La durezza non è una proprietà materiale fondamentale ma una risposta misurata a uno specifico metodo di indentazione. La risposta pratica diretta è questa Rockwell, Brinell e Vickers sono tre distinti test di durezza dell'indentazione, ciascuno dei quali utilizza un penetratore e un carico diversi e produce valori in unità o scale diverse . Rockwell utilizza una misurazione della profondità e riporta un numero adimensionale su scale come HRC o HRB. Brinell preme una sfera di carburo sulla superficie e riporta un valore HBW (kgf/mm²) . Vickers utilizza una piramide di diamante e riporta la durezza come alta tensione (anche in kgf/mm²) , rendendolo versatile per qualsiasi cosa, dai rivestimenti sottili ai materiali sfusi. A macchina universale per prove di durezza integra questi metodi in un unico strumento, spesso aggiungendo una capacità di rilevamento della durezza Martens in profondità. Non esiste un'unica unità di misura della durezza; l'"unità di durezza" dipende dalla scala e la scelta tra i test dipende dal tipo di materiale, dalla geometria del campione e dalle informazioni specifiche richieste.
La macchina universale per prove di durezza
A durometro universale è un unico strumento progettato per eseguire più metodi di prova di durezza standardizzati, tipicamente Rockwell, Brinell e Vickers, scambiando penetratori, lenti dell'obiettivo e profili di caricamento. Ciò elimina la necessità di tester dedicati separati. Oltre ai metodi ottici tradizionali, le macchine universali avanzate utilizzano la tecnologia di rilevamento della profondità per misurare Durezza Martens (HM) e modulo di indentazione secondo ISO 14577. Ciò si ottiene registrando la curva continua forza-spostamento durante il ciclo di indentazione, fornendo parametri del materiale equivalenti a un test di compressione ad alta velocità. Una moderna macchina universale, ad esempio, può applicare forze di prova da 1 gf a 3000 kgf , che copre gli intervalli micro, a basso carico e macro per i test Vickers, Brinell, Rockwell e persino Knoop e su plastica. Sistemi di controllo della forza a circuito chiuso, spesso con una frequenza di campionamento di Da 1 a 2kHz , garantire che la velocità di carico e il tempo di permanenza siano rigorosamente conformi agli standard come ASTM E92 e ISO 6506.
Fondamenti delle prove di durezza Rockwell, Brinell e Vickers
Tutti e tre i test quantificano la resistenza di un materiale alla deformazione plastica permanente, ma differiscono fondamentalmente nella geometria del penetratore, nell’applicazione del carico e nel principio di misurazione.
Prova di durezza Rockwell
Il metodo Rockwell misura la profondità differenziale di penetrazione di un penetratore sottoposto ad un carico preliminare minore seguito da un carico maggiore. Il carico minore (tipicamente 10 kgf o 3 kgf) stabilisce una posizione di riferimento, assorbendo le imperfezioni superficiali e la deformazione elastica. Viene quindi applicato e rimosso il carico maggiore (60, 100 o 150 kgf) e viene misurato l'aumento permanente della profondità di penetrazione. Il numero di durezza è inversamente proporzionale a questa profondità e viene letto direttamente da un quadrante o da un display digitale. A Valore Rockwell HRC di 60 , ad esempio, corrisponde ad una profondità di circa 0,080 mm. Le scale comuni includono HRC (cono diamantato, 150 kgf) per acciai temprati e HRB (sfera da 1/16 di pollice, 100 kgf) per leghe più morbide. Il vantaggio principale è la velocità, poiché il risultato si ottiene in pochi secondi senza misurazione ottica.
Prova di durezza Brinell
Il test Brinell utilizza a penetratore a sfera in carburo di tungsteno , tipicamente di 10 mm di diametro, pressato sulla superficie con un'elevata forza di prova (comunemente 3000 kgf per i metalli ferrosi). Dopo aver rimosso il carico, si misura otticamente il diametro dell'impronta permanente. Il numero di durezza Brinell (HBW) viene calcolato come il carico applicato diviso per la superficie sferica della rientranza. Un risultato tipico è scritto come 350 HBW 10/3000 , che indica una durezza Brinell di 350 utilizzando una sfera da 10 mm e un carico di 3000 kgf per un tempo di permanenza da 10 a 15 secondi. L'ampia rientranza compensa le variazioni microstrutturali locali, rendendo Brinell ideale per fusioni, forgiature e materiali con strutture a grana grossa. Non è adatto per materiali molto duri (oltre 650 HBW) o sezioni sottili, poiché la sfera potrebbe deformarsi o il campione potrebbe danneggiarsi.
