Durezza dei materiali: tipi, scale di misurazione e suggerimenti per la lavorazione

L'idoneità del materiale è fondamentale affinché un componente funzioni bene nel suo ambiente. Tra le numerose proprietà, la durezza gioca un ruolo chiave. La durezza determina se un materiale può resistere a indentazioni o abrasioni senza deformarsi. L'utilizzo di un materiale sbagliato può portare al guasto del componente o a costose rilavorazioni. Ecco perché valutare la durezza del materiale prima della produzione è essenziale per garantirne il successo.

Scegli materiali più duri quando il tuo progetto richiede resistenza ai danni superficiali. Tuttavia, un materiale ad alta durezza non è sempre la soluzione ideale. Consulta sempre un partner esperto in lavorazioni meccaniche per scegliere il materiale più adatto al tuo pezzo.

Cos'è la durezza?

La durezza si riferisce alla capacità di un materiale di resistere a forze esterne senza deformarsi, graffiarsi, incidersi o penetrarsi. In parole povere, indica quanto bene un materiale mantiene la sua forma sotto pressione.

Materiali diversi presentano diversi livelli di durezza: l'acciaio è solitamente più duro dello stagno, mentre il legno o la plastica si comportano più come metalli più morbidi in termini di durezza.

Molte proprietà interne influenzano la durezza. Di seguito ne elenchiamo alcune:

• Plasticità — la facilità con cui un materiale si deforma permanentemente sotto stress.

• Rigidità elastica — la resistenza a ritornare alla forma originale dopo la deformazione.

• duttilità — quanto allungamento può sopportare un materiale prima di rompersi.

• Durezza — resistenza alla frattura sotto stress o impatto.

• Sforzo — la deformazione che subisce un materiale quando su di esso agiscono delle forze.

• Forza — il carico massimo che un materiale può sopportare prima di rompersi.

• Viscoelasticità — quando un materiale mostra un comportamento sia viscoso che elastico sotto stress.

• Viscosità — resistenza al flusso (più rilevante nei polimeri o nei fluidi).

Questi fattori si combinano per determinare la durezza complessiva di un materiale.

Durezza dei materiali comuni

Di seguito viene presentata una panoramica di esempi comuni di durezza dei metalli nella vita di tutti i giorni. Cogliete l'occasione per esaminare materiali diversi, analizzare la loro durezza relativa,

Durezza del bronzo

Per quanto riguarda la durezza dei metalli, la durezza bronzo, rappresentato specificamente da UNS C95400, è stimato intorno ai 170 MPa. Vale la pena notare che la durezza dei bronzi all'alluminio tende ad aumentare proporzionalmente con l'inclusione di livelli più elevati di alluminio, insieme ad altri componenti della lega. Inoltre, la durezza è influenzata dall'applicazione di forze esterne che si verificano durante i processi di lavorazione a freddo. Spostando la nostra attenzione sul bronzo allo stagno, indicato come UNS C90500 o comunemente noto come gun metal, la sua durezza Brinell è di circa 75 BHN (indice di durezza Brinell). Nel caso del rame-berillio, identificato come UNS C17200, la durezza Rockwell è registrata intorno a 82 HRB (scala di durezza Rockwell B).

Durezza del titanio

La durezza di titanio Le leghe possono presentare notevoli variazioni a seconda di fattori quali la composizione e il trattamento termico. Ad esempio, il titanio commercialmente puro di Grado 2 presenta in genere una durezza Rockwell di circa 80 HRB. D'altra parte, la lega di titanio Ti-6Al-4V, comunemente nota come Grado 5, presenta in genere una durezza Rockwell di circa 41 HRC. Questi diversi valori di durezza evidenziano l'impatto della composizione della lega e del trattamento termico nel determinare le caratteristiche di durezza delle leghe di titanio.

Durezza del rame

Per quanto riguarda la durezza del rame, secondo i dati Ezoic, dimostra una durezza Brinell di circa 250 MPa. Inoltre, il test di durezza Vickers rivela che il rame possiede una durezza Vickers di circa 350 MPa. In termini della scala Mohs ampiamente riconosciuta, che valuta la durezza relativa dei minerali, il rame rientra nella categoria di circa 3 sulla scala di durezza.

