Durezza e prove di durezza PDF

Corso di Metallurgia Durezza e prove di durezza Copyright © 2020 G.M. La Vecchia – Università di Brescia Tutti i diritti riservati  Durezza Vantaggi: prova semplice e rapida, può essere di tipo “non distruttivo”; utile per il control...

Corso di Metallurgia Durezza e prove di durezza Copyright © 2020 G.M. La Vecchia – Università di Brescia Tutti i diritti riservati  Durezza Vantaggi: prova semplice e rapida, può essere di tipo “non distruttivo”; utile per il controllo della microstruttura e quindi delle proprietà meccaniche; ideale per il controllo della produzione e della qualità del prodotto. 2  Durezza La maggior parte delle prove di durezza delle leghe metalliche rientra nel gruppo di prove statiche derivando dalla misura dell’impronta lasciata sulla superficie del campione da un penetratore adeguatamente caricato che presenta una ridotta velocità di traslazione. 3  Durezza Esistono diverse prove di durezza tutte normate. Tra le prove di durezza quelle più utilizzate per caratterizzare le leghe metalliche sono le prove: Brinell, Vickers e Rockwell Si distinguono per: Tipo di penetratore; Carico applicato; Tecnica di misura dell’impronta. 4 Che definizione danno gli ingegneri al concetto di durezza? In genere utilizzano il concetto tecnologico Durezza: misura della resistenza di un materiale alla deformazione plastica. Misurabile attraverso la determinazione della resistenza che oppone il materiale alla penetrazione da parte di un secondo corpo, di durezza maggiore rispetto a quello da misurare e di geometria definita, al quale è applicato un carico di entità nota in direzione perpendicolare alla superficie da esaminare. Esempio di durometro 5 Meno frequentemente e in genere per verificare un componente in esercizio e quindi in assenza di un campione prelevato dal pezzo per la misura è possibile fare riferimento anche a: Il più utilizzato durometro portatile che rientra nel gruppo di prove di rimbalzo è l’Equotip. Vantaggi: impronte piccole, prova non distruttiva. Limiti: misure meno precise di quelle ottenute con le misure di durezza acquisite sui campioni; misura su spessori limitati di materiale in zone spesso alterate dalle finiture superficiali; le zone sottoposte a prova spesso non sono piane. 6 E’ possibile classificare le prove di durezza anche in base al livello di carico applicato al penetratore e conseguentemente alla dimensione dell’impronta in: - Macrodurezze - Microdurezze Ingranaggio con denti - Nanoindentazioni induriti superficialmente Misure di microdurezza per ricavare il profilo di indurimento Prove di nanoindentazione Film sottili (es. 1-5 mm) necessità di limitare l’affondamento 7 8 Prove di macrodurezza Il penetratore normalmente deve agire su una superficie liscia e piana, esente da ossidi ed impurezze superficiali. Le norme di riferimento richiedono un certo grado di planarità ed una corretta finitura superficiale (vincoli su Ra). La misura della rugosità Ra, espressa in micron, è il valore medio aritmetico degli scostamenti (presi in valore assoluto) del profilo reale della superficie rispetto alla linea media. Misura della rugosità Ra 9 Prove di macrodurezza La finitura superficiale, vincolata dalla rugosità del campione, cambia in funzione del tipo di prova utilizzata. Dovendo misurare la dimensione dell’impronta lasciata sul pezzo, tanto minore è il carico applicato tanto maggiore sarà il grado di finitura richiesto per assicurare una buona lettura dell’impronta con un errore di misura accettabile. Impronta di microdurezza (carico applicato 25 gr) Impronta di macrodurezza ad Immagine osservata a 400x osservazione visiva Necessità di un microscopio ottico 10 Prove di macrodurezza - metodi principali Brinell Vickers Rockwell Differenze: Forma e materiale del penetratore Carico applicato Grandezza geometrica misurata 11 Durezza Brinell Penetratore a forma di sfera su cui il carico di prova viene applicato perpendicolarmente alla superficie del pezzo da misurare. Il durometro Brinell è dotato di penetratori sferici di diverso diametro e consente di modificare il livello di carico da applicare in funzione del materiale da caratterizzare. Attenzione: La sfera utilizzata come penetratore ha un massimo di durezza. Non deve essere deformata durante la prova testando materiali con durezza pari o superiore a quelle del materiale da caratterizzare (es. carburi o diamante industriale, rivestimenti antiusura, ecc.). Limiti: durezza massima del materiale da testare vincolata da normativa. 