Prove di microdurezza

6.8.1 Cenni sulle prove di durezza

I metodi solitamente impiegati per la misura di durezza si basano sulla produzione di un’impronta sulla superficie metallica e sul rilevamento delle sue dimensioni. In questo modo è possibile quantificare la resistenza del materiale alla penetrazione di un corpo solido. L’impronta viene generata dall’applicazione di un carico noto, esercitato sulla superficie da caratterizzare tramite un penetratore teoricamente indeformabile (esso è realizzato in acciaio temprato, carburo di tungsteno o diamante). Il penetratore può assumere forme diverse: sfera, piramide o cono, a seconda della prova specifica. La misura dell’impronta deve essere rilevata in relazione ad uno specifico penetratore e ad un carico predeterminato.

Le prove di durezza per penetrazione possono essere suddivise tra:

• prove di macrodurezza, quando l'impronta generata dal penetratore coinvolge un cospicuo volume di materiale, e la resistenza del medesimo è causata dall'insieme dei cristalli appartenenti ai vari costituenti della lega metallica, ciascuno dei quali contribuisce in modo differente. In questo caso i carichi applicati dal penetratore possono variare da 10 N fino a 50 kN e l'impronta è visibile ad occhio nudo.

• prove di microdurezza, in cui l'impronta prodotta dal penetratore interessa un piccolissimo volume di materiale o addirittura un solo grano cristallino. L'impronta è visibile soltanto tramite un microscopio ed il carico applicato dal penetratore, in genere, non supera i 10N. Il basso valore del carico rende non più trascurabile il ritorno elastico del materiale, pertanto le prove di microdurezza non sono normalizzate ed i valori ottenuti hanno validità solamente come dato di confronto.

6.8.2 Le prove di microdurezza Vickers e Knoop

Tra le misure di microdurezza è possibile distinguere tra prove Vickers e Knoop. Per quanto riguarda la misura della microdurezza Vickers, si utilizza un penetratore con geometria simile a quella adoperata per la corrispondente macrodurezza, ossia una piramide a base quadrata con angolo al vertice fra due lati di 136°±0,5°, con le diagonali nominalmente uguali (Fig. 124).

Il valore della microdurezza Vickers è determinato dalla seguente relazione 1,854

in cui P è il carico applicato (espresso in kg), d la lunghezza delle diagonali, o la media tra esse. Per svolgere la prova di microdurezza Vickers, è necessario che lo spessore minimo del provino o dello strato superficiale di cui si vuole misurare la microdurezza non sia inferiore a 1,5 volte la diagonale d'impronta. Nel caso della microdurezza Knoop, il penetratore è costituito da diamante, ed è caratterizzato da diagonali di lunghezze differenti: l’impronta così generata presenta una forma tipicamente romboedrica, come è riscontrabile in Fig. 125:

Fig. 124: Penetratore ed impronta relativi alla misura della micro durezza Vickers [3,4]

Fig. 125: Penetratore ed impronta relativi alla misura della microdurezza Knoop [3,4]

La microdurezza Knoop viene calcolata tramite la relazione 14,228

in cui con P viene indicato il carico in kg e con d la lunghezza della diagonale maggiore dell’impronta.

6.8.3 Prove di microdurezza Vickers sul materiale prodotto

Le prove di microdurezza sul materiale prodotto sono state realizzate tramite microdurometro Vickers, con un carico di 10 grammi. Per effettuare la prova di microdurezza, è stato utilizzato un microscopio ottico, collegato al software della macchina di prova (Fig. 126 sin), che ha consentito di scegliere la porzione del campione in cui realizzare l’impronta (Fig. 126 dx). In questo modo è stato possibile selezionare come zone d’interesse l’alluminio primario, in cui si riteneva possibile la presenza delle eventuali particelle di rinforzo. Le seguenti misure sono riferite solo a questo costituente strutturale.

Una volta eseguita l’impronta, il software consente di selezionare manualmente attraverso apposito strumento le diagonali di misura. Automaticamente ne viene calcolata la media, e da questa si ottiene la

Fig. 126: Software del micro durometro (sin), che consente di scegliere il punto in cui eseguire l'impronta (indicato dall'intersezione delle linee rosse) ed esempio di impronta realizzata con carico di 10g (dx)

microdurezza svolte sui campioni relativi alla lega A356 e sull’alluminio puro. Ciascun valore riportato, corrispondente ad un campione, è ottenuto come media di 10 valori di microdurezza campionati in modo casuale sull’intera superficie del provino metallografico.

6.8.3.1 Prove di microdurezza sui campioni con matrice in A356

I dati elencati in Tabella 11 sono da confrontare con il campione 23, contrassegnato da un asterisco, ad indicare il fatto che, non essendo stato trattato con iniezione di gas, svolge la funzione di bianco.

Campione HV Dev.standard 14B 51.4 3.1 16B 55.3 4.5 17B 48.7 4.9 18A 49.7 5.8 19A 49.5 4.4 20B 49.6 3.3 20A 53.2 6 21A 59.4 7.1 21B 47.2 4.4 22A 55.6 4.9 22B 50.9 4 26B 55.14 3.2 * 23A 55 3.5

Tabella 11: Prove di microdurezza Vickers su matrici in A356

I valori di microdurezza relativi ai campioni trattati risultano distribuiti attorno al valore di riferimento. La deviazione standard non è trascurabile, soprattutto in alcuni campioni in cui raggiunge valori considerevoli. Ciò si è osservato soprattutto nel campione 21A, caratterizzato da una microdurezza media particolarmente elevata e da una deviazione standard altrettanto elevata. Per verificare il valore medio misurato, le prove sono state svolte anche sul campione 21B, che al contrario ha mostrato un valore medio inferiore rispetto al bianco. Poiché l’allumina individuata tramite microscopia SEM è caratterizzata da modeste quantità, è ragionevole

54 _{52,4 51} 0 10 20 30 40 50 60 2 h 3 h 4 h HV t di trattamento

ipotizzare che le variazioni di durezza rispetto al bianco siano state indotte piuttosto dalle condizioni di temperatura e tempo di trattamento, che potrebbero aver influenzato ad esempio la quantità di intermetallici precipitati sottostanti l’area di prova, così come la presenza di un eutettico più o meno sviluppato a causa della quantità di silicio più o meno elevata proveniente dall’esterno. Può essere di interesse raggruppare i valori di microdurezza a seconda della temperatura di trattamento (Grafico 1):

È possibile notare che, all’aumentare della temperatura di trattamento viene rilevato un leggero incremento nel valore misurato di microdurezza. Un ulteriore trend è riscontrabile nel Grafico 2, in cui si analizzano i dati riordinati in base al tempo di trattamento:

Pare quindi che aumentare il tempo di trattamento produca una leggera 51,8 52,28 55,6 0 10 20 30 40 50 60 700 °C 800 °C 900 °C HV T di trattamento

Grafico 1: Influenza della temperatura di trattamento