Durezza dell'ottone

La resistenza e la durezza dell'ottone, in particolare dell'ottone per cartucce UNS C26000, possono essere descritte in termini di resistenza alla trazione finale e durezza Brinell. La resistenza alla trazione finale di questo tipo di ottone è di circa 315 MPa, indicando la quantità massima di sollecitazione di trazione che può sopportare prima di fratturarsi. D'altro canto, quando si misura la sua resistenza all'indentazione, la durezza dell'ottone UNS C26000 è risultata essere di circa 100 MPa, dimostrando la sua capacità di resistere a forze esterne senza deformarsi facilmente.

Durezza d'acciaio

La durezza dell'acciaio può variare a seconda di fattori come il contenuto di carbonio. L'acciaio ad alto tenore di carbonio, che in genere contiene circa lo 0.60% - 1.00% di carbonio, è noto per la sua elevata durezza rispetto ad altri gradi di acciaio. Tuttavia, all'aumentare del contenuto di carbonio, la duttilità dell'acciaio tende a diminuire. La durezza Brinell dell'acciaio ad alto tenore di carbonio è in genere misurata a circa 200 MPa. Ciò indica un livello sostanziale di durezza, che riflette la capacità dell'acciaio di resistere alla deformazione e di sopportare forze esterne.

Durezza del ferro

Il ferro presenta una durezza di circa 4.5 sulla scala di Mohs. La struttura cristallina del ferro è comunemente osservata come cubica a corpo centrato (BCC) in natura. Nei metalli, incluso il ferro, e in molti altri materiali solidi, gli atomi sono disposti in schemi ordinati noti come cristalli.

Diversi tipi di durezza del materiale

I materiali presentano diversi tipi di durezza a seconda del tipo di sollecitazione a cui vengono sottoposti. I tre tipi principali sono:

• Durezza ai graffi
• Durezza di rimbalzo
• Durezza della rientranza

Durezza ai graffi

Misura la resistenza di una superficie ai graffi provocati da un oggetto più duro. È utile quando l'usura superficiale o l'attrito sono fattori determinanti. Ad esempio, se un componente è soggetto a contatto strisciante, una durezza al graffio più elevata è più sicura per evitare danni superficiali. La ceramica richiede spesso test di durezza al graffio.

Durezza di rimbalzo

Nota anche come durezza dinamica, la durezza di rimbalzo riguarda la capacità di un materiale di recuperare elasticamente dopo un impatto. Si lascia cadere un penetratore e si misura l'altezza del rimbalzo. Un rimbalzo più elevato indica un comportamento più duro ed elastico.

Durezza di indentazione

Questo è probabilmente il metodo più utilizzato. Si applica un carico tramite un penetratore (a sfera, cono o punta di diamante) per premere sulla superficie, quindi si misura l'indentazione. I test Rockwell e Brinell sono metodi standard per la durezza all'indentazione.

Qual è l'unità di misura della durezza dei materiali?

Esistono diverse scale e unità di misura per la durezza, ciascuna associata a metodi di prova diversi. Queste scale non sono direttamente confrontabili, ma possono essere convertite approssimativamente tramite tabelle.

Unità di durezza comuni:

• HB — Numero di durezza Brinell

• HRA / HRB / HRC — Scale Rockwell

• HV — Durezza Vickers

• HL / HLD / HLS — Durezza Leeb

• SI (N/mm² o MPa) a volte utilizzato per approssimare la durezza come unità di pressione

Nota: la durezza è non è un equivale alla pressione. La durezza si riferisce alla resistenza alla deformazione, mentre la pressione è la forza per area (N/m²). Siate cauti nel confrontarli. Utilizzate una tabella di conversione appropriata per un'equivalenza approssimativa.

Tabella di conversione della durezza (estratto)

4 Metodi di prova per determinare la durezza del materiale

Dopo aver determinato il carico specifico o le condizioni ambientali che il tuo componente incontrerà, puoi procedere a valutare l'idoneità di diverse opzioni di materiali utilizzando vari metodi di test di durezza. Se hai accesso all'attrezzatura richiesta, puoi eseguire questi test per raccogliere dati preziosi e prendere decisioni informate.

Il test di Brinell

Si preme una sfera di acciaio temprato (indentatore) nel materiale sotto un carico noto. Dopo aver applicato il carico, si misura il diametro dell'indentatura e si calcola il valore di durezza Brinell (HB) tramite la formula.

• Per metalli duri come l'acciaio, il carico potrebbe essere di 3000 kg (o 30,000 N).

• Per metalli più morbidi come rame o ottone, si utilizza un carico inferiore, ad esempio 500 kg (5,000 N).

