Proprietà dei materiali e durezza Brinell

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Classe 2^ AMME – STA – UdA n° 2: La materia: proprietà e processi produttivi - Proprietà
LE PROPRIETÀ FISICHE, CHIMICHE E TECNOLOGICHE DEI MATERIALI
In tutte le lavorazioni o applicazioni si sfruttano le particolari attitudini o proprietà che hanno i
materiali di lasciarsi trasformare o di resistere agli sforzi esterni.
La conoscenza delle proprietà è di fondamentale importanza per il tecnico meccanico, cui
spesso compete la scelta del materiale in relazione alle esigenze d’impiego.
Distinguiamo:
-
Proprietà fisiche
Proprietà chimiche
Proprietà meccaniche
Proprietà tecnologiche
Sulle proprietà fisiche, chimiche e tecnologiche si basano i metodi di lavorazione; sulle
proprietà meccaniche si basa la resistenza dei vari materiali agli sforzi esterni.
PROPRIETÀ FISICHE
Si riferiscono alle caratteristiche generali della materia.
Ai fini dello studio della Scienze e Tecnologie Applicate, le più importanti sono:
-
Massa volumica
Dilatazione termica
Capacità termica massica
Conducibilità termica
Conducibilità elettrica
1) Massa volumica
E’ il rapporto tra la massa di un corpo omogeneo ed il suo volume:
ρ = M / V [kg/m3]
La massa volumica, spesso misurata in [kg/dm3], ha un notevole interesse perché fornisce
indicazioni riguardo la pesantezza o la leggerezza di un materiale:
Il magnesio è ultraleggero avendo ρ = 1,74 [kg/dm3]
L’alluminio è leggero avendo ρ = 2,7 [kg/dm3]
Il titanio è semileggero avendo ρ = 4,51 [kg/dm3]
Il ferro è semipesante avendo ρ = 7,87 [kg/dm3]
Il piombo è pesante avendo ρ = 11,50 [kg/dm3]
L’acciaio ha ρ = 7,5 ÷ 8,1 [kg/dm3]
La ghisa grigia ha ρ = 7,2 [kg/dm3]
Il bronzo ha ρ = 8,9 [kg/dm3]
Il metallo più leggero è il potassio avendo ρ = 0,86 [kg/dm3], il metallo più pesante è l’iridio
con ρ = 22,40 [kg/dm3].
Scienze e tecnologie applicate - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS “Galilei” - Conegliano
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2) Dilatazione termica
Esprime le variazioni di volume di un corpo solido, non soggetto a sollecitazioni meccaniche
sensibili, per effetto di variazioni di temperatura.
La dilatazione può essere:
-
lineare (una dimensione prevalente come nei fili e nelle barre)
superficiale (due dimensioni prevalenti come nelle lamiere)
volumetrica (tre dimensioni prevalenti come nei solidi in genere)
Prendendo in considerazione il caso della dilatazione lineare, un corpo metallico rettilineo di
lunghezza L0, in seguito ad un aumento di temperatura ΔT, subisce un allungamento ΔL dato da:
ΔL = αl · L0 · ΔT [m]
dove αl = ΔL / (L0 · ΔT) [m/m · °C] rappresenta il coefficiente di dilatazione termica lineare (si
ricava sperimentalmente).
Il coefficiente di dilatazione termica lineare indica l’allungamento subito da un solido lungo
1 metro per effetto dell’aumento di temperatura di 1 grado centigrado (o di 1 Kelvin).
Valori medi di αl tra 20° ÷ 100° sono: 0,000012 per gli acciai
0,000018 per il bronzo
0,000010 per la ghisa grigia.
Esempio: di quanto si allunga
un binario ferroviario d’acciaio
lungo inizialmente 18 m se la
temperatura passa da 20 a 50 °C?.
ΔL = αl · L0 · ΔT
= 0,000012 · 18 · 30
= 0,00648 = 6,48 [mm]
Nelle costruzioni meccaniche la dilatazione termica si considera negli accoppiamenti soggetti a
funzionare a temperature elevate e negli strumenti di misura; in fonderia è importante per la
costruzione delle forme.
3) Capacità termica massica (o Calore specifico)
E’ la quantità di calore che bisogna cedere all’unità di massa di una determinata sostanza per
aumentare di un valore unitario la temperatura:
Q = Cm · ΔT · M [J]
dove Cm = Q / (ΔT · M) [J / (kg · K)] rappresenta il coefficiente di capacità termica massica (che
una volta era detto “calore specifico”).
