Prove di durezza dei metalli: Test Rockwell, Brinell, Vickers, Knoop e Leeb

Nella scienza e nell’ingegneria dei materiali, i test di durezza sono fondamentali per valutare la resistenza di un materiale alla deformazione, che ha un impatto diretto sulla sua durata, resistenza all’usura e prestazioni in varie applicazioni. Comprendere la durezza di un materiale è essenziale per determinare la sua idoneità a specifiche applicazioni.

I test di durezza più frequentemente citati nelle schede tecniche dei materiali sono quelli di Rockwell, Brinell e Vickers, dove Rockwell è il più diffuso per via del suo processo rapido e diretto, specialmente in contesti industriali. I test di durezza Leeb e Knoop hanno usi specializzati e sono meno comunemente citati nelle schede tecniche dei materiali standard per via delle loro applicazioni specifiche e degli ambienti di prova.

Comparazione dei metodi di test di durezza

Di seguito è riportata una tabella di riferimento rapido che confronta i diversi metodi di prova della durezza in termini di materiali idonei, vantaggi e svantaggi, applicazioni, intervallo di carico, tipo di penetratore e standard applicabili.

Tabella di conversione della prova di durezza

I valori sottostanti vengono stimati in base a fattori di conversione ampiamente accettati come l‘ASTM E140, che fornisce linee guida per la conversione dei numeri di durezza tra varie scale come Rockwell, Brinell e Vickers. I valori esatti possono variare leggermente a seconda del materiale e delle condizioni di prova specifiche. Se un numero rientra tra due valori di durezza, basta interpolare i risultati per ottenerne una stima.

Una tabella di conversione è particolarmente utile per fornire un metodo standardizzato e confrontare i risultati di test diversi, garantendo coerenza tra diversi metodi di test e settori industriali (i dati forniti di seguito sono un’approssimazione).

Scelta del miglior metodo di prova di durezza per la vostra applicazione

La tabella seguente fornisce una panoramica di diversi materiali, tra cui i metalli, insieme ai corrispondenti metodi di prova di durezza applicabili a ciascuno. La tabella categorizza i materiali in base alla loro capacità di sottoporsi a test di durezza specifici, come Rockwell, Brinell, Vickers ed altri. 

Questa ripartizione concisa aiuta a scegliere il metodo di prova appropriato per diversi materiali, garantendo misurazioni accurate e affidabili.

Anche se questa tabella rappresenta solo i test di durezza dei metalli, anche i polimeri e gli elastomeri possono essere testati mediante metodi di prova leggermente diversi (ad esempio, la durezza Shore).

Test di durezza Rockwell

Il test di Rockwell è un metodo ampiamente utilizzato per determinare la durezza dei materiali, specialmente in ambienti di test ad alti volumi, grazie alla sua velocità, semplicità ed efficienza. Fornisce letture di durezza dirette senza la necessità di calcoli aggiuntivi, rendendolo ideale per controlli qualità di routine. 

Il test di Rockwell è particolarmente adatto per materiali più duri come acciai e leghe, dove piccole penetrazioni e la precisione della misurazione delle loro profondità offrono risultati affidabili. Richiede inoltre meno abilità da parte dell’operatore e riduce la probabilità di errore umano rispetto ad altri metodi, come il Brinell, rendendolo una scelta preferita in contesti di produzione in cui velocità e facilità d’uso sono fondamentali.

Scale di durezza Rockwell

Metodologia Rockwell

Il test di durezza Rockwell prevede l’applicazione di una sequenza di carichi al materiale e la misurazione della profondità di penetrazione risultante, che indica la durezza del materiale. Ecco la descrizione del processo passo dopo passo:

