durezza e durometri mitutoyo

Durometro: tipologie e metodi di misura della durezza di un materiale

 

Durezza: che cosa è e come si misura?

Il durometro è lo strumento in grado di misurare la durezza dei materiali, o meglio la resistenza alla penetrazione. In commercio esistono svariati tipi di durometri, ognuno utilizzato per impieghi specifici. Il durometro, per misurare la durezza di un materiale, effettua su di esso una penetrazione lasciando un’impronta sul pezzo da testare detto anche testimone. Questo tipo di prova non è un test distruttivo tuttavia il durometro lascia sul pezzo un’impronta modificando in quella posizione e nella zona circostante le caratteristiche geometriche e strumentali del pezzo per cui deve essere utilizzato dove il testimone non interferisce con l’utilizzo del pezzo. Per lo stesso motivo la prova non può essere effettuata due volte nella stessa posizione.

 

Principio di funzionamento

Per le varie tipologie di misurazione il principio di funzionamento del durometro è pressoché identico: una punta, detta anche penetratore, di varie forme, viene spinta contro il materiale da testare con forza nota a seconda della durezza del materiale e direttamente proporzionale ad essa, pertanto questa penetrerà per una certa profondità. Per ottenere l’indicazione della durezza si provvederà alla misurazione della profondità di penetrazione o alla dimensione dell’impronta.

 

Metodologie e scale della durezza

La necessità di verificare la durezza delle leghe nacque con l’accrescimento dell’ingegneria metallurgica. I primi strumenti furono realizzati indipendentemente da ingegneri che studiavano vari sistemi. Nonostante le metodologie fossero pratiche e funzionali, non furono mai standardizzate e nessuno si curò di associare le scale ai sistemi metrici di riferimento, generando così innumerevoli scale ingegneristiche ognuna legata al metodo di prova e agli strumenti usati. Gli organismi internazionali ultimamente hanno lavorato alla standardizzazione dei durometri e delle scale creando un legame oggettivo tra le scale di durezza e il Sistema Internazionale delle misure. Tuttavia ad oggi sono in uso diverse scale di durezza facente riferimento ognuna alla propria specifica metodologia, di seguito le più note:

  • Shore
  • Brinell
  • Rockwell
  • Vickers
  • Knoop

 

Durezza: scala Shore

La scala Shore è usata per testare la durezza di materiali quali gomma e plastica che presentano una deformazione reversibile. Per la misurazione si utilizza una punta tronco conica che inizialmente fuoriesce di 2,5 mm dal foro del piattello, soggetta ad una forza costante prodotta da una molla, misura la deformazione elastica del materiale in termini di profondità di penetrazione. Spingendo il piattello sulla superfice da misurare il penetratore rientra verso l’interno del foro del piattello in rapporto alla durezza. La scala Shore è misurata in una scala da 0 a 100, in proporzione allo spostamento lineare della punta prodottosi sul materiale elastico rispetto alla sua posizione iniziale di riposo. La norma ASTM D2240-00 prevede dodici diverse scale di misura Shore: tipo A, B, C, D, DO, E, M, O, OO, OOO, OOO-S e R. La differenza nella scala sta nella forma del penetratore e nella forza applicata. Ogni scala assume valori da 0-100, per questo motivo bisogna specificare il valore di durezza insieme alla scala utilizzata ad esempio: 60 SHORE A. Le scale più utilizzate sono al A e la D rispettivamente per materiali di minore o maggiore durezza. Per rilevamenti di questo tipo di durezza sono sufficienti strumenti abbastanza semplici come ad esempio il durometro manuale a quadranti.

 

Misurare la durezza: scala Brinell

La scala Brinell è ideata per testare metalli non eccessivamente duri. Il penetratore è formato da una biglia d’acciaio ad alta resistenza. Il valore della durezza è ottenuto come rapporto tra la superficie dell’impronta del testimone e dalla forza utilizzata. Per misurazioni di durezza con la scala Brinell è essenziale:

  • un durometro vero e proprio per generare l’impronta
  • un proiettore di immagini attrezzato di righello di misura, o un microscopio dotato di reticolo graduato oppure di una telecamera per la misura dell’impronta

 

Scala rockwell

Le scale Rockwell sono ideate per testare la durezza dei metalli. L’unità di misura è una scala prestabilita ottenuta direttamente dalla profondità che il penetratore ha raggiunto quando viene spinto con forza nel materiale da misurare. Le scale Rockwell che maggiormente si utilizzano sono la B e la C, anche se ne esistono molte altre: A, D, E, G, G, R, NT, W e Y. Ognuna di queste fa riferimento ad un preciso precarico e ad un penetratore.

