Tecnologia meccanica pag. 21-32

Lezione del 08/10/12

Terminologia

Termini che è importante imparare per non confonderli tra loro:

• Forze - allungamento;
• Tensioni - deformazione;
• Pressioni;
• Rigidezza - resistenza.

Infine, anche se sono meno importanti:

• Tenacità - resilienza;
• Duttilità - fragilità.

Prove di trazione e compressione

La volta scorsa si è parlato di prove di trazione e di compressione; su quest’ultima non ho detto tante cose perché in effetti la finalità della prova di compressione è normalmente la stessa della prova di trazione, nel senso che si cerca di ricavare quelle curve di tensione-deformazione ecc.

La prova di durezza

La durezza di un materiale riusciamo a metterla in relazione con quello che potremmo ottenere da una prova di trazione o di compressione? O la durezza di un materiale è un qualcosa di totalmente distinto dalle prove viste le lezioni scorse?

La durezza di un materiale può essere messa in relazione con la sua resistenza: più un materiale è duro, più è resistente.

Perché usare la prova di durezza invece che quella di trazione?

Intanto la prova di trazione ci dice quanto un materiale è resistente, ma ci dice anche molto di più. Lo svantaggio è che la prova di trazione è una “prova distruttiva”: io devo estrarre dal pezzo di metallo un campione/provino per fare la prova di trazione ma a quel punto ho rovinato il blocco di metallo dal quale l’ho tolto; perciò se avevo realizzato un prodotto e volevo testarne la resistenza del materiale, con la prova di trazione quel prodotto lo butto via perché ho tolto del materiale. Con la prova di durezza invece abbiamo informazioni più limitate però l’impronta che noi lasciamo sul manufatto tutto sommato è limitata e di conseguenza non limitiamo la funzionalità del prodotto. Perciò la prova di durezza si usa perché anche se ci dà meno informazioni, è una cosiddetta “prova non distruttiva”, cioè danneggia localmente il prodotto ma rimane comunque ancora utilizzabile. La prova di durezza non è né unificata né sempre quella a differenza della prova di trazione.

Come avvengono le prove di durezza?

La maggior parte delle prove di durezza sono prove nelle quali usiamo uno strumento che viene chiamato penetratore e che lascia un’impronta sulla superficie del materiale che vogliamo analizzare. L’impronta è piccola e molto localizzata, è questo il motivo per cui il blocco di materiale sul quale si esegue la prova e la sua funzionalità non vengono compromesse. Le varie prove di durezza si distinguono tra loro per la forma, le dimensioni del penetratore e il carico che andiamo ad applicare per provocare l’impronta sul materiale. Fatta questa doverosa premessa, stavo dicendo che esistono varie scale di durezza:

• La prima, quella che si cita sempre per questioni storiche, è la prova Brinell (è la prima ad essere stata utilizzata). È caratterizzata dal penetratore sferico, vedi figura (a) e da carichi molto rilevanti rispetto le altre prove: vedete che nella prova Brinell si usano carichi di 3000, 1500, 500 o 100 Kg e sono carichi “alti” (in questo caso i Kg sono da intendersi come forza o Kg - forza). Il penetratore è una sferetta che può essere in acciaio quando andiamo a misurare la durezza di materiali abbastanza teneri, altrimenti si va ad utilizzare un penetratore realizzato con un materiale più duro. Perché questo? Perché quando si va a fare una prova di durezza è importante che il penetratore non si deformi, o meglio si deformerà sempre un po’ ma la sua deformazione deve essere trascurabile rispetto quella del materiale analizzato. La durezza è data dal rapporto tra la forza applicata (o carico, cioè i Kg applicati) e l’area della superficie dell’impronta applicata sul materiale: = mm². Cioè ha l’unità di misura di misura di tensioni e pressioni. In ogni caso, anche quando applichiamo carichi elevati, è importante che l’impronta sia limitata e poco profonda quindi il carico va scelto in modo tale che l’impronta sia piccola: misurabile senza difficoltà, ma non troppo profonda (quanto profonda non ve lo so dire) perché lo stato tensionale che introduciamo nel materiale deve essere di un certo tipo.
• Dopo la prova Brinell possiamo parlare della prova Vickers, vedi figura (b) in cui il penetratore è una piramide a base quadrata, l’angolo di apertura è di 136° (non imparatelo a memoria, NON ME NE FREGA NIENTE). La prova Vickers ha una caratteristica buona rispetto la Brinell: mentre in questa la forma dell’impronta dipende dalla profondità, perché una calotta sferica varia secondo la distanza; nella prova Vickers la forma dell’impronta è sempre quella e può essere più o meno profonda, ma la forma è sempre simile a se stessa. Il carico è molto più piccolo rispetto la prova Brinell: da 1 a 120 Kg. Una cosa che avevo imparato tempo addietro sulla prova Vickers è che questa durezza, che si misura sempre in: = mm², è indipendente dal carico applicato, proprio il fatto che l’impronta rimane sempre simile a se stessa. Questo sarebbe fantastico: voi applicate il carico che volete e la durezza rimane sempre costante, in realtà recentemente ho scoperto che non è vero. La differenza applicando carichi diversi non è grandissima però volendo fare le prove fatte bene bisogna specificare sempre “durezza Vickers+carico applicato”. Quello che si misura in questa prova è la lunghezza delle due diagonali, poi se ne fa la media perché c’è sempre una piccola differenza (perché prima abbiamo parlato di diametro medio in riferimento alla prova Brinell) e dalla misura delle due diagonali si risale all’area (c’è una formuletta da applicare) per ricavare la durezza. Come sapete le durezze vengono sempre caratterizzate mediante delle lettere (esempio: durezza Brinell è HB = hardness Brinell, durezza Vickers è HV e così via).
• Una prova di durezza che si distingue un po’ dalle altre è questa: la Knoop. In questa prova i carichi sono molto molto piccoli: 0,025 Kg. Perché carichi così piccoli? E perché il penetratore Knoop ha questa forma così particolare? Vedi figura (c). Non è più una piramide a base quadrata ma è un rombo molto allungato. La prova Knoop ha la particolarità di poter essere utilizzata per misurare la durezza anche di singoli grani cristallini: lascia un’impronta molto piccola. La prova Knoop per esempio venne usata un paio d’anni fa perché si voleva misurare la differenza di durezza di un blocco di metallo fra la parte interna e la parte periferica, la parte esterna ha sempre caratteristiche meccaniche differenti; allora è stata fatta una mappatura di durezza partendo dal centro di un blocco circolare e andando fino alla superficie. Questo lo ha reso possibile appunto la prova Knoop perché fa impronte molto piccole e non sarebbe stato possibile con le altre prove. Ecco, proprio perché la prova Knoop da un’impronta molto piccola, è importante la pulizia della superficie sulla quale andiamo a rilevare il tutto. La superficie deve essere lucidata, ma bisogna anche prestare attenzione a non provocare deformazioni localizzate nel corso della pulizia perché produrrebbero incrudimento del materiale; chiaramente la durezza verrebbe alterata perché vi ho detto che la durezza è il parametro che possiamo mettere in relazione con la resistenza: se un materiale incrudisce diventa più resistente e noi lo vogliamo evitare. Anche in questa prova si ricava l’area dell’impronta a partire dalla diagonale.
• Ho lasciato per ultime le durezze Rockwell, vedi figura (d), ho detto LE durezze perché le scale Rockwell sono parecchie: vedete, si parla di durezza Rockwell (HR)A, (HR)B, (HR)C quando abbiamo come penetratore un cono in diamante, altrimenti nelle scale E, F e G abbiamo una sfera in acciaio e così via. I carichi sono fissi e sostanzialmente ogni scala Rockwell è adatta a misurare materiali con un certo range di durezza quindi a seconda della durezza del materiale da analizzare andrete ad usare una scala oppure un’altra. Questo vuol dire anche un’altra cosa perlomeno...