1. Applicare il carico preliminare
   • Iniziare applicando un carico minore di 10 kgf al materiale.
   • Questo carico iniziale aiuta a stabilire un punto di partenza coerente ed elimina le irregolarità superficiali.
2. Stabilizzare il carico
   • Lasciare che il carico minore si stabilizzi, assicurandosi che il penetratore sia posizionato correttamente sul materiale.
3. Applicare un carico maggiore
   • Una volta che il carico minore è stabile, applicare il carico maggiore.
   • Il carico principale può variare da 60 a 150 kgf, a seconda della scala Rockwell specifica utilizzata.
   • Questo carico crea una rientranza più profonda nel materiale.
4. Mantenere il carico
   • Mantenere il carico principale per un periodo di tempo prestabilito.
   • Questo consente al materiale di rispondere pienamente alla forza applicata.
5. Rimuovere il carico maggiore
   • Una volta trascorso il tempo richiesto, rimuovere il carico principale mantenendo al suo posto quello secondario.
6. Misurare la penetrazione
   • Misurare la profondità della penetrazione finale rispetto alla posizione iniziale del carico minore.
   • La misurazione viene registrata in unità di 0,002 mm.

Il valore di durezza Rockwell, calcolato automaticamente dal sistema di test, rappresenta questa profondità: valori più alti indicano materiali più duri con intaccature meno profonde, mentre valori più bassi corrispondono a materiali più morbidi con intaccature più profonde.

Troubleshooting

• Preparazione della superficie: Assicurarsi che la superficie di prova sia pulita, liscia e priva di rivestimenti o contaminanti che possano compromettere l’impronta.
• Calibrazione: Calibrare regolarmente il tester e verificare eventuali problemi meccanici con il penetratore o con il sistema di caricamento.
• Carico appropriato: Verificare che i carichi preliminari e quelli principali siano applicati correttamente, evitando una forza eccessiva che potrebbe danneggiare la superficie o un carico insufficiente che causerebbe letture imprecise.

Test di durezza Brinell

Il test di durezza Brinell è ideale per misurare la durezza di metalli con strutture granulari grossolane o disomogenee, come ghisa e metalli più morbidi ad esempio le leghe di alluminio. Misura il diametro di un penetratore più grande, facendo la media delle variazioni nella microstruttura del materiale, e fornendo un valore di durezza più rappresentativo per materiali con proprietà non uniformi.

Il test di Brinell è particolarmente utile per misurare materiali più morbidi o quando è necessaria un’area di penetrazione più ampia per l’analisi. Al contrario, Rockwell è più adatto per materiali più duri e scenari che richiedono letture rapide e dirette, ma può essere meno accurato per materiali con microstrutture variabili.

Scale di durezza Brinell

Metodologia

Il test di Brinell misura la durezza del materiale determinando il diametro di un penetratore rappresentato da una sfera di acciaio temprato o di carburo sotto un carico specifico. Il carico, solitamente compreso tra 500 e 3.000 kgf, viene applicato alla superficie del materiale per 10-15 secondi, consentendo alla sfera di penetrare e creare un’indentatura.

Dopo che il carico è stato rimosso, il diametro del penetratore viene misurato tramite un microscopio. Il valore di durezza Brinell viene calcolato in base al carico applicato e all’area superficiale del penetratore, con diametri maggiori che indicano materiali più morbidi e diametri minori che rappresentano materiali più duri.

Troubleshooting

• Applicazione della forza corretta: Assicurarsi di applicare la forza corretta per il materiale da testare, poiché una forza eccessiva o insufficiente può causare forme di impronta errate.
• Omogeneità del materiale: Verificare l’uniformità del materiale; campioni non omogenei possono dare origine a rientranze irregolari.
• Misura accurata: Utilizzare un ingrandimento e un’illuminazione adeguati per misurare con precisione il diametro dell’impronta ed evitare errori di parallasse assicurandosi che la misurazione venga effettuata direttamente sulla rientranza.

Test di durezza Vickers

Il test di durezza Vickers è un metodo versatile e preciso adatto a un’ampia gamma di materiali, dai metalli morbidi alle ceramiche dure, ed è particolarmente prezioso per i test di microdurezza che richiedono misurazioni piccole e accurate. Utilizza un penetratore piramidale diamantato, creando una rientranza uniforme indipendentemente dalla durezza del materiale, il che garantisce risultati altamente accurati.

