La durezza è una proprietà fondamentale dei materiali, soprattutto nelle applicazioni che richiedono resistenza all’usura. Ad esempio, nei torni, gli utensili da taglio sono realizzati con materiali dotati di una durezza sufficiente a tagliare materiali più resistenti, come gli acciai rapidi. Le valvole dei motori, i cuscinetti e gli ingranaggi nei settori automobilistico e aerospaziale sono realizzati con materiali temprati a causa degli elevati livelli di attrito e dei carichi a cui sono sottoposti. Grazie alla loro durezza, le mole e i dischi abrasivi garantiscono prestazioni efficienti nella rimozione di materiale, assicurando una lunga durata. Ma cos’è la durezza?
La durezza è la misura della resistenza di un materiale alla deformazione permanente localizzata. Mentre alcuni materiali sono naturalmente duri, come il tungsteno, altri acquisiscono durezza attraverso metodi di trattamento quali il trattamento termico. Questi materiali non possono essere utilizzati direttamente in un contesto ingegneristico senza essere stati sottoposti a test efficaci. Esistono diversi metodi che gli ingegneri possono utilizzare per testare tale durezza. In questa guida tratteremo i tre metodi più comuni di prova della durezza: le scale di durezza Shore, Rockwell e Brinell. La guida aiuta inoltre a comprendere i criteri di selezione relativi alle tre scale di durezza. Prima di approfondire i tre tipi di scale di durezza, è fondamentale soffermarsi brevemente sul concetto stesso di durezza.
Quali sono i diversi tipi di durezza dei materiali?
Materiali diversi mostrano comportamenti diversi sotto carichi diversi, anche se possono essere tutti classificati come materiali duri. Ad esempio, un metallo può sopportare un impatto unico di grande entità senza subire cedimenti. Tuttavia, lo stesso materiale potrebbe non riuscire a sopportare un carico continuo, cedendo quindi. Ciò dovrebbe indurre gli ingegneri a effettuare prove di durezza per operare una scelta ragionata nella selezione dei materiali. Le tre prove di durezza comunemente utilizzate nelle applicazioni ingegneristiche sono la durezza per indentazione, la durezza al graffio e la durezza al rimbalzo.
Durezza per indentazione
Quando gli ingegneri e i metallurgisti parlano di durezza, in realtà si riferiscono alla durezza da impronta. Questo perché la maggior parte delle applicazioni ingegneristiche che prevedono l’applicazione di carichi sono di tipo continuo. La durezza da impronta è la resistenza di un materiale alla deformazione permanente quando sottoposto a un carico continuo. I tecnici sono maggiormente interessati alla misurazione di questo tipo di durezza poiché trova ampia applicazione nella progettazione ingegneristica.
Durezza al graffio
Alcuni materiali ingegneristici, come la ceramica, non subiscono deformazioni plastiche e sono considerati fragili. Quando sottoposti a determinate forze, presentano graffi sulla superficie. Tecnicamente, i graffi sono incisioni strette e continue nello strato superiore che si formano quando un materiale entra in contatto con materiali più affilati e più duri. La capacità di un materiale di resistere ai graffi sulla propria superficie è chiamata durezza al graffio. La prova di resistenza al graffio è di fondamentale importanza, specialmente nella scelta dei materiali per applicazioni soggette ad attrito, come le camicie dei cilindri dei motori. Una camicia deve presentare una durezza superiore a quella del materiale con cui entra in contatto.
Durezza di rimbalzo o dinamica
La durezza al rimbalzo è un tipo di durezza elastica. Nella durezza per indentazione o al graffio, un materiale reagisce opporre resistenza alla deformazione plastica. Nella durezza al rimbalzo o dinamica, un materiale assorbe l'energia dell'impatto e la restituisce al penetratore. Il penetratore è la fonte dell'impatto.
Per misurare tutti questi tipi di durezza sono necessari strumenti diversi. Vediamo ora le diverse scale di durezza utilizzate per misurare questi tipi di durezza.
Che cos’è la scala di durezza Shore?
La scala di durezza Shore è una particolare procedura di misurazione della durezza utilizzata per valutare la resistenza dei materiali elastomerici, delle materie plastiche e di altri polimeri [1]. Questa misurazione permette di determinare il grado di flessibilità, rigidità e resistenza di un materiale prima di sceglierlo per determinate applicazioni. Tale misurazione viene effettuata utilizzando un durometro.
Come funziona un durometro?
