Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - UdA n 2: Materia e Materiali - Prova di durezza Vickers DUREZZA

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1 DUREZZA La durezza é comunemente intesa come la resistenza di un materiale a lasciarsi penetrare da un corpo più duro. Su tale principio si basano le più importanti prove di durezza: Brinell, Rockwell, Vickers. La durezza si può anche definire come la resistenza di piccole porzioni di materia alle sollecitazioni che tendono a spostarle localmente. Nelle leghe metalliche la durezza aumenta a causa dell incrudimento dovuto alle lavorazioni a freddo, a causa delle tensioni interne provocate ancora dalle lavorazioni meccaniche o da alcuni trattamenti termici (es.: tempra); la durezza dipende dalla struttura cristallina del materiale e dalla sua elasticità. La durezza é una proprietà meccanica dei materiali. La prova di durezza é, quasi sempre, una prova non distruttiva; talvolta però l impronta lasciata dal penetratore rende l oggetto (per esempio una ruota dentata, una guida o un perno lavorato) non più utilizzabile. Le prove di durezza sono importantissime dal punto di vista tecnologico perché consentono di risalire indirettamente a molte caratteristiche dei materiali, come la resistenza a trazione, la tenacità, la lavorabilità alle macchine utensili ecc. Si distinguono prove di macrodurezza e prove di microdurezza. 1) Prove di macrodurezza sono quelle in cui i carichi applicati variano da 2 N a 30 kn e l impronta lasciata dal penetratore é di grandi dimensioni e visibile ad occhio nudo. La durezza, in questo caso, dipende dall insieme dei cristalli che costituiscono la struttura metallica, ciascuno dei quali partecipa in modo diverso a seconda delle proprie caratteristiche. 2) Prove di microdurezza sono quelle in cui i carichi applicati sono generalmente intorno a 2 N (secondo la norma UNI ISO 4516 inferiori a 10 N) e l impronta lasciata dal penetratore è di piccolissime dimensioni, interessa generalmente un solo cristallo ed é visibile solo col microscopio. Le prove di durezza si svolgono mediante macchine dette durometri. Le prove, nella loro generalità, consistono nel far penetrare nel pezzo da provare un penetratore (diverso nella forma e nel materiale a seconda del metodo utilizzato) mediante un carico F (diverso a seconda del materiale e del metodo utilizzato) e nel misurare la lunghezza media d (diametro, diagonale) o la profondità h dell impronta lasciata sulla superficie del pezzo dopo aver tolto il carico. I metodi più noti di misura della durezza sono Brinell, Rockwell e Vickers. Vi sono però anche altri metodi come quello Shore, Knoop, Herbert ecc. Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano - Pag. 1

2 PROVA DI DUREZZA VICKERS (secondo UNI e UNI EN ISO 6507) La prova di durezza Vickers è stata introdotta successivamente al metodo Brinell, di cui si può considerare un estensione ed un perfezionamento. La prova, infatti, ha un campo di applicazione pressoché illimitato e non necessita il cambiamento del penetratore. Il valore di durezza Vickers non dipende dal carico applicato ma rimane costante al variare della forza applicata e poiché il penetratore, a forma di piramide di diamante, ha un angolo al vertice di 136, il numero che esprime il valore di durezza Vickers (HV) é equivalente al numero che esprime il valore di durezza Brinell (HBS) ottenuto nelle condizioni di prova ideale (d/d = 0,375). La prova Vickers, previo accordo tra le parti, può essere effettuata anche su materiali non metallici. La prova Vickers consiste nel far penetrare, nel pezzo di cui si vuol saggiare la durezza, un penetratore formato da una punta di diamante a vertice acuto, con forma di piramide retta a base quadrata e angolo al vertice di 136, sul quale viene applicata una forza F per un prestabilito intervallo di tempo. Il carico di prova deve essere applicato gradatamente, senza urti e raggiungere il suo valore massimo senza interruzioni nel tempo previsto di 2 8 secondi; la durata di permanenza del carico massimo deve essere di secondi; Dopo aver tolto il carico é necessario misurare la diagonale dell impronta lasciata sulla superficie del pezzo (per ogni impronta leggere le due diagonali e calcolarne la media) e misurare l area della stessa impronta. Si definisce durezza Vickers HV il rapporto tra il carico F, applicato sull asse del penetratore, e la superficie S dell impronta lasciata dal penetratore. HV = F / S [kgf/mm 2 ] Questo tipo di prova è particolarmente indicata per materiali molto duri (dato che il penetratore é di diamante). La pratica ha confermato che tale metodo di misurazione della durezza offre grandi vantaggi e la macchina (durometro universale, la stessa per la prova Brinell) è stata appositamente costruita per fornire un esecuzione rapida e precisa delle misure. I carichi di prova vengono applicati direttamente agendo sui pulsanti posti generalmente o frontalmente o lateralmente all incastellatura della macchina. L impronta é proiettata su uno schermo superiore dove appare ingrandita in modo tale da poter misurare le diagonali con la necessaria precisione. Essendo l impronta di forma quadrata risulta più facile la misurazione rispetto ad una circolare. Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano - Pag. 2

