Durometro
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Il durometro è uno strumento di misura destinato alla misurazione della durezza dei materiali. Esistono molti tipi di durometri, ognuno destinato ad una specifica applicazione e dotato di una propria scala di misura.
Per misurare la durezza di un materiale, il durometro effettua su di esso una penetrazione, lasciando sul punto testato un'impronta (detta testimone).
La prova può essere definita un test non distruttivo, in quanto l'oggetto in esame potrebbe mantenere la propria integrità e funzionalità. Il durometro lascia comunque un impronta, pertanto va' usato, o in aree dove il testimone non dia fastidio, oppure su appositi provini realizzati con lo stesso materiale da testare.
E'importante notare che la prova non può essere ripetuta nella stessa posizione (o anche in prossimità di altri testimoni): infatti la superficie in prossimità di un testimone viene geometricamente e strutturalmente modificata e la ripetizione della prova comporterebbe grossi errori di misura.
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[modifica] Principio di funzionamento
Il principio di funzionamento dei durometri è pressoché identico per la varie tipologie: una punta (detta penetratore) di forma varia, viene spinta con una forza nota contro il materiale da testare, a seconda della durezza del materiale e inversamente proporzionale ad essa, questo penetrerà per una certa profondità. Misurando la profondità di penetrazione o la dimensione dell'impronta si ha l'indicazione della durezza del materiale.
[modifica] Metodologie e scale
Con lo sviluppo dell'ingegneria metallurgica, è nata subito la necessità di verificare oggettivamente la durezza delle leghe. I primi ingegneri studiarono indipendentemente metodologie e realizzarono i relativi strumenti. Le metodologie, sebbene pratiche e funzionali, non furono però standardizzate, e non ci si curò di legare le scale ai sistemi metrologici di riferimento. La conseguenza fu che si moltiplicarono delle scale ingegneristiche, legate alla metodologia di prova e alla strumentazione usata.
Solo recentemente, gli organismi internazionali hanno lavorato alla standardizzazione degli strumenti, delle scale e creato un legame oggettivo tra le scale di durezza e il Sistema Internazionale delle misure.
Comunque, ancora oggi, sono in uso diverse scale di misura per la durezza, ognuna delle quali fa riferimento alla propria specifica metodologia.
Alcuni esempi di scale di misura della durezza:
- Shore;
- Brinell;
- Rockwell;
- Vickers.
[modifica] Scala Shore
La scala Shore è pensata per testare la durezza degli elastomeri o dei plastomeri (esempio gomma o plastica). Il penetratore esercita relativamente poca forza, in quanto basta poco per ottenere una penetrazione rilevabile. Il valore di durezza è INVERSAMENTE proporzionale alla profondità di penetrazione.
Per il rilievo di durezze in questa scala sono sufficienti strumenti relativamente semplici, come ad esempio dinamometri manuali a quadrante.
[modifica] Scala Brinell
La scala Brinell è pensata per testare metalli non eccessivamente duri. Il penetratore è costituito da una biglia d'acciaio ad alta resistenza. Il valore di durezza è ricavato come rapporto tra la forza esercitata e la superficie dell'impronta del testimone (quest'ultima proporzionale alla penetrazione della sfera).
Per il rilievo di durezze nella scala Brinell è necessario:
- un durometro vero e proprio per generare l'impronta;
- un microscopio munito di un reticolo graduato, oppure una telecamera per misurare le dimensioni dell'impronta.
[modifica] Scale Rockwell
Le scale Rockwell sono pensate per testare i metalli. L'unità di misura è una scala convenzionale ricavata direttamente dalla profondità che ha raggiunto il penetratore, quando spinto con una certa forza nel materiale da testare.
Sono usate sostanzialmente due tipi di scale:
- scala B, usata per metalli morbidi, con un penetratore costituito da una sfera di acciaio indurito del diametro di 1/16 di pollice;
- scala C, usata per i metalli duri, con un penetratore costituito da un diamante a punta conica con un'apertura di 120°.
Questa metodologia è molto pratica in quanto, il durometro, oltre a generare l'impronta, ne misura la profondità, presentandone immediatamente la misura nella scala ingegneristica.
La prova si svolge in 3 fasi:
1) si applica senza urto un carico iniziale di 98 N e si azzera il quadrante;
2) si aggiunge al carico iniziale di 98 N un altro carico di 1373 N, progressivamente in 3-6 secondi;
3) si elimina il secondo carico di 1373 N e si esegue la lettura sul quadrante, cn il penetratore sempre sollecitato dal carico iniziale di 98 N
[modifica] Scala Vickers
La scala Vickers è pensata per testare metalli anche molto duri. Il penetratore è costituito da un diamante tagliato a piramide con un'apertura di 136°. Come per la scala Brinell, il valore di durezza è ricavato come rapporto tra la forza esercitata e la superficie dell'impronta del testimone.