Il coefficiente di capacità termica massica rappresenta il calore espresso in J necessario per
innalzare di 1 °C (o di 1 K) la temperatura di una massa di 1 kg di una determinata sostanza.
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Per ciascuna sostanza la capacità termica massica non è costante ma varia sensibilmente al
variare della temperatura. Per facilitare i calcoli si assumono valori medi relativi ad ampi campi di
temperatura:
Per l’acciaio da 20 a 1150 °C si assume Cm = 685 [J/kg · K]
Per la ghisa si assume Cm = 710 [J/kg · K]
Per bronzi ed ottoni si assume Cm = 375 [J/kg · K]
L’interesse pratico è quello di potere determinare la quantità di calore Q
che deve essere somministrata ad una sostanza di massa M per riscaldarla
(come per esempio nelle operazioni di stampaggio a caldo).
Esempio: Quanto calore occorre fornire ad uno spezzone di barra da stampare avente massa m =
2 [kg] per portarlo alla temperatura di 1100 °C?
Q = Cm · ΔT · M = 685 · 1080 · 2 = 1 479 600 [J] = 1 479,6 [kJ]
-
Temperatura di fusione
E’ la temperatura alla quale una sostanza passa dallo stato solido allo stato liquido. La
trasformazione avviene con assorbimento di calore ed è quindi necessario fornirlo perché essa possa
avvenire
Nei metalli puri e nelle leghe eutettiche la fusione (e la solidificazione) avvengono a
temperatura costante.
Le leghe non eutettiche hanno una temperatura di inizio fusione (o di solidificazione) ed una
temperatura di fine fusione (o di solidificazione).
Temperatura di fusione [°C]
Alluminio
658
Ferro
1535
Rame
1083
Stagno
232
Zinco
419
Acciaio
1300 ÷ 1400
Ghisa
1150 ÷ 1200
Bronzo
900 ÷ 960
Ottone
900 ÷ 1000
-
Calore massico di fusione
Per fare passare una massa M in kg di materiale dallo stato solido allo stato liquido, occorre
fornire la seguente quantità di calore:
Q = Cm · (T2 – T1 ) · M + q · M [J]
dove q [J] è il calore massico di fusione (o calore latente di fusione), è cioè una quantità di calore
supplementare necessario per vincere le azioni molecolari del materiale, già portato alla
temperatura di fusione, per trasformarlo definitivamente da solido in liquido.
Es.: qferro = 268 [kJ/kg]
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Tale caratteristica è particolarmente importante nella saldatura e nella
fonderia.
Esempio: Quanto calore bisogna fornire ad una massa di materiale
ferrso m = 10 [kg] che fonde a 1535 [°C] per portarla a fusione?
Q = Cm · (T2 – T1 ) · M + q · M
= 685 · (1535 – 20 ) · 10 + 268 · 10
= 685 · 1515 · 10 + 2680 = 10 380 430 [J] = 10 380,43 [kJ]
Il calore latente verrà integralmente restituito durante la solidificazione (calore latente di
solidificazione). Il passaggio liquido solido avviene cioè con sviluppo di calore.
4) Conducibilità termica
Indica l’attitudine di un materiale a trasmettere il
calore. Ciò si verifica all’interno di un corpo tra punti a
diversa temperatura.
Attraverso una lastra di Superficie S e di spessore s, tra
le cui facce esiste una differenza di temperatura ΔT, nel
tempo t passa una quantità di calore Q dato dalla relazione:
Q = (kt · S · ΔT · t) / s [J]
dove kt = (Q · s) / (S · ΔT · t) [J / m · °C · s] é il
coefficiente di conducibilità termica.
E’ il caso della “Trasmissione del calore per
conduzione” e la legge suddetta è la Legge di Fourier.
Il coefficiente di conducibilità termica rappresenta la quantità di calore, espressa in J, che
attraversa in 1 secondo una lastra di 1 m2 di superficie e spessore 1 metro, quando la differenza
di temperatura tra le due facce è di 1 °C.
L’acciaio con carbonio 0,20 % ha kt = 83,7 MJ/m · °C
Il rame ha kt = 372,2 MJ/m · °C
L’argento ha kt = 418 MJ/m · °C
L’argento ha la maggiore conduttività, il sughero la peggiore.
