Informazioni generali sulla prova di durezza Brinell
Nel metodo di prova Brinell, il penetratore è una sfera in metallo duro con diametro D = 10; 5; 2,5 o 1 mm che viene applicata al provino con una forza di prova (secondo la normativa: da 1 kg a 3000 kg) e tenuta in base al tempo stabilito.
Per calcolare la durezza Brinell, sulla superficie del provino vengono misurati due diametri reciprocamente perpendicolari dell’impronta di prova. Inoltre, sono richiesti anche la forza di prova in N e il diametro del penetratore sferico.
Procedura per prove di durezza Brinell secondo ISO 6506
La prova di durezza Brinell è un metodo ottico che misura la dimensione dell'impronta lasciata dal penetratore. A differenza del metodo ottico Vickers, in cui un penetratore a forma di piramide viene premuto nel provino, il metodo Brinell utilizza un penetratore sferico.
Quanto più grande è l'impronta lasciata dal penetratore Brinell con un diametro specifico della sfera e con una forza di prova definita sulla superficie di un provino, tanto più morbido è il materiale testato.
Secondo la norma ISO 6506, il penetratore sferico in metallo duro (carburo di tungsteno) viene premuto in un provino (pezzo) con un carico di prova definito (tra 1 kgf e 3000 kgf) per determinare la durezza Brinell (HBW).
Cosa indica la durezza Brinell?
La durezza Brinell è un'unità di misura che indica la durezza di un materiale. Il metodo della durezza Brinell prevede una sfera di metallo duro che viene premuta sul materiale. La dimensione dell'impronta ottenuta viene misurata otticamente per determinare la durezza del materiale.
La durezza Brinell è normalmente utilizzata per materiali con granulometria elevata, superficie di prova ruvida o materiali non omogenei, come fusioni, leghe e componenti forgiati. È definita come il rapporto tra la forza applicata e l'area superficiale dell'indentazione. L'unità di misura della durezza Brinell è HBW (durezza secondo Brinell con una sfera di carburo di tungsteno).
Calcolo durezza Brinell
La durezza Brinell HBW risulta dal quoziente della forza di prova applicata F (in newton N) e dall'area della superficie dell'impronta residua sul provino (la proiezione dell'impronta) dopo la rimozione della forza di test (vedere la formula Brinell). Per calcolare l'area della superficie dell'impronta residua della sfera, si utilizza la media aritmetica d delle due diagonali perpendicolari d1 e d2 (in mm), poiché l'area di base delle impronte Brinell spesso non è perfettamente rotonda.
In pratica, quando si determina il valore di durezza, la formula non viene calcolata per ogni singola prova. Il valore di durezza può essere determinato in alternativa da tabelle, ovvero da un software per prove di durezza appositamente programmato, che visualizza il valore di durezza in funzione del diametro medio di indentazione d per tutti i diametri di sfera e i carichi di prova standardizzati.
La forza di prova deve essere selezionata in modo che il diametro medio di indentazione d sia compreso tra 0,24 D e 0,6 D.
Per poter rispettare questi limiti, è necessario coordinare la forza di prova con il diametro della sfera. Ciò si traduce in diversi indici forza-diametro (chiamati anche livelli di carico o fattori di carico) all'interno del metodo Brinell, dove il quoziente della forza di prova e del quadrato del diametro della sfera è mantenuto costante: B = 0,102*F/D2. B = 0,102*F/D2. I cinque indici di forza-diametro più comuni sono 1, 2,5, 5, 10 e 30. I test di un materiale con diametri delle sfere e forze di prova diversi devono essere condotti all'interno dello stesso indice forza-diametro per ottenere risultati comparabili (vedere la tabella riassuntiva "Metodi e applicazioni Brinell”).
Il diametro della sfera deve essere scelto in modo tale che l'impronta copra la più ampia area del provino, ovvero quella rappresentativa del provino.
