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Durezza e test di durezza a confronto

Nelle applicazioni industriali viene utilizzata un’ampia varietà di materie prime e materiali accessori. La conoscenza completa delle proprietà del materiale è un prerequisito assoluto per l’utilizzo di queste materie prime per un’applicazione definita in ambienti tecnici. I test di durezza sono un modo per determinare le proprietà di base del materiale come durezza/duttilità e resistenza di un materiale, come l’acciaio. La durezza svolge un ruolo fondamentale nella caratterizzazione e nel controllo qualità dei materiali. La durezza di un acciaio fornisce informazioni sulle sue proprietà meccaniche, sulla resistenza all’usura e sull’idoneità per applicazioni specifiche. In questo contesto sono stati sviluppati vari metodi e scale di test di durezza per determinare e classificare accuratamente la durezza dell’acciaio. Questo articolo fornisce una panoramica dei metodi comuni di test della durezza e descrive una possibile procedura di misurazione della durezza. Una tabella di confronto della durezza consente un confronto dei valori determinati dai singoli metodi.

Contenuti:

Vari test di durezza a confronto

Il test di durezza è fondamentale per la caratterizzazione e il controllo qualità dei prodotti in acciaio. Esistono vari test di durezza, per esempio, secondo Brinell, Rockwell, Shore e Vickers. Il metodo più comune è il test di durezza secondo Rockwell.

Strumento di prova per la durezza
Strumento di prova per la durezza

Durezza Brinell

Il test di durezza Brinell è stato il primo metodo in grado di calcolare direttamente i valori. La superficie del materiale sottoposto a prova viene compressa a una forza di prova specifica (F) usando un corpo per test di durezza sferica realizzato in carburo di tungsteno. Quindi di solito viene misurato il diametro (d) dell’impronta. La durezza viene calcolata come segue:

HBW=2F×0,102Π×D×(D−D2−d2)HBW=\frac{2F \times 0,102}{\Pi \times D \times ({D}-\sqrt{D^{2}-d^{2}})}
  • D = Diametro della sfera
  • d = Diametro dell’impronta
  • F = Forza di prova
  • Fattore di conversione 0,102 = In precedenza per le durezze era specificato la vecchia unità di misura: il kilopond (kp). Esso non viene più usato oggi e il fattore di conversione viene utilizzato per determinare un valore in Newton (1 kp corrisponde a 9,81 N)

In pratica, tuttavia, la durezza è specificata nel dispositivo di misura e non deve essere calcolata. Questo vale per tutte le procedure.

Il metodo del test di durezza secondo Brinell è standardizzato in DIN EN ISO 6506-1. La forza di prova da applicare è riportata nelle tabelle. Come regola generale l’impronta della sfera di prova deve essere il più grande possibile per rilevare il maggior numero possibile di componenti costitutivi.

Il test di durezza Brinell è adatto per materiali da morbidi a medio-duri, la cui durezza non è superiore a 650 HBW. È anche indipendente dal carico.

Durezza Vickers

Il metodo del test di durezza Vickers è simile al metodo Brinell. È stato sviluppato dal fatto che il metodo di test Brinell è adatto per materiali morbidi e medio-duri, ma non per materiali molto duri. Invece di una sfera in metallo duro, qui viene utilizzata una piramide diamantata con una superficie di base quadrata e un angolo di apertura di 136° tra le punte. L’angolo è stato scelto per garantire i confronti con le durezze di Brinell.

