Durezza di indentazione

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.

I test sulla durezza di indentazione sono utilizzati per determinare la durezza di un materiale alla deformazione. Esistono diversi test similari, in cui il materiale esaminato è indentato fino a che un impronta non si sia formata; questi test possono essere effettuati su scala macroscopica e microscopica.

La nanoindentazione viene usata per misurare la durezza di campioni molto piccoli.

Quando si testano i metalli, la durezza dell'indentazione si correla linearmente con la forza di trazione. Questa relazione importante permette in modo economico testing non distruttivi per distribuzioni (deliveries) di metalli massivi leggeri, anche con apparecchiature portatili come i durometri Rockwell. [1]

Durezza del materiale[modifica | modifica wikitesto]

Poiché la direzione della scienza dei materiali prosegue verso lo studio basilare delle proprietà su scale sempre più piccole, diverse tecniche sono utilizzate per quantificare le tendenze e le caratteristiche del materiale. La misurazione delle proprietà meccaniche dei materiali su scale più piccole, come le pellicole sottili, non può essere fatta utilizzando i test convenzionali di trazione monoassiale. Ne risulta che le tecniche di testing della "durezza" dei materiali indentati con una impronta sono state sviluppate per determinare tali proprietà.

Le misurazioni della durezza quantificano la resistenza di un materiale alla deformazione plastica. I test di durezza tramite indentazione costituiscono la maggior parte dei processi utilizzati per determinare la durezza del materiale e possono essere suddivisi in due classi: di microindentazione e di macroindentazione. I test di microindentazione in genere hanno meno forze di 2 N (0,45 lbf). La durezza, tuttavia, non può essere considerata come una proprietà materiale fondamentale. Al contrario, essa rappresenta una quantità arbitraria utilizzata per fornire un'idea relativa della proprietà del materiale. [2] Come tale, la durezza può offrire solo un'idea comparativa di resistenza del materiale alla deformazione plastica in quanto le differenti tecniche di durezza hanno scale diverse.

La principale fonte di errore con i test di indentazione è l'effetto dell'incrudimento del processo. Tuttavia, è stato determinato sperimentalmente per mezzo dei "test di durezza senza tensione" che l'effetto è minimo con le indentazioni più piccole. [3]

La finitura superficiale del pezzo e l'indentatore non hanno un effetto sulla misurazione della durezza, a condizione che la indentazione sia grande rispetto all'irregolarità della superficie. Questo si rivela utile sia quando si misura la durezza delle superfici reali che quando si lascia un'indentazione poco profonda, poiché un indentatore finemente inciso rende la lettura dell'impronta molto più facile di un indentatore liscio. [4]

L'indentazione lasciata dopo che l'indentatore e il carico sono stati rimossi è detto "recupero" o "balzo leggermente all'indietro". Questo effetto è propriamente noto come "poco profondo" (shallowing). Si sa che per gli indentatori sferici l'indentazione resta simmetrica e sferica, ma con un raggio più ampio. Per i materiali molto duri il raggio può essere tre volte più grande del raggio dell'indentatore. Questo effetto è attribuito al rilascio di tensioni elastiche. A causa di questo effetto il diametro e la profondità dell'indentazione fanno sì che sì abbiano degli errori. Si sa anche che gli errori dovuti al cambiamento di diametro corrispondono solo a una piccola percentuale, mentre l'errore causato dalla profondità è molto maggiore. [5]

Un altro effetto che il carico ha sull'indentazione è il l'"accatastamento" (piling-up) o l'"affondamento" (sinking-in) del materiale circostante. Se il metallo è temprato, avrà una tendenza ad accumularsi formando un "cratere". Se il metallo è ricotto, esso affonderà intorno all'indentazione. Entrambi questi effetti si sommano all'errore della misurazione della durezza. [6]

Test di macroindentazione[modifica | modifica wikitesto]

Il termine "macroindentazione" viene applicato ai testing con carico di test più grandi, dell'ordine di 1 kgf od oltre. Ci sono vari test di macroindentazione, tra i quali:

Non vi è, in generale, nessuna semplice relazione tra i risultati di test di durezza differenti. Sebbene vi siano pratiche tabelle di conversione per gli acciai duri; per esempio, alcuni materiali mostrano comportamenti qualitativamente differenti in base a metodi di misurazione diversi. Le scale di durezza di Vickers e Brinell si correlano bene in un ampio intervallo, ma per quanto riguarda quest'ultima solo producendo valori sovrastimati con carichi elevati

Test di microindentazione[modifica | modifica wikitesto]

