Durezza del materiale: tipi, metodi di prova e unità

La durezza è la qualità di un materiale per resistere alla deformazione localizzata. Può essere particolarmente importante quando si cerca un materiale adatto per un ambiente che include piccole particelle che possono indurre l’usura del materiale. I materiali morbidi soffrono di rientranze mentre quelli duri resistono a qualsiasi cambiamento di forma.

La durezza deve essere vista nel contesto di altre proprietà del materiale come resistenza, elasticità, ecc. Ad esempio, molti materiali duri tendono ad essere fragili, limitando i loro casi d’uso.

In questo articolo, daremo un’occhiata più da vicino a quale durezza del materiale è, come viene misurata e come confrontare le diverse unità.

Che cos’è la durezza del materiale?

La durezza è la misura della resistenza di un materiale alla deformazione permanente localizzata. La deformazione permanente è anche chiamata deformazione plastica. Mentre la deformazione elastica significa che un materiale cambia forma solo durante l’applicazione della forza, una deformazione plastica risultante significa che il materiale non tornerà alla sua forma originale.

Alcuni materiali sono naturalmente duri. Ad esempio, il tungsteno è un metallo incredibilmente duro che trova uso come elemento di lega negli acciai per utensili. Questo fa sì che questo gruppo di acciai possa resistere all’usura anche a temperature elevate durante le operazioni di taglio.

Il carburo cementato, che trova molto uso nelle frese, include spesso anche il tungsteno. Questi bit di utensili da taglio sostituibili allungano notevolmente la durata degli utensili da taglio.

D’altra parte, alcuni materiali, inclusi i metalli, sono morbidi al punto da renderli inutili per molte applicazioni. L’oro puro è così morbido che graffiare o piegare non ha bisogno di molto sforzo. Pertanto, l’aggiunta di altri metalli come argento, rame e alluminio è essenziale per migliorare la sua durezza.

Con alcuni materiali, il trattamento termico è una possibilità di indurre una maggiore durezza superficiale mantenendo le altre qualità del metallo nel suo nucleo. Gli alberi della macchina spesso subiscono questo processo per garantire una durata più lunga.

Un ingegnere deve anche considerare il rapporto di durezza quando crea un concetto di design del prodotto. Ad esempio, in una misura del cuscinetto e dell’albero, il cuscinetto deve essere più morbido perché è più facile da sostituire. Con un movimento costante, una parte deve indossare e la scelta spetta all’ingegnere.

Tipi di durezza

I materiali si comportano in modo diverso sotto diversi tipi di carico. Ad esempio, un metallo che può avere un enorme impatto una tantum molto bene potrebbe non agire allo stesso modo durante il carico continuo.

La prova di durezza deve essere effettuata per ogni caso in modo che possa essere fatta una scelta ben informata per l’applicazione.

I tre tipi di durezza sono zero, rimbalzo, e indentazione durezza. Misurare ogni tipo di durezza richiede un diverso set di strumenti. Inoltre, lo stesso materiale avrà valori di durezza diversi per ciascuno dei tipi sopra menzionati.

Indentazione Durezza

Questo tipo di durezza si riferisce alla resistenza alla deformazione permanente quando si sottopone un materiale a un carico continuo.

Indentazione durezza è ciò che gli ingegneri e metallurgisti di solito si riferiscono a quando si parla di durezza. Misurare il suo valore è di interesse primario come carico continuo è la forma più comune di metalli di carico sono sottoposti a.

Durezza del graffio

Questo tipo di durezza si riferisce alla capacità di un materiale di resistere ai graffi sulla superficie. I graffi sono strette rientranze continue nello strato superiore a causa del contatto con un materiale tagliente e più duro.

Scratch test è anche comunemente usato per materiali fragili come la ceramica in quanto non subiscono significative deformazioni plastiche. È importante considerare la durezza del graffio poichè alcune applicazioni materiali sono altamente sensibili a segnare.

Si consideri il caso di un rivestimento del cilindro del motore come esempio. Graffiare o segnare può avvenire a causa di vari motivi. La superficie del rivestimento viene a contatto con una varietà di metalli come fasce elastiche, particelle estranee nel carburante o olio lubrificante. A volte posti a sedere impropri di rivestimento può contribuire ad esso.