La forma del corpo penetrante consente l’applicazione di forze elevate (dall’alluminio all’acciaio). Uno spessore minimo del campione di test Smin è un prerequisito per la procedura. Il campione deve essere almeno 1,5 x la lunghezza media della diagonale dell’impronta (1,5 x d) in modo che la sonda non penetri attraverso la piastra del campione. Anche in questo caso gli standard come DIN EN ISO 6507-1 forniscono le distanze minime tra i punti di prova o le impronte e il bordo del campione, in modo che i risultati non siano falsificati per deformazione. Ad esempio, la durezza Vickers è indicata come segue: 210 HV 40/30 (forza/durata del test). È calcolata utilizzando la formula seguente:

HV=2F×sin1362d2×0.102HV=\frac{2F \times sin \frac{136}{2}}{d^{2}} \times 0.102

Il valore d2 viene calcolato a partire dalla lunghezza della prima diagonale d1 e della seconda diagonale d2, fare riferimento anche all’area evidenziata nella figura seguente. Il valore per d deve essere calcolato in una prima fase:

d=d1+d22d=\frac{d_1+d_2}{2}

d2 viene quindi calcolato come segue:

d2=d×dd^{2}= d \times d
Prova di durezza secondo Vickers
Prova di durezza secondo Vickers

Durezza Rockwell

La durezza Rockwell viene determinata, ad esempio, in modo simile al metodo Brinell con una sfera di acciaio o simile al metodo Vickers con un cono diamantato con angoli di 120°. Come parametro viene considerata la profondità di penetrazione e non il diametro dell’impronta. A seconda del metodo la durezza Rockwell è specificata in HRA, HRB, HRC o HRF, dove HR si riferisce al test di durezza Rockwell e la lettera rappresenta il metodo. Il campione di analisi viene messo sotto carico con una forza come segue:

  • Rockwell A: Fv= 98,07 N, FZ = 490,3 N
    (Cono in diamante, profondità di riferimento 0,2 mm: per materiali molto duri e carburi)
  • Rockwell B: Fv= 98,07 N, FZ = 882,6 N
    (Sfera in metallo duro, profondità di riferimento 0,2 mm: per materiali di durezza media, ad es. acciaio e ottone)
  • Rockwell C: Fv= 98,07 N, FZ = 1373 N
    (Cono in diamante, profondità di riferimento 0,2 mm: per acciai temprati)
  • Rockwell F: Fv= 98,07 N, FZ = 490,3 N
    (Sfera in metallo duro, profondità di riferimento 0,26 mm: per lamiere sottili, rame morbido o ottone morbido)

La procedura del test può essere la seguente:

Metodo di prova secondo Rockwell
Metodo di prova secondo Rockwell

Nella prima fase (1) il dentellatore viene caricato con la forza di pre-test (Fv) e penetra leggermente nel campione (piano di riferimento - - - linea). Nella seconda fase (2) viene esercitata anche la forza di test aggiuntiva (FZ) e la forza di test totale agisce ora sul campione. Nell’ultima fase (3) la forza di test aggiuntiva viene rimossa nuovamente e ora può essere misurata la profondità di penetrazione permanente (h).

La formula per il calcolo con cono diamantato è la seguente:

HRC,HRA=100−hSHRC, HRA = 100 - \frac{h}{S}

S corrisponde alla classificazione della scala sul manometro a quadrante (solitamente 100 segmenti della scala corrispondono a 0,002 mm).

La formula per il calcolo con una sfera in metallo duro è la seguente:

HRB,HRF=130−h0.002HRB, HRF = 130 - \frac{h}{0.002}

Quale scala Rockwell è selezionata e a seconda di: Durezza del materiale, spessore del pezzo, qualsiasi superficie indurita (come l’indurimento della nitrazione). Il cono diamantato viene utilizzato principalmente per l’acciaio indurito o temprato e la sfera in acciaio viene utilizzata principalmente per materiali più morbidi. Nel negozio MISUMI troverai corpi penetranti in diamante idonei.

Durezza Shore

Il test di durezza Shore viene utilizzato principalmente per materiali elastici come gomme, plastiche, gel o schiume. Anche in questo caso un campione di prova specializzato viene pressato nel materiale con una forza definita. La profondità di penetrazione rappresenta la scala. Esistono sei scale diverse:

  • Shore 00: per materiali molto morbidi come silicone, gel.
  • Shore 0: per materiali morbidi, ma leggermente più resistenti.
  • Shore A: per materiali elastici di media durezza (ad es. gomma naturale, elastomeri sintetici, plastiche flessibili, gomme morbide)
  • Shore B: per materiali elastici con maggiore rigidità (ad es. compositi in gomma dura)
  • Shore C: per materiali più duri (ad es. elastomeri termoplastici, plastiche dure, gomme indurite)
  • Shore D: per elastomeri resistenti e termoplastici, come PPOM (poliossimetilene), PE (polietilene) e PA (poliammidi)

La durezza Shore A e la durezza Shore D sono rilevanti per la maggior parte dei casi d’uso industriali.

