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Misurazione della durezza dei graffi mediante tester meccanico

MISURA DELLA DUREZZA DEI GRAFFI

CON UN TESTER MECCANICO

Preparato da

DUANJIE LI, PhD

INTRODUZIONE

In generale, le prove di durezza misurano la resistenza dei materiali alla deformazione permanente o plastica. Esistono tre tipi di misure di durezza: la durezza da graffio, la durezza da indentazione e la durezza da rimbalzo. La prova di durezza al graffio misura la resistenza di un materiale ai graffi e all'abrasione dovuti all'attrito di un oggetto appuntito1. È stato originariamente sviluppato dal mineralogista tedesco Friedrich Mohs nel 1820 ed è ancora ampiamente utilizzato per classificare le proprietà fisiche dei minerali2. Questo metodo di prova è applicabile anche a metalli, ceramiche, polimeri e superfici rivestite.

Durante la misurazione della durezza da graffio, uno stilo diamantato di geometria specifica graffia la superficie di un materiale lungo un percorso lineare sotto una forza normale costante e a velocità costante. La larghezza media del graffio viene misurata e utilizzata per calcolare il numero di durezza del graffio (HSP). Questa tecnica fornisce una soluzione semplice per scalare la durezza di diversi materiali.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questo studio, il tester meccanico NANOVEA PB1000 è stato utilizzato per misurare la durezza da graffio di diversi metalli in conformità con la norma ASTM G171-03.

Allo stesso tempo, questo studio mette in mostra la capacità del NANOVEA Collaudatore meccanico nell'eseguire misurazioni della durezza ai graffi con elevata precisione e riproducibilità.

NANOVEA

PB1000

CONDIZIONI DI PROVA

Il tester meccanico NANOVEA PB1000 ha eseguito prove di durezza al graffio su tre metalli lucidati (Cu110, Al6061 e SS304). È stato utilizzato uno stilo conico in diamante con angolo di apice di 120° e raggio di punta di 200 µm. Ogni campione è stato graffiato tre volte con gli stessi parametri di prova per garantire la riproducibilità dei risultati. I parametri di prova sono riassunti di seguito. È stata eseguita una scansione del profilo a un basso carico normale di 10 mN prima e dopo la test di graffiatura per misurare la variazione del profilo superficiale del graffio.

PARAMETRI DEL TEST

FORZA NORMALE

10 N

TEMPERATURA

24°C (RT)

VELOCITÀ DI SCORRIMENTO

20 mm/min

DISTANZA DI SCORRIMENTO

10 mm

ATMOSFERA

Aria

RISULTATI E DISCUSSIONE

Le immagini delle tracce dei graffi di tre metalli (Cu110, Al6061 e SS304) dopo i test sono mostrate nella FIGURA 1, al fine di confrontare la durezza dei graffi dei diversi materiali. La funzione di mappatura del software NANOVEA Mechanical è stata utilizzata per creare tre graffi paralleli testati nelle stesse condizioni in un protocollo automatizzato. La larghezza della traccia di graffio misurata e il numero di durezza di graffio calcolato (HSP) sono riassunti e confrontati nella TABELLA 1. I metalli mostrano una diversa larghezza della traccia di usura. I metalli mostrano larghezze della traccia di usura diverse, pari a 174, 220 e 89 µm per Al6061, Cu110 e SS304, rispettivamente, con un HSP calcolato di 0,84, 0,52 e 3,2 GPa.

Oltre alla durezza del graffio calcolata in base alla larghezza della traccia del graffio, l'evoluzione del coefficiente di attrito (COF), della profondità reale e dell'emissione acustica sono state registrate in situ durante la prova di durezza del graffio. In questo caso, la profondità reale è la differenza di profondità tra la profondità di penetrazione dello stilo durante il test di graffiatura e il profilo della superficie misurato nel pre-scan. La FIGURA 2 mostra a titolo di esempio la COF, la profondità reale e l'emissione acustica di Cu110. Queste informazioni forniscono informazioni sui guasti meccanici che si verificano durante il graffio, consentendo agli utenti di rilevare i difetti meccanici e di indagare ulteriormente sul comportamento del graffio del materiale testato.

I test di durezza al graffio possono essere eseguiti in un paio di minuti con elevata precisione e ripetibilità. Rispetto alle procedure di indentazione convenzionali, il test di durezza al graffio di questo studio fornisce una soluzione alternativa per la misurazione della durezza, utile per il controllo di qualità e lo sviluppo di nuovi materiali.

Al6061

Cu110

SS304

FIGURA 1: Immagine al microscopio delle tracce di graffio dopo il test (ingrandimento 100x).

 Larghezza della traccia del graffio (μm)HSp (GPa)
Al6061174±110.84
Cu110220±10.52
SS30489±53.20

TABELLA 1: Riepilogo della larghezza della traccia del graffio e del numero di durezza del graffio.

FIGURA 2: Evoluzione del coefficiente di attrito, della profondità reale e delle emissioni acustiche durante la prova di durezza del graffio su Cu110.

CONCLUSIONE

In questo studio abbiamo dimostrato la capacità del NANOVEA Mechanical Tester di eseguire prove di durezza da graffio in conformità alla norma ASTM G171-03. Oltre all'adesione del rivestimento e alla resistenza ai graffi, il test di graffiatura a carico costante fornisce una soluzione alternativa e semplice per confrontare la durezza dei materiali. A differenza dei tradizionali tester di durezza a graffio, i tester meccanici NANOVEA offrono moduli opzionali per il monitoraggio dell'evoluzione del coefficiente di attrito, dell'emissione acustica e della profondità reale in situ.

I moduli Nano e Micro di un tester meccanico NANOVEA includono modalità di indentazione, graffio e usura conformi agli standard ISO e ASTM, fornendo la più ampia e semplice gamma di test disponibili in un unico sistema. La gamma impareggiabile di NANOVEA è la soluzione ideale per determinare l'intera gamma di proprietà meccaniche di rivestimenti, film e substrati sottili o spessi, morbidi o duri, tra cui durezza, modulo di Young, tenacità alla frattura, adesione, resistenza all'usura e molte altre.

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