Conversione della durezza e relazioni tra le proprietà dell’acciaio

Che cosa significa realmente la conversione della durezza

La conversione della durezza è una correlazione empirica tra scale di prova. Non modifica il materiale, non riproduce l’impronta originale e non rivela un valore “vero” nascosto della durezza. Quando un acciaio viene sottoposto alla prova Brinell e il risultato è riportato come 210 HBW, tale valore deriva da un penetratore, una forza, un tempo di permanenza e una misurazione dell’impronta definiti. Se lo stesso risultato viene riportato come circa 21 HRC mediante una tabella di conversione, la prova Rockwell non è stata eseguita. Il valore HRC è dedotto da una relazione stabilita utilizzando materiali e condizioni di prova comparabili.

Questa distinzione è importante perché le scale di durezza misurano risposte correlate, ma diverse. La durezza Brinell utilizza il diametro di un’impronta relativamente grande ottenuta con una sfera di carburo. La durezza Vickers utilizza una piramide di diamante e calcola la durezza a partire dalla forza applicata e dalle due diagonali dell’impronta. La durezza Rockwell determina la profondità sotto forze preliminari e totali specificate; la scala HRC utilizza un cono di diamante e una forza totale di 150 kgf. I relativi valori non sono unità diverse di un’unica grandezza fisica universale.

Durezza misurata e durezza convertita

Un valore misurato è legato alla prova effettivamente eseguita. Un rapporto di laboratorio che indica 210 HBW 10/3000 identifica la scala Brinell, una sfera di carburo da 10 mm e una forza nominale di 3000 kgf. “500 HV10” identifica una prova Vickers eseguita con una forza di 10 kgf. “32 HRC” identifica un risultato Rockwell C ottenuto nelle condizioni prescritte per tale scala. I suffissi e i dettagli della prova fanno parte del risultato e non sono elementi decorativi facoltativi.

La durezza convertita deve essere riportata separatamente dalla scala misurata direttamente. Strong evidence

Un valore convertito dovrebbe essere contrassegnato come tale. Per esempio, “210 HBW, circa 21 HRC secondo ASTM E140-12” comunica due fatti distinti: il primo valore è stato misurato, mentre il secondo è stato ricavato o calcolato da una correlazione accettata. Riportare soltanto “21 HRC” può far apparire un valore dedotto come se fosse stato misurato direttamente, il che è fuorviante quando le condizioni superficiali, lo spessore della sezione o la scelta della scala potrebbero influire sul risultato.[1][1] Standard Hardness Conversion Tables for Metals. ASTM International. ASTM International standard, 2012.

ASTM E140-12, Tabelle standard di conversione della durezza per i metalli, fornisce relazioni approssimative tra le scale Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficiale, Knoop, Scleroscopio e Leeb per metalli specificati. Le sue tabelle comprendono acciai al carbonio, legati e per utensili omogenei, ma la presenza di una categoria di acciai non rende intercambiabile ogni qualità. ASTM afferma che “le conversioni sono influenzate dalla lega, dalla struttura dei grani e dal trattamento termico” (ASTM International, 2012). Un acciaio 4140 bonificato, un acciaio AISI 1020 normalizzato e un acciaio inossidabile 301 incrudito possono mostrare relazioni diverse anche quando le loro letture su una scala sono simili.

Anche la geometria influisce sulla validità di una misurazione prima ancora che si tenti una conversione. Una lamiera sottile può mostrare un’influenza eccessiva della superficie opposta in una prova Brinell o Vickers. Un componente curvo può produrre un’impronta alterata o una profondità Rockwell interpretata erroneamente. Una piccola impronta collocata vicino a un bordo, a un’altra impronta, a una saldatura o a una superficie decarburata potrebbe non rappresentare il materiale nel suo insieme. La conversione non può correggere una posizione di prova scelta male o non valida.

Tabelle di conversione, correlazioni e stime

Una tabella di conversione è una sintesi adattata dei risultati delle prove, generalmente suddivisa per gruppo di materiali e intervallo di durezza. Non rappresenta un’identità matematica tra le scale. Nell’intervallo utilizzato per costruire la tabella, la differenza media tra le scale misurate può essere ridotta; al di fuori di tale intervallo, l’errore può aumentare rapidamente. L’interpolazione all’interno di un intervallo dichiarato è generalmente più difendibile dell’estrapolazione oltre tale intervallo.

Le equazioni forniscono lo stesso tipo di relazione in un’altra forma. Una correlazione può essere lineare su un intervallo limitato, polinomiale oppure basata su una regressione adattata a una particolare popolazione di acciai. I coefficienti descrivono quella popolazione. Non stabiliscono una legge fisica valida per tutti gli acciai. La dispersione può derivare dalla geometria del penetratore, dal recupero elastico, dal flusso plastico, dall’anisotropia, dalla preparazione superficiale e dalle variazioni della microstruttura.[2][2] Metallic materials—Conversion of hardness values. International Organization for Standardization. ISO standard, 2013.

La norma ISO 18265 limita l’applicabilità diretta dei valori convertiti al materiale esatto sottoposto a prova e considera le stime della resistenza a trazione come le meno affidabili. Strong evidence

ISO 18265:2013, Materiali metallici—Conversione dei valori di durezza, specifica i principi per convertire i valori di durezza tra scale e per stimare la resistenza a trazione. Avverte che “i valori convertiti sono direttamente applicabili soltanto al materiale esatto sottoposto a prova” e identifica le stime della resistenza a trazione come le conversioni meno affidabili (International Organization for Standardization, 2013). Tale avvertenza stabilisce il corretto ordine di affidabilità: un risultato diretto di durezza è il più solido, la conversione a un’altra scala di durezza è meno certa e una stima della resistenza a trazione è ancora meno certa.[3][3] Empirical Rockwell–Brinell relationships. National Institute of Standards and Technology. NIST Journal of Research, 1929.

Il precedente studio NIST sulle relazioni empiriche Rockwell–Brinell, pubblicato nel 1929, rilevò che per gli acciai la resistenza a trazione poteva spesso essere stimata a partire dalla durezza Brinell per scopi commerciali. “Scopi commerciali” è una precisazione importante. Ciò supporta la selezione preliminare, i controlli di processo e il confronto approssimativo tra materiali; non sostituisce una prova di trazione quando una specifica, un calcolo di progetto, un’indagine su un cedimento o una decisione di accettazione dipendono dal limite di snervamento, dalla resistenza ultima a trazione, dall’allungamento o dalla strizione.

La relazione approssimativa Hᵥ ≈ 3σUTS si applica solo ad alcuni materiali metallici duttili ad alta resistenza. Limited evidence

Una relazione frequentemente citata è Hᵥ ≈ 3σUTS per alcuni materiali metallici duttili ad alta resistenza, con la durezza espressa in un’unità di tensione compatibile. Una ricerca pubblicata nel 2012 su Materials Science and Engineering: A ha associato questa approssimazione a specifiche classi di materiali e ha inoltre dimostrato che i rapporti tra durezza e resistenza dipendono dalla microstruttura e dalla morfologia dell’impronta. L’espressione dovrebbe pertanto essere trattata come una stima specifica per una determinata classe, non come una regola di conversione per ogni acciaio al carbonio o legato.

Perché un solo valore non può rappresentare ogni acciaio

La designazione di una qualità di acciaio descrive la composizione chimica e la specifica, non una singola condizione meccanica. L’AISI 1045 può essere fornito allo stato laminato a caldo, normalizzato, ricotto, bonificato o indurito superficialmente. Ogni condizione modifica la distribuzione delle fasi, la dimensione dei grani, le tensioni residue e il comportamento alla deformazione. La stessa qualità nominale può quindi presentare relazioni diverse tra durezza e resistenza. Una lettura superficiale su un 8620 cementato può descrivere uno strato martensitico, mentre una lettura più profonda descrive un nucleo a minore tenore di carbonio; un unico valore convertito non può rappresentare entrambe le regioni.[4][4] Hardness Tests and Hardness Number Conversions. SAE International. SAE technical report, 1967.

Il rapporto tecnico SAE Prove di durezza e conversioni dei numeri di durezza (1967) afferma che le conversioni precise devono essere sviluppate per la composizione dell’acciaio, il trattamento termico e il componente specifici, poiché dimensioni, massa, composizione e lavorazione influenzano la relazione. Ciò è particolarmente rilevante per strutture saldate, forgiati, zone termicamente alterate e componenti soggetti a forti gradienti termici.

Una ricerca riportata nel 2023 su Materials Today: Proceedings ha rilevato una relazione empirica generalmente lineare tra la durezza Brinell e i parametri della resistenza a trazione per acciai strutturali non legati, storici e contemporanei, allo stato grezzo o normalizzato. Tale risultato è utile proprio perché ne definisce i limiti. Non dovrebbe essere trasferito senza validazione ad acciai per utensili bonificati, acciai inossidabili induriti per precipitazione, lamiere bainitiche o prodotti fortemente incruditi.

La regola pratica è semplice: una conversione è significativa soltanto all’interno della famiglia di materiali, della condizione, dell’intervallo di prova e della geometria per i quali la relazione è stata sviluppata. Se una decisione dipende dalle proprietà a trazione, occorre eseguire una prova di trazione. Se è necessario riportare un valore di durezza convertito, bisogna conservare la scala misurata direttamente, identificare la norma o l’equazione di conversione, indicare la condizione del materiale e l’intervallo di validità, e contrassegnare il risultato come approssimativo.

Le scale di durezza utilizzate per l’acciaio

Durezza dinamica al rimbalzoDurezza dinamica al rimbalzo Durezza dedotta dal rapporto tra le velocità di impatto e di rimbalzo, anziché da un’impronta statica.

La durezza dell’acciaio viene riportata su diverse scale, perché nessuna singola prova è adatta a ogni sezione, superficie o microstruttura. Il risultato può derivare da un’impronta statica di grandi dimensioni, da una piccola impronta diamantata oppure da un evento dinamico di rimbalzo. Per definizione, queste misurazioni non sono intercambiabili. Un valore misurato come HRC non rappresenta la stessa grandezza fisica di un valore riportato come HBW, anche quando una tabella di conversione assegna loro valori numerici approssimativamente equivalenti.

La scelta della scala dipende dalla durezza prevista, dallo spessore della sezione, dalla finitura superficiale, dal supporto presente sotto il punto di prova e dall’eventuale presenza nell’acciaio di gradienti locali dovuti a cementazione, nitrurazione, saldatura o rinvenimento. Un componente sottile può flettersi o deformarsi plasticamente sotto l’azione di un penetratore di grandi dimensioni. Una superficie ruvida può introdurre errori in una misurazione su profondità ridotta. Se l’impronta è troppo grande, uno strato superficiale indurito di spessore microscopico può essere mediato con il nucleo più tenero.

Durezza Brinell: HBW e impronte di grandi dimensioni

Il metodo Brinell preme una sfera dura nell’acciaio con una forza specificata, quindi misura il diametro dell’impronta permanente, approssimativamente circolare. Le designazioni moderne utilizzano HBW, dove la W identifica una sfera in carburo di tungsteno. Un risultato completo può essere scritto, per esempio, come 220 HBW 10/3000, indicando una durezza Brinell pari a 220, ottenuta con una sfera da 10 mm e una forza nominale di 3000 kgf. La prova è regolata dalla norma ASTM E10; la norma ISO 6506 utilizza lo stesso metodo di base.

Le sfere Brinell più comuni hanno diametri di 1, 2,5, 5 o 10 mm. La forza applicata viene scelta tenendo conto del diametro della sfera e del materiale; nella prova degli acciai sono tipiche forze quali 500, 1500 e 3000 kgf. La macchina di prova mantiene la forza per un determinato tempo di permanenza, dopodiché l’operatore o il sistema ottico misura il diametro dell’impronta. Il valore HBW viene calcolato in funzione della forza, del diametro della sfera e del diametro dell’impronta, non soltanto della profondità di penetrazione.

L’impronta è grande rispetto a quelle prodotte dalle prove Rockwell o di microdurezza. Ciò è utile quando l’acciaio contiene ferrite, perlite, bainite o martensite rinvenuta distribuite in un volume rappresentativo, perché il risultato media diversi grani e piccole variazioni locali. È anche una limitazione. Una sfera da 10 mm può essere inadatta vicino a un bordo, su una lamiera sottile, accanto a una saldatura o attraverso uno strato superficiale indurito di piccolo spessore. Il punto di prova deve avere uno spessore sufficiente e un supporto rigido, affinché il provino non si fletta o deformi durante il carico. La superficie deve essere ragionevolmente piana e priva di calamina, decarburazione e profonde tracce di lavorazione.

La prova Brinell è ampiamente utilizzata per getti, forgiati, acciai normalizzati e altri componenti nei quali è importante considerare un ampio volume rappresentativo. È meno adatta per acciai molto duri, se la sfera può deformarsi, per piccoli componenti finiti e per zone termicamente alterate di ridotta ampiezza. Una sfera più piccola e una forza inferiore possono ridurre le dimensioni dell’impronta, ma il risultato richiede allora un controllo più rigoroso della distanza tra le impronte, dello spessore e della preparazione superficiale.

Durezza Rockwell: HRC, HRB e scale superficiali

La durezza Rockwell misura l’aumento permanente della profondità di penetrazione sotto un carico minore seguito da un carico maggiore. Non misura il diametro dell’impronta. La macchina applica innanzitutto un carico minore di 10 kgf per stabilire una posizione di riferimento, applica il carico maggiore, rimuove quest’ultimo mantenendo il carico minore e converte la profondità residua in un numero di durezza. Nelle scale Rockwell ordinarie, un punto di durezza corrisponde a una variazione di profondità pari a 0,002 mm.

HRC utilizza un cono diamantato con angolo di 120 gradi, comunemente chiamato penetratore Brale, con un carico maggiore di 150 kgf. È destinata agli acciai più duri, compresi gli acciai per utensili bonificati e molti acciai legati temprati. HRB utilizza una sfera da 1/16 di pollice in carburo di tungsteno o in acciaio temprato e un carico maggiore di 100 kgf, risultando adatta agli acciai più teneri, agli acciai al carbonio a basso tenore ricotti, alle leghe di rame e a materiali analoghi. Le altre scale Rockwell ordinarie utilizzano sfere o carichi differenti; per questo la lettera è essenziale: “Rockwell 60” senza l’indicazione della scala è incompleto.

Il risultato Rockwell è rapido, perché la macchina legge direttamente la profondità, e la piccola impronta spesso lascia un segno visibile meno marcato rispetto a Brinell. Questa ridotta area di contatto rende però la prova sensibile alla rugosità superficiale, alla curvatura, agli strati decarburati e alla presenza di costituenti singoli duri o teneri. Il provino deve essere sufficientemente spesso e rigido da resistere ai movimenti. Una lettura effettuata troppo vicino a un bordo, a un’altra impronta o a una discontinuità del supporto può risultare falsamente alta o bassa.