Anche per il rilievo di durezze nella scala Vickers è necessario:
- un durometro per generare l'impronta;
- un microscopio con reticolo graduato per rilevare le dimensioni dell'impronta e verificare l'integrità della punta del penetratore.
Oltre alla scala "Vickers" tradizionale esiste anche un'altra tipologia di prova "Vickers" utilizzando lo stesso penetratore ma applicando carichi più ridotti (10 - 25 - 50 - 100 - 200 - 300 - 500 - 1000 gf (0.09807 - 0.2452 - 0.4903 - 0.9807 - 1.961 - 2.942 - 4.903 - 9.807 N); il valore di durezza si ricava nella stessa maniera della scala "Vickers" tradizionale.
Generalmente per il rilevamento della durezza nella scala "microVickers" è neccessario:
- un microdurometro per generare l'impronta
- un sistema video con ingrandimenti da 100X fino a 400X
Normalmente le prove di durezza in "microVickers" vengono effettuate su materiali molto duri ma estremamente sottili, per testare la durezza di trattamenti superficiali(cromatura,nichelatura ecc...).
[modifica] Struttura dei durometri
La struttura dei durometri varia significativamente a seconda della metodologia di misura che adottano. In linea di massima, i durometri assomigliano a delle pressette manuali, dotate di una struttura a "C", dove il materiale da testare viene poggiato su un piattello di carico, mentre dall'alto, agendo su una leva (per la tipologia di macchine meccaniche) o tramite un motore (per le macchine automatiche di ultima generazione), cala il penetratore.
In alcuni tipi di durometri, il materiale da testare deve essere pinzato nella struttura a C, regolando l'altezza del piattello di carico tramite una vite.
Un sistema meccanico o idraulico moltiplica la forza impressa alla leva in modo da fornire al penetratore la forza necessaria.
Sull'apparecchiatura sono presenti degli indicatori di forza e/o spostamento, necessari per effettuare i rilievi. Quando la metodologia lo permette, è presente direttamente l'indicatore che visualizza la durezza del materiale.
[modifica] Durometri manuali a quadrante
Il durometro a quadrante assomiglia ad un comparatore a quadrante, dove, al posto dell'asta è stato montato un penetratore. Quest'ultimo sporge da un piano di riferimento realizzato spianando la carcassa del quadrante. Una molla di contrasto calibrata spinge verso l'esterno il penetratore con una forza precisa. Similmente ad un comparatore, la punta è accoppiata a degli ingranaggi moltiplicatori che muovono l'indice della scala. Quest'ultima viene stampata per esprimere direttamente l'unità ingegneristica di durezza.
Spesso questi durometri dispongono di un blocco meccanico dell'indice al valore massimo rilevato durante la prova, facilitandone così l'esecuzione e assicurando una lettura stabile e corretta.
Questo tipo di strumenti, azionandosi manualmente, vengono usati solo per testare materiali morbidi.
[modifica] Uso
Dopo aver scelto un'area piana sulla superficie del materiale da testare, si schiaccia manualmente il durometro su di essa fino a far arrivare a battuta il piano di riferimento. Durante questa operazione, la molla spingerà il penetratore all'interno del materiale, così una volta a battuta, la punta fuoriuscirà rispetto al piano di riferimento in proporzione inversa rispetto alla durezza del materiale. Leggendo la scala si avrà un'indicazione diretta della durezza del materiale testato.
[modifica] Taratura e verifica funzionale
I durometri vengono normalmente forniti con dei provini campione di materiale a durezza nota (cioè tarati), su cui periodicamente, è possibile verificare la funzionalità dello strumento controllando che la sua lettura sia pari (o prossima) alla durezza nominale del provino.
In commercio si possono reperire provini campione di diversa durezza, in modo da testare tutta la scala di misura degli strumenti.
Nel caso di strumenti dotati di scala Shore, il provino dispone già di fori (di diametro calibrato) e la punta conica penetrando di più o meno in essi, permette di simulare materiali di diversa durezza. Questa tecnica è resa necessaria dall'impossibilità di realizzare elastomeri e plastomeri che assicurino la stabilità delle loro caratteristiche sul lungo periodo (condizione necessaria per realizzare provini campione).