La conducibilità termica interessa molte costruzioni industriali per la scelta dei materiali buoni
conduttori di calore (scambiatori, radiatori) o cattivi conduttori di calore. Questa caratteristica è
particolarmente importante anche nella saldatura.
Esempio: calcolare la quantità di calore che attraversa in un’ora una struttura in alluminio (kt =
218) di spessore 20 [cm] e superficie [1 m2] nota che sia la differenza di temperatura tra l’esterno e
l’interno ΔT = 36 [°C] :
Q = (kt · S · ΔT · t) / s = 218 · 1 · 36 · 3600 / 0,2 = 1,41 [J]
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5) Conducibilità elettrica
Esprime l’attitudine di un materiale a trasmettere la corrente elettrica.
La conducibilità elettrica viene espressa anche con la proprietà opposta, detta “Resistività”.
La resistenza che un conduttore oppone al passaggio della corrente elettrica è direttamente
proporzionale alla lunghezza L del conduttore stesso ed inversamente proporzionale alla sua sezione
trasversale S:
R = ρ · L/S [Ω]
dove ρ = R · S/L è la resistività, cioè la resistenza offerta da un conduttore avente sezione e
lunghezza unitaria.
Resistività [Ω · mm2/m]
Silicio
150
Ghisa grigia
1,2
Acciaio
0,10 ÷ 0,25
Ottone
0,07
Rame
0,0173
Argento
0,015
Materiali per applicazioni elettrotecniche
Il materiale elettricamente più conduttore è l’argento. Tra i materiali a piccolissima
conducibilità abbiamo il silicio.
I materiali a bassa resistività vengono utilizzati come conduttori di elettricità (es.: rame). I
materiali ad alta resistività sono invece utilizzati per costruire resistenze elettriche …
A seconda del valore della resistività i materiali per applicazioni elettrotecniche si distinguono
in:
- conduttori (ρ limitata)
- isolanti (ρ molto elevata)
- semiconduttori (ρ intermedia tra quella dei metalli e quella degli isolanti)
- superconduttori (ρ praticamente nulla)
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PROPRIETÀ CHIMICHE
Riguardano il complesso dei fenomeni che si producono fra un materiale e l’ambiente in cui
questo è posto.
Le reazioni, inizialmente superficiali e successivamente penetranti, danno luogo ad un apporto o
ad un asporto di sostanza. Il problema è importante perché ha due aspetti, uno utile ed uno dannoso.
- Aspetto utile
Studia le reazioni, provocate e controllate, fra il materiale e l’ambiente in cui viene posto allo
scopo di ricoprirlo di una pellicola dotata di particolari ed utili proprietà.
Ricordiamo per esempio il decapaggio, la brunitura dell’acciaio ed altri trattamenti come la
cromatura, la zincatura ecc.
- Decapaggio: serve a liberare una superficie metallica dalle scaglie di ossidi che la ricoprono e
che si sono formate in seguito ad un riscaldamento a temperatura elevata in presenza di ossigeno
atmosferico (come avviene per esempio nella laminazione a caldo, la saldatura, lo stampaggio …).
Nel caso degli acciai, il decapaggio chimico viene compiuto mediante immersione del materiale
in una soluzione costituita da acqua e acido cloridrico (10 %) o acqua con una miscela di acido
cloridrico (10 %) e acido solforico (10 %) a temperatura di 60 ÷ 80 °C. Dopo il decapaggio si
procede ad un lavaggio per eliminare le tracce di acido.
- Brunitura dell’acciaio: serve a ricoprire l’acciaio con una sottile pellicola di ossido di ferro
nero protettiva ed estetica.
E’ un processo di ossidazione anodica controllata, eseguita per semplice immersione del
materiale in soluzioni calde di svariata composizione (es: acido nitrico).
- Cromatura, nichelatura, zincatura: sono rivestimenti protettivi e/o decorativi ottenuti per
deposizione elettrolitica su un metallo base (es.: acciaio)
- Aspetto dannoso
Studia le reazioni fra l’ambiente ed il materiale, che provocano su quest’ultimo una progressiva
distruzione. Da ciò la necessità della difesa del materiale (protezione dalla corrosione).