Le scale Rockwell superficiali utilizzano lo stesso principio basato sulla profondità, ma forze inferiori per sezioni sottili, piccoli componenti e strati superficiali. Un carico minore di 3 kgf è seguito da un carico maggiore di 15, 30 o 45 kgf, a seconda della scala e del penetratore selezionati. Designazioni quali 30N, 45N, 30T e 15T identificano la forza e la famiglia del penetratore; la designazione della scala deve essere riportata esattamente, anziché essere sostituita con HRC o HRB ordinari. Le prove superficiali riducono il rischio di attraversare uno strato sottile indurito o di deformare una sezione leggera, ma non forniscono automaticamente un risultato più accurato. Anche la superficie richiede una preparazione adeguata e la profondità interessata deve essere sufficientemente grande rispetto all’impronta.

Microdurezza Vickers e Knoop

Il metodo Vickers preme nel provino una piramide diamantata a base quadrata, con un angolo di 136 gradi tra le facce opposte. Dopo la rimozione del carico, l’operatore misura otticamente le due diagonali dell’impronta residua e calcola HV, ossia la durezza Vickers. Le forze di prova vanno da carichi di pochi grammi-forza per le prove di microdurezza fino a carichi convenzionali prossimi a 100 kgf. Una designazione come 600 HV 0.5 identifica la durezza e la forza di prova di 0,5 kgf.

Poiché il diamante non cambia forma nell’intervallo normale delle durezze dell’acciaio, il metodo Vickers può coprire acciai teneri e acciai molto duri con una sola geometria del penetratore. È utile per sezioni trasversali di saldature, verifiche della decarburazione, strati nitrurati, strati cementati e profili di durezza attraverso gradienti locali. L’impronta è molto più piccola di un’impronta Brinell; sono quindi necessarie una preparazione lucida e un’attenta spaziatura. A carichi molto bassi, la rugosità superficiale, il recupero elastico, la risoluzione della misurazione e le singole fasi possono influenzare significativamente il valore. L’acciaio deve essere sostenuto saldamente; una lamina sottile o un bordo non supportato può flettersi invece di ricevere un’impronta valida.

La microdurezza Knoop utilizza anch’essa un diamante, ma di forma allungata e asimmetrica. Si misura la diagonale maggiore dell’impronta, ottenendo un valore di durezza Knoop comunemente designato HK. Knoop è particolarmente utile per rivestimenti molto sottili, profondità ridotte degli strati cementati e regioni fragili o di piccole dimensioni, perché l’impronta è poco profonda e allungata. La sua geometria rende il risultato sensibile all’orientamento, alla preparazione superficiale, alla formazione di cricche e alla direzione delle caratteristiche microstrutturali. I valori Knoop e Vickers non devono essere considerati identici soltanto perché entrambi utilizzano penetratori diamantati.

Metodi Leeb e Scleroscope

La durezza Leeb è un metodo dinamico basato sul rimbalzo, non una prova di penetrazione statica. Un corpo d’impatto azionato da una molla, generalmente dotato di una sfera in carburo di tungsteno o di un’altra punta specificata, colpisce la superficie. Lo strumento misura la velocità d’impatto e la velocità di rimbalzo e restituisce un valore Leeb, generalmente HL, basato sul loro rapporto. Il segno di contatto risultante è piccolo, ma la lettura dipende fortemente dalla finitura superficiale, dalla curvatura, dalla massa, dallo spessore, dal supporto e dalla direzione d’impatto. La norma ASTM A956 disciplina le prove Leeb.

Il metodo Leeb è utile per grandi forgiati, macchinari installati e punti nei quali non è possibile posizionare un durometro da banco convenzionale. Il componente deve essere pesante o saldamente accoppiato a un supporto rigido; in caso contrario, le vibrazioni assorbono energia e riducono il valore di rimbalzo. La conversione da HL a HRC, HBW o a un’altra scala richiede il dispositivo d’impatto, la direzione e la famiglia di materiali corretti. Non costituisce un sostituto diretto di una prova di penetrazione statica.

Anche il metodo Scleroscope si basa sul rimbalzo. Un martello con punta diamantata viene lasciato cadere da un’altezza fissa all’interno di un tubo verticale e si osserva o si misura elettronicamente l’altezza raggiunta dal rimbalzo sulla superficie dell’acciaio. Il risultato è espresso in unità di durezza Scleroscope, comunemente indicate come HS. A differenza dei metodi Brinell o Vickers, non calcola la durezza a partire da un’impronta permanente misurata. La pulizia della superficie, l’allineamento verticale, la massa, il supporto e la rugosità hanno pertanto effetti rilevanti.

La norma ASTM E140-12 fornisce relazioni approssimative tra i valori HBW, HV, Rockwell, Rockwell superficiale, Knoop, Scleroscope e Leeb per metalli specificati, compresi acciai al carbonio, legati e per utensili omogenei. ASTM precisa che la lega, la struttura dei grani e il trattamento termico influenzano le conversioni. Anche la norma ISO 18265:2013 stabilisce principi per la conversione e avverte che i valori convertiti si applicano direttamente soltanto al materiale esatto sottoposto alla prova; le stime della resistenza a trazione sono le conversioni meno affidabili. La scelta della scala dovrebbe quindi produrre innanzitutto un valore misurato valido. Un numero convertito costituisce un’evidenza secondaria, non un sostituto della prova diretta quando la resistenza dell’acciaio o l’accettazione dipendono da essa.

ASTM E140 e ISO 18265: cosa consentono gli standard

Gli standard per la conversione della durezza non trasformano un risultato di prova in una misurazione equivalente ottenuta con un altro metodo. Forniscono relazioni empiriche tra le scale di durezza, generalmente espresse sotto forma di tabelle. La distinzione è importante: un valore misurato si ottiene direttamente applicando al componente un penetratore, una forza, un tempo di permanenza e una procedura specificati; un valore convertito viene calcolato a partire da tale misurazione; una resistenza a trazione stimata costituisce un’ulteriore inferenza basata sulla durezza. Ogni passaggio può aggiungere incertezza.

Il campo di applicazione della norma ASTM E140-12

ASTM E140-12, Tabelle standard di conversione della durezza per i metalli, presenta relazioni approssimate tra scale di durezza specificate per determinati metalli. Le sue tabelle includono valori Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficiale, Knoop, Scleroscope e Leeb. Il documento non è un’equazione generale che renda intercambiabili tutte le scale di durezza. È un riferimento per i casi in cui il materiale e le condizioni di prova rientrano nell’esperienza rappresentata dalla tabella applicabile.

Per l’acciaio, la norma include tabelle per acciai al carbonio omogenei, acciai legati e acciai per utensili. Il termine “omogenei” è importante. Non si può presumere che una tabella sviluppata per un acciaio ragionevolmente uniforme descriva uno strato cementato, una superficie decarburata, una zona termicamente alterata da saldatura, un prodotto laminato con struttura a bande o un componente caratterizzato da un forte gradiente di durezza. Il penetratore può campionare soltanto una regione poco profonda, mentre la conversione richiesta presuppone implicitamente un materiale uniforme al di sotto di essa.

ASTM International dichiara direttamente che “le conversioni sono influenzate dalla lega, dalla struttura dei grani e dal trattamento termico” (2012). Queste variabili modificano la risposta alla deformazione sotto il penetratore. Due acciai possono avere la stessa durezza Brinell, ma proporzioni diverse di ferrite, perlite, bainite, martensite o austenite trattenuta. Possono quindi produrre diverse resistenze a trazione, diversi comportamenti allo snervamento e risultati differenti su un’altra scala di durezza. Anche all’interno dello stesso grado, le condizioni normalizzata, bonificata, ricotta e incrudita a freddo non devono necessariamente seguire la stessa curva di conversione.

Le tabelle dipendono inoltre dall’intervallo di durezza considerato. Una conversione vicina al centro di una tabella non è automaticamente affidabile in corrispondenza del limite superiore o inferiore. L’estrapolazione non è un sostituto consentito di un valore tabellare. Analogamente, un risultato Rockwell C non dovrebbe essere convertito in Brinell quando l’impronta è troppo vicina a un bordo, a un’altra impronta, a una superficie di supporto o a un confine di saldatura. Un risultato numerico privo di anomalie non corregge una prova eseguita in modo inadeguato.

La scelta della scala viene prima della conversione. La scala Brinell è spesso utile per acciai relativamente grossolani, eterogenei o di grande sezione, poiché la sua impronta di grandi dimensioni media un volume più ampio. La scala Vickers può coprire un ampio intervallo di durezza e può essere applicata con carichi ridotti, ma le impronte piccole sono più sensibili alla preparazione della superficie, alle fasi locali e alla risoluzione della misurazione. I metodi Rockwell sono rapidi e pratici per molte verifiche di produzione, mentre le scale Rockwell superficiali riducono la forza e la penetrazione per sezioni più sottili o strati sottoposti a trattamento superficiale. I metodi Leeb e Scleroscope sono prove dinamiche le cui letture dipendono fortemente dalla massa, dal supporto, dall’orientamento, dalle condizioni della superficie e dalla taratura dello strumento.

ASTM E140-12 non elimina queste differenze tra i metodi. Una tabella può indicare, per esempio, una relazione approssimata tra HRC e HB, ma non può dimostrare che un determinato componente sia stato sottoposto correttamente alla prova o che la sua microstruttura appartenga alla popolazione sulla quale è stata derivata la relazione. Il risultato riportato dovrebbe pertanto conservare la scala e il metodo originali. “62 HRC, convertiti in circa 700 HV” comunica più informazioni rispetto alla sola indicazione “700 HV”, perché il primo valore è misurato mentre il secondo è inferito.

La stessa cautela si applica quando la durezza viene utilizzata per inferire la resistenza a trazione. Lo studio del NIST sulle relazioni empiriche Rockwell–Brinell, pubblicato nel 1929, riferiva che, per scopi commerciali, la resistenza a trazione dell’acciaio può spesso essere stimata a partire dalla durezza Brinell. Tale risultato sostiene una stima pratica all’interno di una popolazione di acciai appropriata; non stabilisce che la resistenza a trazione sia una funzione universale di HB. La prova di trazione misura un comportamento correlato alla frattura in un provino sagomato, mentre la prova di indentazione misura la resistenza locale alla deformazione plastica in condizioni di sollecitazione differenti.

I principi della norma ISO 18265:2013

ISO 18265:2013, Materiali metallici — Conversione dei valori di durezza, stabilisce i principi per convertire i valori di durezza tra scale e per stimare la resistenza a trazione. La norma considera la conversione condizionata dal materiale, dal metodo di misura della durezza, dall’intervallo applicabile e dalle evidenze alla base della relazione. È quindi più vicina a un quadro per un uso responsabile che all’affermazione secondo cui tutte le scale avrebbero un’unica equivalenza matematica fissa.

Una limitazione fondamentale è esplicita: “I valori convertiti sono direttamente applicabili soltanto al materiale esatto sottoposto alla prova” (International Organization for Standardization, 2013). Nella pratica, per “materiale esatto” si intende qualcosa di più della semplice designazione nominale del grado, come ASTM A36, AISI 4140 o UNS S30400. Comprende la composizione entro i limiti pertinenti, la forma del prodotto, la struttura dei grani, le condizioni della superficie, il trattamento termico, la deformazione precedente e, in molti casi, lo specifico ciclo produttivo. Una barra di 4140 temprata e rinvenuta a 600 °C non è intercambiabile con un dente di ingranaggio in 4140 cementato o con un albero temprato a induzione semplicemente perché tutti recano la stessa designazione di base del grado.

ISO 18265:2013 identifica inoltre le stime della resistenza a trazione come le conversioni meno affidabili. Tale classificazione è metallurgicamente sensata. La conversione tra due scale di indentazione dipende già dal modo in cui penetratori e carichi differenti interagiscono con lo stesso materiale. Il passaggio dalla durezza alla resistenza a trazione ultima introduce un’ulteriore dipendenza dall’incrudimento, dai difetti, dall’anisotropia, dalla geometria del provino e dal comportamento a rottura. Un valore di durezza può essere utilizzato per individuare un trattamento termico errato, ma non può, da solo, dimostrare la conformità a un intervallo specificato di resistenza a trazione quando tale proprietà costituisce un requisito progettuale o di accettazione.

Una relazione frequentemente ripetuta illustra il rischio di eliminare le qualificazioni dalle evidenze disponibili. Uno studio del 2012 pubblicato su Materials Science and Engineering: A ha individuato la relazione approssimata $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ per alcuni materiali metallici duttili ad alta resistenza. Qui $H_V$ è la durezza espressa in un’unità di tensione compatibile e ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ è la resistenza a trazione ultima. La relazione è specifica per una classe di materiali e non costituisce una legge valida per tutti gli acciai. Lo stesso studio ha riferito che i rapporti tra durezza e resistenza dipendono dalla classe del materiale, dalla microstruttura e dalla morfologia dell’indentazione. Applicare il fattore tre a una ghisa, a un acciaio dolce al carbonio ricotto, a un acciaio inossidabile indurito per precipitazione e a un acciaio per utensili martensitico rinvenuto non sarebbe difendibile senza le necessarie qualificazioni.

Esistono casi più circoscritti nei quali una relazione empirica è utile. Uno studio del 2023 sugli acciai strutturali non legati storici e contemporanei ha rilevato una relazione generalmente lineare tra la durezza Brinell e i parametri della resistenza a trazione per acciai allo stato grezzo o normalizzato. Tale risultato può sostenere una stima specifica per uno stabilimento o per una famiglia di prodotti quando il materiale sottoposto alla prova rimane all’interno della popolazione studiata. Non giustifica il trasferimento della relazione ad acciai legati bonificati, fili trafilati a freddo o giunti saldati.

Tabelle approssimate e taratura specifica del materiale

Una tabella di riferimento standardizzata e una correlazione di qualifica rispondono a domande diverse. ASTM E140-12 chiede, in sostanza, quale valore di durezza approssimato possa corrispondere a un valore misurato per una determinata classe di metalli, nell’ambito dichiarato dalla norma. Una correlazione di qualifica chiede quale relazione sia stata dimostrata per un determinato acciaio, ciclo produttivo, condizione e componente.

Per esempio, un produttore o un laboratorio potrebbe sottoporre a prova acciaio 1045 normalizzato proveniente da un ciclo produttivo definito, misurare la durezza Brinell e la resistenza a trazione su provini abbinati e adattare una regressione all’intervallo effettivo di produzione. L’equazione risultante potrebbe essere idonea per quella condizione del 1045, se verificata su nuovi lotti e supportata da un’analisi dell’incertezza. Non dovrebbe essere applicata automaticamente al 1045 temprato a induzione, né dovrebbe sostituire le prove di trazione quando un contratto specifica direttamente il limite di snervamento o la resistenza ultima.

Il rapporto tecnico SAE del 1967, Prove di durezza e conversioni dei numeri di durezza, esprime questo concetto in termini pratici: le conversioni precise devono essere sviluppate per la specifica composizione dell’acciaio, per il trattamento termico e per il componente, poiché dimensioni, massa, composizione e processo influenzano la relazione. Le dimensioni e la massa del componente sono particolarmente rilevanti per i metodi dinamici e per le sezioni sottili che non possono fornire un supporto adeguato. La preparazione della superficie, la curvatura, la distanza tra le impronte e la durezza del supporto possono inoltre modificare il valore misurato prima ancora che si tenti qualsiasi conversione.