  • scala B: usata ad esempio per metalli morbidi. Il penetratore, dal diametro di 1/16 pollici, è costituito da una sfera di acciaio indurito
  • scala C: usata ad esempio per i metalli trattati termicamente, con un penetratore fatto di diamante a punta conica raggiata con un apertura di 120°

In questo caso il durometro, oltre a generare l’impronta, ne misura la profondità mostrando direttamente la misura nella scala ingegneristica. Questa metodologia è molto pratica e si svolge in 5 fasi:

  • si applica per 1-2 secondi (senza urto) un carico iniziale di 98 N oppure 29,40 N
  • si attendono 1-2 secondi e si azzera il quadrante a 100 o 130 a secondo del metodo di prova
  • si aggiunge al carico iniziale di 98 N o 29,40 N un altro carico finale, per esempio di 1373 N, si attendono 3-6 secondi
  • si elimina il secondo carico per ritornare al precarico iniziale di 98 N o 29,40 N, quindi si attendono 1-2 secondi
  • si esegue la lettura sul quadrante, con il penetratore sempre sollecitato dal carico iniziale di 98 N o29,40 N

 

Scala vickers

La scala Vickers è ideata per testare tutti i tipi di metalli da molto duri a molto teneri. Il penetratore è costituito da un diamante tagliato a piramide quadra con apertura di 136°. Come per la scala Brinell, il valore di durezza è ricavato come rapporto tra la superficie dell’impronta del penetratore e la forza esercitata. Per il rilievo delle durezze nella scala Vickers è essenziale:

  • un durometro per generare l’impronta
  • un microscopio incorporato o schermo di proiezione con scala graduata con reticolo graduato per rilevare le dimensioni delle due diagonali dell’impronta

Per la scala Vickers esistono varie scale da HV 100 80 60 50 40 30 20 10 5 4 3 2 1 Kgf e 10-25-50-100-200-300-500-1000 gf (0.09807-0.2452-0.4903-09807-1.961-2.942-4.903-9.807 N). Il valore della durezza si calcola sempre nella stessa formula dalla media della somma delle due diagonali. Esiste anche la rilevazione della durezza nella scala “microVickers” in questo caso sarà necessario:

  • un microdurometro per generare l’impronta
  • un sistema video con ingrandimento da 50X fino a 400X

Le prove di durezza “microVickers” sono fatte generalmente su ogni tipo di materiale anche molto duri o molto sottili, oppure sezionati per testare la durezza di trattamenti superficiali.

 

Struttura dei durometri

La struttura dei durometri varia notevolmente in base alla metodologia di misura che si adotta. Sostanzialmente i durometri sembrano delle presse attrezzate con una struttura a “C” dove il materiale da testare viene collocato su un supporto piano o a “V”. Con l’ausilio di una leva nei modelli meccanici oppure con un motore nei modelli di macchine automatiche di ultima generazione si agisce sul penetratore che cala sul pezzo. Per alcuni modelli è necessario “pinzare” il materiale da testare nella struttura a “C” regolandone l’altezza del piattello di carico tramite una vite. Di seguito alcuni modelli di durometro commercializzati dalla ditta Mitutoyo.

 

Durometro micro-vickers hm-210/220 serie 810

4906-7196607-aaaDurometro di alto livello, ideale per il controllo qualità perché dotato delle più avanzate tecnologie di misura, di seguito le principali caratteristiche tecniche:

 

 

 

 

 

 

  • modelli con touch screen e controllo tramite sotfware
  • il meccanismo di carico, dotato di un attuatore elettromagnetico di ultima generazione, consente la selezione libera del carico di prova
  • l’alta qualità del sistema ottico permette una chiara immagine dell’impronta del penetratore
  • la lunga distanza di lavoro riduce al minimo la possibilità di collisione
  • dotati di 6 tipi di obiettivi;10X, 20X, 50X e 100X per la misura dell’immagine delle impronte; 2X e 5X ad ampio campo per misurare nell’intorno dell’impronta
  • immagine con colori naturali e lunga durata dell’illuminazione a led
  • touch panel per la visualizzazione dei risultati di misura e per l’impostazione delle diverse tipologie di condizioni
  • tavola manuale per il posizionamento dei pezzi
  • software AVPAK-20 per misure automatiche e calcolo statistici
  • modelli con carichi standard e ridotti 0,4903×10-3N (0.05gf)

Il modello di DUROMETRO MICRO-VICKERS HM-210/220 si differenzia in 4 modelli con caratteristiche specifiche.

