Dietro a un valore apparentemente semplice, però, si trovano condizioni di misura molto diverse: si può controllare un grande getto di fonderia oppure un componente di pochi millimetri, un acciaio temprato, una ghisa, una lega leggera o uno strato indurito superficialmente.

Anche i carichi applicati possono variare enormemente: dalle prove con carichi molto bassi fino a controlli Brinell eseguiti con 3000 kgf, equivalenti a circa 29.430 N

Per questo motivo non esiste un unico sistema di misura adatto a qualsiasi applicazione.

Che cos’è la durezza di un metallo?

Nel campo delle prove di durezza per penetrazione, la durezza esprime la resistenza che un materiale oppone alla penetrazione di un corpo più duro, chiamato penetratore.

Durante la prova, il penetratore viene premuto sulla superficie del componente con una forza definita.

La risposta del materiale viene poi valutata misurando:

profondità della penetrazione oppure le dimensioni dell’impronta lasciata sulla superficie.

Da questa misura viene determinato il valore di durezza secondo il procedimento utilizzato.

Non si misura quindi la durezza in modo astratto: il risultato è sempre legato a  un metodo, un penetratore e determinate condizioni di prova.</p>

I principali metodi di misura della durezza

Tra i procedimenti più utilizzati per il controllo dei materiali metallici troviamo Rockwell, Brinell e Vickers.

Pur avendo tutti lo stesso obiettivo, determinare la durezza del materiale, funzionano secondo principi differenti.

Rockwell

Nel procedimento Rockwell il penetratore viene portato a contatto con il pezzo applicando inizialmente un precarico.

Successivamente viene applicato il carico di prova. Una volta rimosso il carico supplementare e ritornati alla condizione di precarico, lo strumento misura la differenza di profondità raggiunta dal penetratore.

La durezza viene quindi determinata attraverso la profondità di penetrazione.

Il principale vantaggio del Rockwell è la possibilità di ottenere una lettura diretta del risultato, senza dover misurare otticamente l’impronta.

Per questo motivo è un metodo particolarmente indicato quando sono importanti rapidità, ripetibilità e possibilità di automatizzare il controllo.

Brinell

Nel procedimento Brinell una sfera in metallo duro viene premuta sulla superficie del materiale applicando un determinato carico per un tempo definito.

Dopo aver rimosso il carico viene misurato il diametro dell’impronta lasciata dalla sfera.

La durezza Brinell viene determinata mettendo in relazione il carico applicato con la superficie dell’impronta ottenuta.

Il metodo permette di utilizzare carichi molto elevati e di interessare una porzione relativamente ampia di materiale. Per questo è particolarmente adatto, ad esempio, al controllo di acciai, fusioni e materiali poco omogenei come la ghisa.

Vickers

Nel procedimento Vickers viene utilizzato un <strong>penetratore in diamante a forma di piramide a base quadrata</strong>.

Dopo l’applicazione del carico vengono misurate le diagonali dell’impronta prodotta sulla superficie.

Il metodo Vickers può essere utilizzato su un campo molto ampio di durezze e permette di lavorare anche con carichi molto bassi.

Per questo trova particolare applicazione nel controllo di componenti piccoli, pezzi sottili e strati sottoposti a trattamento superficiale.

Da cosa dipende la scelta del metodo?

Sapere se un materiale è duro o tenero non è sufficiente per scegliere correttamente una prova.

È necessario considerare contemporaneamente diversi elementi.

1. Il carico di prova

Il carico deve essere adeguato al componente da controllare.

In particolare, la penetrazione non deve essere tale da interessare una parte eccessiva dello spessore del pezzo o dello strato indurito superficialmente.

Come criterio generale, la profondità della penetrazione dovrebbe rimanere entro circa un decimo dello spessore del materiale interessato dalla prova.

Quando le caratteristiche del componente lo consentono, lavorare con un carico relativamente elevato può offrire alcuni vantaggi.

Una penetrazione maggiore tende infatti a rendere il risultato meno sensibile alle piccole irregolarità superficiali e più rappresentativo del materiale nel suo insieme.

Questo è particolarmente importante quando il materiale non è perfettamente omogeneo.

Il carico non deve però essere eccessivo: l’impronta non deve compromettere il componente o interferire con la sua successiva utilizzazione.

2. La durezza del materiale

Il campo di durezza previsto influenza la scelta del penetratore.

Per materiali molto duri, come gli acciai temprati, vengono normalmente utilizzati penetratori in diamante.

Per materiali più teneri possono invece essere utilizzati penetratori a sfera.

Anche per questo i diversi metodi non sono intercambiabili in qualsiasi condizione.

Il Brinell, ad esempio, non viene normalmente utilizzato per acciai temprati molto duri, mentre Rockwell e Vickers possono impiegare penetratori in diamante.

3. Lo spessore del componente

La durezza misurata deve rappresentare il materiale che si vuole realmente controllare.

Se il pezzo è troppo sottile rispetto alla penetrazione prodotta dalla prova, la deformazione può raggiungere la superficie opposta e alterare il risultato.

Lo stesso principio vale per i trattamenti superficiali.

Se si vuole controllare la durezza di uno strato cementato, nitrurato o indurito superficialmente, la prova deve essere sufficientemente superficiale da non essere influenzata dal materiale sottostante.

Questo è uno dei motivi principali per cui la scelta del carico è così importante.

4. La superficie del pezzo

La condizione della superficie può influenzare in modo significativo il risultato.

Rugosità, ossidi, decarburazione superficiale, contaminazioni o una preparazione non corretta possono introdurre errori nella misura.

L’importanza della preparazione cambia anche in funzione del procedimento.

Nel Rockwell la superficie influenza direttamente la misura della profondità di penetrazione.