La corrosione è un’alterazione chimica che l’ambiente esterno può provocare sui materiali
metallici. Può essere provocata da:
Reazioni chimiche, originate dall’affinità del metallo con l’agente corrosivo (liquido, aria);
Reazioni elettrochimiche, prodotte da correnti elettrolitiche che si generano tra zone
superficiali di pezzi a potenziale più basso.
Il metallo viene corroso perché gli ioni
metallici si spostano a causa della differenza
di potenziale. In una struttura costituita da
due metalli diversi, quello dei due che
assume potenziale più basso (il meno
“nobile”, che si comporta da anodo), è
destinato a corrodersi.
Tra il ferro e lo zinco si corrode lo zinco.
Tra il ferro ed il rame si corrode il ferro.
Tale tipo di corrosione è detta
“Corrosione galvanica”.
Per proteggere i materiali ferrosi è
necessario procedere ad una difesa dalla corrosione. Tra i metodi più diffusi di protezione dalla
corrosione ricordiamo la zincatura, sia per immersione a caldo che elettrolitica, la verniciatura ed i
rivestimenti con materiale plastico.
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PROPRIETÀ TECNOLOGICHE
Indicano la maggiore o minore attitudine di un materiale ad essere lavorato in un dato modo.
Ricordiamo:
1) Plasticità: un materiale si dice “plastico” quando, sottoposto a forze esterne, si deforma
permanentemente senza rompersi. In particolare, è detto “duttile” quando può essere ridotto
in fili, è detto “malleabile” quando può essere ridotto in lamine, è detto “piegabile” quando
si lascia piegare a freddo senza screpolarsi o rompersi.
Materiali dotati di plasticità sono oro, argento, rame, ferro,
piombo, alluminio, acciaio extra dolce.
2) Fusibilità: è l’attitudine di un materiale ad essere trasformato
in un prodotto finito per via di fusione a temperature non
eccessivamente elevate. In particolare, un materiale è
“colabile” quando fornisce getti sani e compatti (senza
soffiature) ed è fluido per costituire spessori anche sottili.
Materiali adatti al getto sono le ghise, i bronzi e le leghe
leggere (dell’alluminio) da fonderia.
3) Saldabilità: è l’attitudine di un materiale ad unirsi
saldamente con un materiale uguale per mezzo di
riscaldamento e fusione dei lembi o riscaldamento con
rammollimento del materiale e pressione tra i pezzi. Sono
maggiormente saldabili gli acciai a basso tenore di carbonio.
4) Truciolabilità: è l’attitudine che ha un materiale ad essere
lavorato per asportazione di truciolo (tornitura, fresatura …).
Per questo sono maggiormente lavorabili gli acciai a basso
tenore di carbonio, gli acciai al piombo ed allo zolfo (acciai
automatici).
5) Temprabilità: è l’attitudine di un materiale a subire (per
effetto di riscaldamenti e successivi raffreddamenti più o
meno rapidi) trasformazioni cristalline tali da ottenere una
struttura diversa e, quindi, caratteristiche meccaniche e
tecnologiche differenti. Temprabili sono per esempio gli acciai che hanno una percentuale di
carbonio superiore allo 0,40 %.
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Per “misurare” le proprietà tecnologiche dei materiali si effettuano sugli stessi delle prove
tecnologiche. Alcune sono unificate, altre sono diffuse nella pratica di lavoro anche se
ufficialmente non sono riconosciute.
Ricordiamo la prova di imbutitura (UNI 4693), prove di piegamento (previste dalle norme UNI
sui tubi), prove di fucinatura, prove di colabilità …
PROPRIETÀ MECCANICHE
Indicano l’attitudine di un materiale a resistere alle sollecitazioni esterne che tendono a
deformarlo. Rappresentano, cioè, il comportamento dei materiali quando sono sottoposti alle
sollecitazione d’impiego.
- Tipi di sollecitazione
Si parla di sollecitazioni statiche quando la forza applicata è gradualmente crescente, da zero
fino al suo valore massimo, per un tempo variabile da alcuni secondi a qualche minuto.
Le principali prove secondo questa caratteristica sono:
- prove di Durezza (Brinell, Rockwell, Vickers)
- prova di Trazione
Una sollecitazione viene definita dinamica quando la forza applicata alla provetta in esame è
applicata per un brevissimo tempo, quasi istantaneo.
La prova dinamica più importante è quella effettuata tramite il pendolo di Charpy, che tende a
misurare la resilienza, cioè la resistenza agli urti dei materiali.