3 Lo spessore minimo del pezzo deve avere valore tale, che nessun segno di deformazione appaia visibile sulla faccia opposta della provetta. Lo spessore minimo non deve essere minore di 1,5 volte la diagonale dell impronta d. La superficie del pezzo su cui viene fatta la prova deve essere liscia, levigata e pulita, dato che le impronte lasciate dal penetratore Vickers sono molto piccole. E consigliabile la pulitura metallografica quando questo metodo non porta alcuna alterazione. La superficie può essere piana oppure curva, ma con raggio non inferiore a 5 mm. Nella zona intorno ad una impronta il materiale risulta incrudito per cui la sua durezza aumenta; pertanto eventuali misure in vicinanza di un impronta darebbero luogo a valori sfalsati di durezza. Anche in vicinanza dei bordi si possono rilevare misurazioni errate a causa del cedimento del materiale. Per evitare queste cause d errore le norme UNI prescrivono che tra il centro di un impronta ed il bordo del pezzo deve esserci una distanza > 2,5 * d nel caso di acciai, rame e sue leghe (essendo d la diagonale dell impronta). Tra il centro di due impronte, per tali materiali, deve esserci invece una distanza > 3 * d. Nel caso di metalli leggeri come l alluminio la distanza dal bordo deve essere > 3 * d e la distanza tra due impronte > 6 * d. Carichi di prova Le norme UNI prescrivono una forza compresa tra N (corrispondente a Kg) applicata con la precisione di ± 1%. Per la prova Vickers si adottano i carichi: 1, 2, 5, 10, 30 (Kg) ovvero 9,81 19,62-49,05 98,1 294,3 (N). Il carico di prova normale per l acciaio é di 294,2 N (pari a 30 kg). In condizioni particolari possono essere utilizzati carichi differenti (per esempio nel caso di prove su alluminio e sue leghe si adotta un carico di 49,03 N (pari a 5 kg) e di 98,7 N (pari a 10 kg). Nel caso di prova su ghisa, dove é opportuno interessare un grande volume di materiale data l eterogeneità strutturale della lega, é bene utilizzare carichi di prova elevati. La misurazione delle dimensioni dell impronta, che è sempre molto piccola, è fatta per mezzo di un microscopio o tramite il proiettore oculare dotato di righello mobile di cui é dotato lo stesso durometro universale. Dalla dimensione delle due diagonali misurate si risale alla durezza Vickers, calcolandola con la seguente formula: HV = F / S [kgf/mm 2 ] o meglio HV = 0,102 F / S [N/mm 2 ] dove F è la forza applicata ed S la superficie dell impronta. Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano - Pag. 3

4 Il rilevamento della durezza Vickers presenta come unica difficoltà il calcolo della misura di S, vale a dire la misura dell area dell impronta piramidale lasciata dal penetratore dopo l esecuzione della prova: essa deve essere calcolata con la misura della diagonale d dell impronta. L area S corrisponde alla somma delle aree delle quattro facce laterali: S tot = 4 S i S 1 = a * h/2 con h l altezza del triangolo Ma: a = d * sen 45 = d/ 2 con d la diagonale dell impronta Inoltre h = (a/2)/sen 68 Effettuando le necessarie sostituzioni, risulta infine: S = d² / 1,854 E quindi la formula per calcolare la durezza Vickers diviene: HV = 0,189 * (F / d²) [N/mm 2 ] o meglio: HV = 1,854 * (F / d²) [kg/mm 2 ] Si devono effettuare varie impronte ed il valore della diagonale d deve essere la media delle due diagonali di almeno tre impronte. I valori della durezza Vickers sono indipendenti dal carico applicato sui provini di qualsiasi materiale. La forma dell impronta Vickers può variare a seconda del materiale. La figura a lato mette a confronto la forma della piramide regolare quadrata (a) con quella a cuscino che si ha nel caso di materiali dolci (b) e con quella a botte di materiali duri (c). Indicazione della durezza Vickers La durezza Vickers é identificata dal simbolo HV preceduto dal valore della durezza e seguito dai valori della forza applicata in kgf e del tempo di mantenimento della forza stessa (quando diverso dal valore normalizzato di s). Esempio: 400 HV 30/20 dove: 400 = durezza Vickers 30 = carico di prova in kgf 20 = tempo di mantenimento del carico (diverso da quello normalizzato che é s). Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano - Pag. 4