A differenza del test di Brinell, adatto per materiali con strutture a grana grossa, o del test Rockwell, ideale per test rapidi e ad alto volume, il metodo Vickers eccelle nel testare campioni molto piccoli o sottili e fornisce dati dettagliati sulla microdurezza. Questo aspetto lo rende particolarmente utile nella ricerca, nella scienza dei materiali e nelle applicazioni che richiedono dettagli e precisione.

Scale di durezza di Vickers

Il test HV (Vickers Hardness Number ovvero Numero di durezza Vickers) può essere eseguito con carichi che vanno da 1 gf a 100 kgf. La versatilità nell’intervallo di carico consente di utilizzarlo per test di micro e macro durezza.

Metodologia

Il test di durezza Vickers misura la durezza del materiale determinando la dimensione di una rientranza realizzata da un penetratore diamantato a forma di piramide sotto un carico specifico. Un carico che va da 1 gf a 100 kgf viene applicato alla superficie del materiale, creando un’impronta di forma quadrata. Dopo che il carico è stato rimosso, le diagonali della rientranza vengono misurate utilizzando un microscopio.

L’HV viene calcolato in base al carico applicato e all’area dell’impronta. Rientranze più piccole indicano materiali più duri, mentre quelle più grandi indicano materiali più morbidi, con il test particolarmente utile per misurazioni precise della durezza su un’ampia gamma di materiali.

Test di durezza Knopp

Il test di Knoop è un test di microdurezza progettato per materiali fragili come ceramiche e vetro, nonché per sezioni metalliche piccole o sottili. Utilizza un penetratore allungato a forma di diamante per realizzare un’impronta stretta e poco profonda, ideale per misurare la durezza su strati sottili o rivestimenti su scala micro senza causare danni eccessivi.

Il test di Knoop è particolarmente adatto per materiali molto fragili o applicazioni che richiedono misurazioni precise della durezza in aree ridotte, come sezioni trasversali di rivestimenti, microstrutture o pellicole molto sottili, dove le rientranza più profonde del test Vickers potrebbero causare crepe o fratture.

Scale di durezza Knoop

I test di durezza Knoop (HK) possono essere eseguiti con carichi compresi tra i 10 gf e i 1.000 gf, consentendo un’analisi dettagliata della durezza di materiali fragili e rivestimenti sottili.

Metodologia

Il test di Knoop misura la durezza del materiale determinando la lunghezza di una rientranza realizzata da un penetratore allungato a forma di diamante sotto un carico leggero. Il carico, che in genere varia dai 10 gf ai 1.000 gf, viene applicato alla superficie del materiale, creando una piccola impronta allungata. Dopo che il carico viene rimosso, la lunghezza della diagonale maggiore dell’indentatura viene misurata mediante un microscopio.

Il numero di durezza Knoop (HK) viene calcolato in base al carico e all’area dell’impronta, con rientranze più lunghe che indicano materiali più morbidi, mentre quelle più corte che indicano materiali più duri. Questo test è particolarmente adatto per materiali fragili e rivestimenti sottili.

Troubleshooting

• Allineamento del penetratore: Verificare che il penetratore sia correttamente allineato con la superficie di prova per evitare rientranze oblique o decentrate.
• Elevato ingrandimento: Per misurare piccole impronte, in particolare nei test Knoop, si utilizza un elevato ingrandimento, per garantire una misurazione precisa.
• Carico consistente: Assicurarsi che il processo di caricamento sia graduale e uniforme per evitare variazioni nelle dimensioni della rientranza e nelle letture della durezza.

Test di durezza di Leeb

Il test di durezza Leeb, noto anche come test di durezza a rimbalzo, misura la durezza analizzando il rimbalzo di un penetratore, piuttosto che la dimensione di un’impronta. È un dispositivo portatile e ideale per test in loco di componenti grandi e pesanti, offrendo un metodo non distruttivo che non causa danni minimi alle parti finite e ai rivestimenti.