Una sollecitazione è detta a fatica quando il materiale è sottoposto ad una successione di
sollecitazioni dinamiche, dirette nello stesso senso oppure in senso variabile periodicamente.
A parità di carico applicato, il materiale resiste in modo ed in misura diversa ai vari tipi di
sollecitazione esterna:
Rsollecitazione a fatica < Rsollecitazione dinamica < Rsollecitazione statica
Quando
una
forza è applicata in
una zona ristretta o
puntiforme,
si
parla di Forza
concentrata.
Tra
due
superfici
di
contatto di due
corpi
in
movimento,
fra
loro
striscianti
(attrito radente) o
rotolanti
(attrito
volvente),
si
genera una Forza
d’attrito.
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Se un materiale è sottoposto ad una sola sollecitazione, la sollecitazione è detta semplice.
Quando il materiale è sottoposto a due o più azioni la sollecitazione è detta composta.
Supponendo di considerare il seguente provino, andremo ad analizzare le sollecitazioni semplici
applicabili ad esso.
Il corpo subisce uno sforzo di trazione e/o compressione quando le forze esterne applicate sono
parallele alle fibre assiali. C’è trazione quando le forze tendono ad allungare le fibre, viceversa se
c’è compressione.
Si ha invece sforzo di flessione quando la forza esterna agisce su un piano perpendicolare
all’asse del corpo e tende a “flettere” il corpo stesso, cioè a piegarlo.
Con “coppia” indichiamo due forze uguali ed opposte agenti su rette d’azione diverse e
parallele, distanti fra loro da una grandezza detta braccio.
Se invece la nostra barra è sollecitata a sforzo di torsione, le sezioni trasversali rispetto l’asse
saranno soggette a rotazione.
Infine rimane la sollecitazione a taglio, quando le forze applicate si riducono ad una risultante, il
tutto in una sezione trasversale passante per il baricentro del pezzo.
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- Tipi di deformazione
Un corpo solido, sottoposto a forze esterne, tende a subire delle deformazioni, nel senso che
le particelle elementari che lo compongono si spostano reciprocamente. Aumentando
reciprocamente le azioni esterne, ad un certo punto si perverrà alla rottura del corpo.
Le deformazioni conseguenti alle sollecitazioni applicate possono essere di due tipi:
1) Elastiche, quando, togliendo il carico, il materiale riprende la forma e le dimensioni
primitive;
2) Permanenti, quando, togliendo il carico, il materiale non torna più alla forma e dimensioni
iniziali.
Nelle applicazioni pratiche bisogna sempre evitare che i materiali in opera si deformino in modo
permanente. Perché gli organi di macchine rispondano agli scopi cui sono destinati, occorre che le
deformazioni determinate dai carichi non siano permanenti, ma di tipo elastico (ossia la
deformazione scompare quando viene eliminato il carico). Non solo: il ripetersi di azione esterne
(carico e scarico), fatti accidentali (urti), ecc, potrebbero incidere sulla conservazione delle
caratteristiche meccaniche nel tempo. Per tali ragioni, l’assunzione di un materiale per uno scopo
ben preciso va eseguito con rilevante attenzione, con uno studio approfondito delle sollecitazioni
che dovrà subire. Il materiale non dovrà mai lavorare al limite delle sue possibilità, ma ben al di
sotto (assumendo opportuni coefficienti di sicurezza) del carico che porterebbe alla rottura.
Importanza delle prove di laboratorio
Le prove di laboratorio rappresentano il mezzo più idoneo per raccogliere dati ed informazioni
sulle caratteristiche dei materiali e dei trattamenti ai quali sono stati sottoposti. Da qui l'importanza
di conoscere e valutare attentamente le proprietà dei materiali impiegati.
Si distinguono tre momenti di controllo:
1 - le qualità del materiale corrispondano al tipo prestabilito (prove preliminari)
2 - siano state eseguite correttamente le lavorazioni (controlli intermedi principalmente su pezzi
che hanno subito trattamenti termici oppure lavorazioni alle macchine CN)
3 - il manufatto, assemblato, corrisponda ai requisiti funzionali (controlli statistici di qualità)
Classificazione delle prove meccaniche
Una prova viene indicata con il termine distruttiva quando la stessa si conclude con la rottura,
che talvolta rende inutilizzabile la provetta. E' il caso della prova di trazione: la provetta, fissata fra
le due ganasce della macchina , viene sottoposta a sforzo di trazione fino a pervenire alla rottura.