Secondo la norma (ISO 6506), il carico di prova deve essere aumentato fino al valore finale entro un minimo di due e un massimo di otto secondi. In genere, il tempo di sosta per il carico di prova è di 10-15 secondi (s). Se il tempo di sosta è più lungo, la durata in secondi deve essere specificata anche nel valore di durezza, ad es.: 210 HBW 5/250/30 (tempo di sosta 30 s).
Vantaggi e svantaggi dei test di durezza utilizzando il metodo Brinell
Il metodo Brinell offre i seguenti vantaggi:
- Il metodo Brinell può essere utilizzato per testare materiali non omogenei (ad esempio, fusioni), poiché la sfera di grandi dimensioni entra in contatto con molti cristalli (diversi costituenti metallografici del materiale), formando così un valore medio meccanico
- È possibile scegliere tra un gran numero di forze di prova e di diametri delle sfere per la più ampia varietà di applicazioni
- Indentazioni di prova relativamente grandi, più facili da misurare rispetto a quelle Vickers più piccole
- La superficie del provino può essere ruvida.
Il metodo Brinell presenta i seguenti svantaggi:
- La qualità della superficie del provino deve essere buona, perché l'indentazione viene misurata otticamente Ciò significa che il punto della prova deve essere preparato.
- Elevato rischio di deformazione del materiale da testare quando si effettuano prove nel macro range con carichi di prova elevati (ad es. HBW 10/3000) e conseguente rischio di errori di misura dovuti alla formazione di pareti. Pertanto, è importante una buona illuminazione per garantire una corretta valutazione dell’indentazione di prova (ad esempio, con l'ausilio di una luce ad anello)
- Limitazione nell'applicazione del metodo su campioni sottili di materiali molto duri (vedi metodo Brinell, spessore minimo del campione)
- La procedura è piuttosto lenta (rispetto al metodo Rockwell). Il ciclo di prova dura tra i 30 e i 60 secondi, senza contare il tempo necessario per la preparazione del provino.
Esempi di metodi di prova di durezza Brinell e applicazioni
Il metodo Brinell è adatto alla prova di durezza dei metalli teneri (metalli leggeri, piombo, stagno) e dei metalli duri, come acciaio e ferro.
Le prove Brinell su un materiale con diversi diametri di sfera e forze di prova devono essere condotte con lo stesso indice forza-diametro ("procedura di prova Brinell") per consentire un confronto diretto dei valori di durezza misurati.
La tabella seguente presenta i metodi Brinell raggruppati per indice di forza-diametro, l'intervallo di durezza associato e le applicazioni consigliate (materiali). Più alto è il fattore di carico, più duri sono i metalli che possono o dovrebbero essere testati con i metodi di questo indice di forza-diametro. L'indice di forza-diametro (fattore di carico) più comune è HBW 30. I metodi Brinell appartenenti all'HBW 30 sono utilizzati per testare metalli duri come l'acciaio e il ferro.
