I materiali. I materiali. Introduzione al corso. Tecnologia di produzione I materiali. La misura della durezza

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1 I materiali I materiali Introduzione al corso Tecnologia di produzione I materiali Le prove meccaniche distruttive Prove non distruttive La meccanica dei materiali 006 Politecnico di Torino 1

2 Obiettivi della lezione Imparare a impiegare correttamente gli strumenti di misura Comprendere come utilizzare le misure di durezza per analizzare le caratteristiche dei materiali Conoscere i limiti e i punti di forza dei diversi metodi di misura della durezza 3 Bibliografia per la lezione Sistemi di Produzione A. Villa, G. Murari, D. Antonelli C.L.U.T. Editrice, 004 capitolo Manufacturing processes for engineering materials S. Kalpakjian Addison-Wesley Publishing Company, 1991 capitolo (paragrafo 6) Politecnico di Torino

3 Gli strumenti di misura La durezza: definizioni La prova Brinell Prove Vickers, Rockwell e Knoop Politecnico di Torino 3

4 Caratteristica di funzionamento Ingresso (E) Strumento di misura (trasduttore) Uscita (U) U = f(e ) 7 Proprietà degli strumenti di misura Sensibilità Accuratezza Ripetibilità Risoluzione Politecnico di Torino 4

5 Proprietà degli strumenti di misura Sensibilità capacità di uno strumento di rilevare anche le minime variazioni della grandezza misurata 9 La sensibilità assoluta Caratteristica non lineare U = f(e ) Sensibilità assoluta S A = du de Politecnico di Torino 5

6 La sensibilità assoluta Caratteristica non lineare Sensibilità assoluta U = f(e ) Variazione dell output dello strumento S A = du de 11 La sensibilità assoluta Caratteristica non lineare U = f(e ) Sensibilità assoluta S A = du de Variazione della grandezza da misurare Politecnico di Torino 6

7 La sensibilità assoluta Caratteristica lineare: U = K E S A = E U = K Quando la caratteristica si avvicina per un certo tratto alla retta si può individuare un campo di linearità del trasduttore 13 Il trasduttore induttivo di spostamento Segnale in uscita [V] 0 0 Spostamento [mm] Politecnico di Torino 7

8 Il trasduttore induttivo di spostamento Segnale in uscita [V] campo lineare di misura Spostamento [mm] 15 La sensibilità assoluta Il fattore di taratura F T = E U Limiti di specificazione della linearità U = k E ± 1, e fs Politecnico di Torino 8

9 Diagramma di taratura F T Limiti di specificazione Fattore di taratura medio U 17 La sensibilità relativa Sensibilità relativa al valore iniziale del misurando S R = U E E Politecnico di Torino 9

10 La sensibilità relativa Sensibilità relativa al valore d uscita S R = U U 1 E 19 Caratteristiche degli strumenti di misura Sensibilità Accuratezza massima differenza tra il valore della misura fornita dallo strumento e il valore reale della grandezza misurata Politecnico di Torino 10

11 Caratteristiche degli strumenti di misura Sensibilità Accuratezza Ripetibilità margine di variazione del valore ottenuto dallo strumento misurando la stessa grandezza alle stesse condizioni 1 Precisione e ripetibilità Accuratezza alta bassa Ripetibilità alta bassa 006 Politecnico di Torino 11

12 Caratteristiche degli strumenti di misura Sensibilità Accuratezza Ripetibilità Prontezza rapidità con cui lo strumento esegue la misura o rileva le variazioni della grandezza misurata Politecnico di Torino 1

13 Gli strumenti di misura La durezza: definizioni La prova Brinell Prove Vickers, Rockwell e Knoop 5 Prove di durezza: perché? Possono essere eseguite su pezzi già montati Politecnico di Torino 13

14 Prove di durezza: perché? Possono essere eseguite su pezzi già montati Non distruggono né alterano il pezzo o la parte di questo sottoposto alla prova 7 Prove di durezza: perché? Possono essere eseguite su pezzi già montati Non distruggono né alterano il pezzo o la parte di questo sottoposto alla prova Si eseguono con rapidità e con mezzi semplici Politecnico di Torino 14