Un durometro Shore utilizza un perno o un cono in acciaio caricato a molla per esercitare una pressione sui materiali. Lo strumento fornisce letture comprese tra 0 e 100, che possono essere interpretate come indice di durezza del materiale. Per i materiali più duri, il valore indicato è più alto, il che significa che il perno non riesce a penetrare nel materiale. Se la scala indica valori relativamente più bassi, significa che il perno affonda più in profondità nel materiale. Il materiale viene quindi considerato morbido. Le misurazioni ricavate dalla scala del durometro sono relative e le unità di misura non sono assolute.
Tipi di bilance da banchina
Disponiamo di diversi tipi di bilance da banco, con diversi intervalli di misurazione per numerosi materiali. La tabella seguente riassume questi tipi di bilance.
| Tipo di costa | Applicazione |
|---|---|
| A | Utilizzato per materiali morbidi quali elastomeri, silicone, TPU e alcuni tipi di plastica. |
| D | Utilizzato per materiali più rigidi come la plastica dura, il nylon, il polipropilene e alcuni tipi di gomma. |
| B | Utilizzato per materiali intermedi tra le scale A e D, quali gomma naturale, neoprene ed EPDM. |
| 00 | Utilizzato per materiali molto morbidi, come i gel. |
| E | Utilizzato per schiuma a bassa densità e materiali morbidi. |
Le durezze Shore A e Shore D sono le due più comunemente utilizzate. L'intervallo tipico per la durezza Shore A è compreso tra 20 e 95A, mentre quello per la durezza Shore B è compreso tra 30 e 90B.
La durezza di un materiale dipende da diversi fattori. Tra questi figurano la composizione chimica e la struttura molecolare. I componenti caratterizzati da legami covalenti forti sono generalmente duri. Inoltre, la durezza Shore varia al variare della temperatura: più alta è la temperatura, minore è il grado di durezza.
Vantaggi e svantaggi delle prove secondo la scala di durezza Shore
La tabella seguente riassume i vantaggi e i limiti delle prove di durezza Shore.
Vantaggi
- Test molto rapidi (in genere meno di 2 secondi)
- Attrezzature portatili
- Preparazione minima del campione
- Ideale per materiali flessibili
- Costi di collaudo contenuti
Limitazioni
- Non adatto ai metalli
- Sensibile allo spessore del campione
- La tecnica dell'operatore influisce sulla ripetibilità
- La temperatura influisce sui risultati
Che cos’è la durezza Rockwell?
La durezza Rockwell consiste nel premere un penetratore temprato su un provino del materiale da testare. Questa prova prevede un carico in due fasi: un carico principale e carichi secondari. La prova e il grafico tracciato dipendono dal tipo di scala utilizzata.
Come viene eseguita la prova di durezza Rockwell?
Questa prova prevede l'utilizzo di un cono di diamante o di una sfera in acciaio temprato per imprimere un'impronta nel materiale sottoposto a prova [2]. Ogni volta che viene eseguito un test, al provino vengono applicati due carichi. Innanzitutto, il penetratore viene spinto nel materiale sotto l’azione di un carico minore. Viene quindi registrata la profondità iniziale ottenuta con questo carico minore. Mentre il carico minore è ancora in atto, viene aggiunto un carico supplementare denominato carico maggiore. Questo carico maggiore aumenta la profondità di penetrazione nel materiale. Il carico maggiore viene quindi rimosso, facendo tornare la forza applicata al livello del carico minore.
Il valore di durezza Rockwell viene calcolato in base all'aumento della profondità di penetrazione determinato dall'applicazione e dalla rimozione del carico principale.
Tipi di scale Rockwell
La tabella seguente riporta le prime cinque scale Rockwell con le relative applicazioni. Il numero totale di scale è 17, ciascuna delle quali ha un’applicazione specifica.
| Scala | Abbreviazione | Carico massimo (kgf) | Penetratore | Utilizzo |
|---|---|---|---|---|
| A | HRA | 60 | Diamante conico Sphero† | Carburi cementati, acciaio sottile, acciaio con cementazione superficiale |
| B | HRB | 100 | Sfera da 1/16 di pollice (1,59 mm) | Leghe di rame, acciai dolci, leghe di alluminio, ghisa malleabile |
| C | HRC | 150 | Diamante conico Sphero† | Acciaio, acciai inossidabili, ghise dure, ghisa malleabile perlitica, titanio, leghe di titanio, acciaio con cementazione profonda, altri materiali con durezza superiore a 100 HRB |
| D | Sviluppo delle risorse umane | 100 | Diamante conico Sphero† | Acciaio sottile, acciaio cementato medio e ghisa malleabile perlitica |
| E | HRE | 100 | Sfera da 1/8 di pollice (3,18 mm) | Ghisa, leghe di alluminio e magnesio, metalli per cuscinetti, materie plastiche termoindurenti |
Vantaggi e limiti della scala di durezza Rockwell
La tabella seguente riassume i vantaggi e i limiti della scala Rockwell.