La durezza Shore può essere misurata, per esempio, con un durometro. Quest’ultimo viene premuto manualmente contro l’oggetto sottoposto a test e quindi visualizza il valore corrispondente. Si noti che i durometri visualizzano i valori di una sola scala Shore ciascuno, vale a dire che ci sono durometri Shore A, ecc. I durometri sono disponibili anche nel nostro negozio MISUMI.

Esempio di durometro
Esempio di durometro

Conversione durezza

Non viene indicato in modo obbligatorio quale test di durezza viene utilizzato come standard. Diverse industrie e laboratori utilizzano quindi metodi di misurazione differenti. Per confrontare i diversi livelli di durezza, DIN EN ISO 18265, ad esempio, fornisce una tabella di confronto della durezza per l’acciaio non legato e basso legato e l’acciaio fuso:

Tabella di conversione della durezza (SAEJ417) -1983 revisionata - Conversione approssimativa dei valori di durezza C Rockwell per l’acciaio (*1)
(HRC)
Scala di durezza Rockwell C		 (HV)
Durezza Vickers		 Durezza Brinell (HB)
Sfera da 10 mm, carico 3000 kgf		 Durezza Rockwell (*3) Penetratore a cono diamantato duro Rockwell (Hs)
Durezza Shore		 Resistenza alla trazione (valore approssimativo)
MPa
(kgf/mm2)(*2)		 Durezza Rockwell
Scala C
(*3)
Sfera standard sfera in carburo di tungsteno (HRA)
Scala A,
Carico 60 kgf,
Cono diamantato
Penetratore		 (HRB)
Scala B,
Carico 100 kgf,
Diam. 1.6 mm
sfera (1/16 in.)		 (HRD)
Scala D,
Carico 100 kgf,
Penetratore a cono diamantato		 15-N
scala,
Carico 15 kgf		 30-N
scala,
Carico 30 kgf		 45-N
scala,
Carico 45 kgf
68 940 − − 85.6 − 76.9 93.2 84.4 75.4 97 − 68
67 900 − − 85 − 76.1 92.9 83.6 74.2 95 − 67
66 865 − − 84.5 − 75.4 92.5 82.8 73.3 92 − 66
65 832 − (739) 83.9 − 74.5 92.2 81.9 72 91 − 65
64 800 − (722) 83.4 − 73.8 91.8 81.1 71 88 − 64
63 772 − (705) 82.8 − 73 91.4 80.1 69 9 87 − 63
62 746 − (688) 82.3 − 72.2 91.1 79.3 68.8 85 − 62
61 720 − (670) 81.8 − 71.5 90.7 78.4 67.7 83 − 61
60 697 − (654) 81.2 − 70.7 90.2 77.5 66.6 81 − 60
59 674 − (634) 80.7 − 69.9 89.8 76.6 65.5 80 − 59
58 653 − 615 80.1 − 69.2 89.3 75.7 64.3 78 − 58
57 633 − 595 79.6 − 68.5 88.9 74.8 63.2 76 − 57
56 613 − 577 79 − 67.7 88.3 73.9 62 75 − 56
55 595 − 560 78.5 − 66.9 87.9 73 60.9 74 2075 (212) 55
54 577 − 543 78 − 66.1 87.4 72 59.8 72 2015 (205) 54
53 560 − 525 77.4 − 65.4 86.9 71.2 58.5 71 1950 (199) 53
52 544 (500) 512 76.8 − 64.6 86.4 70.2 57.4 69 1880 (192) 52
51 528 (487) 496 76.3 − 63.8 85.9 69.4 56.1 68 1820 (186) 51
50 513 (475) 481 75.9 − 63.1 85.5 68.5 55 67 1760 (179) 50
49 498 (464) 469 75.2 − 62.1 85 67.6 53.8 66 1695 (173) 49