Le prove non distruttive, al contrario di quelle distruttive, non hanno il fine di pervenire alla
rottura del provino. Tali prove non alterano la forma, le dimensioni, le proprietà e la struttura del
materiale campione. Poiché le caratteristiche dei materiali possono essere molto differenti, si usa
classificare in modo preciso e dettagliato le proprietà meccaniche, intese a definire il
comportamento rispetto a carichi esterni.
Resistenza: facoltà di un materiale a sopportare un carico prima di rompersi;
il suo indice è il carico di rottura.
Tenacità: facoltà di sopportare carichi senza rompersi facilmente; caratteristica opposta è la
fragilità. Un materiale tenace ha buona resistenza a trazione, buon allungamento e buona
resilienza.
Resilienza: capacità del materiale di sopportare urti senza danni.
Durezza: capacità del materiale di non farsi scalfire o penetrare da altri corpi.
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Prova di trazione
La
prova
di
trazione consiste nel
sottoporre
un’apposita provetta
ad un carico di
trazione applicato con
una certa velocità
d’incremento fino a
provocarne la rottura.
Il vero scopo della
prova é quello di
determinare
le
caratteristiche
di
resistenza, elasticità e
deformabilità.
La prova viene
eseguita
con
un’apposita macchina
che è in grado di registrare su un grafico l’entità dei carichi e degli allungamenti della provetta
presa in esame.
Prova di resilienza
La
prova
di
resilienza consiste nel
rompere con un solo
colpo, attraverso una
mazza
a
caduta
pendolare, la provetta
intagliata
e
opportunamente
posizionata sul pendolo
di Charpy.
Oltre a determinare
l’energia spesa per la
rottura del provino, si
possono osservare e studiare le sezioni dei provini lungo l’intaglio per poter trarre delle conclusioni
riguardo la duttilità o fragilità del materiale.
Prova di durezza
La durezza può essere definita come una resistenza alle sollecitazioni di piccole porzioni di
materia che tendono ad essere spostate localmente.
La durezza è una proprietà del materiale e dipende dalle strutture cristalline e dalla elasticità
dello stesso. Nelle leghe metalliche la durezza aumenta ad opera del possibile incrudimento
provocato da lavorazioni meccaniche o da trattamenti termici.
Tra le prove di durezza, ricordiamo: durezza Brinell, Rockwell e Vickers.
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PROVA DI DUREZZA BRINELL
(secondo UNI 560-75 e UNI EN ISO 6506)
La prova di durezza Brinell fu ideata dall’ingegnere svedese J. A. Brinell verso il 1900. Essa
risulta attendibile per durezze < 450 HBS.
HBS é il simbolo che caratterizzava tale tipo di prova, eseguita mediante un “penetratore”
sferico in acciaio al carbonio temprato.
Nel caso si utilizzi come penetratore una sfera di metallo duro, come oggi previsto dalla
normativa, il simbolo della durezza Brinell è HBW. La sfera in metallo duro era prima usata per i
materiali con durezza Brinell fino a 650.
La prova viene effettuata mediante un “durometro”, capace di applicare una o più determinate
forze, grazie alla predisposizione rapida del carico di prova mediante un selettore a pulsanti posto
generalmente nella parte laterale o frontale dell’incastellatura della macchina. Nella parte
superiore uno schermo translucido permette la visualizzazione e la misurazione, tramite regolo
graduato, dell’impronta ingrandita.
La figura a lato rappresenta il durometro Karl Frank
detto “Francoscopio” che, oltre alla predisposizione rapida
mediante pulsanti del carico, permette, grazie ad un
dispositivo
a
revolver
che
sostituisce il penetratore con un
obiettivo senza alcun spostamento
del provino,
la proiezione
dell’impronta sul vetro smerigliato
dello schermo translucido.
Solidale a quest’ultimo é un
regolo graduato che consente la
misura del diametro dell’impronta,
senza dover ricorrere all’uso di
microscopi
misuratori
delle
impronte.
I carichi disponibili nel durometro Frank, in kg, sono:
1 – 2 – 3 – 5 10 – 15,625 – 20 – 30 – 31,25 – 40 – 50 62,5 –
100 – 125 – 150 – 187,5 – 250.