Le particelle abrasive possono causare graffi che alla fine degradano le prestazioni del motore e costano di più in manutenzione, pezzi di ricambio e consumo di carburante a lungo termine.

In fase di progettazione, la giusta selezione del metallo considera la durezza dei materiali con cui entrerà in contatto. La durezza del rivestimento deve essere maggiore dei materiali con cui interagirà. Questo aiuta a scongiurare molti possibili problemi.

Rimbalzo o durezza dinamica

Rimbalzo durezza ha più a che fare con durezza elastica di durezza plastica. Il materiale assorbe l’energia all’impatto e la restituisce al penetratore.

Un penetratore è un materiale di riferimento utilizzato per le prove di durezza. La durezza dinamica viene solitamente misurata facendo cadere un martello con punta di diamante sulla provetta e registrando il rimbalzo del martello dopo che colpisce la superficie.

Più l’altezza è vicina all’altezza di caduta originale, maggiore è il valore della durezza di rimbalzo.

a differenza di Durezza Unità

L’unità di misura della durezza è N/mm2. L’unità Pascal viene quindi utilizzata anche per la durezza, ma la durezza non deve essere confusa con la pressione.

I diversi tipi di durezza discussi sopra hanno diverse scale di misura. Per la durezza di graffio, rientro e rimbalzo, i metodi di misurazione variano (ad esempio Brinell, Rockwell, Knoop, Leeb e Meyer). Poiché le unità sono derivate da questi metodi di misurazione, non sono adatte per il confronto diretto.

Tuttavia, è sempre possibile utilizzare una tabella di conversione per confrontare i valori Rockwell (B& C), Vickers e Brinell. Tabelle come queste non sono accurate al 100% ma forniscono una buona indicazione.

In tutte queste scale, un materiale duro avrà un numero di durezza superiore.

comunemente usato di unità per la misurazione della durezza sono:

• valore di Durezza Brinell (HB)
• durezza Vickers numero (HV)
• durezza Rockwell numero (HRA, HRB, HRC, ecc)
• durezza di Leeb valore (HLD, HLS, HLE, ecc)

la Misura di Durezza

I vari tipi di durezza sono misurati utilizzando diversi metodi di prova. Una comunanza tra tutti i metodi è l’uso di un penetratore per creare il rientro sulla superficie del provino. La rientranza fornisce una rappresentazione tangibile della durezza dei materiali ed è facile da misurare e replicare.

I materiali più duri avranno rientranze poco profonde e i materiali più morbidi avranno rientranze più profonde.

Prova di durezza Brinell

Il test Brinell è stato uno dei primi test di durezza ampiamente accettati per la misurazione della durezza indentazione. Nella prova di Brinell, una sfera d’acciaio del diametro di 10 millimetri è usata come penetratore per creare un’impressione sulla provetta per calcolare il suo numero di durezza di Brinell.

La palla viene tenuta in posizione per un tempo predeterminato, di solito 30 secondi, e una forza viene applicata sulla palla. Questa forza varia a seconda del metallo da misurare.

Il carico standard è di 3000 kg, ma può essere ridotto a 500 kg per metalli più morbidi. Per i metalli più duri, una sfera del carburo di tungsteno può essere usata per impedire la distorsione della palla. L’unità di durezza HB (o HBN) sarà cambiata in HBW in caso di tungsteno per notificarne l’uso (Tungsteno=Wolfram in tedesco/svedese).

Alla rimozione del penetratore, l’ammaccatura viene osservata con un microscopio a bassa potenza e la dimensione viene calcolata prendendo la media delle misurazioni ad angolo retto.

Al termine della prova Brinell, il numero di durezza viene calcolato come segue:

, dove

F – force, N

D – penetratore diametro mm

d – rientro diametro, mm

Rockwell di Durezza Test

Rockwell di durezza test è il metodo più comunemente usato per il rientro misurazioni di durezza. Il valore della durezza Rockwell è accompagnato dalla scala utilizzata.

A seconda del materiale da testare, è necessario selezionare una scala appropriata. Questa scala di durezza fornisce informazioni sul tipo di combinazione di penetratore-carico utilizzata.