Prova di durezza Vickers
Il test Vickers utilizza a penetratore piramidale a base quadrata di diamante con un angolo al vertice di 136 gradi. Il principio è identico per l'intero intervallo di carico: il penetratore viene premuto nel campione con una forza precisa e le due diagonali dell'impronta quadrata risultante vengono misurate otticamente e viene calcolata la media. La durezza Vickers è riportata come alta tensione , seguito ad esempio dalla forza di prova in kgf 640HV30 . Tecnicamente l'unità per la durezza Vickers è kgf/mm² , ma è convenzionalmente espresso come numero adimensionale. Poiché la stessa forma del penetratore viene utilizzata per forze da 1 gf a 120 kgf, Vickers è in grado di misurare la durezza su tutte le scale, da lamine sottili e strati cementati a materiali sfusi, e i risultati sono generalmente indipendenti dal carico al di sopra di poche centinaia di grammi di forza.
Unità di misura della durezza nei metodi
Il concetto di "unità di durezza" è specifico del metodo. Ciascun test ha la propria convenzione di reporting e i valori non sono direttamente trasferibili senza le tabelle di conversione definite da ASTM E140 e ISO 18265. La tabella seguente chiarisce la struttura delle unità e della scala per i principali metodi di prova.
| Metodo di prova | Simbolo | Unità fisica | Designazione di esempio |
|---|---|---|---|
| Rockwell | Scala HR | Adimensionale | 60HRC |
| Brinell | HBW | kgf/mm² | 350 HBW 10/3000 |
| Vickers | alta tensione | kgf/mm² | 640HV30 |
| Knoop | Hong Kong | kgf/mm² | 1000 HK 0,1 |
| Martens (universale) | HM | N/mm² | 4500 HM 0,5/20/15 |
Confronto completo dei tre metodi
Le differenze tra i test di durezza Brinell, Rockwell e Vickers non sono solo procedurali; determinano quale metodo è appropriato per un determinato compito industriale. La tabella seguente fornisce un confronto diretto e orientato all'applicazione.
| Caratteristica | Rockwell | Brinell | Vickers |
|---|---|---|---|
| Penetratore | Cono diamantato o sfera in carburo | Sfera in carburo da 10 mm (o 5/2,5 mm) | Piramide di diamanti (136 gradi) |
| Misurazione | Profondità di penetrazione | Diametro di impressione | Diagonale dell'impressione |
| Velocità | Molto veloce (3-5 secondi) | Lento (30 secondi ottici) | Da moderato a lento |
| Idoneità | QA produzione, acciai temprati, leghe | Fusioni, forgiati, metalli a grana grossa | All materials, coatings, thin layers, R&D |
| Limitazione chiave | Non per strati sottili o cementati | Non superiore a 650 HBW; vasta area danneggiata | Lento, finitura superficiale critica |
Cos'è il Vickers Prova di durezza Usato per
Il test di durezza Vickers è il metodo preferito quando una singola scala di durezza deve coprire l’intero intervallo di durezza del materiale di un prodotto. Le sue applicazioni principali includono analisi approfondita di acciai cementati o nitrurati , dove una serie di micro-rientranze dal bordo della superficie al nucleo mappa il gradiente di durezza. Una specifica tipica, come ad esempio alta tensione 550 at a case depth of 0.5 mm , può essere verificato solo con una traversa di microdurezza Vickers. Il test è essenziale anche per saldature qualificanti , dove la zona interessata dal calore, il metallo di base e il metallo di saldatura hanno ciascuno proprietà diverse e il piccolo penetratore può isolare queste regioni. Nella ricerca e sviluppo, Vickers viene utilizzato per caratterizzare ceramiche, compositi e rivestimenti a film sottile dove altri penetratori si frantumarebbero o richiederebbero un ingombro troppo grande. Ad esempio, è possibile testare in modo affidabile un rivestimento duro TiN di 3 micron di spessore 0,025 kgf (25 gf) , producendo una rientranza profonda circa 0,5 micron, senza influenza da parte del substrato.