15 Prove di durezza: perché? Possono essere eseguite su pezzi già montati Non distruggono né alterano il pezzo o la parte di questo sottoposto alla prova Si eseguono con rapidità e con mezzi semplici Sono prove facilmente automatizzabili 9 Prove di durezza: perché? Possono essere eseguite su pezzi già montati Non distruggono né alterano il pezzo o la parte di questo sottoposto alla prova Si eseguono con rapidità e con mezzi semplici Sono prove facilmente automatizzabili Sono indici di confronto delle proprietà meccaniche dei materiali, dei processi tecnologici e dei trattamenti termici Politecnico di Torino 15

16 Prove di durezza: perché? Consentono di risalire indirettamente a molte caratteristiche del materiale: resistenza a trazione tenacità incrudimento del materiale effetto di trattamenti termici lavorabilità alle macchine utensili resistenza all abrasione 31 Osservazioni La prova di durezza non consente di esprimere un giudizio esaustivo sullo stato del materiale I valori di durezza misurati dipendono dalle condizioni di prova Politecnico di Torino 16

17 Definizione della durezza di un materiale Punto di vista fisico resistenza alla deformazione elasto-plastica del materiale 33 Definizione della durezza di un materiale Punto di vista fisico Punto di vista mineralogico resistenza alla scalfittura (scala Mohs) Politecnico di Torino 17

18 Definizione della durezza di un materiale Punto di vista fisico Punto di vista mineralogico Punto di vista metallurgico resistenza superficiale che il materiale oppone alla penetrazione di un corpo 35 Durezza: grandezza strumentale Una grandezza è strumentale se i suoi valori sono espressi come punti di scale convenzionali interpolabili (UNI 4546) Politecnico di Torino 18

19 Durezza: grandezza strumentale Una grandezza è strumentale se i suoi valori sono espressi come punti di scale convenzionali interpolabili (UNI 4546) L unità di misura è un termine convenzionale (non esiste un campione naturale di durezza) 37 Durezza: grandezza strumentale Una grandezza è strumentale se i suoi valori sono espressi come punti di scale convenzionali interpolabili (UNI 4546) L unità di misura è un termine convenzionale (non esiste un campione naturale di durezza) Il rapporto tra due grandezze della stessa specie non ha significato Politecnico di Torino 19

20 Tipologie di prove di durezza Prove di Macrodurezza l impronta impressa dal penetratore interessa un notevole volume di materiale i carichi applicati sul penetratore sono compresi tra 10 N 50 kn esempi: prove Brinell, Vickers, Rockwell 39 Tipologie di prove di durezza Prove di Macrodurezza Prove di Microdurezza l impronta incide su un piccolissimo volume di materiale i carichi applicati variano tra 0.05 N 10 N esempi: prove Vickers, Knoop, Berkwitch Politecnico di Torino 0

21 I durometri Classificazione applicazione del carico (idraulico o meccanico) misurazione del carico (manometro o pendolo) 41 I durometri Classificazione applicazione del carico (idraulico o meccanico) misurazione del carico (manometro o pendolo) Tipologie di durometri universali (esecuzione secondo diversi metodi) speciali (esecuzione di un solo metodo) automatici o manuali fissi o portatili Politecnico di Torino 1

22 La prova Mohs Introdotta nel 18 Prova basata sulla capacità di un materiale più duro di scalfire uno più fragile La scala di Mohs è usata dai geologi, si può confrontare con la durezza Knoop 43 La prova Mohs È basata su una scala da 1 a 10 materiale più fragile è il talco (1) materiale più resistente è il diamante (10) Ogni materiale con un grado di durezza superiore può scalfire quelli di durezza minore Politecnico di Torino

23 Gli strumenti di misura La durezza: definizioni La prova Brinell Prove Vickers, Rockwell e Knoop Politecnico di Torino 3

24 La prova di durezza Brinell La prova consiste nel far penetrare nel pezzo una sfera di acciaio di diametro D con una forza F 47 La prova di durezza Brinell La prova consiste nel far penetrare nel pezzo una sfera di acciaio di diametro D con una forza F Si misura il diametro d dell impronta del penetratore sul pezzo Politecnico di Torino 4

