Overview
Fonte: Roberto Leon, Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, Virginia Tech, Blacksburg, VA
Il test di durezza è uno dei test meccanici più universalmente preziosi disponibili per gli ingegneri, in quanto è sia semplice che relativamente economico per la ricchezza di informazioni e dati che produce. La prova di durezza, generalmente sotto forma di prova di penetrazione superficiale, è sia più rapida che meno distruttiva della prova di trazione. La durezza fornisce una relazione lineare con la resistenza alla trazione su una vasta gamma di resistenze per molti materiali, come l'acciaio. I test di durezza sono empirici, piuttosto che derivati dalla teoria, poiché i risultati confondono gli effetti di molte proprietà di materiali diversi (modulo di Young, resistenza allo snervamento, ecc.).
La durezza è una caratteristica di un materiale utilizzata per descrivere quanta deformazione plastica (resa) un materiale subirà quando viene applicata una forza nota). Si può caratterizzare la durezza in tre modi: graffio, rientranza e durezza di rimbalzo. Un primo esempio comune di un test di durezza (graffio) è la scala di Mohs (1820), derivata per i minerali, e in cui il talco ha un valore di 1 e il diamante un valore di 10. Nei test di indentazione con l'approccio Rockwell, vengono utilizzati piccoli indentatori con carichi diversi. I più comuni sono il Rockwell Hardness B (HRB), che utilizza un penetratore a sfera in acciaio temprato da 1/16 pollici insieme a un peso di 100 kg, e il Rockwell Hardness C (HRC), che utilizza un penetratore a cono diamantato insieme a un peso di 150 kg. I test HRB sono condotti per materiali con durezza a bassa gamma, come alluminio, ottone e acciai morbidi, mentre i test HRC vengono utilizzati per materiali con durezza ad alta gamma, come gli acciai più duri. Pesi più piccoli (da 15 a 45 kg) vengono utilizzati per il test di durezza superficiale Rockwell come l'HR15W, che utilizza una sfera in acciaio da 1/8 di in. con un peso di 15 kg. Con il suo carico inferiore e l'impressione superficiale, un test di durezza Rockwell superficiale è ideale per materiali molto sottili o fragili. Un esempio di test di rimbalzo è il martello Schmidt, utilizzato per misurare la resistenza del calcestruzzo. In questo test, una massa di acciaio viene sparata in superficie con una forza nota e viene misurato il rimbalzo della palla. In tutti i tipi di prove di durezza, è imperativo condurre calibrazioni estese se si vogliono ottenere risultati affidabili.
Per questo esperimento, esamineremo il test di durezza Rockwell, che misura la durezza di rientranza dell'alluminio non trattato e trattato termicamente.
Principles
Esistono diversi metodi comuni per misurare la durezza, che includono Brinell (HB), Vickers (V), Knoop (K) e Shore test di durezza. Ognuno di questi metodi utilizza un penetratore, a forma di sfera (Brinell), cono (Rockwell) o piramide di diamanti (Vickers, Knoop e Rockwell), per fare una rientranza nella superficie di un metallo, che viene poi misurata otticamente o mediante lettura diretta. Il test di durezza Shore di solito misura la penetrazione nella superficie di materie plastiche o altri polimeri. La prova di durezza Brinell è stata la prima prova di durezza introdotta ed è un metodo robusto per carichi di prova elevati che utilizzano strumentazione rudimentale. I test di durezza Vickers sono utili quando è necessario esaminare la durezza su un ampio intervallo di valori, in quanto può misurare dalla durezza registrata più bassa a quella più alta. I test di durezza Knoop sono preziosi per applicazioni con campioni molto piccoli o sottili. Tuttavia, il test di durezza Rockwell è il più popolare, in quanto è molto più veloce ed economico, oltre ad essere l'unico test di durezza in cui è possibile leggere direttamente la durezza senza l'aiuto di uno strumento ottico.
Per questo studio, ci concentreremo sul test di durezza Rockwell, come definito in ASTM E-18. Il tipico tester Rockwell è mostrato in Fig. 1 e consiste in una lettura e un sistema di leva per applicare i carichi, che è nascosto allo spettatore. Le versioni manuali e automatizzate di queste macchine sono comunemente disponibili nei laboratori di prova.
Figura 1: Macchina di prova Rockwell.
Più duro è il materiale, minore è la profondità di penetrazione, quindi il corrispondente valore di durezza Rockwell sarà inferiore. Le durezze Rockwell B e C sono calcolate come:
I risultati di qualsiasi test di durezza possono essere convertiti in altre scale di durezza attraverso equazioni più adatte a set di dati estesi. Tuttavia, non esiste una conversione lineare discreta, e quindi i valori risultanti saranno approssimazioni anziché valori assoluti. Ad esempio, per materiali non indurenti al lavoro sotto sforzo piano:
La Fig. 2 mostra le rientranze tipiche su un blocco di taratura, che è generalmente fornito con la macchina di prova. Questi blocchi devono essere utilizzati periodicamente per garantire che la macchina funzioni correttamente.
