LA PROVA DI DUREZZA BRINELL

Prova di durezza Brinell

Cenni Teorici
La prova di durezza Brinell è stata ideata dall’omonimo ingegnere svedese J.A. Brinell verso il 1900, viene eseguita con un durometro, che è costituito essenzialmente da una piccola pressa, un dinamometro e un visore graduato per poter riscontrare il diametro dell’impronta.


Descrizione della prova
Consiste nel premere una sfera di acciaio con diametro D, sulla superficie del pezzo (o della provetta) con un carico di prova F, per un prestabilito intervallo di tempo.

Si definisce durezza Brinell HB il rapporto fra il valore del carico F espresso in newton e l'area di superficie S della calotta d'impronta rilevata a carico tolto (impronta elastica) espressa in millimetri quadrati.

Pertanto:
Essendo S l'area della superficie dell'impronta una calotta sferica di diametro d e di altezza h, il suo valore che inizialmente vale:

S = p D h

Diventa, esprimendo h (profondità dell'impronta) in funzione del diametro d:

Il valore di durezza risulta perciò essere:

dove il fattore di conversione 0,102 serve per conservare immutati i valori delle durezze con il sistema originariamente adottato, prima dell'introduzione del sistema internazionale (SI).

Infatti: 1 N = 1 Kgf / 9,80665=1 Kgf x 0,102

Accettabilità dell’equazione:

l'equazione indicata ha un limite di accettabilità, in quanto i valori di durezza da lei dedotti, dipendono dalla relazione fra il carico F e il diametro D della sfera.

In definitiva si può dire che non esiste un paragone di risultati ottenuti con prove di durezza Brinell, nelle quali il rapporto F/D è differente.

La paragonabilita' e l'accettabilità' sono soddisfatte solo quando l’angolo beta è costante.
Teoricamente il valore normale di questa costante è stato ritenuto uguale a:

d/D = 0.375

Si definisce allora prova ideale quella eseguita in grado di soddisfare tale relazione.

In pratica questo valore non è rigido, ma si tollerano delle piccole variazioni.

L'esperienza ha insegnato che la possibilità di confronto è possibile quando il rapporto tra il diametro D della sfera e il diametro d dell'impronta è compresa tra 0,25 e 0,5

Diametro delle sfere:

la prova normale richiede l’utilizzo di una sfera del diametro di 10 mm.

Per prove particolari possono essere usate sfere di diametro inferiore, in ogni caso non minore di 1 mm.

le sfere che vengono più usate hanno diametro di 10 – 5 – 2.5 – 2 e raramente 1 mm.

Durezza delle sfere:

solitamente le sfere sono in acciaio temprato con un indice di durezza (espresso in scala Vickers) maggiore o uguale a 850 kg/mm².

Se il provino è d’acciaio molto duro, maggiore cioè di 350-400 kg/mm², la sfera può essere costituita da carburi di tungsteno (al fine di evitare l’errore dovuto alla deformabilità della sfera); in generale si preferisce, però, passare ad altro tipo di prove di durezza (Rockwell, Vickers).

Carico di prova:

deve essere proporzionato al diametro della sfera ed alla qualità del materiale da provare, nel miglior caso, è il carico che verifica la legge d/D=0,375.

Il carico applicato viene gestito tramite l’aumento o la diminuzione dei pesi, questi sono collegati ad una leva che ruota su di un cuscinetto a sfere ed è fulcrata appena dopo l’asse del penetratore, così da aumentare decisamente la forza che i pesi esercitano per la legge di gravità.
Leva alla cui estremità è fissata l’asta porta pesi, che scorre su cuscinetto a sfere, fulcrata dall’altra estremità, appena prima esercita la forza sul penetratore tramite un punzone.

Nella prova eseguita con il diametro di sfera di 10 mm, il carico impiegato era pari a 29.400 N e la durata di permanenza del carico di 15 s .

In condizioni di prove particolari si pone alla destra del simbolo HB un indice che specifichi nell'ordine: il diametro della sfera in mm, il carico di prova in newton x 0,102, e la durata di permanenza del carico in secondi.

Esempio:
HB 5/250/15

Spessore minimo del pezzo:

lo spessore minimo del pezzo da provare deve essere almeno 8 volte la profondità dell'impronta.

Conversioni:

non esiste un metodo generale preciso di conversione tra i valori di durezza Brinell ottenuti con carichi diversi, in altre scale di durezza o con i valori del carico unitario di rottura a trazione.

Occorre pertanto evitare di compiere tali conversioni, tranne che in quei casi particolari in cui, grazie a prove comparative, si disponga di una valida base statistica per effettuare la conversione.

Dall’indice di durezza HB si può dedurre, in via approssimativa (negli acciai), il carico unitario di rottura a trazione R m= (0,34 - 0,35) HB.

Esecuzione della prova di laboratorio
Posizionato il provino di Fe37 sull’apposito piattello, andiamo ad agire sulla ghiera filettata, in modo da portarlo a contatto con il penetratore sferico da 10 mm, a questo punto sganciamo leva che comanda l’applicazione del carico (29400 N).

Quest’ultimo infatti deve essere applicato gradatamente e senza urti in un tempo di 10 sec, una volta giunti alla massima applicazione lo si lascia agire per trenta secondi, dopo di che lo si toglie riportando la leva in posizione iniziale.

Ora si passa ad analizzare l’impronta lasciata sul provino:
Ecco come si presenta il provino al termine della prova.

Naturalmente abbiamo eseguito più prove per avere un riscontro e poter far una media.
Per poter determinare la durezza, dobbiamo calcolare la superficie dell’impronta (in quanto conosciamo già il valore della forza); per far ciò ci serviamo di un oculare graduato o di un microscopio in modo da rilevare con esattezza il diametro dell’impronta.
Attraverso l’oculare è sufficiente posizionarlo in modo centrato rispetto l’impronta, e andare a leggere il valore riportato sulla scala graduata, questa lettura è molto delicata, infatti, richiede di un’adeguata esperienza per assicurare valori precisi.

Utilizzando il microscopio si può collegare uno schermo in modo da vedere l’impronta ingrandita e nitida (si costruisce una sorta di visore ottico), ora si tratta di collocare semplicemente l’impronta perpendicolarmente ai rispettivi assi e sfiorando i limiti dello schermo con il bordo si possono riscontrare i valori degli spostamenti.


Visione del diametro della calotta sferica mediante microscopio:
Le prove eseguite hanno dato rispettivamente 3 impronte di diametro rilevato pari a 4,27 mm e altre 3 impronte di diametro rilevato pari a 4,18 mm. I valori ottenuti sono conformi verificando il rapporto d/D compreso tra 0.25 e 0.5:
Entrambi i valori possono essere utilizzati, ma per correttezza useremo la media pari a 0,422.

Una volta ottenuto il diametro dell’impronta siamo in grado di calcolare la durezza Brinell:
dove:
F = 29400 N (carico applicato)
D= 10 mm (diametro penetratore)
d= 4,22 (diametro dell’impronta)
dunque:

Conclusioni
Abbiamo ottenuto una durezza per provino di Fe370 pari a 204 HB, i parametri fondamentali per la validità della prova sono stati rispettati, dunque la prova può essere ritenuta valida.
I limiti di questa prova sono: materiali con durezza superiori 350 HB, difficoltà nel rilevare il diametro dell’impronta con precisione, rispetto dei parametri ( d/D, angolo di penetrazione = 136°