25 La prova di durezza Brinell La prova consiste nel far penetrare nel pezzo una sfera di acciaio di diametro D con una forza F Si misura il diametro d dell impronta del penetratore sul pezzo Si ricava la durezza Brinell (sigla: HB) come rapporto tra carico applicato e superficie dell impronta 49 La prova di durezza Brinell La prova consiste nel far penetrare nel pezzo una sfera di acciaio di diametro D con una forza F Si misura il diametro d dell impronta del penetratore sul pezzo Si ricava la durezza Brinell (sigla: HB) come rapporto tra carico applicato e superficie dell impronta Fisicamente la misura corrisponde alla pressione di contatto Politecnico di Torino 5

26 La prova di durezza Brinell F D h d 51 La prova di durezza Brinell F D Carico di prova F Politecnico di Torino 6

27 La prova di durezza Brinell F D Diametro del penetratore D (standard: 10 mm) 53 Modalità di esecuzione della misura Si misurano su ogni impronta due diametri disposti ortogonalmente Per determinare la durezza, si prende la media di queste due letture Lo strumento di misura deve permettere la lettura del diametro delle impronte con una incertezza assoluta non superiore a 0,01 mm Politecnico di Torino 7

28 La prova di durezza Brinell D F Diametro dell impronta della calotta sferica h d 55 La prova di durezza Brinell D F Altezza dell impronta della calotta sferica h d Politecnico di Torino 8

29 Misura della durezza Brinell HB = P S Rapporto tra forza applicata e superficie della calotta sferica dell impronta [N / mm ] 57 Misura della durezza Brinell HB = P S S πd D = D d Politecnico di Torino 9

30 006 Politecnico di Torino Misura della durezza Brinell S P HB = = d D D D S π = d D D D P HB π 60 Misura della durezza Brinell S P HB = = d D D D S π = * 1 d D D D P g HB π = d D D D P HB π

31 Limitazioni della prova Brinell La prova è valida se è rispettata la condizione: 0, D d 0, 5 D 61 Limitazioni nell utilizzo della prova Brinell Se questa condizione non è verificata si procede ad una riduzione della forza applicata sul penetratore secondo la legge: P = k D Il campo di applicazione è limitato al fine di evitare la deformazione permanente della sfera Politecnico di Torino 31

32 Analisi di Meyer Il diametro dell impronta nella durezza Brinell non varia in modo lineare con il variare del carico applicato ma: P = a d n 63 Analisi di Meyer Il diametro dell impronta nella durezza Brinell non varia in modo lineare con il variare del carico applicato ma: P = a d n Resistenza del materiale alla penetrazione iniziale Politecnico di Torino 3

33 Analisi di Meyer Il diametro dell impronta nella durezza Brinell non varia in modo lineare con il variare del carico applicato ma: P = a d n Misura dell effetto della deformazione sulla durezza del metallo 65 Significato dell analisi di Meyer La resistenza alla penetrazione varia con la profondità di penetrazione della sfera Politecnico di Torino 33

34 Significato dell analisi di Meyer La resistenza alla penetrazione varia con la profondità di penetrazione della sfera La durezza dipende dalla geometria del penetratore 67 Significato dell analisi di Meyer La resistenza alla penetrazione varia con la profondità di penetrazione della sfera La durezza dipende dalla geometria del penetratore Con la definizione adottata per HB, la durezza varia in modo nonlineare al variare del carico Politecnico di Torino 34

35 Significato dell analisi di Meyer La resistenza alla penetrazione varia con la profondità di penetrazione della sfera La durezza dipende dalla geometria del penetratore Con la definizione adottata per HB, la durezza varia in modo nonlineare al variare del carico Ridefinendo la durezza come rapporto tra carico e il quadrato del diametro dell impronta l influenza della variazione del carico si riduce Politecnico di Torino 35

36 Gli strumenti di misura La durezza: definizioni La prova Brinell Prove Vickers, Rockwell e Knoop 71 La prova Vickers Si fa penetrare nel materiale in esame una punta di diamante a forma piramidale a base quadrata sottoponendo il penetratore a un carico prestabilito Il valore della durezza Vickers non varia con il carico Politecnico di Torino 36