Nel Brinell e nel Vickers è inoltre necessario poter osservare e misurare correttamente l’impronta.

In generale, più basso è il carico utilizzato e più piccola è l’impronta, maggiore diventa l’influenza della qualità della superficie.

5. Forma e dimensioni del pezzo

La geometria del componente è un altro elemento determinante.

Una delle prime domande da porsi è molto semplice:

È possibile portare il pezzo al durometro oppure è necessario portare il durometro al pezzo?

Nel primo caso è possibile utilizzare un durometro da banco, sul quale il componente viene posizionato e stabilizzato durante la prova.

È la soluzione tipica per pezzi di piccole e medie dimensioni.

Quando invece il componente è molto grande, pesante, già assemblato o non può essere facilmente movimentato, è possibile ricorrere a un durometro portatile ed eseguire la misura direttamente sul pezzo.

Anche la forma della superficie è importante.

Una superficie cilindrica di piccolo diametro, una zona concava, una cavità, un ingranaggio o un punto difficilmente accessibile possono richiedere configurazioni specifiche dello strumento e, in alcuni casi, particolari criteri di correzione della misura.

6. La precisione richiesta

La precisione di una prova di durezza non dipende solamente dalle caratteristiche del durometro.

Entrano in gioco anche:

• preparazione della superficie;
• corretto posizionamento del componente;
• stabilità durante la prova;
• applicazione corretta del carico;
• condizioni del penetratore;
• verifica periodica dello strumento;
• corretta esecuzione della misura.

Questi aspetti diventano particolarmente critici quando si opera con carichi molto bassi, perché anche piccole variazioni possono avere un peso maggiore sul risultato finale.

Dal controllo occasionale alla produzione

Anche la frequenza con cui viene eseguita la misura cambia le caratteristiche richieste al sistema.

Se un’azienda deve controllare occasionalmente componenti molto differenti, può essere particolarmente importante disporre di uno strumento versatile, capace di adattarsi a materiali e geometrie diverse.

In una produzione di serie, invece, assumono maggiore importanza:

• velocità del ciclo di prova;
• ripetibilità;
• semplicità per l’operatore;
• riduzione dell’influenza dell’operatore;
• registrazione automatica dei risultati;
• gestione delle tolleranze;
• elaborazione statistica dei dati;
• tracciabilità;
• integrazione con il processo produttivo.

La misura della durezza può quindi essere una semplice verifica manuale oppure diventare una vera e propria fase del controllo di processo.

Il ruolo dell’elettronica nei moderni durometri

L’evoluzione dell’elettronica ha trasformato profondamente il modo in cui vengono utilizzati i durometri.

La misura può oggi essere visualizzata digitalmente, memorizzata, elaborata statisticamente e collegata ai sistemi di raccolta dati dell’azienda.

Nei sistemi più evoluti possono essere automatizzati anche il posizionamento, l’applicazione del carico, la lettura dell’impronta e la gestione dell’intero ciclo di prova.

L’elettronica, tuttavia, non sostituisce il principio fisico della misura.

Un valore visualizzato su un display rimane il risultato di una prova eseguita attraverso un penetratore, un carico e un determinato procedimento.

Comprendere questi elementi è fondamentale per interpretare correttamente il risultato.

Non esiste un metodo di durezza migliore in assoluto

Rockwell, Brinell e Vickers non sono semplicemente tre modi differenti per ottenere lo stesso numero.

Ogni procedimento interagisce con il materiale in modo differente e presenta un proprio campo di utilizzo.

La scelta corretta nasce dalla combinazione di diversi fattori:

materiale + durezza prevista + spessore + geometria + superficie + carico + precisione richiesta + modalità di controllo.

Un valore di durezza è realmente utile solo quando la prova è stata scelta ed eseguita in modo coerente con il componente che si vuole controllare.

In sintesi

Prima di effettuare una misura di durezza è utile verificare:

• quale materiale deve essere controllato;
• quale durezza è indicativamente prevista;
• quanto è spesso il componente o lo strato trattato;
• quale carico può essere applicato;
• quale penetratore è adatto;
• quali sono forma e dimensioni del pezzo;
• in quali condizioni si trova la superficie;
• quale precisione e ripetibilità sono richieste;
• dove deve essere eseguito il controllo;
• con quale frequenza deve essere effettuata la misura.

La scelta del durometro viene dopo queste valutazioni.

Prima viene la corretta definizione della prova.

 

FAQ

Cosa indica la durezza di un metallo?

Nelle prove per penetrazione, la durezza rappresenta la resistenza del materiale alla penetrazione di un corpo più duro sottoposto a un determinato carico.

Qual è la differenza tra Rockwell, Brinell e Vickers?

Rockwell determina la durezza attraverso la profondità di penetrazione. Brinell e Vickers valutano invece le dimensioni dell’impronta prodotta, utilizzando rispettivamente una sfera in metallo duro e un penetratore piramidale in diamante.

Come si sceglie il metodo di prova della durezza?

La scelta dipende da materiale, durezza prevista, spessore, geometria, condizioni della superficie, precisione richiesta e modalità con cui il controllo deve essere eseguito.

Un carico maggiore permette sempre di ottenere una misura migliore?

No. Un carico più elevato può rendere la misura più rappresentativa e meno sensibile alla superficie, ma deve essere compatibile con lo spessore e con le caratteristiche del componente.

Si può misurare la durezza di un pezzo molto grande?

Sì. Quando il componente non può essere portato su un durometro da banco è possibile eseguire il controllo direttamente sul pezzo utilizzando un sistema portatile adeguato all’applicazione.

La preparazione della superficie è importante?

Sì. La qualità della superficie può influenzare il risultato e diventa particolarmente importante con carichi bassi e con i metodi che prevedono la lettura ottica dell’impronta.