Un rapporto tecnicamente difendibile registra la durezza misurata, la norma e la scala, la forza o il carico di prova, il penetratore, la posizione, le condizioni della superficie, il grado del materiale e la condizione di trattamento termico. Se è richiesto un valore convertito, esso dovrebbe essere etichettato come convertito e collegato ad ASTM E140-12 o ISO 18265:2013, indicando, ove pratico, la tabella o l’intervallo utilizzato. Se viene stimata la resistenza a trazione, il rapporto dovrebbe identificare il modello empirico, la popolazione di taratura, la dispersione e i limiti di utilizzo.

Quando il risultato incide su una progettazione critica ai fini della frattura, sul rilascio di un trattamento termico o sull’accettazione formale rispetto a proprietà di trazione, la prova di trazione diretta costituisce l’evidenza appropriata, salvo che una procedura qualificata separatamente abbia stabilito la correlazione. La conversione della durezza è preziosa per il confronto e il controllo del processo. Non autorizza a trattare un numero conveniente come un sostituto universale.

Perché il grado dell’acciaio e la composizione chimica modificano la conversione

Un numero di durezza descrive la resistenza a un determinato penetratore applicato secondo uno specifico ciclo di carico. Non identifica la resistenza complessiva, la duttilità, il comportamento alla frattura o la microstruttura dell’acciaio. Due provini possono misurare entrambi 200 HBW, raggiungendo tuttavia tale valore attraverso miscele molto diverse di ferrite, perlite, bainite, martensite, carburi e austenite residua. Le loro resistenze a trazione possono differire e i loro valori su un’altra scala di durezza potrebbero non corrispondere al numero suggerito da una tabella generale di conversione.

Questa distinzione separa la durezza misurata dalla durezza convertita e dalla resistenza a trazione stimata. Un valore misurato di 200 HBW è il risultato di una prova Brinell definita. Un valore come 92 HRB ottenuto da una tabella è un risultato convertito. Una resistenza a trazione dedotta da uno dei due valori costituisce un’ulteriore stima, con un’incertezza aggiuntiva. ASTM E140-12, Tabelle standard di conversione della durezza per i metalli, fornisce relazioni approssimative per metalli e scale di durezza specifici, ma ASTM afferma chiaramente che «le conversioni sono influenzate dalla lega, dalla struttura dei grani e dal trattamento termico» (ASTM International, 2012).

Carbonio, elementi di lega e temprabilità

Il carbonio modifica la durezza dell’acciaio attraverso diversi meccanismi correlati. In un acciaio ferritico a basso tenore di carbonio, una parte consistente del carbonio rimane nella ferrite oppure forma quantità relativamente ridotte di perlite. L’aumento del tenore di carbonio incrementa generalmente la frazione di perlite in una struttura raffreddata lentamente e aumenta la quantità di carbonio disponibile per formare martensite durante la tempra. La martensite è molto più dura della ferrite, ma la sua durezza dipende fortemente anche dal tenore di carbonio e dalle condizioni di rinvenimento. Pertanto, a un acciaio allo 0,40% di C temprato e a un acciaio allo 0,20% di C temprato non può essere assegnata la stessa relazione con la resistenza a trazione semplicemente perché una misurazione superficiale risulta casualmente simile.

TemprabilitàTemprabilità Capacità di un acciaio di sviluppare martensite fino a una determinata profondità in condizioni di raffreddamento specificate; non coincide con la durezza massima.

Gli elementi di lega modificano sia le fasi presenti sia il percorso attraverso il quale esse si formano. Manganese, cromo, molibdeno e nichel possono ritardare le trasformazioni di perlite e bainite, aumentando la temprabilità, ossia la profondità fino alla quale un acciaio può sviluppare martensite a una determinata velocità di raffreddamento. L’AISI 1045 può produrre una superficie martensitica dura e un nucleo ferritico-perlitico più morbido in una sezione che si raffredda rapidamente in superficie. L’AISI 4140, grazie alle aggiunte di cromo e molibdeno, può temprarsi più in profondità a parità di trattamento. Se entrambe le parti ricevono la stessa tempra nominale, i loro gradienti di durezza e le loro proprietà a trazione possono differire, anche laddove una singola indentazione locale fornisca lo stesso valore HRC.

La distinzione tra durezza e temprabilità è importante nelle sezioni spesse. La temprabilità non significa che ogni punto diventi ugualmente duro; significa che l’acciaio resiste alla trasformazione diffusiva durante il raffreddamento. Le dimensioni della sezione, il mezzo temprante, l’agitazione e la geometria del pezzo determinano la storia termica di raffreddamento. Il rapporto tecnico SAE del 1967, Prove di durezza e conversioni dei numeri di durezza, afferma pertanto che le conversioni precise devono essere sviluppate per la composizione specifica dell’acciaio, il trattamento termico e il pezzo considerato, poiché dimensioni, massa, composizione e processo influenzano la relazione (SAE International, 1967).

I carburi aggiungono un’ulteriore fonte di divergenza. I carburi ricchi di cromo presenti in un acciaio per utensili o inossidabile, i carburi di vanadio presenti in alcuni acciai rapidi o gradi ottenuti mediante metallurgia delle polveri e i carburi di ferro presenti nella perlite non interagiscono con un’indentazione allo stesso modo di una matrice martensitica uniforme. Un’elevata popolazione di carburi può aumentare la resistenza all’indentazione riducendo al contempo la correlazione tra durezza e deformazione a trazione della matrice. L’austenite residua può comportare la complicazione opposta: un provino può mostrare una durezza elevata dopo la tempra, ma una successiva trasformazione durante l’esercizio o la rettifica può modificarne le dimensioni e la durezza misurata.

Anche il trattamento di rinvenimento è importante. Martensite rinvenuta, bainite e perlite fine possono occupare intervalli di durezza sovrapposti pur presentando rapporti diversi tra carico di snervamento e resistenza a trazione e risposte diverse alla frattura. Le dimensioni dell’impronta, le tensioni residue, l’incrudimento e l’anisotropia influenzano quindi la misurazione. La stessa durezza nominale non costituisce un’analisi delle fasi.

Acciai strutturali non legati e correlazioni commerciali

Una tendenza generale tra durezza e resistenza può comunque essere utile all’interno di una famiglia di acciai ristretta. Gli acciai strutturali non legati allo stato grezzo o normalizzato contengono spesso ferrite e perlite, le cui proporzioni variano in funzione del tenore di carbonio e della storia di raffreddamento. Gli acciai strutturali non legati, storici e contemporanei, studiati nel 2023 hanno mostrato una relazione empirica generalmente lineare tra la durezza Brinell e i parametri della resistenza a trazione in tali condizioni (Materials Today: Proceedings, 2023). Il risultato spiega perché le stime della resistenza basate sulla durezza Brinell possano funzionare ragionevolmente per un gruppo controllato di comuni acciai strutturali.

La relazione è empirica, non una legge fisica. Per gradi quali EN 10025-2 S275JR ed EN 10025-2 S355JR, una misurazione della durezza può supportare un controllo di processo o una stima preliminare approssimativa quando è noto che il materiale è un acciaio strutturale non legato o basso-legato nella condizione di fornitura prevista. Non può stabilire la conformità agli intervalli specificati del carico di snervamento e della resistenza a trazione senza la prova di trazione prescritta. La normalizzazione affina la struttura dei grani e modifica l’equilibrio ferrite–perlite; la storia di laminazione e la segregazione possono modificare ulteriormente il risultato.

Uno studio NIST del 1929 sulle relazioni empiriche Rockwell–Brinell ha riferito che, per scopi commerciali, la resistenza a trazione dell’acciaio può spesso essere stimata a partire dalla durezza Brinell (NIST, 1929). «Spesso» rappresenta il limite operativo. Una simile stima è utile per una correlazione approssimativa all’interno della popolazione dalla quale è stata ricavata, non come autorizzazione a sostituire una prova di trazione per tutti i gradi di acciaio.

La norma ISO 18265:2013 stabilisce i principi per convertire i valori di durezza tra le diverse scale e per stimare la resistenza a trazione, ma avverte che i valori convertiti sono direttamente applicabili esclusivamente al materiale esatto sottoposto a prova e identifica le stime della resistenza a trazione come le conversioni meno affidabili (ISO, 2013). Pertanto, una voce di tabella per la conversione da HBW a HRC non dovrebbe essere considerata una prova del fatto che il valore HRC convertito predica la resistenza a trazione con la stessa affidabilità.

Acciai per utensili, acciai inossidabili e ipotesi non applicabili

Gli acciai per utensili e gli acciai inossidabili evidenziano i limiti delle correlazioni generali sviluppate per gli acciai al carbonio. L’AISI D2 può contenere una quantità significativa di carburi ricchi di cromo in una matrice temprata e rinvenuta. L’AISI H13 può contenere martensite legata rinvenuta dopo il trattamento previsto per gli acciai per utensili da lavoro a caldo. L’acciaio inossidabile AISI 420 può variare da un materiale ricotto relativamente tenero a un materiale martensitico duro dopo tempra e rinvenimento. Ciascuna condizione modifica la risposta all’indentazione e a nessuna di esse dovrebbe essere applicata una conversione per acciai al carbonio semplicemente perché il suo valore HRC o HV rientra nello stesso intervallo numerico.

Gli acciai inossidabili austenitici, quali AISI 304 e AISI 316, presentano un problema diverso. La loro matrice cubica a facce centrate può incrudire fortemente durante l’indentazione e la riduzione a freddo può produrre martensite indotta dalla deformazione in alcune composizioni. Una durezza misurata dopo la deformazione a freddo riflette quindi sia la composizione iniziale sia la storia di lavorazione. I gradi inossidabili ferritici, duplex, indurenti per precipitazione e martensitici richiedono ipotesi separate, poiché il loro equilibrio delle fasi e i meccanismi di rafforzamento sono diversi.

L’approssimazione spesso citata Hᵥ ≈ 3σUTS è stata identificata per alcuni materiali metallici duttili ad alta resistenza, ma uno studio del 2012 pubblicato su Materials Science and Engineering: A sottolinea che i rapporti tra durezza e resistenza dipendono dalla classe del materiale, dalla microstruttura e dalla morfologia dell’indentazione (Materials Science and Engineering: A, 2012). Non si tratta di una conversione universale per l’acciaio.

La prova di trazione diretta rimane necessaria quando le proprietà a trazione determinano l’accettazione, la progettazione o la valutazione della rottura, salvo approvazione di una correlazione qualificata. Strong evidence

I rapporti dovrebbero pertanto indicare la scala misurata, la norma di prova, la forza o la designazione della sfera, ove pertinente, la posizione e la condizione del materiale. Se viene riportato un valore convertito, occorre indicarlo come convertito e specificare la tabella o la norma di riferimento. Se viene stimata la resistenza a trazione, occorre indicarlo come stima e dichiarare l’intervallo di materiali che la supporta. Quando l’accettazione, i valori ammissibili di progetto o la valutazione della rottura dipendono dalle proprietà a trazione, la prova di trazione diretta rimane necessaria.

Trattamento termico e microstruttura: le principali fonti di errore

Il trattamento termico è una variabile di primo ordine in qualsiasi relazione relativa alla durezza. Non può essere trattato come una semplice nota a piè di pagina sotto la designazione dell’acciaio. Due provini con la stessa composizione chimica nominale possono presentare valori sostanzialmente diversi di durezza, resistenza a trazione, duttilità e risposta all’indentazione dopo ricottura, normalizzazione, tempra, rinvenimento, cementazione, nitrurazione o tempra a induzione. Una conversione della durezza che ignori lo stato metallurgico può produrre un numero dall’aspetto preciso, ma con scarso fondamento fisico.

Questa distinzione è importante perché spesso vengono confuse tre grandezze diverse. La durezza misurata è il risultato ottenuto mediante una prova specifica, come 220 HBW o 62 HRC. La durezza convertita è una stima approssimativa su un’altra scala, come un valore Rockwell C ricavato dalla durezza Vickers. La resistenza a trazione stimata è un’ulteriore inferenza basata sulla durezza ed è meno affidabile di una conversione tra scale. La norma ASTM E140-12, Tabelle standard di conversione della durezza per i metalli, fornisce relazioni approssimative tra le scale Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficiale, Knoop, Scleroscope e Leeb per metalli specifici, inclusi acciai al carbonio, basso-legati e per utensili omogenei. La norma afferma inoltre che “le conversioni sono influenzate dalla lega, dalla struttura dei grani e dal trattamento termico”.

La norma ISO 18265:2013 esplicita la stessa limitazione. Essa specifica i principi per convertire i valori di durezza tra diverse scale e per stimare la resistenza a trazione, ma stabilisce che i valori convertiti sono direttamente applicabili solo al materiale esatto sottoposto a prova. Le stime della resistenza a trazione sono identificate come le conversioni meno affidabili. Tali limitazioni sono particolarmente importanti quando la superficie misurata non rappresenta l’intera sezione.

Stati ricotto, normalizzato, temprato e rinvenuto

In un acciaio ricotto, il raffreddamento lento produce generalmente una struttura ferritico-perlitica relativamente grossolana, oppure un’altra struttura addolcita selezionata per la lavorazione meccanica e la formatura. Un’impronta Brinell in queste condizioni interessa un volume relativamente ampio contenente ferrite e colonie di perlite. La durezza risultante spesso segue ragionevolmente la resistenza a trazione all’interno di una ristretta famiglia di acciai a basso tenore di carbonio, ma la relazione varia comunque in funzione del tenore di carbonio, della frazione di perlite, della spaziatura delle colonie e della dimensione dei grani. Un acciaio ricotto a basso tenore di carbonio e un acciaio ricotto a tenore di carbonio più elevato possono presentare superfici di prova dall’aspetto simile, ma rapporti resistenza–durezza differenti.

La normalizzazione modifica il confronto. Il riscaldamento al di sopra dell’intervallo critico, seguito dal raffreddamento in aria, produce generalmente ferrite e perlite più fini rispetto al raffreddamento lento in forno. L’affinamento dei grani può aumentare il limite di snervamento e la resistenza a trazione senza produrre un incremento proporzionale della durezza all’indentazione. Lo studio del 2023 pubblicato in Materials Today: Proceedings sugli acciai strutturali non legati storici e contemporanei ha rilevato una relazione empirica generalmente lineare tra la durezza Brinell e i parametri di resistenza a trazione per gli acciai allo stato grezzo o normalizzato. Questo risultato supporta una stima pratica all’interno della popolazione studiata; non rende però la retta trasferibile a un acciaio legato temprato e rinvenuto o a un componente indurito superficialmente.