La formula:

Simbolo:

HB = durezza Brinell (kg/mm2)

F = Forza (misurata in Newton)

D = Diametro dell'indentatore (misurato in millimetri)

d = diametro dell'indentatura (misurato in millimetri)

Test di durezza Rockwell

Questo test utilizza prima un carico minore (ad esempio 10 kg) per posizionare l'indentatore, quindi un carico maggiore. Dopo aver rimosso il carico maggiore, viene misurata la profondità dell'indentazione. Il valore di durezza viene letto sulla scala Rockwell appropriata (A, B, C, ecc.), a seconda del materiale e del tipo di carico.

Per esempio:

• Le leghe di acciaio utilizzano spesso un cono di diamante con un carico di 140 kg sulla scala C (HRC).

• Per le leghe di rame si potrebbe utilizzare una sfera d'acciaio e un carico di 100 kg sulla scala B (HRB).

Prova di durezza di Mohs

Questo metodo misura la durezza al graffio. Si graffia il campione con un materiale di riferimento di durezza nota o viceversa. La scala di Mohs va da 1 (talco) a 10 (diamante). Gli adattamenti moderni utilizzano penetratori diamantati per una maggiore precisione. È utile per minerali, ceramiche o rivestimenti.

Test scleroscopico Shore

Utilizzato anche per la durezza di rimbalzo, questo metodo prevede che un martello con punta diamantata venga fatto cadere sulla superficie all'interno di un tubo di vetro. Viene misurata l'altezza di rimbalzo: un materiale più duro produce un rimbalzo maggiore. Questo metodo è rapido e semplice, spesso utilizzato per prove sul campo o per prove rapide.

Tabella di durezza del materiale

Di seguito è riportato un grafico dettagliato che elenca varie leghe metalliche, la loro durezza sulla scala Rockwell B, il limite di snervamento e il grado di duttilità:

Perché la durezza è importante nella lavorazione e nella progettazione

La durezza influisce sulla resistenza all'usura, sulla resistenza alla fatica, sulla finitura superficiale, sui costi di lavorazione e sulla longevità dei componenti. Se un componente è troppo morbido, potrebbe graffiarsi, piegarsi o deformarsi sotto carico. Se è troppo duro, potrebbe creparsi o risultare difficile da lavorare.

Per esempio:

• Un ingranaggio realizzato in metallo morbido può usurarsi rapidamente a causa dell'attrito.

• Una superficie di appoggio molto dura può resistere all'usura, ma se è fragile, potrebbe rompersi sotto carichi d'urto.

Pertanto, è fondamentale comprendere insieme durezza, duttilità, tenacità e resistenza. Adattare sempre la durezza del materiale alle proprie condizioni operative.

Utilizziamo parole chiave come durezza del materiale, prova di durezza, durezza all'indentazione, Brinell, Rockwell, Vickers, durezza al graffio e durezza di rimbalzo. Le parole chiave LSI includono misurazione della durezza, scala di durezza, durezza di lavorazione, selezione dei materiali e conversione della durezza.

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Conclusione

Per una selezione efficace dei materiali nel tuo progetto, è fondamentale condurre un test approfondito sulla durezza dei materiali. Sono disponibili diversi metodi per valutare la durezza dei materiali. Si consiglia di cercare la guida di un'azienda esperta per ricevere consigli professionali e competenza sul significato della durezza dei materiali. Grazie alla nostra vasta esperienza, siamo ben preparati a offrire raccomandazioni tecniche su misura per i tuoi progetti specifici.

FAQ

Qual è il miglior test di durezza per i metalli?
Dipende. Per le parti metalliche in generale, i test più comuni sono Rockwell o Brinell. Si usa Rockwell per i metalli più duri e Brinell per le strutture a grana più tenera o grossolana.

È possibile confrontare direttamente i valori di durezza di scale diverse?
No. Sono necessarie tabelle di conversione per approssimare le equivalenze, perché ogni scala utilizza un meccanismo di prova e un carico diversi.

Una durezza maggiore significa sempre prestazioni migliori?
Non sempre. Una maggiore durezza spesso si accompagna a una minore duttilità e a una maggiore fragilità. È necessario bilanciare la durezza con la tenacità e la resistenza.

Come faccio a scegliere un'azienda di lavorazioni meccaniche esperta in materia di durezza?
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Possiamo testare la durezza internamente?
Sì, se si dispone dell'attrezzatura adeguata (tester Rockwell, macchina Brinell, ecc.). Ma per risultati precisi o parti complesse, è più sicuro affidarsi a esperti.