Si definiva numero di durezza Brinell (HBS), il rapporto
fra il carico di prova P e la superficie dell’impronta della calotta sferica S, lasciata dalla sfera sul
pezzo:
P
[kgf/mm2]
HBS =
S
Con l’introduzione del Sistema Internazionale SI, il carico si indica con F e si esprime in [N]. Il
Comitato Tecnico dell’ISO ha comunque deciso che l’introduzione del SI non doveva comportare
variazioni dei valori esistenti della durezza e, sempre nel 1975, ha abolito l’unità di misura
dimensionale della durezza Brinell, i cui valori sono quindi oggi numeri adimensionali (UNI EN
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ISO 6506). Per questo, ha introdotto il fattore di conversione 0,102. L’espressione precedente,
considerando anche il penetratore sferico in carburo metallico sinterizzato, é così divenuta:
HBW = 0,102 ·
F
[N/mm2]
S
Carichi di prova
Il carico da applicare si sceglie in funzione del diametro della sfera e del materiale di prova,
come indicato nella seguente tabella:
In mancanza di tabelle può essere utilizzata la seguente formula:
F = K · D2
dove D é il diametro della sfera e K un coefficiente che dipende dal materiale del provino.
Per quanto riguardo il coefficiente K, si ha:
K = 30 per i materiali ferrosi
K = 20 per gli acciai extra dolci
K = 10 per le leghe leggere
K = 5 per bronzi e ottoni
K = 2,5 per metalli teneri
K = 1,25 per metalli tenerissimi (stagno e sue leghe)
K = 0,5 per il piombo
Diametro delle sfere: Vengono normalmente usate sfere di diametro 10 - 5 - 2,5 - 2 e, più
raramente, 1 mm.
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Condotta della prova mediante durometro universale Frank
Il durometro Frank é detto “universale” perché con
esso é possibile eseguire le prove secondo i diversi metodi
(Brinell, Rockwell, Vickers).
La prova prevede le seguenti fasi:
DUREZZE
350
C40
300
a) si posiziona il provino del materiale di cui si vuol
conoscere la durezza sull’apposito supporto;
200
88MnV8
b) si seleziona il carico prestabilito premendo il
150
40Cr MnMo7
pulsante
corrispondente;
100
Fe370
c) si abbassano le due leve poste lateralmente, in
50
Alluminio
modo
che il penetratore si posizioni perpendicolarmente
0
Rame
alla superficie del provino;
0
2
4
6
Ottone
d) si avvicina il pezzo da testare al penetratore (per
Prove
facilitare tale operazione si ha a disposizione un apposito
rilevatore che assicura, con un minimo movimento
dell’indicatore, l’avvenuto contatto tra penetratore e pezzo);
e) si rilasciano le leve, finora tenute basse, e dal momento in cui queste raggiungono l’arresto
superiore (che stabilisce il raggiungimento in modo graduale del carico applicato in 2 – 8 secondi)
si cronometrano 15 secondi (il tempo in cui deve restare applicato il carico), al termine dei quali
velocemente si allontana il pezzo dal penetratore.
39NiCrMo4
HBS
250
Si passa poi alla fase di misurazione dei diametri di ogni impronta. Per ognuna delle impronte si
posiziona il provino con l’impronta stessa in corrispondenza del puntino luminoso proveniente da
una piccola lampadina posta a fianco del penetratore nella condizione di leve alzate. Un
microscopio integrato al durometro ingrandisce l’area dell’impronta proiettandola su un piccolo
schermo. Solidale a questo c’é un righello mobile che permette di misurare i diametri ortogonali
dell’impronta. E’ bene misurare due volte, in maniera ortogonale, il diametro dell’impronta e,
quindi, assumere un valore medio.
Indicando con:
D, d, h, rispettivamente il
diametro della sfera, il diametro e la
profondità dell’impronta, la
superficie della calotta sferica in
funzione della profondità, è data da:
S = π · D · h [mm2]
Dal triangolo rettangolo AOB,
detto “k” il cateto maggiore e “d/2” il
cateto minore, risulta:
h = D/2 – k
dove, con Pitagora, k =
( D / 2) 2 - ( d / 2) 2
Quindi: h = [D-√(D2-d2)] / 2
Pag. 14
Trovato “k” e quindi “h”, sostituita nella formula che dà il valore di S, precedentemente
indicata, si ottiene la superficie dell’impronta in funzione del diametro della sfera e della profondità
dell’impronta.