Ci sono un totale di 30 scale disponibili tra cui scegliere. Questo è ciò che rende Rockwell un test metro per misurare la durezza di una vasta gamma di materiali. Sono possibili anche misure di durezza di materiali ceramici e compositi. Le scale più comunemente usate sono “B”e “C”.

Nella prova di durezza Rockwell, prima di applicare il carico di prova, viene applicato un piccolo carico minore per posizionare il penetratore nella provetta e rimuovere l’effetto di eventuali irregolarità superficiali. Ciò fornisce una migliore precisione.

Quindi simile al test Brinell, il penetratore viene utilizzato per creare un’impressione sul materiale applicando il carico di prova noto anche come carico maggiore. L’impronta viene quindi misurata per determinare la durezza. Un comparatore viene utilizzato per registrare la deformazione.

Per il calcolo del valore di durezza si considera l’aumento netto della dimensione dell’ammaccatura (tra l’applicazione del carico minore e quello maggiore).

È necessario specificare la velocità di caricamento. Nei metalli teneri, le diverse velocità di applicazione del carico possono produrre una differenza apprezzabile nel valore finale. È importante monitorare attentamente che la velocità di caricamento sia conforme allo standard.

La formula per la durezza Rockwell è:

, dove

N – fattore di scala a seconda della scala utilizzata

s – fattore di scala a seconda della scala utilizzata

d – profondità permanente di rientro rispetto ai carichi di minore entità, mm

di Durezza Vickers di Prova

Il terzo modo per misurare la durezza del materiale utilizza il Vickers test. Questo è particolarmente adatto per materiali più morbidi che non necessitano di carichi elevati. Con materiali morbidi, il metodo Vickers offre una migliore precisione.

Inoltre, il calcolo del valore di durezza è più semplice, poiché Vickers utilizza lo stesso penetratore diamantato per tutti i materiali. Pertanto, non è necessario modificare la formula.

Un’altra caratteristica importante è l’uso di una lente d’ingrandimento, che consente di testare aree con una microstruttura specifica.

In primo luogo, il tester deve posizionare la parte sulla macchina e utilizzare il microscopio per trovare l’altezza adatta. Quindi, usando le immagini, viene determinato il posto corretto.

Il penetratore diamantato ha la forma di una piramide a quattro lati. Dopo aver toccato la parte, la macchina raggiunge presto il valore di forza predeterminato. Rimane allo stesso carico per un certo tempo.

Quindi, avviene la misurazione del rientro. Il calcolo del valore di durezza Vickers utilizza la seguente formula:

, dove

F – force, N

d – rientro in diagonale, mm

di Mohs di Durezza Test

mineralogista tedesco Mohs primo punto il Mohs di durezza test per misurare il graffio durezza dei materiali. In questo test, il materiale viene graffiato con un materiale di riferimento che ha una durezza definita.

Un valore di durezza numerica viene assegnato al materiale di prova in base ai risultati della prova. La prova di durezza di Mohs usa 10 materiali di riferimento di durezza variabile come la scala per la prova.

Il materiale più morbido utilizzato è il talco (valore=1) e il materiale più duro è il diamante (valore=10). Dato che i riferimenti utilizzati per la scala di Mohs non hanno un aumento graduato, la scala di Mohs manca di precisione ed è solo una misura approssimativa della durezza.

Oggi, i moderni scratch test vengono eseguiti utilizzando i penetratori Rockwell diamond grattando la provetta per una lunghezza specifica pressata dal valore di carico selezionato.

Scleroscopio Test

Un scleroscopio è un dispositivo utilizzato per misurare il rimbalzo o durezza dinamica dei materiali. La configurazione consiste in un tubo di vetro verticale cavo collegato a un supporto. Attraverso questo tubo, un martello diamantato viene lasciato cadere sulla provetta e viene registrato il rimbalzo del martello.

Il martello diamantato viene lasciato cadere da un’altezza fissa sotto il proprio peso. Entrando in contatto con la provetta, il martello rimbalza indietro. Questo rimbalzo sarà più alto per i materiali con maggiore durezza.

Il rimbalzo sarà inferiore per un metallo morbido come una parte dell’energia di impatto sarà esaurita nella creazione di un’ammaccatura sulla superficie di prova. Il tubo di vetro ha gradienti per misurare l’altezza del rimbalzo. La durezza di rimbalzo è misurata in unità shore.