Figura 2: Rientro sul blocco di calibrazione.
In generale, la resistenza alla trazione di un materiale (σu) può essere correlata alla sua durezza Brinell (HB) attraverso equazioni come:
Uno dei modi in cui la resistenza del materiale viene modificata è attraverso il trattamento termico o la laminazione a freddo. In generale, la laminazione a freddo attraverso rotoli successivamente più sottili si tradurrà in un materiale più forte (e più duro). Allo stesso modo, negli acciai, il tasso di raffreddamento influisce in modo significativo sulla formazione di strutture martensitiche, che contribuiscono a migliorare le prestazioni meccaniche. Le strutture martensitiche mostrano la distinta struttura cristallina del tetragonale centrato sul corpo (BCT), dove i cristalli sono allungati per essere quadrati su entrambe le estremità ma più lunghi sui lati, come una lente, conferendo così grande durezza al materiale.
Un modo per caratterizzare il trattamento termico è attraverso un test di spegnimento finale Jominy (ASTM A225). In questo test un campione circolare, lungo 4 pollici, viene riscaldato uniformemente in un forno. Una volta raggiunta la temperatura desiderata in modo tale da raggiungere la piena austenizzazione (>900 °C), il campione viene raffreddato con un getto d'acqua ad un'estremità. L'austenizzazione è il processo mediante il quale l'acciaio viene riscaldato per cambiare la struttura cristallina da ferrite ad austenite, un allotropo metallico e non magnetico del ferro noto come ferro fase gamma.
L'estremità sottoposta al getto d'acqua si raffredderà significativamente più velocemente dell'altra estremità, con conseguente diverse strutture martensitiche, e quindi diversa durezza, lungo la lunghezza del campione. A questo punto una superficie piana poco profonda viene macinata lungo la lunghezza del campione per consentire la prova di durezza su una superficie piana. Il campione Di Jominy è utile per dimostrare la prova di durezza Rockwell, ma bisogna fare attenzione a non confondere i risultati della prova di durezza con la temprabilità di un materiale che il test di spegnimento di Jominy dovrebbe misurare. La temprabilità ha lo scopo di misurare come la struttura martensitica varia attraverso la profondità di un pezzo di materiale; la durezza è un modo per caratterizzare tale variazione.
Nel tipico test Rockwell C, viene applicato un carico preliminare al rientrante e viene misurata una profondità di penetrazione iniziale. Questo primo passo è quello di stabilire una posizione zero o di riferimento, al fine di mitigare eventuali effetti da variazioni nella superficie del materiale. Successivamente, il carico principale viene applicato al rientro. Infine, il precarico viene rimosso e viene misurata la profondità di penetrazione finale. La differenza di questo valore rispetto al valore di precarico iniziale viene quindi calcolata in un valore di durezza.
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Procedure
La seguente procedura è per la macchina manuale mostrata in Fig. 1. La procedura è tipica anche per altre macchine.
- Ottenere un tipico campione di prova di spegnimento finale Jominy che è stato sottoposto a trattamento di raffreddamento ad acqua.
- Fissare il campione al tavolo della macchina di prova in modo che non si muova durante il test.
- Assicurarsi che la leva di selezione sia in posizione "Scarico".
- Utilizzando la ruota di regolazione sotto il supporto, sollevare il campione fino a quando non viene stabilito il contatto con il rientrante (quando il contatto è appena stato effettuato, l'ago sul quadrante anteriore inizierà a muoversi leggermente).
- Regolare il misuratore del quadrante, in modo che la lettura iniziale sia 0.
- Applicare un precarico continuando lentamente a ruotare la regolazione del tavolo fino a quando il misuratore del quadrante non ha attraversato tre giri completi; fermarsi quando l'ago è tornato a 0.
- Spostare la leva laterale in posizione "Caricamento".
- Attendere che l'ago smetta di muoversi (da 5 a 10 s), quindi riportare la leva a "Scarico".
- Registrare la durezza Rockwell C dalla lettura del misuratore del quadrante.
- Ripetere il test lungo la lunghezza. ASTM A255 specifica che le letture devono essere prese a intervalli di 1/16 di pollice per il primo 1/2 pollice e a intervalli di 1/8 di pollice per il successivo 1/2 di pollice.
Il test di durezza è un test semplice e relativamente economico. Più veloce e meno distruttivo delle prove di trazione, è considerato uno dei test meccanici più universalmente preziosi disponibili per gli ingegneri.