Il diametro dell’impronta può essere misurato con il regolo o con un microscopio, che dà una
misura più esatta.
Si consiglia di effettuare le prove lungo un diametro del
provino e di assumere come diametro dell’impronta il valor
medio dei diametri ortogonali di almeno tre impronte.
Da ciò si può calcolare la durezza Brinell utilizzando la
formula:
HBW =
F
S
La temperatura di prova deve essere compresa tra 10 e
35 [°C].
Lo spessore del provino su cui si effettua la prova deve
essere:
s ≥ 8 h (con h la profondità dell’impronta).
La superficie su cui vengono effettuate le prove deve essere spianata con cura in modo da non
creare riscaldamenti che possano modificare le caratteristiche del materiale. Essa deve essere liscia
e pulita perché le eventuali impurità potrebbero creare difficoltà nella lettura delle impronte e
ostacolo alla penetrazione.
La prova, data l’ampiezza dell’impronta, non si può eseguire su superfici cilindriche.
Il carico è applicato gradualmente in modo che raggiunga il valore massimo in un tempo di 2 ÷
8 secondi e deve rimanere applicato per altri 10 ÷ 15 secondi.
2.5 d
d
2.5 d
4d
Nella zona intorno ad una impronta il
materiale risulta incrudito per cui la sua
durezza è aumentata; pertanto eventuali
misure in vicinanza di un impronta
darebbero luogo a valori sfalsati di durezza.
Anche in vicinanza dei bordi si possono
rilevare misurazioni errate a causa del
cedimento del materiale. Per evitare queste
cause d’errore le norme UNI prescrivono che
tra il centro di due impronte e tra il centro di
un’impronta e il bordo del pezzo deve
esserci una certa distanza minima (funzione
del diametro dell’impronta) come indicato in figura.
Pag. 15
Le condizioni “normali” di prova sono le seguenti:
-
Diametro della sfera D = 10 [mm]
Carico applicato 29400 [N], pari a 3000 [kg]
Permanenza del carico 10 ÷ 15 secondi
Quando le condizioni di prova sono differenti da quelle “normali”, la norma UNI 560 stabilisce
che il simbolo HBW sia preceduto dal valore di durezza e completato da un indice che specifica
nell’ordine:
- il diametro della sfera in mm;
- il valore del carico di prova in kg;
- il tempo di mantenimento del carico in secondi.
Per esempio:
300 HBW 5/200
con 5 il diametro della sfera, 200 kg il carico applicato e con tempo di mantenimento da 10 a 15
secondi (come da normativa e quindi senza necessità di indicazione);
300 HBW 2/120/20
con 2 il diametro della sfera, 120 kg il carico applicato e con tempo di mantenimento di 20 secondi.
Validità della prova
Perché la prova Brinell possa ritenersi valida occorre che il rapporto d/D
non abbia un valore qualsiasi ma sia compreso entro i limiti 0,24 ÷ 0,6.
Idealmente il valore preciso é d/D = 0,375. Tale valore si ha quando d/2 =
D/2 · cos 68°. In tali condizioni, l’angolo di penetrazione α tra le tangenti alla
calotta nei punti di contatto con la sfera é di 136°.
La “tolleranza” sul diametro dell’impronta ammessa dalla normativa, d =
(0.24 ÷ 0.6) · D, comporta un angolo di penetrazione compreso tra 106° ÷ 152°.
Valori medi della durezza Brinell
DUREZZE
350
HBS
Acciaio C 40: 170
Acciaio C 80: 200
Acciaio al cromo temprato e
rinvenuto: 280
Alluminio puro: 16
Leghe leggere: 40 ÷ 90
Rame crudo: 85
Bronzo in getti: 85
Ottone in getti: 80
Ghisa grigia: 180
Ghisa bianca: 370
Ghisa malleabilizzata: 230
300
C 40
250
39 Ni Cr Mo 4
200
88 Mn V 8
150
40 Cr Mn Mo 7
100
Fe 370
50
Alluminio
0
Rame
0
2
4
6
Ottone
Prove
Il grafico di figura mostra i valori delle durezza HBS rilevati su una serie di provini di materiale
diverso.
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Proprietà dei materiali e durezza Brinell

Transcript

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