Il test di Leeb è versatile, si adatta a diversi materiali e livelli di durezza con varie sonde ed energie di impatto. Fornisce letture di durezza rapide e dirette grazie a una configurazione minima e alle abilità dell’operatore, rendendolo efficiente per applicazioni che richiedono velocità, facilità d’uso e capacità di test sul campo.

Tipi di sonde

I test di durezza Leeb (HL) possono essere condotti a diverse energie d’impatto, in genere comprese tra i 5,5 mJ (sonda di tipo D) e i 74,5 mJ (sonda di tipo G), a seconda della sonda utilizzata.

Metodologia

Il test di durezza Leeb misura la durezza del materiale calcolando la velocità di rimbalzo di una sfera in carburo di tungsteno dopo che rimbalza sulla superficie del materiale ad una specifica energia di impatto. Il test in genere utilizza una sonda che fornisce un’energia di impatto che va da 9,8 mJ a 74,5 mJ, a seconda del tipo di sonda.

Dopo che la sfera colpisce il materiale, viene misurata la velocità di rimbalzo e l’HL viene calcolato in base al rapporto tra velocità di rimbalzo e di impatto. Una velocità di rimbalzo più alta indica un materiale più duro, mentre una velocità di rimbalzo più bassa ne indica uno più morbido. Questo test è portatile e ideale per misurare componenti grandi e pesanti in loco.

Troubleshooting

• Scelta della sonda: Al fine di garantire risultati accurati, scegliere il tipo di sonda e l’energia d’impatto appropriati per il materiale da testare.
• Preparazione della superficie: La superficie deve essere liscia e priva di impurità; superfici ruvide o sporche possono causare perdite di energia durante l’impatto, dando luogo a letture imprecise.
• Angolo di impatto: Per evitare risultati distorti, assicurarsi che l’impatto sia perpendicolare alla superficie.

Garantire risultati accurati e affidabili nei test di durezza

Per garantire valori di durezza accurati e affidabili durante la prova, tenere presente i seguenti suggerimenti generali:

• Preparazione del campione: Assicurarsi che la superficie del campione sia preparata correttamente, priva di contaminanti e abbia una superficie liscia e piana. Condizioni superficiali non uniformi possono portare a misurazioni imprecise.
• Applicazione del carico corretto: Verificare che sia selezionato il carico appropriato per il materiale in prova. L’utilizzo di carichi non corretti può causare intaccature troppo superficiali o troppo profonde, con conseguenti risultati errati.
• Calibrazione adeguata: Calibrare regolarmente la macchina per la prova di durezza con materiali di riferimento certificati. La calibrazione aiuta a mantenere l’accuratezza delle misurazioni nel tempo.
• Condizione del penetratore: Ispezionare regolarmente il penetratore per verificarne l’usura. Una sonda usurata o danneggiata può produrre risultati incoerenti e deve essere sostituita immediatamente.
• Allineamento: Assicurarsi che il penetratore sia correttamente allineato con il campione. Un disallineamento può causare una distribuzione non uniforme della pressione, portando a risultati distorti.
• Condizioni ambientali: Controllare l’ambiente di prova, in particolare temperatura e umidità, poiché possono influenzare le proprietà del materiale e i risultati dei test.
• Evitare le vibrazioni: Posizionare il durometro su una superficie stabile per evitare vibrazioni, che possono interferire con il processo di penetrazione e compromettere la precisione della misurazione.
• Tempo di rientranza costante: Seguire il tempo di rientranza consigliato per ogni test di durezza. Le variazioni di tempo possono alterare la dimensione dell’impronta e quindi il valore di durezza.

Risultati dei test di durezza per prestazioni affidabili dei materiali

Il test di durezza è una pratica fondamentale nella scienza e nell’ingegneria dei materiali, che fornisce informazioni cruciali sulla resistenza di un materiale alla deformazione e sulla sua durata complessiva. Comprendendo le differenze tra i vari metodi di test di durezza, è possibile selezionare il metodo di test di durezza corretto per un metallo specifico, il che porta a scelte di materiali più consapevoli e prestazioni migliori nelle applicazioni del mondo reale.

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