La tempra crea martensite, spesso con austenite trattenuta e tensioni di trasformazione. La durezza può aumentare bruscamente perché l’indentatore incontra una fase ad alta resistenza e resistente al taglio, ma la risposta a trazione dipende anche dal tenore di carbonio, dalla dimensione dei grani di austenite precedente, dalla dissoluzione dei carburi, dall’austenite trattenuta e dalla sensibilità alla criccatura. Un provino di SAE 1045 temprato e un provino di AISI 4140 temprato possono entrambi mostrare un valore Rockwell C elevato, pur differendo per resistenza a trazione e tenacità. I rispettivi elementi di lega modificano la temprabilità e la risposta al rinvenimento; lo stesso valore nominale in HRC non garantisce quindi le stesse proprietà a trazione.

Il rinvenimento decompone o modifica la martensite, riduce le tensioni residue e cambia la distribuzione dei carburi. Il rinvenimento a bassa temperatura può mantenere una durezza elevata riducendo al contempo parte delle tensioni di tempra. Il rinvenimento a temperatura più alta riduce la durezza, ma può migliorare la tenacità e produrre una relazione tra resistenza e durezza diversa da quella dello stato appena temprato. Un albero in AISI 4140 temprato e rinvenuto, per esempio, dovrebbe essere confrontato con dati di conversione relativi a una lega e a uno stato simili, non con una tabella generica per acciai al carbonio. Anche all’interno di una stessa qualità, la temperatura e il tempo di rinvenimento possono portare il materiale attraverso diverse combinazioni di durezza, limite di snervamento, resistenza a trazione e allungamento.

Lo studio NIST sulle relazioni empiriche Rockwell–Brinell, pubblicato nel 1929, riportava che la resistenza a trazione dell’acciaio può spesso essere stimata dalla durezza Brinell per scopi commerciali. “Spesso” è la parola chiave. Il risultato descrive una popolazione empirica, non una legge fisica valida a ogni variazione del trattamento termico. Anche il rapporto tecnico SAE del 1967, Prove di durezza e conversioni dei numeri di durezza, sottolineava che le conversioni precise devono essere sviluppate per la specifica composizione dell’acciaio, per il trattamento termico e per il componente, poiché dimensioni, massa, composizione e processo influenzano la relazione.

Indurimento superficiale e gradienti attraverso lo spessore

La cementazione, la nitrurazione e la tempra a induzione rendono ancora meno rappresentativo un singolo valore di durezza. La cementazione arricchisce di carbonio la superficie di un acciaio a basso tenore di carbonio, seguita dalla tempra per formare uno strato superficiale martensitico duro sopra un cuore più tenace e a minor tenore di carbonio. Una lettura superficiale può essere pari o superiore a 60 HRC, mentre il cuore è molto più tenero. Convertire tale valore superficiale in resistenza a trazione per l’intero componente è un errore di categoria: la prova misura lo strato superficiale, non la sezione resistente soggetta al carico considerata come materiale uniforme.

La nitrurazione produce una zona di diffusione arricchita di azoto e, in prossimità della superficie, uno strato di combinazione contenente nitruri di ferro come ε-Fe₂–₃N e γ′-Fe₄N. Lo strato può essere molto duro e sottile. Le prove Rockwell o Brinell convenzionali possono risultare inadeguate perché la loro penetrazione e la zona plastica si estendono al di sotto della regione trattata; spesso è necessario un profilo micro-Vickers o Knoop per risolvere il gradiente di durezza. Anche un valore ottenuto mediante microindentazione può essere falsato dal substrato se la profondità dell’impronta è eccessiva rispetto allo spessore dello strato.

Livello di durezza

La tempra a induzione crea una zona martensitica indurita la cui profondità dipende da frequenza, potenza, velocità di scansione, geometria e condizioni di tempra. La durezza varia continuamente dalla superficie, attraverso la regione di transizione, fino al cuore più tenero. Un valore dichiarato di “62 HRC” è incompleto se non vengono indicati la posizione e la profondità di misura. Lo stesso componente può produrre conversioni diverse in superficie, alla profondità efficace dello strato indurito e nel cuore.

Questi gradienti influenzano anche la geometria dell’indentazione. Un’impronta poco profonda posizionata su uno strato duro può essere vincolata dal materiale più tenero sottostante; un’impronta più profonda media diverse regioni. La curvatura della superficie, lo spessore della sezione, la distanza dal bordo e la massa del componente possono alterare il campo di tensione. Le tabelle ASTM E140-12 sono destinate agli intervalli di materiali e alle condizioni di prova rappresentati nelle tabelle, non a profili di indurimento superficiale arbitrari. Il requisito della ISO 18265:2013 secondo cui una conversione è direttamente applicabile solo al materiale esatto sottoposto a prova è particolarmente pertinente in questo caso.

Struttura dei grani, fasi e morfologia dell’indentazione

La durezza è una resistenza locale all’indentazione, non una misura diretta della resistenza a trazione. L’indentatore produce deformazione elastica e plastica in un volume finito. Dimensione dei grani, tessitura cristallografica, interfacce di fase, inclusioni, carburi e tensioni residue influenzano tutti tale volume. Una struttura ferritico-perlitica fine può distribuire la deformazione in modo diverso rispetto a una perlite grossolana. Bainite, martensite, ferrite, austenite trattenuta e regioni ricche di carburi possono produrre valori medi di durezza simili attraverso meccanismi di deformazione differenti.

Una tensione residua di compressione può aumentare la resistenza apparente all’indentazione, mentre una tensione residua di trazione può ridurla o favorire la criccatura. Bruciature da rettifica, decarburazione, pallinatura e danni di lavorazione possono quindi modificare una lettura superficiale senza cambiare nella stessa proporzione le proprietà a trazione del materiale massivo. Anche la posizione dell’impronta è importante: un’impronta sopra un carburo di grandi dimensioni, vicino a un’interfaccia di fase o in prossimità di un’impronta precedente può non rappresentare la matrice.

La morfologia dell’indentazione fornisce un ulteriore elemento di cautela. I metodi Brinell e Vickers si basano sulle dimensioni e sulla forma di un’impronta permanente; i metodi Rockwell si basano sulla profondità di penetrazione. Il pile-up intorno a un’impronta può rendere l’area di contatto più piccola di quanto presupponga un’analisi idealizzata, mentre il sink-in la rende più grande. Negli acciai anisotropi, multifase o fortemente incrudenti, questi effetti alterano la relazione tra durezza e tensione di flusso. Uno studio sottoposto a revisione paritaria, pubblicato nel 2012 su Materials Science and Engineering: A, ha riportato che i rapporti tra durezza e resistenza dipendono dalla classe del materiale, dalla microstruttura e dalla morfologia dell’indentazione. Lo studio ha individuato, per alcuni materiali metallici duttili ad alta resistenza, la relazione approssimativa Hᵥ ≈ 3σUTS, ma tale espressione è specifica della classe di materiale e non costituisce un’equazione universale per gli acciai.

Di conseguenza, un rapporto dovrebbe indicare la qualità dell’acciaio, lo stato di trattamento termico, il metodo di prova, la scala, la posizione e qualsiasi informazione relativa alla profondità dello strato indurito. Un valore misurato come 245 HBW non è intercambiabile con un valore convertito come 23 HRC, e nessuno dei due equivale automaticamente a una resistenza a trazione stimata. Quando l’accettazione, il rischio di frattura o la progettazione strutturale dipendono dalle proprietà a trazione, la risposta appropriata è una prova di trazione diretta o una correlazione convalidata e specifica per qualità e stato metallurgico, non una conversione non supportata a partire da un comodo valore di durezza.

Relazioni di conversione tra Brinell, Rockwell e Vickers

Le tabelle di conversione della durezza non rendono le misure HBW, HRC e HV intercambiabili. Esse riportano un valore stimato su una scala a partire da un valore misurato su un’altra. La distinzione è importante perché ciascun metodo utilizza un penetratore, una forza, una geometria di contatto e una procedura di calcolo differenti. Un risultato Brinell come 220 HBW viene misurato a partire dal diametro di un’impronta relativamente grande; la conversione di 220 HBW in 21 HRC è una stima tabellare, non il risultato di una seconda prova Rockwell.

ASTM E140-12, Tabelle standard di conversione della durezza per i metalli, fornisce relazioni approssimative tra le scale Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficiale, Knoop, Scleroscope e Leeb per metalli specifici. Le sue tabelle per gli acciai comprendono acciai al carbonio omogenei, acciai legati e acciai per utensili. La precisazione è importante: ASTM afferma che “le conversioni sono influenzate dalla lega, dalla struttura dei grani e dal trattamento termico”. Anche ISO 18265:2013 stabilisce i principi per la conversione tra le scale di durezza e per la stima della resistenza a trazione, ma specifica che i valori convertiti si applicano direttamente soltanto al materiale esatto sottoposto a prova. Una tabella consente quindi il confronto all’interno del materiale e dell’intervallo dichiarati; non stabilisce un’identità fisica tra i numeri di durezza.

Lettura delle tabelle da HBW a HRC e da HRC a HBW

Per prima cosa, identificare la prova effettivamente eseguita e la sua designazione completa. HBW indica la durezza Brinell misurata con una sfera di carburo di tungsteno; possono essere riportati anche il diametro della sfera e la forza applicata, come in 220 HBW 10/3000. HRC indica la durezza Rockwell C, normalmente ottenuta con un cono di diamante e una forza totale di 150 kgf secondo la procedura Rockwell. Un semplice “HB” o “HR” è incompleto ai fini della documentazione tecnica, poiché il materiale e il diametro della sfera, la scala Rockwell e la forza di prova possono influenzare il risultato.

Per convertire 220 HBW in HRC, individuare 220 nella colonna HBW della tabella ASTM E140-12 o ISO 18265:2013 applicabile e leggere il valore corrispondente nella colonna HRC. Se la riga indica 21 HRC, la forma corretta di registrazione è circa 21 HRC convertiti da 220 HBW, non semplicemente “21 HRC”, come se fosse stata eseguita una prova Rockwell C. La conversione inversa richiede la stessa attenzione: partire dal valore HRC misurato, selezionare la tabella corretta per l’acciaio e leggere la stima HBW corrispondente. La consultazione inversa non riprodurrà necessariamente il numero originale, poiché la relazione tabulata è arrotondata e può essere costruita a partire da una relazione interpolata o empirica, anziché da un’equazione reversibile.

Le voci adiacenti non sono equivalenti esatti. Supponiamo che una tabella riporti 210 HBW come 19 HRC e 230 HBW come 22 HRC. Un valore misurato di 220 HBW si trova tra queste righe, ma non possiede sia un preciso 20,5 HRC sia un valore Rockwell verificato fisicamente. L’interpolazione lineare potrebbe produrre circa 20,5 HRC come ausilio alla registrazione, se la norma di riferimento consente l’interpolazione in quell’intervallo; tuttavia, il risultato resta una stima, la cui incertezza comprende la dispersione della relazione di conversione e l’incertezza della misurazione originaria.

La classe del materiale deve corrispondere al componente. Un acciaio 4140 bonificato fino a ottenere una struttura martensitica non segue necessariamente la stessa relazione HBW–HRC dell’AISI 1020 normalizzato, dell’AISI 1045 ricotto o di un acciaio per utensili ad alto tenore di carbonio. Il motivo è di natura meccanica, non meramente tabellare: la risposta all’indentazione dipende dal carico di snervamento, dall’incrudimento, dalla distribuzione dei carburi, dall’austenite residua, dalla dimensione dei grani, dalle tensioni residue e dalla deformazione attorno all’impronta. Il rapporto SAE International del 1967, Prove di durezza e conversioni dei numeri di durezza, afferma che le conversioni precise devono essere sviluppate per la particolare composizione dell’acciaio, il trattamento termico e il componente, poiché dimensioni, massa, composizione e processo influenzano la relazione.

La prova Rockwell è rapida e conveniente per i controlli ripetitivi, ma può essere sensibile a condizioni che una grande impronta Brinell tende a mediare. Le sezioni sottili possono flettersi o consentire al campo di tensione dell’impronta di interagire con la superficie opposta. Un provino non adeguatamente supportato può fornire un risultato errato. Anche la scelta della scala è importante: utilizzare HRC quando sarebbe appropriata HRB, oppure applicare una scala Rockwell superficiale senza identificare la forza e il penetratore, invalida il confronto. Calamina superficiale, decarburazione, rugosità, curvatura e distanza insufficiente tra le impronte possono alterare la lettura. Un valore HRC convertito non può correggere una misurazione HBW errata né compensare una configurazione Rockwell inadeguata.

Quando Vickers offre un collegamento utile

La durezza Vickers, riportata come HV con l’indicazione della forza di prova quando richiesta, utilizza una piramide di diamante e calcola la durezza a partire dalle due diagonali dell’impronta. La sua geometria la rende utile su un intervallo di durezza più ampio rispetto a quello di una singola scala Rockwell e in condizioni in cui una sfera Brinell sarebbe troppo grande. Un’impronta Vickers può essere utilizzata per esaminare uno strato indurito di piccole dimensioni, un metallo di saldatura o una zona termicamente alterata, una singola regione di fase o una sezione sottile, purché la forza, la preparazione superficiale, la distanza tra le impronte e la misurazione ottica siano conformi al metodo applicabile.

Vickers può fungere da collegamento quando HBW e HRC sono separati dai limiti delle rispettive scale. Per esempio, uno strato cementato può essere troppo sottile per una normale impronta Brinell e può produrre risultati instabili in una prova Rockwell standard se l’impronta penetra oltre lo strato cementato. Una scansione Vickers a bassa forza può mostrare il gradiente di durezza dalla superficie verso il cuore. Questa informazione è più utile dell’attribuzione di un unico valore HRC convertito a una struttura stratificata. Lo stesso vale per il metallo di saldatura e per le zone termicamente alterate, nelle quali possono essere presenti diverse microstrutture nell’arco di pochi millimetri.

Vickers non è automaticamente più preciso. La misurazione delle diagonali è influenzata dalla finitura superficiale, dalla risoluzione ottica, dalla valutazione dell’operatore, dal pile-up o dal sink-in e dalla forza selezionata. Impronte molto piccole amplificano l’errore di misurazione. Un valore HV misurato localmente può inoltre campionare un carburo, un’isola di martensite o una zona decarburata, anziché l’acciaio massivo rappresentato da un’impronta Brinell. La conversione da HV a HRC o HBW è pertanto significativa soltanto quando la tabella comprende la classe di acciaio, l’intervallo di durezza e le condizioni di forza di prova pertinenti.

Le formule che correlano durezza e resistenza richiedono una cautela ancora maggiore. Uno studio del 2012 pubblicato in Materials Science and Engineering: A ha individuato la relazione approssimativa Hᵥ ≈ 3σUTS per alcuni materiali metallici ad alta resistenza e duttili, mostrando al contempo che i rapporti tra durezza e resistenza dipendono dalla classe del materiale, dalla microstruttura e dalla morfologia dell’impronta. Non si tratta di un’equazione generale per gli acciai al carbonio e gli acciai legati. ISO 18265:2013 identifica le stime della resistenza a trazione come le conversioni meno affidabili. Uno studio NIST del 1929 ha rilevato che la resistenza a trazione dell’acciaio può spesso essere stimata a partire dalla durezza Brinell per scopi commerciali, ma tale risultato supporta una stima empirica controllata, non una sostituzione universale della prova di trazione.