 

DUROMETRO HM-210A/HM-220A

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Caratteristiche:

  • touch-panel
  • misura dell’impronta del penetratore con microscopio di misura
  • posizionamento con tavola XY manuale

 

 

 

DUROMETRO HM-210B/HM-220B

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Caratteristiche:

  • lettura automatica dell’impronta con AVPAK-20
  • software AVPAK-20
  • misura automatica dell’impronta del penetratore
  • posizionamento con tavola XY manuale

 

 

DUROMETRO HM-210C/HM-220C

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Caratteristiche:

  • software AVPAK-20
  • misura automatica dell’impronta del penetratore
  • posizionamento automatico con tavola XY motorizzata

 

 

 

DUROMETRO HM-210D/HM-220D

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Caratteristiche:

  • software AVPAK-20
  • misura automatica dell’impronta del penetratore
  • posizionamento automatico con tavola XY motorizzata
  • autofocus

 

 

 

DUROMETRO ROCKWELL HR-100/200/300/400

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Cinque modelli di durometri Rockwell per realizzare ogni applicazione. Di seguito le principali caratteristiche:

  • il nuovo design della struttura permette maggior facilità nel posizionamento del pezzo
  • l’uso del durometro è ancora più semplice grazie all’utilizzo di un comparatore con preset automatico (modelli analogici HR-110, HR-210)
  • l’HR-110MR non necessita di alimentazione elettrica
  • i modelli Digimatic (HR-430MR e HR-430MS), rendono semplici ed accurate le operazione grazie all’utilizzo del freno automatico sulla manopola di sollevamento tavola e con la sequenza automatica del carico
  • i modelli Digimatic (HR-320MS, HR-430MR e HR-430MS) sono dotati di uscita dati per il collegamento ai miniprocessori DP1-VR e al sistema di trasmissione dati a PC, Input tool (USB-ITN-E)
  • le misure di durezza Brinell possono essere eseguite solo con gli appositi accessori opzionali: penetratore Brinell, set carichi appositi e microscopio di misura.

 

DUROMETRO ROCKWELL HR-110MR

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Durometro Rockwell. Tutte le operazioni sono manuali, incluso il cambio di carichi. (con il test totale della forza selezionata).

 

 

 

 

 

DUROMETRO ROCKWELL HR-210MR

hr-210mr

Durometro Rockwell. Cambio manuale dei carichi (con il test totale della forza selezionata) e applicazione del precarico. Sequenza di carico motorizzata.

 

 

 

 

DUROMETRO ROCKWELL/ROCKWELL HR-320MS

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Durometro Rockwell/Rockwell superficiale. Cambio pesi e selezione precarico manuale. Controllo sequenza di carico motorizzato.

 

 

 

 

 

DUROMETRO ROCKWELLHR-430MR

hr-430mr

Durometro Rockwell. Controllo del carico motorizzato. Freno automatico sulla manopola di sollevamento tavola. Funzione di start automatico.

 

 

 

 

 

DUROMETRO ROCKWELLHR-430MS

hr-430ms

Durometro Rockwell/Rockwell superficiale. Controllo del carico motorizzato. Freno automatico sulla manopola di sollevamento della tavola. Funzione di start automatico.

 

 

 

 

 

DUROMETRO ROCKWELL/ROCKWELL SUPERFICIALE/BRINELL

hr-523Questo tipo di durometro permette di realizzare diverse prove di durezza tra cui Rockwell, Rockwell superficiale e Brinell. I durometri della serie HR-500 hanno le seguenti caratteristiche:

 

 

 

  • dotati di braccio a naso di delfino per raggiungere le parti interne con facilità (min. Ø 40 mm) e le superfici esterne ( Ø 22 mm con penetratore opzionale )
  • l’applicazione del carico viene controllata in tempo reale dallo strumento, in questo modo si rende costante e stabile l’applicazione del carico aumentando l’accuratezza della misura
  • funzione “Escape” del penetratore che permette di misurare in continuo particolari posti nella stessa posizione sulla tavola
  • frenatura automatica della tavola e applicazione automatica del precarico e del carico
  • frenatura automatica della tavola e applicazione automatica del precarico e del carico

 

Comparazione fra le durezze

Qui sotto un esempio di comparazione delle durezze in una semplice tabella tratta dal manuale del disegnatore meccanico ma tuttavia ancora valida. Questa tabella mette a confronto i tre tipi principali di durezza: Brinell, Vickers e Rockwell.

Tabella comparativa fra le durezze

Approfondimenti sulla durezza di un materiale:
https://it.wikipedia.org/wiki/Durezza