Il termine "microdurezza" è stato ampiamente impiegato nella letteratura per descrivere il testing di durezza dei materiali con bassi carichi applicati. Una definizione più precisa è "testing di durezza di microindentazione", in cui un indentatore di diamante di geometria specifica viene impresso sulla superficie del campione in esame usando una forza nota applicata (comunemente detta "carico" o "carico di prova") che va da 1 a 1000 gf. I test di microindentazione hanno in genere forze di 2 N (grosso modo 200 gf) e producono indentazioni di circa 50 μm. A causa della loro specificità, i testing di microdurezza possono essere usati per osservare i cambiamenti di durezza su scala microscopica. Purtroppo, è difficile da standardizzare le misurazioni di microdurezza; si è scoperto che la microdurezza di quasi tutti i materiali è superiore al loro macrodurezza. Inoltre, i valori di microdurezza in essi riscontrati variano a seconda del carico e degli effetti di incrudimento. [2] I due test di microdurezza più comunemente utilizzati sono quelli che possono essere anche applicati con carichi più pesanti, quali i test di microindentazione:

Nei testing di microindentazione, il numero di durezza è basato su misurazioni effettuate sulla tacca (indent) formata sulla superficie del campione da esaminare. Inoltre, il numero di durezza è basato sulla superficie della tacca stessa divisa per mezzo della forza applicata, dando misure di durezza espresse in kgf/mm². Il testing di durezza di microindentazione può essere fatto usando indentatori di Vickers o di Knoop. Per il test di Vickers, entrambe le diagonali vengono misurate e il valore medio viene usato per calcolare il numero della piramide di Vickers. Nel test di Knoop, soltanto la diagonale più lunga viene misurata e la sua durezza viene calcolata in base all'area proiettata della tacca (indent) divisa per la forza applicata, fornendo ugualmente misurazioni espresse in kgf/mm².

Il test di microindentazione di Vickers viene effettuato in modo simile ai test di macroindentazione di Vickers, utilizzando la stessa piramide. Il test di Knoop utilizza una piramide allungata per indentare campioni di materiali. Questa piramide allungata crea un'impressione (o impronta) superficiale, che è vantaggiosa per la misurazione della durezza dei materiali fragili o di componenti sottili. Sia l'indentatore di Knoop che quello di Vickers richiedono la pre-lucidatura della superficie onde ottenere risultati precisi.

I test di graffio con carichi ridotti, come il test di microcarattere di Bierbaum, eseguiti per carichi di 3 gf o 9 gf , precedettero lo sviluppo dei microdurometri che usavano gli indentatori tradizionali. Nel 1925, Smith e Sandland del Regno Unito hanno sviluppato un test di indentazione che impiegava un indentatore piramidale a base quadrata, fatto di diamante. [7] Essi scelsero la forma piramidale con un angolo di 136° tra le facce opposte in modo da ottenere numeri di durezza il più possibile vicini a quelli della durezza di Brinell del campione in esame. Il test di Vickers ha un grande vantaggio di utilizzare una scala di durezza per testare ogni tipo di materiale. Il primo riferimento all'indentatore di Vickers a bassi carichi è stato fatto nel 1932 nella relazione annuale del National Physical Laboratory. Lips e Sack descrivono nel 1936 il primo tester di Vickers che usava carichi bassi. [senza fonte]

Vi è un certo disaccordo nella letteratura per quanto riguarda il campo di variabilità del carico applicabile ai test microdurezza. La Specifica ASTM E384, per esempio, afferma che l'intervallo di carico per il testing di microdurezza è di 1-1.000 gf. Per i carichi di 1 kgf e inferiori, la durezza di Vickers (HV) è calcolata con un'equazione, in cui il carico (L) è in grammi di forza e la media delle due diagonali (d) è espressa in millimetri:

HV=1854.4\times\tfrac{L}{d^2}

Per ogni dato carico, la durezza aumenta rapidamente a basse lunghezze di diagonale, con l'effetto che diventa più marcato quando diminuisce il carico. Così con carichi ridotti, i piccoli errori di misurazione produrranno deviazioni durezza di grandi dimensioni. In questo modo si dovrebbe usare sempre il massimo carico possibile, in ogni test. Inoltre, nella parte verticale delle curve, gli errori di piccole misurazioni produrranno deviazioni di durezza di grandi dimensioni.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ (EN) E.J. Pavlina, C.J. Van Tyne, Correlation of Yield Strength and Tensile Strength with Hardness for Steels in Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 17, nº 6, Springer New York, dicembre 2008, DOI:10.1007/s11665-008-9225-5. URL consultato il 12 aprile 2010.
  2. ^ a b Meyers and Chawla (1999): "Mechanical Behavior of Materials", 162–168.
  3. ^ Tabor, p. 16.
  4. ^ Tabor, p. 14.
  5. ^ Tabor, pp. 14-15.
  6. ^ Tabor, p. 15.
  7. ^ (EN) R.L. Smith, G.E. Sandland, An Accurate Method of Determining the Hardness of Metals, with Particular Reference to Those of a High Degree of Hardness in Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, vol. 1, 1922, pp. 623–641.

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]