Limiti dell’intervallo, interpolazione e discontinuità

Utilizzare una conversione soltanto all’interno dell’intervallo di durezza e della categoria di materiale dichiarati nella tabella. Se una tabella termina a 60 HRC, un valore misurato di 64 HRC non deve essere estrapolato dalle righe finali. Se il componente è realizzato in un acciaio inossidabile indurito per precipitazione, ma la tabella comprende acciai al carbonio omogenei, acciai legati e acciai per utensili, la selezione della riga dall’aspetto più simile non rende valida la conversione. Anche la sola designazione del grado può essere insufficiente: condizioni normalizzate, ricotte, temprate, rinvenute, cementate e incrudite a freddo possono produrre relazioni diverse a parità di composizione nominale.

L’interpolazione è accettabile soltanto quando la norma o una procedura approvata la consentono e quando le voci circostanti formano una sezione continua adeguata. Deve essere identificata come interpolazione, con un arrotondamento ragionevole che non suggerisca una precisione non supportata. Riportare 21,37 HRC a partire da una tabella Brinell generalmente implica una certezza superiore a quella che la fonte può offrire. Riportare prima il valore misurato, quindi il valore convertito e il riferimento, per esempio: “220 HBW; circa 21 HRC convertiti secondo ASTM E140-12”.

Possono comparire discontinuità nei punti in cui una tabella cambia classe di materiale, scala Rockwell, penetratore o intervallo di durezza. Esse possono inoltre riflettere transizioni nella meccanica dell’indentazione, anziché un cambiamento improvviso nell’acciaio. Non eseguire un livellamento attraverso tale limite né calcolare la media di valori provenienti da tabelle separate. Quando l’accettazione dipende dalle proprietà a trazione, dalla profondità dello strato cementato, dalla qualificazione della saldatura o da una condizione specificata del grado, eseguire la prova diretta richiesta. La conversione è uno strumento di confronto; non costituisce una prova del fatto che la prova non eseguita avrebbe superato i requisiti.

Durezza e resistenza a trazione: una relazione, non un’identità

Durezza e resistenza a trazione sono correlate perché entrambe dipendono dalla resistenza di un metallo alla deformazione plastica, ma non sono proprietà intercambiabili. Una prova di durezza produce una piccola impronta in un singolo punto. Una prova di trazione sollecita un provino normalizzato attraverso un volume molto più ampio fino a provocare snervamento, scorrimento plastico e frattura. Le due prove campionano quindi volumi diversi di materiale, impongono stati tensionali differenti e producono tipi diversi di misurazioni.

Un valore di durezza può essere misurato direttamente sulla scala Vickers, Brinell, Rockwell, Knoop o su un’altra scala. Un valore di durezza convertito viene calcolato a partire da una scala misurata diversa, utilizzando una relazione pubblicata. La resistenza a trazione stimata costituisce un ulteriore passaggio: essa deduce una proprietà a trazione dalla durezza. Ogni passaggio aggiunge ipotesi e potenziali errori. Trattare una resistenza a trazione stimata come se fosse il risultato di una prova di trazione è una pratica di registrazione inadeguata, soprattutto quando una specifica, un calcolo di progetto o un’indagine di guasto dipendono dal carico di snervamento, dalla resistenza a trazione ultima o dall’allungamento.

Cosa misura meccanicamente la durezza

La durezza è la resistenza alla deformazione plastica localizzata. In una prova Vickers, una piramide di diamante viene premuta sulla superficie con una forza prestabilita, quindi si misurano le due diagonali dell’impronta. Il numero di durezza Vickers, $H_{\mathrm{V}}$, viene calcolato a partire dalla forza applicata e dall’area proiettata dell’impronta. In una prova Brinell, una sfera di carburo viene pressata nel materiale e la forza viene correlata al diametro dell’impronta risultante. La prova Rockwell, invece, misura la profondità di penetrazione sotto carichi minori e maggiori definiti, riportando il risultato su una scala specifica, come HRC o HRB.

Il penetratore crea, al di sotto del contatto, un complesso campo di tensioni tridimensionale. Esso comprende componenti di compressione, di taglio e di trazione, e il materiale vicino all’impronta può essere sottoposto a una deformazione plastica severa. La risposta misurata è influenzata dall’incrudimento, dal recupero elastico, dall’attrito, dalla geometria del penetratore, dalla preparazione della superficie e dalle dimensioni della zona deformata plasticamente. Essa riflette inoltre il materiale immediatamente al di sotto della superficie sottoposta alla prova, non necessariamente le proprietà medie dell’intero componente.

Questo carattere locale spiega perché la durezza sia utile per verificare gradienti ed effetti dei processi. Uno strato martensitico bonificato, una superficie decarburata, una zona termicamente alterata dalla saldatura o uno strato cementato possono presentare un valore di durezza nettamente diverso da quello del cuore. Anche la distanza tra le impronte, la distanza dai bordi, lo spessore del provino, la curvatura e la rugosità superficiale possono alterare il risultato. Un valore di durezza privo della relativa scala, del metodo di prova, del carico e della condizione di prova è incompleto. “60” potrebbe significare 60 HRC, 60 HRB, 60 HRA oppure circa 60 HV sotto un carico specificato; tali valori non sono equivalenti.

La resistenza a trazione, al contrario, è la massima tensione ingegneristica raggiunta durante una prova di trazione uniassiale. Il provino viene sottoposto a trazione lungo un tratto utile e la resistenza ultima a trazione dichiarata, ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$, viene calcolata dividendo il carico massimo per l’area originale della sezione trasversale. La prova considera la deformazione su un volume utile relativamente ampio e rivela ulteriori proprietà, tra cui il comportamento allo snervamento, l’allungamento uniforme, l’allungamento totale e la strizione. Un’impronta di durezza non può fornire tali misure della deformazione a trazione.

La distinzione è importante nel caso degli acciai eterogenei. Una prova di durezza superficiale può essere dominata da uno strato indurito sottile, anche quando il cuore presenta una resistenza a trazione inferiore. Al contrario, una regione a grano grossolano, una microstruttura bandeggiata, una popolazione di inclusioni o una variazione locale del trattamento termico possono influenzare un provino di trazione in modo diverso rispetto a una piccola impronta. Durezza e resistenza possono seguire un andamento correlato all’interno di una famiglia produttiva controllata, ma tale correlazione è un risultato empirico, non una definizione.

La relazione approssimata $H_{\mathrm{V}}\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$

Una regola frequentemente ripetuta afferma:

$$H_{\mathrm{V}}\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$$

Quando la durezza Vickers e la resistenza a trazione sono espresse in unità compatibili, questa relazione può talvolta essere utile come confronto approssimativo dell’ordine di grandezza. Per esempio, a un materiale con $H_{\mathrm{V}}=600$ potrebbe essere associata una resistenza a trazione prossima a $2,000\text{MPa}$ sulla base di una relazione di questo tipo. Tale calcolo non costituisce un certificato del materiale e non deve essere presentato come tale.

La relazione è stata individuata per alcuni materiali metallici duttili ad alta resistenza. Uno studio del 2012 pubblicato su Materials Science and Engineering: A ha riferito che il rapporto tra durezza e resistenza dipende dalla classe del materiale, dalla microstruttura e dalla morfologia dell’impronta. Queste precisazioni sono determinanti. Il fattore tre non è un’equazione generale valida per tutti gli acciai, per tutte le scale di durezza o per tutti i trattamenti termici. Non è valido semplicemente perché il valore misurato è definito durezza Vickers.

Dal punto di vista meccanico, l’approssimazione ha una base plausibile. La deformazione plastica al di sotto di un penetratore richiede un’elevata tensione di flusso rappresentativa, mentre la resistenza a trazione riflette il livello di tensione raggiunto durante la deformazione uniassiale e l’incrudimento. In una classe ristretta di materiali, con una relazione coerente tra pressione d’impronta rappresentativa, tensione di flusso e risposta a trazione, può emergere un rapporto quasi costante. Se cambia il meccanismo di deformazione o il comportamento di incrudimento, cambia anche il rapporto.

Lo stesso grado di acciaio può discostarsi dall’approssimazione dopo l’impiego di diversi cicli di lavorazione. Ferrite-perlite, bainite, martensite rinvenuta e martensite temprata non si incrudiscono allo stesso modo sotto carico. L’austenite residua, la distribuzione dei carburi, la dimensione dei grani, le tensioni residue e la deformazione precedente possono modificare la forma dell’impronta e la curva di trazione. Un acciaio per utensili ad alto tenore di carbonio, un acciaio strutturale a basso tenore di carbonio e un acciaio inossidabile austenitico possono presentare rapporti diversi tra durezza e resistenza a trazione anche a valori nominali di durezza simili.[5][5] Brinell hardness and tensile-strength relationship in unalloyed structural steels. Materials Today: Proceedings authors. Materials Today: Proceedings, 2023.

I lavori empirici pubblicati sostengono un impiego limitato e specifico per determinate condizioni, non una sostituzione universale. Una ricerca pubblicata su Materials Today: Proceedings nel 2023 ha rilevato una relazione generalmente lineare tra la durezza Brinell e i parametri di resistenza a trazione per acciai strutturali non legati, storici e contemporanei, allo stato grezzo o normalizzato. Tale risultato è utile per quella popolazione di materiali e per quella condizione. Non stabilisce la stessa relazione per acciai legati bonificati, lamiere incrudite a freddo, componenti cementati o giunti saldati.

Anche le unità richiedono attenzione. La durezza Vickers viene convenzionalmente riportata come numero di durezza adimensionale, sebbene sia correlata alla forza per unità di area. La resistenza a trazione viene normalmente riportata in MPa o N/mm². Poiché $1{\text{kgf/mm}}^2$ equivale approssimativamente a $9.807\text{MPa}$, una combinazione disattenta delle convenzioni relative alla durezza e delle unità di tensione del SI può produrre un errore prossimo a un ordine di grandezza. Una relazione correttamente documentata deve specificare l’equazione, le unità, la popolazione dei materiali e l’incertezza.

Perché le stime della resistenza a trazione sono le conversioni meno affidabili

La conversione tra scale di durezza e la stima della resistenza a trazione non sono attività equivalenti. ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, fornisce relazioni approssimate tra i valori Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficiale, Knoop, Scleroscope e Leeb per metalli specificati, compresi acciai al carbonio, legati e per utensili omogenei. ASTM International afferma che “le conversioni sono influenzate dalla lega, dalla struttura dei grani e dal trattamento termico”. Le tabelle descrivono pertanto popolazioni empiriche definite; non trasformano ogni valore di durezza in una proprietà universale del materiale.

ISO 18265:2013, Metallic materials—Conversion of hardness values, specifica i principi per la conversione dei valori di durezza tra le diverse scale e per la stima della resistenza a trazione. Avverte inoltre che “i valori convertiti sono direttamente applicabili solo al materiale esatto sottoposto alla prova” e identifica le stime della resistenza a trazione come le conversioni meno affidabili. Tale classificazione deriva dalla catena di inferenze. La conversione da HRC a HV presuppone già una relazione tra due metodi di indentazione. La stima di ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ a partire da uno dei due valori presuppone inoltre una relazione tra la plasticità localizzata dell’impronta e la deformazione uniassiale su grande volume.

Lo studio NIST pubblicato nel 1929 sulle relazioni empiriche Rockwell–Brinell osservò che, negli acciai, la resistenza a trazione può spesso essere stimata a partire dalla durezza Brinell per scopi commerciali. Si tratta di un’osservazione pratica, non di una dichiarazione di identità fisica. “Spesso” dipende dalla popolazione di acciai, dalla condizione e dall’errore consentito. L’osservazione di NIST non elimina la necessità di convalidare la relazione rispetto a dati di trazione relativi al grado e al ciclo di lavorazione pertinenti.

Il rapporto tecnico SAE Hardness Tests and Hardness Number Conversions, pubblicato nel 1967, rese ancora più esplicita la stessa limitazione: le conversioni precise devono essere sviluppate per la composizione specifica dell’acciaio, il trattamento termico e il componente, poiché dimensioni, massa, composizione e lavorazione influenzano la relazione. Un forgiato spesso, un nastro sottile e un piccolo perno trattato termicamente possono produrre correlazioni diverse anche quando i loro gradi nominali sono identici. La geometria modifica il vincolo intorno all’impronta, mentre la massa e le dimensioni della sezione influenzano la velocità di raffreddamento e quindi la microstruttura.

Ai fini delle decisioni di accettazione, una resistenza a trazione derivata dalla durezza deve essere etichettata come stima e accompagnata dall’indicazione della scala misurata, della norma di prova, della posizione, del grado del materiale, della condizione di trattamento termico, della popolazione di calibrazione e dell’incertezza attesa. Se un disegno tecnico o una specifica del materiale richiede la resistenza a trazione, l’evidenza appropriata è una prova di trazione eseguita secondo la norma applicabile, non un valore convertito scelto perché sembra vicino al requisito. La durezza può essere utilizzata per lo screening, il confronto e il monitoraggio. Da sola, tuttavia, non può dimostrare il comportamento completo a trazione di un componente in acciaio.

Geometria, dimensioni, massa e posizione della prova

Un valore di durezza descrive la risposta di un determinato volume di materiale situato sotto uno specifico penetratore. Non descrive soltanto la composizione. Due provini ricavati dallo stesso acciaio trattato termicamente possono fornire letture diverse se uno dei due è sottile, scarsamente supportato, curvo, rugoso, decarburato o misurato vicino a un’impronta precedente. Il valore misurato può quindi cambiare anche se la lega e il trattamento termico non sono cambiati.

Questo aspetto è importante prima di effettuare qualsiasi conversione. Una tabella di conversione può correlare una misurazione valida secondo Brinell, Rockwell o Vickers a un valore approssimativo su un’altra scala; non può correggere un’impronta deformata da flessione, vibrazioni, danni superficiali o da una posizione di prova inadatta. Il rapporto tecnico SAE Hardness Tests and Hardness Number Conversions (1967) sottolinea specificamente che le correlazioni precise devono essere sviluppate per la particolare composizione dell’acciaio, il trattamento termico e il componente, poiché dimensioni, massa, composizione e processo influenzano il risultato.

Spessore minimo e distanza dai bordi

Il pezzo da sottoporre a prova deve essere sufficientemente spesso affinché la zona di deformazione plastica sotto l’impronta non raggiunga la superficie opposta. In caso contrario, il materiale di supporto non vincola più l’impronta nello stesso modo di un provino massivo. Il penetratore può penetrare più in profondità oppure la geometria del contatto può cambiare, producendo un valore di durezza più basso o comunque alterato rispetto a quello di una sezione sufficientemente spessa. Lo spessore minimo consentito dipende dalla scala di durezza, dal penetratore, dalla forza applicata e dall’intervallo di durezza; una lamiera sottile adatta alla prova Rockwell superficiale può non essere adatta alla prova Rockwell standard o Brinell.