I valori dei test di durezza sono empirici, eppure i risultati forniscono un'ottima correlazione con la resistenza del materiale su una vasta gamma di materiali. Quando una forza nota viene applicata in un test di durezza, la quantità di deformazione plastica che il materiale subisce determina il valore di durezza.
Nei test di tipo Rockwell, i rientranze caricati di varie dimensioni e forme misurano la durezza. Per questo esperimento, misureremo e confronteremo la durezza dell'acciaio non trattato e trattato termicamente utilizzando il test di durezza Rockwell.
Diversi metodi comuni per misurare la durezza dei metalli includono Brinell, Vickers, Knoop e Rockwell durezza BNC. Ognuno di questi metodi utilizza un penetratore, a forma di sfera, cono o piramide di diamante.
Una rientranza viene fatta nella superficie di un metallo e viene visualizzata una lettura della durezza. Di questo elenco, il test di durezza Rockwell è il più popolare per gli acciai strutturali. Un tester Rockwell manuale standard è costituito da un sistema a leva per applicare il carico e da una lettura analogica che mostra il numero di durezza.
Nel tipico test Rockwell, viene stabilito un punto zero per tenere conto delle variazioni superficiali applicando un carico preliminare e misurando una profondità di penetrazione iniziale. Successivamente, il carico principale viene applicato al rientro. Infine, il carico viene rimosso e viene misurata la profondità di penetrazione finale. Il manometro sulla parte superiore della macchina utilizza la differenza tra questi due valori per visualizzare un valore di durezza Rockwell. Più duro è il materiale, meno il penetratore penetra, con conseguente valore di durezza Rockwell più elevato. Pertanto, i valori per la durezza Rockwell B e Rockwell C si basano sulla profondità della penetrazione e pertanto le macchine di prova vengono calibrate spesso utilizzando blocchi di prova di calibrazione per intervalli di durezza specifici.
I test di durezza Rockwell possono essere utilizzati per valutare come viene modificata la resistenza di un materiale attraverso processi come il trattamento termico o la laminazione a freddo. La laminazione a freddo tende a provocare materiali più resistenti e più duri. Il trattamento termico può portare a materiali più morbidi attraverso il riscaldamento, ma strutture più dure attraverso la tempra.
Ad esempio, nel Jominy End Quench Test, un campione cilindrico viene riscaldato uniformemente. Un'estremità viene quindi spenta con un flusso d'acqua. I cambiamenti lungo la lunghezza del campione dall'estremità temprata all'estremità inestinguibile possono essere visti nei valori di durezza, che sono rappresentativi dei cambiamenti nella microstruttura.
Nella prossima sezione, misureremo la durezza lungo la lunghezza di un provino Jominy End Quench Test in acciaio per osservare la transizione dall'acciaio non trattato a quello trattato termicamente utilizzando il test di durezza Rockwell.
Prima di iniziare, familiarizzare con la macchina di test. L'incudine, che può essere sollevata o abbassata dal volantino capstan, supporta un campione sotto il penetratore intercambiabile.
Un carico di prova viene scelto utilizzando il selettore sul lato della macchina e viene applicato ruotando la leva di carico dalla posizione di scarico alla posizione di carico. Le misurazioni corrette di pre-caricamento e finali vengono determinate utilizzando il manometro sulla parte superiore della macchina.
Prima di inserire il campione di prova, verificare che il penetratore a cono diamantato Rockwell C sia installato e che il carico di prova sia impostato su 150 chilogrammi. Fissare il campione nella macchina con la superficie piana contro l'incudine. Per questa dimostrazione, useremo un campione Jominy End Quenched che ha subito un trattamento di raffreddamento ad acqua.
Spostare la leva di carico nella posizione di scarico, quindi sollevare l'incudine per avvicinare il campione al rientrante. Regolare la posizione del campione in modo che il rientrante si trova a un sedicesimo di pollice dalla fine. Quando la posizione è corretta, ri-fissare il campione in modo che non si muova durante il test. Ora, sollevare nuovamente il campione fino a quando l'ago sul quadrante anteriore inizia a muoversi leggermente, indicando che è stato stabilito il contatto con il rientrante.
Applicare il pre-carico continuando a sollevare lentamente il campione fino a quando l'ago sul quadrante ha completato tre giri completi. Fermarsi quando l'ago ha completato il terzo giro. Regolare l'anello esterno dell'indicatore del quadrante in modo che la lettura iniziale sia zero. Quindi spostare la leva di carico nella posizione di carico per applicare il carico di prova. L'ago si stabilizzerà su un nuovo valore man mano che viene applicato il carico. Attendere fino a quando non smette di muoversi e quindi spostare la leva di carico nella posizione di scarico.
Registrare la durezza Rockwell C dal manometro del quadrante e quindi abbassare l'incudine per allontanare il campione dal rientrante. Ripetere questo test lungo la lunghezza del campione. Le linee guida ASTM-A255 specificano che le letture devono essere prese a intervalli di un sedicesimo pollice per il primo mezzo pollice e a intervalli di un ottavo di pollice per il mezzo pollice successivo.