| Materiale | Metodo | Penetratori | Carico di prova F | Grado di carico 0.102 x F/D2 | Range di durezza HBW* |
|---|---|---|---|---|---|
| Acciaio/ferro | HBW 1/30 | 1 mm | 294,2 N | 30 | 95,5-653 |
| HBW 2,5/187,5 | 2,5 mm | 1,839 kN | |||
| HBW 5/750 | 5 mm | 7,355 kN | |||
| HBW 10/3000 | 10 mm | 29,42 kN | |||
| Metallo leggero Rame / alluminio Leghe di rame Leghe di alluminio | HBW 1/10 | 1 mm | 98,07 N | 10 | 31,8-218 |
| HBW 2,5/62,5 | 2,5 mm | 612,9 N | |||
| HBW 5/250 | 5 mm | 2,452 kN | |||
| HBW 10/1000 | 10 mm | 9,807 kN | |||
| HBW 1/5 | 1 mm | 49,03 N | 5 | 15,9-109 | |
| HBW 2,5/31,25 | 2,5 mm | 306,5 N | |||
| HBW 5/125 | 5 mm | 1,226 kN | |||
| HBW 10/500 | 10 mm | 4,903 kN | |||
| Metalli leggeri | HBW 1/2,5 | 1 mm | 24,52 N | 2,5 | 7,96-54,5 |
| HBW 2,5/15,625 | 2,5 mm | 153,2 N | |||
| HBW 5/62,5 | 5 mm | 612,9 N | |||
| HBW 10/250 | 10 mm | 2,452 kN | |||
| Metalli leggeri Piombo / Stagno | HBW 1/1 | 1 mm | 9,807 N | 1 | 3,18-21,8 |
| HBW 2,5/6,25 | 2,5 mm | 61,29 N | |||
| HBW 5/25 | 5 mm | 245,2 N | |||
| HBW 10/100 | 10 mm | 980,7 N | |||
*Intervallo di durezza consigliato secondo EN ISO 6506-4, tabella 2. | |||||
Distanza minima delle indentazioni del provino e spessore minimo del provino per le prove Brinell
- Nel metodo Brinell, le indentazioni devono essere posizionate in modo che vi sia uno spazio sufficiente dal bordo del provino e tra le singole impronte. I valori minimi da rispettare secondo le norme sono riportati nel diagramma.
- Il provino deve avere uno spessore sufficiente affinché l’impronta non provochi alcuna deformazione visibile sul lato inferiore del provino (superficie di appoggio). Ciò significa che, secondo la norma, il provino deve essere almeno otto volte più spesso della profondità di indentazione della sfera Brinell. La profondità di indentazione può essere stimata dal valore di durezza previsto, che a sua volta dipende dal diametro medio dell'indentazione. Lo spessore minimo del provino può quindi essere ricavato in funzione del diametro medio dell’impronta e del diametro della sfera del penetratore Brinell. Una tabella dettagliata, da cui è possibile ricavare lo spessore minimo del provino per Brinell, è disponibile qui:
| Diametro medio dell’indentazione (mm) | Spessore minimo provino (mm) | |||
|---|---|---|---|---|
| Diametro sfera | ||||
| 1,0 | 2,5 | 5,0 | 10 | |
| 0,2 | 0,12 | |||
| 0,3 | 0,18 | |||
| 0,4 | 0,33 | |||
| 0,5 | 0,54 | |||
| 0,6 | 0,80 | 0,29 | ||
| 0,7 | 0,40 | |||
| 0,8 | 0,53 | |||
| 0,9 | 0,67 | |||
| 1,0 | 0,83 | |||
| 1,1 | 1,02 | |||
| 1,2 | 1,23 | 0,58 | ||
| 1,3 | 1,46 | 0,69 | ||
| 1,4 | 1,72 | 0,80 | ||
| 1,5 | 2,00 | 0,92 | ||
| 1,6 | 1,05 | |||
| 1,7 | 1,19 | |||
| 1,8 | 1,34 | |||
| 1,9 | 1,50 | |||
| 2,0 | 1,67 | |||
| 2,2 | 2,04 | |||
| 2,4 | 2,45 | 1,17 | ||
| 2,6 | 2,92 | 1,38 | ||
| 2,8 | 3,43 | 1,60 | ||
| 3,0 | 4,00 | 1,84 | ||
| 3,2 | 2,10 | |||
| 3,4 | 2,38 | |||
| 3,6 | 2,68 | |||
| 3,8 | 3,00 | |||
| 4,0 | 3,34 | |||
| 4,2 | 3,70 | |||
| 4,4 | 4,08 | |||
| 4,6 | 4,48 | |||
| 4,8 | 4,91 | |||
| 5,0 | 5,36 | |||
| 5,2 | 5,83 | |||
| 5,4 | 6,33 | |||
| 5,6 | 6,86 | |||
| 5,8 | 7,42 | |||
| 6,0 | 8,00 | |||