I componenti di piccole dimensioni pongono un problema correlato. Un componente di massa ridotta può muoversi, inclinarsi o deformarsi elasticamente sotto l’azione della forza di prova. Anche un piccolo spostamento modifica la profondità di penetrazione in una prova Rockwell e può influenzare la misurazione del diametro in una prova Brinell. Il dispositivo di fissaggio può sembrare rigido, mentre è il componente stesso a flettersi. Flange sottili, nervature strette e pareti di sezioni cave sono particolarmente sensibili.

Anche la distanza da un bordo è importante. Un’impronta realizzata troppo vicino a un bordo dispone di una quantità minore di materiale circostante in grado di opporsi al flusso plastico. Il materiale può rigonfiarsi verso il bordo libero e la diagonale misurata o la profondità dell’impronta possono discostarsi dal comportamento di un’impronta su una superficie non vincolata. Lo stesso problema si applica a fori, scanalature, cave per linguette e variazioni improvvise della sezione. Una lettura effettuata accanto a una gola lavorata non è automaticamente rappresentativa dell’area piana adiacente.

Anche le impronte vicine possono interferire. La deformazione plastica prodotta da un’impronta precedente lascia una zona localmente incrudita e spostata. Se l’impronta successiva è troppo vicina, le sue dimensioni o la sua profondità possono cambiare. I requisiti relativi alla spaziatura variano in funzione del metodo e della durezza; pertanto deve prevalere la norma applicabile, non una comoda regola empirica. Una sequenza di letture ravvicinate può dare una falsa impressione di ripetibilità, poiché ogni prova influenza quella successiva.

Supporto, curvatura e massa del componente

L’incudine di supporto fa parte del sistema di misurazione. Un supporto duro, stabile e correttamente posizionato limita i movimenti e fornisce la forza di reazione necessaria per un’impronta controllata. Un supporto cedevole, incrostazioni intrappolate, bave, frammenti di vernice o un dispositivo di fissaggio non uniforme consentono un assestamento locale. Il penetratore misura quindi la risposta combinata dell’acciaio, del supporto e di qualsiasi materiale interposto.

Le vibrazioni producono un effetto analogo. Eseguire la prova accanto a una pressa, a una smerigliatrice o a una macchina utensile può disturbare l’applicazione della forza o la misurazione della profondità. Su un componente leggero, le vibrazioni possono essere amplificate dalla flessibilità propria del componente. Una lettura ottenuta su un blocco massivo e una ottenuta su un componente sottile appoggiato su un dispositivo di fissaggio flessibile non sono equivalenti semplicemente perché entrambe utilizzano la stessa scala Rockwell.

La curvatura modifica la geometria del contatto. Su una superficie convessa, il penetratore entra in contatto con una quantità minore di materiale circostante rispetto a una superficie piana e la superficie può flettersi allontanandosi dal carico. Su una superficie concava, l’accessibilità e l’allineamento possono essere altrettanto problematici. È importante considerare il raggio di curvatura rispetto alle dimensioni dell’impronta: una curva ampia e poco pronunciata può avere un effetto ridotto, mentre un albero o un tubo di piccolo raggio può produrre un’alterazione significativa. Il penetratore deve essere normale alla superficie locale, non semplicemente allineato con il componente nel suo complesso.

Anche i componenti cilindrici pongono questioni relative alla posizione. Una lettura effettuata sulla sommità di un albero, vicino al suo lato o su una piattaforma di prova spianata può rappresentare condizioni di vincolo diverse. Se per la prova viene lavorata una piattaforma, la sua rimozione può esporre una profondità diversa e la superficie risultante potrebbe non rappresentare più la superficie in esercizio. Il rapporto di prova dovrebbe indicare la posizione, l’orientamento, lo spessore della sezione e la condizione di supporto, in modo che le letture successive possano essere confrontate in maniera significativa.

Queste restrizioni si applicano con maggiore rigore alle stime convertite di durezza e resistenza. ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, fornisce correlazioni approssimative tra le scale Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficiale, Knoop, Scleroscope e Leeb per metalli specifici, inclusi acciai al carbonio, legati e per utensili omogenei. ASTM afferma che “le conversioni sono influenzate dalla lega, dalla struttura dei grani e dal trattamento termico”. Un errore indotto dalla geometria non viene eliminato selezionando una colonna diversa di quella tabella.

Preparazione della superficie e decarburazione

La condizione della superficie può alterare il risultato prima che il penetratore raggiunga un acciaio rappresentativo. Calamina, ruggine, rivestimenti galvanici, vernice, segni di lavorazione e rugosità superficiale interferiscono con il posizionamento e con la misurazione ottica di un’impronta Brinell o Vickers. Una superficie rugosa può rendere difficile individuare i bordi di una piccola impronta, mentre un frammento di ossido non aderente può collassare sotto carico. Il metodo di preparazione deve rimuovere le contaminazioni senza modificare la condizione metallurgica oggetto della misurazione.

La rettifica non è automaticamente innocua. Una rettifica intensa può generare uno strato termicamente alterato, un rinvenimento locale, tensioni residue o uno strato superficiale incrudito. Una pressione eccessiva può creare una superficie più dura o più tenera del materiale sottostante. Il raffreddamento, passate leggere e un’asportazione di materiale adeguata contribuiscono a ridurre questo rischio, ma la profondità necessaria dipende dal processo e dal componente. Una superficie lucidata può migliorare la misurazione ottica pur rappresentando ancora materiale danneggiato, se la preparazione è stata troppo aggressiva.

Il trattamento termico può inoltre creare gradienti di durezza intenzionali o accidentali. Uno strato cementato è più duro del suo nucleo a basso tenore di carbonio e un’impronta poco profonda può misurare soltanto lo strato superficiale. Man mano che l’impronta diventa più grande o più profonda, il substrato più tenero inizia a influenzare il risultato. In tal caso, una conversione basata su acciaio omogeneo non è adatta. La decarburazione produce l’effetto opposto: il riscaldamento in un’atmosfera decarburante può rimuovere carbonio dalla superficie, lasciando uno strato tenero sopra un acciaio più duro. Di conseguenza, una prova di durezza superficiale può non soddisfare una specifica anche quando la parte interna la soddisfa, oppure può risultare accettabile se la forza di prova penetra oltre lo strato.

Le misurazioni locali richiedono ancora maggiore attenzione. Il metallo di saldatura, il confine di fusione e la zona termicamente alterata (HAZ) possono contenere microstrutture e gradienti di durezza diversi su distanze molto brevi. Un’impronta Brinell convenzionale può essere troppo grande per isolare una singola zona, mentre una prova micro-Vickers o Knoop può risolvere il gradiente, ma richiede una preparazione migliore e un controllo più rigoroso della spaziatura. Il rapporto dovrebbe specificare se il valore proviene dal metallo di saldatura, dalla HAZ, dal metallo base non alterato o da una distanza prestabilita dalla linea di fusione.

ISO 18265:2013 stabilisce i principi per la conversione delle scale di durezza e per la stima della resistenza a trazione, ma precisa che i valori convertiti si applicano direttamente soltanto al materiale esatto sottoposto a prova e identifica le stime della resistenza a trazione come le conversioni meno affidabili. Lo studio NIST sulle correlazioni empiriche Rockwell–Brinell (1929) ha rilevato che la resistenza a trazione dell’acciaio può spesso essere stimata dalla durezza Brinell per finalità commerciali; tale risultato non trasforma una lettura superficiale ottenuta su un componente curvo e decarburato in una prova di trazione. Uno studio del 2012 pubblicato su Materials Science and Engineering: A ha identificato la relazione approssimativa $H_v\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ per alcuni metalli duttili ad alta resistenza, mostrando tuttavia che il rapporto dipende dalla classe del materiale, dalla microstruttura e dalla morfologia dell’impronta. Geometria e preparazione devono essere controllate innanzitutto. In caso contrario, la conversione aggiunge una precisione apparente a una misurazione che non ha mai rappresentato il volume di materiale previsto.

Gradienti di durezza, profondità dello strato indurito e acciai saldati o lavorati

Una conversione della durezza diventa particolarmente incerta quando la durezza varia nell’arco di pochi decimi di millimetro. Gli acciai cementati, nitrurati, induriti per induzione, trattati al laser, saldati e prodotti mediante fabbricazione additiva possono contenere diverse regioni microstrutturali all’interno delle dimensioni di una singola impronta o della distanza utilizzata per i controlli di routine. Una “resistenza a trazione convertita” riportata in queste condizioni dà una falsa impressione di uniformità. Può descrivere soltanto la superficie esaminata, un’impronta influenzata da due zone oppure una media che nasconde la regione responsabile della criccatura, dell’usura o della deformazione.

ASTM E140-12, Tabelle standard di conversione della durezza per i metalli (2012), fornisce relazioni approssimate tra le scale Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficiale, Knoop, Scleroscope e Leeb per metalli specifici, inclusi acciai al carbonio, legati e per utensili omogenei. La sua avvertenza è fondamentale in questo caso: “Le conversioni sono influenzate dalla lega, dalla struttura dei grani e dal trattamento termico.” Un gradiente aggiunge un’ulteriore variabile: la posizione. ISO 18265:2013 stabilisce che i valori convertiti sono direttamente applicabili soltanto al materiale esatto sottoposto a prova, mentre le stime della resistenza a trazione costituiscono il tipo di conversione meno affidabile. Un valore locale di durezza può quindi essere utile per verificare un processo senza costituire una stima difendibile della resistenza a trazione complessiva del componente.

Profili di indurimento superficiale

La cementazione crea una superficie arricchita di carbonio che, dopo la tempra, si trasforma generalmente in martensite ad alto tenore di carbonio, mentre il nucleo a minor tenore di carbonio conserva una diversa risposta alla temprabilità e una diversa tenacità. La nitrurazione produce uno strato composto e una zona di diffusione la cui durezza diminuisce con la profondità; il profilo dipende dalla composizione chimica dell’acciaio, dal potenziale di nitrurazione, dalla temperatura, dal tempo e dal rinvenimento precedente. L’indurimento per induzione produce uno strato martensitico temprato rapidamente sopra una zona di transizione e un nucleo più tenero. L’indurimento o la legatura al laser possono creare zone ancora più strette e di forma irregolare, soprattutto nei punti in cui variano la sovrapposizione delle passate, la velocità di raffreddamento o la diluizione.

La durezza superficiale e quella del nucleo rispondono a domande diverse. Una misurazione vicino alla superficie può verificare che uno strato cementato abbia raggiunto la durezza specificata, ma non può sostituire le proprietà a trazione del nucleo a basso tenore di carbonio. Al contrario, una misurazione nel nucleo dice poco sulla resistenza alla fatica da contatto o all’usura adesiva della superficie di lavoro. Un singolo risultato Rockwell C su uno strato sottile è particolarmente esposto all’influenza del substrato: il campo di deformazione si estende al di sotto dello strato indurito, per cui il nucleo più tenero può ridurre il valore apparente. Una curvatura superficiale eccessiva, un supporto insufficiente o uno strato composto rugoso possono aggiungere ulteriori errori.

Un profilo viene normalmente ottenuto preparando una sezione trasversale, lucidandola con cura e realizzando impronte Vickers a profondità misurate dalla superficie. Il carico di prova deve produrre impronte abbastanza grandi da poter essere misurate in modo affidabile, ma sufficientemente piccole da risolvere il gradiente. Impronte troppo distanti tra loro non rilevano la transizione; impronte troppo ravvicinate interagiscono attraverso campi di deformazione plastica sovrapposti. ISO 6507-1 e ASTM E384 specificano i requisiti per le prove Vickers e Knoop, inclusi i limiti relativi alla distanza tra le impronte, ai bordi e alla misurazione. La norma applicabile e la forza di prova dovrebbero essere registrate, invece di riportare semplicemente il termine “microdurezza”.

La profondità dello strato indurito non corrisponde semplicemente alla profondità del punto di massima durezza. Una profondità efficace dello strato indurito è comunemente definita come la profondità alla quale la durezza scende fino a un valore limite specificato, ma tale valore dipende dalla specifica del prodotto, dall’acciaio e dal metodo. Un rapporto valido dovrebbe identificare la preparazione superficiale, la forza di prova, il tipo di penetratore, l’origine della profondità, la distanza tra le impronte, la scala di durezza e il criterio utilizzato per la profondità efficace. Una curva dall’aspetto regolare non elimina l’incertezza; la dispersione può riflettere la distribuzione dei carburi, l’austenite trattenuta, una decarburazione locale o la risoluzione della misurazione.

Metallo saldato e zone termicamente alterate

Una sezione trasversale di una saldatura è costituita da una successione di zone, non da un unico materiale. Il metallo di saldatura per fusione può differire dalla lamiera base per composizione e struttura di solidificazione. Immediatamente accanto ad esso, la zona termicamente alterata (ZTA) può contenere regioni a grano grosso, a grano fine, intercritiche e subcritiche. Negli acciai al carbonio e basso-legati, una ZTA a grano grosso raffreddata rapidamente può formare martensite o bainite dure, mentre una regione rinvenuta o intercritica può essere più tenera e soggetta a rammollimento locale. Il sovrametallo, la radice, il confine di fusione e il metallo base non alterato possono produrre ciascuno letture differenti.

La posizione dell’impronta è importante. Un’impronta centrata sul confine di fusione può campionare un campo di deformazione misto proveniente dal metallo di saldatura e dalla ZTA, per cui il suo valore non può essere attribuito con sicurezza all’una o all’altra zona. La prima impronta dovrebbe essere sufficientemente lontana dalla linea di fusione e dal bordo del provino da soddisfare la norma di prova applicabile, ma la serie deve comunque essere abbastanza vicina da risolvere la zona più stretta. Una mappatura pratica utilizza una griglia o un traverso documentato, con una distanza tra le impronte minore in corrispondenza del confine di fusione e delle transizioni di durezza rispetto al metallo base uniforme. La distanza esatta deve seguire il metodo selezionato e la specifica di accettazione; non dovrebbe essere scelta soltanto per comodità.

La durezza della saldatura viene spesso verificata per il controllo del processo, per valutare il rischio di criccatura da idrogeno o per confermare una procedura di saldatura qualificata. Tale finalità non la trasforma in una prova di trazione. Un’elevata durezza locale della ZTA può indicare una struttura martensitica e una maggiore suscettibilità alla criccatura, mentre un valore basso può indicare un sovrarinvenimento o una perdita di resistenza. Nessuno dei due risultati stabilisce la resistenza a trazione dell’intero giunto saldato. La resistenza del giunto dipende inoltre dalla geometria della saldatura, dai difetti, dalle tensioni residue, dal vincolo, dalla tenacità e dalla regione locale più debole.

Mappatura della durezza locale senza medie fuorvianti

La mappatura della durezza dovrebbe conservare l’informazione sulla posizione invece di condensare ogni lettura in un’unica media. Occorre registrare le coordinate rispetto a una superficie di riferimento o alla linea mediana della saldatura, identificare la zona microstrutturale e mostrare i singoli valori o un profilo della profondità tracciato graficamente. La media può nascondere un massimo o un minimo ristretto: dieci letture nel metallo base tenero possono prevalere su due letture critiche in una ZTA fragile. Se è richiesta una media, occorre riportare insieme ad essa l’intervallo, la deviazione standard, il numero di letture e i criteri di esclusione.