Tracciare la durezza Rockwell del campione in funzione della posizione lungo il campione. La durezza diminuisce chiaramente all'aumentare della distanza dall'estremità tempra.
Il test di durezza Rockwell è stato utilizzato per dimostrare che a causa della velocità di raffreddamento, il cambiamento nella struttura interna del materiale ha influenzato la durezza del materiale, che a sua volta indica la resistenza del materiale.
Ora che apprezzi il test di durezza per la sua facilità d'uso, diamo un'occhiata a come viene applicato per garantire la qualità dei prodotti di uso quotidiano.
I valori di durezza possono essere facilmente convertiti in valori di resistenza utilizzando grafici derivati da equazioni empiriche. Come previsto, i materiali più morbidi hanno valori di resistenza inferiori e i materiali più duri hanno valori di resistenza più elevati. Per questo motivo, i valori di durezza possono essere utilizzati al posto di test di trazione più costosi per prevedere la resistenza delle cose che usiamo ogni giorno.
Basta guardarsi intorno in un barbecue in cortile, vedrai molti prodotti che sono considerati sicuri a causa dei test di durezza. Sedie a sdraio in metallo, griglie sulla griglia su una vasta gamma di temperature, coltelli in acciaio temprato e la scala da piscina in metallo in condizioni acquatiche. Tutti erano probabilmente testati per garantire la sicurezza dei consumatori.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE al test di durezza Rockwell. Ora dovresti capire perché il test di durezza è comunemente usato, come eseguire il test di durezza e come analizzare i risultati ottenuti.
Grazie per l'attenzione!
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Results
Un risultato tipico del test Rockwell su un campione Jominy per un test HR C è mostrato nel video. La durezza diminuisce sensibilmente man mano che ci si allontana dall'estremità sottoposta al getto d'acqua. Il valore della prova di durezza può essere convertito in una resistenza alla trazione attraverso grafici forniti dal produttore della macchina di prova. I risultati mostrano che l'acciaio varia considerevolmente sia in durezza che in resistenza man mano che ci si allontana dall'estremità tempra.
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Applications and Summary
Il test di durezza è uno dei test principali per raccogliere importanti informazioni ingegneristiche su un materiale. Il test di durezza Rockwell è il metodo preferito di test di durezza, in quanto elimina la necessità di apparecchiature ottiche avanzate, ma utilizza invece attrezzature di laboratorio di base per misurare in modo accurato, economico e rapido la durezza di un materiale. Ancora più importante, questo metodo è facilmente traducibile e riproducibile tra laboratori e personale di collaudo grazie alla sua relativa semplicità. La procedura richiede che dopo aver preso una lettura iniziale in condizioni di precaricamento, si applichi il carico maggiore e si misuri il cambiamento di posizione dal valore iniziale. Questo valore può quindi essere calcolato in un valore di durezza, che può anche essere trasformato e approssimato ad altre scale di durezza da una serie di equazioni. Il test di durezza Rockwell è stato utilizzato per mostrare come la velocità di raffreddamento influenzi la struttura martensitica degli acciai e come la velocità di raffreddamento si traduca in materiali con resistenze significativamente diverse.
I test di durezza ci consentono di utilizzare materiali adeguati che garantiranno un'alta qualità delle prestazioni nel loro utilizzo. Ogni prodotto che utilizziamo nella nostra vita quotidiana è stato testato per la durezza. Considera che il seguente divertente scenario è solo uno dei tanti esempi quotidiani di come i test di durezza ci consentano di godere di materiali utili e sicuri. Immagina la pletora di volte in cui è stato utilizzato il test di durezza per poter lanciare un barbecue nel cortile per la tua riunione di famiglia. Le sedie da prato in metallo dovevano certamente essere testate per assicurarsi che il metallo fosse abbastanza forte, in modo che zia Bessie non cadesse a terra quando si sedeva. Anche le griglie metalliche sulla griglia dovevano essere testate per la durezza su una vasta gamma di temperature (dato che a tua madre piace la sua bistecca ben fatta a fuoco alto) per assicurarsi che non si rompessero o si desse quando inevitabilmente si lasciavano cadere le pinze per griglia sulla griglia. Anche i coltelli che usi per tagliare la carne sono tutti in acciaio indurito. Infine, la scala metallica nella piscina ha dovuto testare la durezza in condizioni acquatiche per assicurarsi che quando tuo cugino più giovane ha cercato di uscire dalla piscina, non è ricaduto quando il metallo ha fallito. Ci sono un sacco di hamburger, brats e hot dog salvati, per non parlare delle vite umane, grazie ai test di durezza.
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