Durezza Webster vs Rockwell
Il durometro Webster è uno strumento portatile a lettura diretta che applica un metodo di indentazione specifico. Non è direttamente equivalente a una specifica scala Rockwell, ma I valori di durezza Webster sono empiricamente correlati alle scale Rockwell B e Rockwell H per le leghe di alluminio . La scala Webster B, ad esempio, copre all'incirca da Da WB 0 a WB 20 , che corrisponde a circa da 25 a 100 HRB per estrusi e lamiere di alluminio. Il vantaggio del tester Webster risiede nella sua portabilità e capacità di testare grandi assiemi, scambiatori di calore e strutture aeronautiche che non possono essere portate su un tester Rockwell da banco. Tuttavia, la correlazione è specifica del materiale. Un tester Webster calibrato per l'alluminio 6061-T6 non fornirà equivalenti Rockwell accurati per 7075 o per altri metalli. Per una certificazione precisa dei materiali è necessario un test al banco Rockwell o Brinell, mentre il Webster funge da comodo strumento di screening sul campo.
Come selezionare il test di durezza corretto per la tua applicazione
La scelta del test è guidata dal tipo di materiale, dalla geometria del campione, dal volume di produzione e dalle informazioni richieste. La seguente logica decisionale, basata su scenari industriali pratici, fornisce una guida costruttiva.
- Per fusioni di grandi dimensioni o forgiati con microstrutture grossolane , scegli il test Brinell. La rientranza della sfera da 10 mm calcola la media delle variazioni di confine e di fase del grano, fornendo una durezza apparente rappresentativa delle proprietà meccaniche complessive del componente. Un test standard a 3000 kgf con una sfera da 10 mm è quello predefinito per le fusioni di ferro e acciaio.
- Per il controllo qualità della produzione di grandi volumi di pezzi lavorati , Rockwell è lo standard. Un test HRC di 3 secondi può mantenere l'indice di capacità del processo di una linea di trattamento termico senza creare un collo di bottiglia. Utilizzare HRC per acciai temprati superiori a 20 HRC e HRB per le leghe non ferrose più morbide.
- Per componenti cementati, sottili o rivestiti , il micro-Vickers è l'unica scelta adatta. Un carico di 500 gf o 1 kgf e un penetratore Knoop o Vickers possono misurare il gradiente nucleo-involucro senza che l'impronta si estenda attraverso lo strato indurito.
- Per saldature, giunti e zone interessate dal calore , Vickers o Knoop a bassa forza (1-5 kgf) possono risolvere variazioni di durezza attraverso la banda stretta di un'interfaccia di saldatura, il che è fondamentale per evitare cricche da idrogeno o formazione di fasi fragili.
- Quando sono necessarie proprietà del materiale che vanno oltre un singolo numero di durezza , un durometro universale in modalità Martens fornisce la durezza di indentazione, il modulo elastico, il comportamento di scorrimento e rilassamento da un singolo test di indentazione strumentato, utile per lo sviluppo di polimeri, ceramiche e materiali avanzati.
Conversione tra scale di durezza
Le conversioni della scala di durezza sono approssimative e la pratica responsabile è quella di farlo usali solo per confronto, mai per specifiche . La relazione di conversione tra Brinell, Rockwell e Vickers dipende dal comportamento di incrudimento del materiale, quindi una tabella di conversione ASTM E140 per l'acciaio inossidabile austenitico sarà diversa da quella per l'acciaio al carbonio e bassolegato. Come esempio pratico, un tipico acciaio al carbonio con 640HV30 corrisponde a circa 56 HRC e 600 HBW . Tuttavia, per un acciaio inossidabile austenitico completamente incrudito, gli stessi 56 HRC potrebbero corrispondere a soli 250 HBW. Quando una specifica richiede il reporting in una scala specifica, il test deve essere eseguito direttamente in quella scala. Una macchina universale per prove di durezza può ridurre al minimo questa incertezza eseguendo la prova nel metodo richiesto senza ricorrere alla conversione.