Lo stesso principio si applica alle piste trattate al laser e agli acciai prodotti mediante fabbricazione additiva. I confini del bagno di fusione, le interfacce tra gli strati, le rotazioni della scansione, i difetti di mancata fusione, la porosità e le bande riscaldate nuovamente possono produrre una durezza dipendente dalla direzione. Una griglia superficiale può non rilevare una banda sottosuperficiale; una sezione trasversale può non rilevare variazioni lungo il percorso di scansione. Di conseguenza, quando l’anisotropia è plausibile, le misurazioni dovrebbero seguire la geometria del processo in più di una direzione.

La durezza misurata direttamente rimane il risultato principale. Un valore Brinell, Rockwell o Vickers convertito dovrebbe essere contrassegnato come convertito e collegato alla tabella specificata, allo stato del materiale e alla posizione della prova. Lo studio NIST del 1929 rilevò che, per scopi commerciali, la resistenza a trazione degli acciai poteva spesso essere stimata dalla durezza Brinell, mentre uno studio del 2023 rilevò una relazione Brinell generalmente lineare per acciai strutturali non legati allo stato grezzo o normalizzato. Tali risultati non convalidano la conversione della durezza di uno strato indurito, di una ZTA o di una superficie lavorata mediante fabbricazione additiva nella resistenza a trazione complessiva. Anche la relazione approssimata Hᵥ ≈ 3σUTS riportata in uno studio del 2012 pubblicato su Materials Science and Engineering: A si applica ad alcuni materiali metallici ad alta resistenza e duttili, non a ogni acciaio o microstruttura. Quando la progettazione, l’accettazione o la valutazione di un cedimento dipendono dalle proprietà a trazione, occorre eseguire una prova di trazione su materiale rappresentativo.

Come scegliere una conversione per uno specifico acciaio

Una conversione della durezza dovrebbe iniziare dal risultato misurato, non dal valore richiesto da una specifica. Registrare esattamente la scala originale—ad esempio 220 HBW, 32 HRC, 410 HV o 72 HRA—insieme al metodo di prova, all’indentatore, alla forza di prova, alla preparazione della superficie e alla posizione di misurazione. “Durezza” senza l’indicazione della scala è un’informazione incompleta. Un valore convertito non è una seconda misurazione; è una stima ottenuta da una relazione empirica.

Identificare il grado, la forma del prodotto e lo stato

Innanzitutto, identificare l’acciaio con la massima precisione consentita dalla documentazione disponibile. Una designazione come AISI 1045, ASTM A36, AISI 4140, ASTM A240 Type 304 o ASTM A681 W1 descrive una famiglia di materiali, ma non stabilisce di per sé la relazione tra le scale di durezza. La composizione chimica all’interno dell’intervallo previsto da una specifica può modificare la risposta all’indentazione, e due prodotti con lo stesso grado nominale possono presentare distribuzioni diverse del carbonio, dimensioni dei grani, inclusioni o fasi residue.

Registrare la forma del prodotto: piastra, lamiera, barra, filo, tubo, forgiato, getto, giunto saldato o componente lavorato. Lo spessore e la dimensione locale della sezione sono importanti perché l’impronta deve essere sostenuta da una quantità sufficiente di materiale. Un’impronta Brinell in un forgiato spesso di acciaio 4140 interessa un volume maggiore rispetto a un’impronta Vickers vicino alla superficie di una lamiera da 1 mm. I due risultati potrebbero non rappresentare la stessa regione microstrutturale, anche se entrambi sono riportati come valori di durezza.

Lo stato metallurgico è altrettanto importante. Indicare se il materiale è ricotto, normalizzato, temprato e rinvenuto, sottoposto a trattamento di precipitazione, incrudito, cementato, nitrurato, indurito per induzione o sottoposto ad altro trattamento superficiale. Per esempio, l’AISI 1045 normalizzato e l’AISI 1045 temprato e rinvenuto possono avere strutture ferritico-perlitiche o martensitiche differenti e, di conseguenza, relazioni diverse tra durezza e resistenza a trazione. Un componente in AISI 8620 cementato può mostrare un’elevata durezza superficiale mentre il nucleo rimane molto più tenero. Una conversione basata su un acciaio omogeneo non descrive correttamente tale gradiente.

La documentazione dovrebbe inoltre specificare se la prova è stata eseguita su una superficie rettificata, lucidata, decarburata, ossidata, placcata o pallinata. Gli strati superficiali possono determinare il risultato di una prova Vickers, Knoop o Rockwell superficiale con profondità ridotta. Al contrario, una grande impronta Brinell può mediare lo strato superficiale con il nucleo sottostante. Se la posizione di misurazione è vicina a una saldatura, a una zona termicamente alterata, a un bordo, a un foro o a una piega, tale posizione deve essere riportata insieme al risultato.

ASTM E140-12, Tabelle standard di conversione della durezza per i metalli, afferma che “le conversioni sono influenzate dalla lega, dalla struttura dei grani e dal trattamento termico” (ASTM International, 2012). Tale avvertenza è un criterio di selezione, non una semplice precisazione generale. Una voce di tabella relativa ad acciai omogenei al carbonio, basso-legati o per utensili non dovrebbe essere applicata automaticamente a uno strato cementato, a una microstruttura duplex o a una zona saldata.

Abbinare la scala originale e quella obiettivo

Successivamente, determinare che cosa il valore obiettivo dovrebbe comunicare. Convertire 32 HRC in circa 300 HBW è un confronto tra scale. Convertire 32 HRC in una resistenza a trazione stimata è un’operazione diversa e meno affidabile. Il primo risultato dovrebbe essere riportato come durezza convertita; il secondo come resistenza a trazione stimata, indicando la base della stima e i relativi limiti.

Scegliere la scala di prova in funzione della geometria e dello stato del materiale prima di scegliere una tabella di conversione. La prova Brinell, specificata da ASTM E10 o ISO 6506-1, è spesso adatta per acciai sufficientemente spessi e relativamente omogenei, perché la sua impronta più grande media le variazioni locali. È poco adatta a una sezione stretta, a una parete sottile, a un piccolo raggio o a una superficie vicina a un bordo. Le scale Rockwell, disciplinate da ASTM E18 o ISO 6508-1, forniscono risultati rapidi, ma la scala selezionata deve essere adeguata alla durezza e allo spessore del materiale. Rockwell C non è un sostituto generale per ogni prova su acciaio; gli acciai più teneri possono richiedere Rockwell B, mentre le sezioni sottili o gli strati induriti poco profondi possono richiedere una scala Rockwell superficiale.

La prova Vickers secondo ASTM E384 o ISO 6507-1 è utile quando l’area disponibile è ridotta o quando è necessario rilevare la durezza lungo la profondità di uno strato cementato o attraverso una saldatura. La prova Knoop può essere preferibile per strati molto sottili o regioni ristrette, perché la sua impronta allungata consente una misurazione localizzata. La prova portatile Leeb può essere utile per componenti di grandi dimensioni che non possono essere portati su una macchina fissa, ma le condizioni della superficie, la massa del componente, la curvatura, il supporto, la direzione dell’impatto e la taratura influenzano il risultato. Una conversione da Leeb a Rockwell dovrebbe pertanto essere associata al dispositivo Leeb autorizzato e alla classe di materiale, senza essere trattata come intercambiabile con una prova Rockwell diretta.

Anche la meccanica dell’indentazione limita il confronto. Scale diverse impongono forme degli indentatori e forze differenti, producendo zone plastiche diverse. Una conversione è valida solo nella misura in cui l’acciaio sottoposto a prova si comporta come i materiali utilizzati per stabilire la relazione. Un valore elevato di durezza vicino al limite superiore di una scala potrebbe non convertirsi in modo affidabile in un’altra scala, anche quando entrambe le letture rientrano tecnicamente nei rispettivi intervalli nominali.

La relazione tra durezza e resistenza a trazione è particolarmente condizionata. Uno studio del 2012 pubblicato su Materials Science and Engineering: A ha individuato la relazione approssimata $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ per alcuni materiali metallici duttili ad alta resistenza, ma ha anche riportato che i rapporti tra durezza e resistenza dipendono dalla classe del materiale, dalla microstruttura e dalla morfologia dell’indentazione. L’espressione non è un’equazione universale per gli acciai. Analogamente, uno studio del 2023 su acciai strutturali non legati storici e contemporanei ha rilevato una relazione generalmente lineare tra la durezza Brinell e i parametri della resistenza a trazione per acciai allo stato grezzo o normalizzato. Tale risultato non stabilisce la stessa relazione per l’acciaio 4340 temprato e rinvenuto, l’acciaio 4140 nitrurato o un acciaio per utensili martensitico.

Verificare il campo di applicazione e l’intervallo della norma

Dopo aver identificato il materiale e selezionato le scale, leggere il campo di applicazione e le note della norma pertinente. ASTM E140-12 fornisce relazioni approssimate tra i valori Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficiale, Knoop, Scleroscope e Leeb per metalli specificati, inclusi acciai omogenei al carbonio, basso-legati e per utensili. La tabella deve comprendere sia la categoria di materiale pertinente sia l’intervallo di durezza misurato. Non estrapolare oltre i suoi limiti solo perché l’andamento numerico appare regolare.

ISO 18265:2013 stabilisce i principi per convertire i valori di durezza tra diverse scale e per stimare la resistenza a trazione. Essa stabilisce che i valori convertiti sono direttamente applicabili solo al materiale esatto sottoposto a prova e identifica le stime della resistenza a trazione come le conversioni meno affidabili. Di conseguenza, il grado, lo stato e la storia produttiva del materiale costituiscono elementi di prova essenziali quando si cita una tabella ISO.

Le tabelle pubblicate sono più difendibili quando l’acciaio è chimicamente e metallurgicamente simile alla popolazione di materiali alla base della tabella, la prova rientra ampiamente nell’intervallo dichiarato, la geometria del provino soddisfa i requisiti del metodo originale e il risultato non viene utilizzato come certificazione delle proprietà a trazione. Una conversione tabellare può essere adeguata per il monitoraggio del processo o per un confronto preliminare. Non è di per sé adeguata quando un contratto, una valutazione di sicurezza o un calcolo di progetto dipende dal carico di snervamento, dalla resistenza ultima a trazione o dal comportamento a frattura.

Per le decisioni critiche, eseguire una correlazione di laboratorio. Sottoporre a prova pezzi rappresentativi—or provini adiacenti ricavati dallo stesso colaggio, dalla stessa forma di prodotto e dallo stesso spessore e lotto di trattamento termico—utilizzando il metodo originale di misura della durezza e il metodo obiettivo desiderato, oppure una prova di trazione. Le misurazioni appaiate dovrebbero coprire l’intervallo operativo effettivo, includere letture ripetute ed essere analizzate mediante limiti di predizione, anziché attraverso una singola retta interpolante. Il rapporto tecnico SAE Hardness Tests and Hardness Number Conversions (1967) esprime direttamente il punto centrale: per ottenere conversioni precise è necessario svilupparle per la particolare composizione dell’acciaio, il trattamento termico e il componente, poiché dimensioni, massa, composizione e processo influenzano la relazione. Uno studio NIST del 1929 ha rilevato che la resistenza a trazione dell’acciaio poteva spesso essere stimata dalla durezza Brinell per scopi commerciali, ma tale risultato sostiene una stima pratica, non una legge universale.

Riportare innanzitutto il valore originale misurato, seguito dal valore convertito, dalla tabella o dal modello utilizzato, dallo stato del materiale e da un’incertezza o una qualificazione. Per esempio: “32 HRC misurati; circa 302 HBW utilizzando ASTM E140-12 per acciaio legato, subordinatamente all’intervallo della tabella e ai limiti applicabili al materiale”. Se viene dedotta la resistenza a trazione, indicarla esplicitamente come stimata. Quando la proprietà determina l’accettazione o il progetto, eseguire direttamente la prova di trazione.

Validazione, incertezza e decisioni di accettazione

Una conversione della durezza è difendibile solo quando la sua base è rappresentativa del materiale valutato. Il confronto pertinente non è tra un valore di durezza isolato e un valore tabellare; è tra la durezza misurata e il comportamento a trazione misurato di un materiale che presenta lo stesso grado, trattamento termico, dimensione della sezione e storia produttiva. Una conversione sviluppata per una lamiera normalizzata non dovrebbe essere applicata automaticamente a una barra bonificata, a una lamiera incrudita, a componenti cementati o a materiale interessato da saldatura, anche quando il grado chimico nominale è identico.

Prove appaiate e regressione

La validazione inizia con provini appaiati o posizioni appaiate ricavati da materiale rappresentativo. Misurare la durezza utilizzando il metodo specificato—come Brinell, Rockwell o Vickers—ed eseguire le prove di trazione secondo la norma di riferimento applicabile su materiale prelevato dalla stessa colata, nella stessa forma di prodotto, con lo stesso orientamento, nello stesso intervallo di spessori e seguendo lo stesso ciclo di lavorazione. Il piano di prova dovrebbe preservare la condizione rilevante durante l’esercizio: una barra di 42CrMo4 allo stato bonificato non è adeguatamente rappresentata da 42CrMo4 ricotto e non correlato, e una lamiera ASTM A36 non dovrebbe essere raggruppata con un grado strutturale normalizzato di maggiore resistenza semplicemente perché entrambi sono acciai al carbonio.

La procedura di misura della durezza deve essere controllata prima di adattare qualsiasi relazione. Registrare la scala, il penetratore, la forza di prova, il tempo di permanenza, la preparazione della superficie, la distanza tra le impronte e la distanza dai bordi o dalle superfici curve. ASTM E140-12, Tabelle standard di conversione della durezza per i metalli, tratta le relazioni approssimate tra i valori di durezza Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficiale, Knoop, Scleroscope e Leeb per metalli specifici, inclusi acciai al carbonio, legati e per utensili omogenei. ASTM afferma che “le conversioni sono influenzate dalla lega, dalla struttura dei grani e dal trattamento termico”. Tale affermazione costituisce una limitazione della tabella, non una qualifica secondaria.

Intervallo di previsioneIntervallo di previsione Intervallo che esprime l’ampiezza attesa per un singolo risultato futuro, includendo sia l’incertezza del modello sia la dispersione tra materiali.

Si può quindi mettere in relazione le grandezze misurate mediante una regressione. A seconda dei dati, un modello lineare può essere adatto in un intervallo limitato:

$$R_m=a+\mathrm{bH}$$

dove $R_m$ è la resistenza a trazione misurata e $H$ è la durezza misurata su una scala specificata. Può essere necessario un modello non lineare, un modello specifico per il grado o modelli separati per diversi trattamenti termici. Il modello dovrebbe essere adattato a osservazioni appaiate, non a valori di durezza ricopiati da una tabella di conversione. Riportare il numero di colate, il numero di provini per colata, l’intervallo di durezza, l’intervallo di resistenza a trazione, le stime dei coefficienti, la deviazione standard residua e gli intervalli di confidenza per la media adattata e per una previsione individuale.