5 Poiché al variare della forza applicata si ha una proporzionale variazione dell area dell impronta, il valore della durezza Vickers si mantiene costante. Le norme non prevedono alcun procedimento per la conversione dei valori della durezza Vickers in altre scale o in valori di resistenza a trazione. Esiste tuttavia una relazione empirica tra il carico di rottura del materiale e la durezza Vickers. Tale relazione é la seguente: Rm = 1/3 * HV Si può evidenziare il rapporto esistente tra la durezza Vickers e la durezza Brinell. Le due scale sono formulate sullo stesso principio: sul grafico si nota che le durezze coincidono fino a circa 350 unità Brinell-Vickers. Deve essere controllato spesso lo stato di conservazione del penetratore, utilizzando una lente d ingrandimento. Il vertice della piramide di diamante deve risultare acuto, privo di scheggiature e di deformazioni; le facce devono risultare levigate e con gli spigoli netti, privi di smussi e di incrinature. Non sono considerate valide le prove con impronte irregolari, cioè con contorno non nitido. Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano - Pag. 5

6 Tabella di conversione dei valori della durezza degli acciai e corrispondenza con la resistenza a trazione Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano - Pag. 6

7 Tabella di conversione dei valori della durezza per materiali non ferrosi Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano - Pag. 7

8 Microdurezza Si parla di microdurezza quando la durezza é misurata con carichi di prova molto inferiori rispetto a quelli utilizzati per le prove di durezza normali ed unificate. Ciò può essere necessario quando si hanno pezzi di limitate dimensioni o di piccolo spessore o nel caso di materiali fragili, che non possono sopportare carichi grandi, o quando si voglia determinare la durezza di singoli cristalli. Tra vari metodi esistenti, la microdurezza può essere valutata anche col metodo Vickers, utilizzando quindi il durometro universale ed il penetratore di diamante a forma di piramide retta a base quadrata con angolo al vertice di 136. La microdurezza Vickers viene espressa dall espressione: HV = 1,854 * (0,102 * F)/d 2 = 0,189 * F/d 2 con F il carico di prova in [N] e d il valore in [mm]della media aritmetica delle due diagonali dell impronta. Il carico di prova varia tra 0,01 e 10 [N]. Il provino su cui si effettua la prova di microdurezza deve avere spessore s (3/2) * d. La distanza tra le impronte e tra l impronta ed il bordo del provino deve essere l d/2. Le prove effettuate con valori differenti della forza hanno dimostrato che la microdurezza aumenta con legge esponenziale quando il carico applicato diminuisce. Tale comportamento é dovuto probabilmente al fatto che la deformazione elasticità del materiale non é presa in considerazione. In pratica il valore rilevato risulta superiore a quello reale quanto più l impronta é piccola. Al limite, se si utilizzasse un carico piccolissimo, tutta la deformazione sarebbe elastica e quindi, quando viene tolta la forza applicata, non c é impronta ed il valore della durezza tenderebbe all infinito. Per valori piccoli del carico c é cioè un aumento apparente della durezza, che comincia ad avere valori realistici con l aumentare del carico applicato. Quando si entra nel campo della macrodurezza il valore di HV si mantiene costante. In definitiva: se il carico applicato é piccolo, solo gli strati superficiali ne risentono. Per questo é necessario indicare la forza applicata. Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano - Pag. 8

9 Esempio: 340 HV 0,15/20 dove 330 é il valore medio ottenuto in almeno cinque prove, 0,15 é il carico applicato in [N] e 20 il tempo di applicazione del carico in secondi. Le norme prevedono che oltre al valore medio della durezza possano essere in dicati i valori massimo e minimo riscontrati in almeno cinque prove. Esempio: 350 a 330 HV 0,15/20 Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano - Pag. 9