37 Il metodo Vickers F 136 d 73 Il metodo Vickers F 136 d Il carico di prova è funzione del materiale e delle dimensioni del pezzo Politecnico di Torino 37

38 Misura della durezza Vickers HV = P S 75 Misura della durezza Vickers 136 P sin P HV = HV = S d Politecnico di Torino 38

39 Misura della durezza Vickers 136 P sin P HV = HV = S d HV P d 77 Caratteristiche della prova Vickers Non presenta limitazioni di utilizzo perché si può variare il carico di prova É una prova adatta a misure di microdurezza a causa dell impronta di piccole dimensioni La forma del penetratore quadrata rende meno incerta la misura dell impronta Politecnico di Torino 39

40 Il metodo Rockwell Rilevazione diretta tramite strumento di misura delle prove L indicazione della durezza è solo funzione della penetrazione della punta nel materiale A differenza delle altre prove viene definita da una scala convenzionale 79 Le scale Rockwell Esistono diverse scale Rockwell che si distinguono per alcuni elementi: tratto di scala di durezze coperto dimensioni del penetratore penetratore a cono o a sfera Politecnico di Torino 40

41 La prova di durezza Rockwell La prova si esegue in due tempi: precarico carico La misura è legata all incremento e della profondità dell impronta 81 La prova di durezza Rockwell F Politecnico di Torino 41

42 Esecuzione della prova Precarico di 10 kg e azzeramento del quadrante 83 Esecuzione della prova Aggiunta di un secondo carico di 140 kg Politecnico di Torino 4

43 Esecuzione della prova Sottrazione del carico e lettura sul quadrante della misura in gradi HR e 85 Esempi di misura HRC = e HRB = e Politecnico di Torino 43

44 La prova Knoop Utilizzo di un penetratore con punta in diamante a forma di piramide allungata 87 La prova Knoop Utilizzo di un penetratore con punta in diamante a forma di piramide allungata Il carico varia tra 0.5 N 50 N Politecnico di Torino 44

45 La prova Knoop Utilizzo di un penetratore con punta in diamante a forma di piramide allungata Il carico varia tra 0.5 N 50 N La larghezza dell impronta (L) varia tra 0,01 0,10 mm 89 La prova Knoop Utilizzo di un penetratore con punta in diamante a forma di piramide allungata Il carico varia tra 0.5 N 50 N La larghezza dell impronta (L) varia tra 0,01 0,10 mm La prova Knoop è un test di microdurezza Politecnico di Torino 45

46 Misura della durezza Knoop HK = 0,10 14, P L Lunghezza dell asse principale dell impronta L 91 Utilizzo della prova Knoop Provini piccoli o sottili Materiali fragili Misure di durezza su singoli grani Politecnico di Torino 46

47 Confronto tra scale HV o HB Mohs Carburo di tantalio Ceramiche di alumina Vetri policristallini Acciai al manganese Titanio Acciai al carbonio Alluminio Magnesio Leghe di piombo Piombo Diamante Corindone Topazio Quarzo Feldspato Apatite Fluorite Calcite Gesso Talco 93 Sommario della lezione Ogni strumento di misura ha un campo e dei limiti di utilizzo che devono essere ben compresi per impiegarli correttamente Politecnico di Torino 47

48 Sommario della lezione Ogni strumento di misura ha un campo e dei limiti di utilizzo che devono essere ben compresi per impiegarli correttamente è una grandezza di tipo strumentale 95 Sommario della lezione Ogni strumento di misura ha un campo e dei limiti di utilizzo che devono essere ben compresi per impiegarli correttamente è una grandezza di tipo strumentale La prova Brinell è la prima e più diffusa tra le misure di durezza ma ha dei limiti evidenziati dall analisi di Meyer Politecnico di Torino 48

49 Sommario della lezione Ogni strumento di misura ha un campo e dei limiti di utilizzo che devono essere ben compresi per impiegarli correttamente è una grandezza di tipo strumentale La prova Brinell è la prima e più diffusa tra le misure di durezza ma ha dei limiti evidenziati dall analisi di Meyer Le prove Vickers, Rockwell e Knoop sono più recenti e risolvono i difetti della prova Brinell Domande di riepilogo Politecnico di Torino 49