48 484 451 455 74.7 − 61.4 84.5 66.7 52.5 64 1635 (167) 48
47 471 442 443 74.1 − 60.8 83.9 65.8 51.4 63 1580 (161) 47
46 458 432 432 73.6 − 60 83.5 64.8 50.3 62 1530 (156) 46
45 446 421 421 73.1 − 59.2 83 64 49 60 1480 (151) 45
44 434 409 409 72.5 − 58.5 82.5 63.1 47.8 58 1435 (146) 44
43 423 400 400 72 − 57.7 82 62.2 46.7 57 1385 (141) 43
42 412 390 390 71.5 − 56.9 81.5 61.3 45.5 56 1340 (136) 42
41 402 381 381 70.9 − 56.2 80.9 60.4 44.3 55 1295 (132) 41
40 392 371 371 70.4 − 55.4 80.4 59.5 43.1 54 1250 (127) 40
39 382 362 362 69.9 − 54.6 79.9 58.6 41.9 52 1215 (124) 39
38 372 353 353 69.4 − 53.8 79.4 57.7 40.8 51 1180 (120) 38
37 363 344 344 68.9 − 53.1 78.8 56.8 39.6 50 1160 (118) 37
36 354 336 336 68.4 -109 52.3 78.3 55.9 38.4 49 1115 (114) 36
35 345 327 327 67.9 -108.5 51.5 77.7 55 37.2 48 1080 (110) 35
34 336 319 319 67.4 -108 50.8 77.2 54.2 36.1 47 1055 (108) 34
33 327 311 311 66.8 -107.5 50 76.6 53.3 34.9 46 1025 (105) 33
32 318 301 301 66.3 -107 49.2 76.1 52.1 33.7 44 1000 (102) 32
31 310 294 294 65.8 -106 48.4 75.6 51.3 32.7 43 980 (100) 31
30 302 286 286 65.3 -105.5 47.7 75 50.4 31.3 42 950 (97) 30
29 294 279 279 64.7 -104.5 47 74.5 49.5 30.1 41 930 (95) 29
28 286 271 271 64.3 -104 46.1 73.9 48.6 28.9 41 910 (93) 28
27 279 264 264 63.8 -103 45.2 73.3 47.7 27.8 40 880 (90) 27
26 272 258 258 63.3 -102.5 44.6 72.8 46.8 26.7 38 860 (88) 26
25 266 253 253 62.8 -101.5 43.8 72.2 45.9 25.5 38 840 (86) 25
24 260 247 247 62.4 -101 43.1 71.6 45 24.3 37 825 (84) 24
23 254 243 243 62 100 42.1 71 44 23.1 36 805 (82) 23
22 248 237 237 61.5 99 41.6 70.5 43.2 22 35 785 (80) 22
21 243 231 231 61 98.5 40.9 69.9 42.3 20.7 35 770 (79) 21
20 238 226 226 60.5 97.8 40.1 69.4 41.5 19.6 34 760 (77) 20
(18) 230 219 219 − 96.7 − − − − 33 730 (75) (18)
(16) 222 212 212 − 95.5 − − − − 32 705 (72) (16)
(14) 213 203 203 − 93.9 − − − − 31 675 (69) (14)
(12) 204 194 194 − 92.3 − − − − 29 650 (66) (12)
(10) 196 187 187 − 90.7 − − − − 28 620 (63) (10)
(8) 188 179 179 − 89.5 − − − − 27 600 (61) (8)
(6) 180 171 171 − 87.1 − − − − 26 580 (59) (6)
(4) 173 165 165 − 85.5 − − − − 25 550 (56) (4)
(2) 166 158 158 − 83.5 − − − − 24 530 (54) (2)
(0) 160 152 152 − 81.7 − − − − 24 515 (53) (0)
Nota
(*1) Numeri evidenziati: Basato su ASTM E 140, Tabella 1 (coordinato congiuntamente da SAE, ASM e ASTM.)
(*2) Le unità e i numeri mostrati tra parentesi sono i risultati della conversione dai numeri psi utilizzando le tabelle di conversione di JIS Z 8413 e Z 8438. 1 MPa = 1 N/mm2
(*3) I numeri mostrati tra parentesi sono in intervalli che non sono comunemente utilizzati. Sono solo a scopo informativo.