Vantaggi
- Elevata ripetibilità
- Adatto alla produzione
- Influenza minima dell'operatore
- Ottimo per i metalli trattati termicamente
- Tempi di ciclo rapidi
Limitazioni
- La finitura superficiale influisce sui risultati
- I materiali sottili richiedono bilance speciali
- Non adatto alla gomma molto morbida
Che cos’è la durezza Brinell?
La durezza Brinell è una misura della resistenza di un materiale all’impronta, determinata mediante la prova di durezza Brinell. In questa prova, una sfera di acciaio duro o di carburo viene premuta sulla superficie del materiale con un carico specifico e viene misurato il diametro dell’impronta risultante [3]. Il numero di durezza Brinell (BHN) si calcola dividendo la forza applicata per l’area della impronta. Questo metodo è comunemente utilizzato per testare i metalli e fornisce informazioni preziose sulla resistenza di un materiale e sulla sua idoneità a varie applicazioni.
Tipi di scale per la scala di durezza Brinell
La prova di durezza Brinell utilizza un'unica scala continua, indicata con la sigla HB o HBW per le sfere in carburo di tungsteno. Prevede circa 25 combinazioni standard di diametri delle sfere, tra cui 1, 2,5, 5 o 10 mm. La prova prevede l’applicazione di una forza di prova compresa tra 1 kgf e 3000 kgf, raggruppata in base al rapporto forza/diametro F/D².
F/D² viene semplicemente indicato come “rapporto”. Ad esempio, un rapporto di 30 significa che F/D² = 30 mm, mentre un rapporto di 2,5 significa che F/D² = 2,5 mm. La tabella seguente illustra i rapporti più comuni utilizzati nella durezza Brinell e i loro impieghi.
| Rapporto (F/D²) | Usi |
|---|---|
| 30 | Utilizzato per metalli duri come l'acciaio e la ghisa. La forza di prova standard è in genere di 3000 kgf con una sfera da 10 mm (HBW 10/3000). |
| 10 | Utilizzato per leghe di rame (come ottone e bronzo), acciai di media durezza e ferri. Il carico standard è di 1000 kgf con una sfera da 10 mm (HBW 10/1000) |
| 5 | Utilizzato per leghe di rame più morbide e leghe di alluminio più dure |
| 2.5 | Utilizzato per leghe morbide di alluminio e magnesio. |
| 1 | Utilizzato per metalli estremamente morbidi come il piombo, lo stagno e i metalli bianchi morbidi. |
Vantaggi e limiti della durezza Brinell
Vantaggi
- Ottimo per materiali eterogenei
- Buon effetto di mediazione grazie alla profonda rientranza
- Ideale per i pezzi fusi
- Ampiamente diffuso nell'industria pesante
Limitazioni
- Le ammaccature di grandi dimensioni danneggiano le superfici rifinite
- Processo di collaudo lento
- Richiede una misurazione ottica
- Non adatto a sezioni sottili
Come si confrontano e si sceglie la scala di durezza più adatta?
Tutti e tre i metodi sono validi e nessuno è migliore degli altri. Tuttavia, supponendo che tutti i metodi siano applicabili in base al materiale da testare a disposizione, è possibile scegliere un metodo che sia veloce ed economico. La durezza Shore ha il tempo di prova più breve, pari a 1-2 secondi, seguita dalla durezza Rockwell, che richiede 5-15 secondi. La prova di durezza Brinell richiede 30-60 secondi. Per quanto riguarda l’impiego in produzione, sia la durezza Shore che quella Rockwell offrono risultati eccellenti, mentre la durezza Brinell garantisce una protezione moderata. La durezza Shore è adatta per gomme, elastomeri e materiali plastici. La durezza Rockwell viene scelta quando si lavora con materie plastiche tecniche. D’altra parte, è possibile optare per la durezza Brinell se si ha a che fare con pezzi fusi, forgiati e metalli a grana grossa.
Riferimenti
[1] TWI Global. (s.d.). Che cos’è la prova meccanica? (Guida completa). Domande frequenti sulle conoscenze tecniche di TWI Global. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/what-is-mechanical-testing
[2] ASTM International. (2024). ASTM E18-22: Metodi di prova standard per la durezza Rockwell dei materiali metallici. Norme ASTM. https://www.astm.org/e0018-22.html
[3] TWI Global. (s.d.). Prove di durezza - Parte 1. TWI Global: Conoscenze professionali. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/hardness-testing-part-1-074
IT 
EN 
ES 
FR 
DE 
PT 
NL 
PL 
AR 
JA 
KO 
ZH