affidabilità nei materiali. Capire le proprietà meccaniche e le designazioni di durezza è essenziale per i professionisti del settore.
Spero che questo articolo vi abbia fornito una visione chiara e interessante di questa fondamentale prova. Alla prossima!