Procedura di misurazione della durezza

La procedura di misurazione della durezza potrebbe essere la seguente: Prima del test deve essere preparato il campione. I contaminanti superficiali devono essere rimossi tramite rettifica e il campione deve essere pulito. Il campione di test viene posizionato quindi sulla piastra del campione e spostato fino a raggiungere la posizione desiderata. È importante non testare troppo vicino al bordo, poiché altrimenti la deformazione può portare a risultati falsificati. L’ottica di ispezione può essere utilizzata per rilevare quando la posizione è regolata correttamente (l’immagine diventa nitida). Il campione di test è ora bloccato parallelamente al piano e può essere avviato il test. La forza di prova determinata viene applicata lentamente, ma in modo costante azionando la leva. Idealmente il valore finale viene raggiunto tra 2 e 8 secondi e quindi viene tenuto premuto per un massimo di 15 secondi. La leva viene spinta ora delicatamente indietro per rimuovere la pressione.

Strumento di prova classico
Strumento di prova classico

Tuttavia tali misurazioni sono decisamente irrealizzabili nella vita di tutti i giorni, poiché talvolta la durezza viene controllata anche in loco, direttamente sul materiale. A tal fine sono disponibili anche dispositivi di misura mobili da utilizzare direttamente in loco:

Misurazione della durezza direttamente sul componente
Misurazione della durezza direttamente sul componente

Applicabilità di vari test di durezza

La tabella seguente confronta le procedure:

Procedura di test per test di durezza
Procedura di test (standard) Materiali applicabili Variabili di determinazione Proprietà Commenti
Durezza Brinell
(DIN EN ISO 6506-1)		 Materiali duri da morbidi a medi

ad es. metalli non ferrosi, materiali disomogenei, metalli morbidi, acciai ricotti morbidi		 Forza di prova F in N
Diametro sfera in mm
Diametro dell'impronta in mm		 - adatto per materiali disomogenei e porosi come ghisa grigia o prodotti forgiati, poiché la rientranza è grande.
- non adatto per campioni piccoli o sottili
- non adatto per materiali duri e molto duri		 JIS Z 2243
Durezza Rockwell
(DIN EN ISO 6508-1)		 con sfera di test: Plastica, carbonio e metalli duri da morbidi a medi

con cono diamantato (HRC): materiali da duri a molto duri		 Forza di prova F in N
Profondità di penetrazione del rispettivo campione di analisi in mm secondo il metodo
(HRA, HRB, HRC, HRF)		 - il valore della durezza può essere determinato rapidamente.
- adatto per un’ispezione ad interim di prodotti già finiti
- devono essere presi in considerazione vari tipi di durezza Rockwell		 JIS Z 2245
Durezza Shore
(DIN ISO 7619-1)		 Elastomeri o elastomeri termoplastici

ad es. schiume, gomma, plastica morbida, da media a dura

Forza di prova F in N
Profondità di penetrazione del rispettivo campione di analisi in base alla scala
(Shore 00, Shore 0, Shore A, Shore B, Shore C, Shore D)		 - facile da eseguire
- i dati possono essere determinati rapidamente
- il materiale da testare deve avere una superficie piana e liscia
- il materiale da testare deve essere conservato a temperatura standardizzata
- la temperatura e l’umidità ambientale devono essere mantenute costanti e devono essere considerati i tempi di attesa
- la rientranza è piccola e adatta per il collaudo di prodotti già finiti
- compatto e leggero, portatile
- le bilance utilizzano diversi perni e forze di pressione		 JIS Z 2246
Durezza Vickers
(DIN EN ISO 6507-1)		 Materiali morbidi, medio-duri o molto duri (metalli e ceramiche)