12 Durezza Brinell: Sfera di acciaio temprato → max HB = 400 Sfera in Widia (carburo di tungsteno + cobalto) → max HB = 600 Dati da riportare sul certificato di prova: Es: HB=100 H=Hardness; B= Brinell 100 = misura espressa in punti della scala Brinell 13 Durezza Brinell: Durante la prova viene applicata al penetratore una forza F perpendicolare alla superficie del pezzo, opportunamente preparata. La forza F viene storicamente espressa in kgf, anziché in Newton. Forz Diametro a F D h d 2 F Durezza HB = (   D  D − D2 − d2 ) Tipicamente: come unità di misura: D (mm), d (mm), F (kgf). D = 10 mm F = 500-3000 kgf 14  2 F Durezza HB = (   D  D − D2 − d2 ) F d1 d1 + d 2 t d2 d= 2 d La durezza Brinell viene indicata con il simbolo HB, la norma UNI prevede che questo sia seguito da D=…[ mm ], F=…[ kgf ], t=…[ s ]. Possono essere omessi solo nelle condizioni normali di prova. Es. per un acciaio: D = 10 mm, F = 3000 kgf, t = 30 s 15 Posso affermare che la prova di durezza Brinell come tutte le prove meccaniche consente di: ??? 16 Durezza Brinell: Nella pratica al variare del diametro della sfera come posso garantire la costanza dell’angolo di penetrazione? 17 Angolo di penetrazione: Tangenti tra sfera e bordi dell’impronta Procedura eccessivamente complessa! 18 Durezza Brinell: Nella pratica si opera come segue: 19 Durezza Brinell: 20 Durezza Brinell: Perché le norme impongono questi vincoli? 21 R. Se l’impronta interagisce con una zona di materiale deformato plasticamente dall’impronta precedente si otterrà una misura che risente dell’incrudimento del materiale- Tale misura è dipendente non solo dal materiale da testare ma anche dalle condizioni di prova utilizzate. La misura che ottengo NON è corretta. Un materiale incrudito presenta variazioni nelle proprietà tensili (Rm, A, Z) ma anche nella durezza a causa dell’aumentato numero di dislocazioni. 22  F (kgf). F Durezza HV: Penetrazione h: 23 24 (Brinell: d = 10 mm, F = 3000 kgf) 25 26 27 28 29 30 Durezza Rockwell: Valori di F0: - Scala A, B, C = 98,1 N - Scala N, T = 29,4 N Valori di F1: - Scala A = 490,3 N - Scala B = 882,6 N - Scala C = 1372,9 N - Scala N, T = Carichi variabili tra 117,7 N e 411,9 N 31 32 Durezza Rockwell: Vantaggi: ✓ facilità e rapidità di esecuzione. ✓ Assenza di misure ottiche (misuro un affondamento non delle diagonali di un’impronta!!!!). ✓ Possibilità di automatizzare la misura. ✓ Il recupero elastico del materiale viene tenuto in considerazione durante la misura. Svantaggi: ✓ Valori di durezza non convenzionali. ✓ Correlazioni poco precise con gli altri metodi. 33 Esistono tabelle di conversione da una scala di durezza all’altra. Misurare con una scala e convertire in un’altra introduce degli errori ! E’ possibile anche fare una prima valutazione di massima del carico di rottura del materiale a partire dai valori di durezza. Per avere però un dato certificabile è però necessario effettuare la prova di trazione!!! 34  Prove di microdurezza Possibilità di usare penetratori di geometria differente per ottenere affondamenti più o meno contenuti. Carichi applicati al penetratore notevolmente inferiori a quelli delle prove di macrodurezza (sempre < 1 kg). Per misurare la profondità di indurimento durezza associata ad es. ai trattamenti termochimici di cementazione o di nitrurazione. Distanza dalla superficie, mm Durezza di un costituente strutturale 35 Prove di microdurezza Penetratori di uso comune per prove di macro e microdurezza: Penetratori utilizzati per prove di microdurezza 36 Prove di microdurezza Il carico massimo da applicare in una prova di microdurezza dipende anche dal tipo di penetratore utilizzato e dal grado di affondamento che vogliamo assicurare durante la misura. Ad esempio i rivestimenti sottili (spessori nell’ordine di pochi micron) sono problematici da caratterizzare anche con prove di microdurezza nanoindentazione. Le prove di microdurezza possono essere utilizzate invece per caratterizzare rivestimenti di maggior spessore (es. zincature, nichelature, ecc). 37 Prove di microdurezza Il microdurometro più utilizzato a livello industriale è quello che impiega un penetratore Vickers e il massimo carico applicabile è in questo caso è 1 kg. Ordine di grandezza dei carichi minimi applicabili sono invece nell’ordine dei 5-10 g. Con le prove di microdurezza impostando il minimo carico applicabile al penetratore è possibile fare misure sui diversi costituenti strutturali. Esempio di utilizzo della prova di microdurezza per caratterizzare cordoni di saldatura 38 Le diverse prove di durezza sono vincolate da normative alle quali bisogna attenersi 39