per esempio, materiali con uno strato temprato mediante tempra a induzione, carbonizzazione, nitrazione, rivestimento galvanico o ceramico, eccetera.		 Forza di prova F in N
Media aritmetica delle 2 diagonali di impronta in mm
- il dentellatore è realizzato in diamante e può quindi testare materiali di qualsiasi durezza
- non adatto per materiale poroso
microstruttura omogenea richiesta
 JIS Z 2244

Indipendentemente dalla procedura scelta: Il negozio MISUMI dispone di una gamma di dispositivi di misura di durezza.

Durezza dell’acciaio

Il grado di durezza dell’acciaio indica la resistenza del materiale alla deformazione o penetrazione della plastica. È una misura della durezza (rispetto alla penetrazione di un corpo) o della resistenza (rispetto al guasto o alla deformazione irreversibile) dell’acciaio. Mediante trattamenti termici mirati è possibile ottenere diversi livelli di durezza dell’acciaio. Una nuova struttura con le proprietà desiderate viene creata spostando, incorporando o rimuovendo particelle di materiale:

  • Trasferimento: ricottura, rinvenimento, indurimento, polimerizzazione
  • Incorporazione: Carburazione, nitrurazione
  • Rimozione: Decarburazione (Rinvenimento)

L’impatto di diverse durezze dell’acciaio

Il tipo di lega nella sua composizione migliore influenza direttamente le capacità dei processi di indurimento. Gli utenti devono ponderare sempre tra durezza e duttilità. La rispettiva capacità di indurire diverse qualità dell’acciaio presenta vantaggi e svantaggi. Per trovare l’acciaio giusto per lo scopo previsto, queste capacità devono essere ponderate quindi con attenzione. La durezza dell’acciaio può avere le influenze seguenti:

Impatto dell’aumento della durezza sulla duttilità e sulla lavorabilità

La durezza dell’acciaio influisce sulla duttilità e sulla lavorabilità. La duttilità descrive la capacità di un materiale di resistere alle sollecitazioni (ad es. urto o impatto improvviso) senza guasti.

L’acciaio più morbido è più duttile dell’acciaio più duro. È quindi più facile da deformare e lavorare. L’acciaio più duro, invece, è fragile e si rompe più velocemente in caso di carichi elevati. Allo stesso tempo, tuttavia, è più resistente all’abrasione e alla penetrazione.

La figura seguente fornisce una panoramica di durezza, duttilità e interazione di entrambe in diverse qualità di acciaio:

Acciaio dolce (acciaio per strutture in acciaio) Durezza - + Robustezza Acciaio al carbonio (acciaio per lavori a freddo non legato), acciaio per la costruzione di macchine, acciaio temperato Acciaio (altolegato), acciaio per utensili per lavori a freddo, acciaio per utensili per lavori a caldo HSS (acciaio ad alta velocità) + -

Interazione tra durezza e duttilità

Mentre la durezza sul lato sinistro diminuisce verso l’acciaio dolce, la duttilità sul lato destro aumenta contemporaneamente.

La durezza dell’acciaio influenza anche la selezione dello strumento. L’acciaio più duro porta a un’usura più rapida dello strumento. Segni di usura tipici sono l’opacizzazione o il danneggiamento della lama. Inoltre, durante la lavorazione dell’acciaio temprato, può essere necessario regolare le condizioni di taglio, ad esempio velocità di taglio ridotte. Oltre a regolare la velocità di taglio e le condizioni di taglio, è necessario utilizzare strumenti di taglio e fresatura a scopo speciale a seconda della durezza dell’acciaio. A questo scopo l’officina MISUMI offre un’ampia gamma di strumenti per i processi di lavorazione.