La distinzione tra questi intervalli è importante. Un intervallo di confidenza attorno alla resistenza a trazione media prevista descrive l’incertezza della relazione media stimata. Un intervallo di previsione individuale include anche la dispersione da provino a provino ed è quindi più ampio. Le decisioni di accettazione riguardano il materiale individuale, non una media astratta. Una retta di regressione stretta può quindi coesistere con un intervallo di previsione troppo ampio per supportare un limite di specifica.

Il bias deve essere verificato separatamente dalla dispersione. Se la resistenza a trazione convertita è sistematicamente superiore ai risultati delle prove di trazione dirette, la conversione presenta un bias positivo e può accettare erroneamente materiale debole. Confrontare i residui in funzione della durezza, della colata, dello spessore della sezione, dell’orientamento e del lotto di trattamento termico. Un grafico dei residui può rivelare curvatura, varianza variabile o un raggruppamento associato a una determinata carica di forno. Un singolo coefficiente di correlazione complessivo non evidenzierà tali effetti.

I valori anomali richiedono un’indagine, non l’eliminazione automatica. Un risultato estremo può derivare da un’impronta posizionata in modo errato, da una preparazione superficiale inadeguata, da un difetto del provino di trazione, da un errore di trascrizione oppure da una segregazione e da una variazione microstrutturale reali. La sua esclusione è giustificata solo da una ragione tecnica documentata e, ove possibile, da una prova ripetuta. In caso contrario, il valore anomalo fa parte della relazione che la procedura di accettazione deve essere in grado di sostenere.

Le evidenze storiche spiegano perché i modelli ristretti possano funzionare. Uno studio del 2023 pubblicato in Materials Today: Proceedings ha rilevato una relazione empirica generalmente lineare tra la durezza Brinell e i parametri di resistenza a trazione per acciai strutturali non legati, storici e contemporanei, allo stato grezzo o normalizzato. Tale risultato non stabilisce la stessa retta per acciai legati, bonificati, induriti per precipitazione, cementati o fortemente incruditi. Analogamente, uno studio NIST del 1929 ha riportato che la resistenza a trazione degli acciai può spesso essere stimata a partire dalla durezza Brinell per scopi commerciali, ma una stima utile per lo screening non costituisce una legge universale dei materiali.

Ripetibilità, riproducibilità e incertezza

La ripetibilità descrive la variazione quando lo stesso operatore utilizza lo stesso strumento e lo stesso metodo su posizioni sufficientemente simili, in condizioni strettamente controllate. La riproducibilità è più ampia: include variazioni dell’operatore, dello strumento, del laboratorio, del giorno o della configurazione di prova. Queste componenti non devono essere confuse con la dispersione della relazione tra durezza e resistenza.

Per esempio, cinque impronte Vickers ripetute possono mostrare una variazione ridotta, indicando una buona ripetibilità, mentre i risultati delle prove di trazione dirette su provini nominalmente simili possono variare considerevolmente a causa della distanza tra le lamelle di ferrite e perlite, del rinvenimento della martensite, della bandizzazione, delle inclusioni o della segregazione locale. Al contrario, un materiale stabile può mostrare una scarsa ripetibilità perché la superficie è ruvida, il componente è troppo sottile, l’impronta è troppo vicina a un bordo oppure il penetratore o la verifica della forza presentano difetti. Il primo problema appartiene al modello di conversione; il secondo appartiene principalmente al sistema di misura.

Un bilancio dell’incertezza dovrebbe includere la taratura, la risoluzione dello strumento, gli effetti dell’operatore e del laboratorio, gli effetti della superficie e della geometria, il campionamento e la variazione residua della relazione empirica. Un risultato convertito non è quindi semplicemente “durezza misurata ± incertezza dello strumento”. Contiene anche l’incertezza derivante dalla conversione stessa. La norma ISO 18265:2013 specifica i principi per convertire i valori di durezza tra scale e per stimare la resistenza a trazione, avvertendo al contempo che “i valori convertiti sono direttamente applicabili solo al materiale esatto sottoposto a prova”. Identifica inoltre le stime della resistenza a trazione come le conversioni meno affidabili.

Il campionamento spesso domina il risultato. Una singola impronta di durezza campiona un piccolo volume, mentre un provino di trazione campiona un volume molto più grande e con un orientamento diverso. Diverse letture effettuate su una sola superficie facilmente accessibile non rappresentano un intero fucinato, una lamiera, un assieme saldato o un nastro. Il campionamento dovrebbe coprire le colate, le posizioni, gli spessori e gli orientamenti che il processo produttivo può generare. Se una relazione è stata validata soltanto sul materiale della linea mediana, non dovrebbe disciplinare tacitamente regioni indurite superficialmente o decarburate.

La stessa cautela si applica alle formule semplici. Uno studio del 2012 pubblicato in Materials Science and Engineering: A ha individuato la relazione approssimata $H_v\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ per alcuni materiali metallici ad alta resistenza e duttili. Tuttavia, il rapporto tra durezza e resistenza dipende dalla classe del materiale, dalla microstruttura e dalla morfologia dell’impronta. Trattare tale espressione come un’equazione generale per gli acciai può produrre un risultato dall’apparenza precisa senza una dichiarazione di incertezza difendibile.

Quando la conversione non è idonea per l’accettazione

La conversione non è idonea quando la specifica richiede la resistenza a trazione e la conversione non è stata validata per il prodotto e la condizione esatti. Le prove di trazione dirette, eseguite secondo la norma del materiale applicabile, dovrebbero avere valore determinante ogni volta che l’accettazione dipende dal carico di snervamento, dalla resistenza a trazione, dall’allungamento, dalla riduzione di area o da una proprietà a trazione correlata. Un valore convertito può supportare il monitoraggio del processo, la selezione o l’indagine, ma non dovrebbe sostituire la prova di accettazione semplicemente perché la durezza si misura più rapidamente.

È necessaria particolare cautela in prossimità di un limite di specifica. Supponiamo che una norma relativa al materiale richieda una resistenza a trazione minima pari alla resistenza a trazione $R_m$ e che una tabella di durezza produca un equivalente apparentemente esatto. La tabella non trasforma tale minimo in un limite di durezza esatto. L’arrotondamento, il bias del modello, l’incertezza della previsione e la variabilità del campionamento possono spostare il materiale da un lato all’altro del limite. Un valore di durezza marginalmente superiore alla soglia convertita può quindi avere una probabilità significativa di non soddisfare il requisito diretto di resistenza a trazione; un valore marginalmente inferiore non dimostra necessariamente la non conformità.

La norma di riferimento stabilisce inoltre se la conversione sia consentita. ISO 18265:2013 e ASTM E140-12 forniscono principi o relazioni tabulate approssimate, non un’autorizzazione generale a sostituire una prova con un’altra. Anche il rapporto tecnico SAE del 1967, Prove di durezza e conversioni dei numeri di durezza, sottolinea che le conversioni precise devono essere sviluppate per la particolare composizione dell’acciaio, il trattamento termico e il componente, poiché dimensioni, massa, composizione e lavorazione influenzano la relazione.

Le procedure di accettazione dovrebbero specificare se il numero riportato è una durezza misurata, una durezza convertita o una resistenza a trazione stimata. Queste definizioni non devono essere riunite in un’unica categoria. Se una conversione utilizzata per lo screening indica una possibile non conformità, eseguire la prova diretta specificata o un’indagine approvata. Se i risultati delle prove di trazione non sono disponibili, riportare la conversione indicandone la fonte, l’ambito di applicazione al materiale, l’incertezza e i limiti, invece di presentarla come una proprietà a trazione garantita.

Errori comuni nelle tabelle di conversione della durezza

Le tabelle di conversione della durezza sono utili soltanto quando il valore misurato, il materiale, la condizione e il metodo di prova rientrano nei presupposti della tabella. Un risultato convertito non costituisce una seconda misurazione. È una stima derivata da una relazione empirica, generalmente caratterizzata da una dispersione che aumenta quando il materiale o le condizioni di prova differiscono da quelli utilizzati per stabilire la relazione.

La norma ASTM E140-12, Tabelle standard di conversione della durezza per i metalli, fornisce relazioni approssimative tra le scale Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficiale, Knoop, Scleroscope e Leeb per metalli specifici. Il suo campo di applicazione comprende acciai al carbonio omogenei, acciai legati e acciai per utensili, ma le tabelle non eliminano le differenze tra queste classi. ASTM afferma che «le conversioni sono influenzate dalla lega, dalla struttura dei grani e dal trattamento termico» (ASTM International, 2012). La norma ISO 18265:2013 esprime lo stesso principio pratico: i valori convertiti si applicano direttamente soltanto al materiale esatto sottoposto a prova, mentre le stime della resistenza a trazione sono il tipo di conversione meno affidabile (ISO, 2013).

Considerare intercambiabili numeri equivalenti

Una voce di tabella come 40 HRC ≈ 375 HBW non significa che una lettura di 40 HRC e una lettura di 375 HBW siano fatti intercambiabili. La prima è una misura Rockwell C ottenuta con un penetratore conico di diamante, un carico minore specificato e un carico maggiore specificato. La seconda è un valore Brinell associato a una sfera di carburo, a una forza definita e a un diametro dell’impronta definito. Sono stime correlate, non osservazioni duplicate.

Questa distinzione è importante nei verbali di ispezione. Se un disegno richiede 35–40 HRC, un risultato Brinell convertito in tale intervallo può supportare uno screening preliminare, ma non soddisfa necessariamente un requisito formulato per una prova Rockwell C. La conversione può nascondere una differenza causata dalla profondità dell’impronta, dalla microstruttura locale, dalle condizioni superficiali o dalla dispersione della prova. Quando il metodo di accettazione specificato è Rockwell C, una misura diretta HRC costituisce l’evidenza appropriata.

È comune anche l’errore inverso: convertire HRC in HBW al di fuori dell’intervallo della tabella e riportare il numero estrapolato come se fosse tabulato. Una relazione calibrata, per esempio, tra 20 e 50 HRC non dovrebbe essere estesa disinvoltamente alla superficie di un acciaio per utensili con durezza di 62 HRC. A durezze elevate, la meccanica dell’impronta e la quantità di carburi possono modificare bruscamente la relazione. Gli estremi della tabella non sono confini esatti del materiale; sono i limiti dei dati pubblicati o della correlazione raccomandata. Un valore appena oltre un estremo non è automaticamente invalido, ma non è supportato da quella tabella e richiede un metodo adeguato all’effettivo intervallo di durezza.

La misura originale deve rimanere visibile. «420 HBW convertito in 44 HRC» è sostanzialmente migliore di una semplice indicazione «44 HRC», perché informa il lettore che non è stata eseguita alcuna prova Rockwell. Una registrazione corretta comprende la scala misurata, la scala convertita, la norma di prova, la posizione di misura e la condizione del materiale o del trattamento termico.

Confondere scale, unità e condizioni del penetratore

Le designazioni della durezza contengono informazioni sulla prova. Le scale HRC, HRB e Rockwell superficiali non sono versioni intercambiabili dello stesso valore Rockwell. La scala HRC utilizza un penetratore di diamante e un carico maggiore di 150 kgf; la scala HRB utilizza generalmente un penetratore a sfera e un carico maggiore di 100 kgf. Le scale Rockwell superficiali utilizzano forze inferiori e hanno designazioni proprie, come 30N o 30T. Omettere il suffisso può trasformare un risultato tracciabile in un risultato ambiguo.

Lo stesso avvertimento vale per la notazione Brinell. HBW identifica una sfera di carburo di tungsteno, mentre le registrazioni più vecchie possono utilizzare le convenzioni HB o HBS, che non forniscono le stesse informazioni sul penetratore. Un risultato Brinell dipende inoltre dal diametro della sfera, dalla forza di prova, dal tempo di mantenimento e dal rapporto tra la forza e il diametro dell’impronta. Due valori indicati come «HB» potrebbero non essere stati ottenuti in condizioni equivalenti.

La durezza Vickers, indicata con HV e accompagnata comunemente dalla forza di prova nella designazione, è un’altra frequente fonte di errore. HV è un numero di durezza, non un valore di resistenza a trazione. Un’affermazione come «l’acciaio a 650 HV ha una resistenza a trazione di 650 MPa» confonde grandezze non correlate e può risultare ampiamente errata. Per alcuni materiali metallici duttili ad alta resistenza, la ricerca ha individuato la relazione approssimativa $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$, ma lo stesso studio riporta che i rapporti tra durezza e resistenza dipendono dalla classe del materiale, dalla microstruttura e dalla morfologia dell’impronta (Materials Science and Engineering: A, 2012). L’espressione è quindi un’approssimazione empirica con validità limitata, non una legge di conversione.

Le unità introducono un’altra possibile insidia. La durezza Brinell non è un valore di tensione, sebbene la sua definizione numerica contenga forza e area. La resistenza a trazione può essere espressa in MPa o ksi, mentre le scale di durezza sono numeri di prova adimensionali, con significati specifici per ciascuna scala. Una tabella che stima la resistenza a trazione a partire da HBW deve essere identificata come una stima, indicandone la fonte e l’intervallo di materiali.

La geometria può invalidare una scala altrimenti adeguata. Una lamiera sottile può mostrare un risultato falsamente alto o basso se l’impronta è troppo profonda o il supporto è insufficiente. Un componente piccolo, una superficie curva, un bordo stretto o uno strato localmente indurito potrebbero non fornire materiale sufficiente per l’impronta prevista. Il rapporto SAE Prove di durezza e conversioni dei numeri di durezza (1967) afferma che le conversioni precise devono essere sviluppate per la particolare composizione dell’acciaio, il trattamento termico e il componente, poiché dimensioni, massa, composizione e processo influenzano la relazione.

Estrappolare tra qualità o trattamenti termici diversi

L’errore più pericoloso non è aritmetico. È la sostituzione non verificata del materiale: applicare a un acciaio una relazione stabilita per un altro soltanto perché entrambi sono classificati come «acciaio».

Una correlazione per acciai al carbonio può fornire risultati ragionevoli per un acciaio non legato allo stato normalizzato e fallire nel caso di un acciaio per utensili altolegato, di un acciaio inossidabile indurente per precipitazione o di un acciaio a basso tenore di carbonio cementato. AISI 1045, AISI D2, AISI H13, AISI 304 e AISI 17-4 PH non condividono un’unica relazione tra durezza e resistenza. Il contenuto di lega, la presenza di carburi o precipitati, l’austenite trattenuta, la dimensione dei grani e la risposta alla deformazione modificano sia il comportamento all’impronta sia quello a trazione.

Il trattamento termico può essere decisivo anche all’interno della stessa qualità. AISI 4140 bonificato, AISI 4140 ricotto e AISI 4140 indurito per induzione possono produrre la stessa durezza nominale del materiale massivo in una determinata posizione, pur differendo nella distribuzione della resistenza, nelle tensioni residue e nel comportamento a rottura. L’indurimento superficiale è particolarmente facile da non rilevare. Cementazione, nitrurazione, tempra a induzione e tempra laser possono creare uno strato superficiale duro sopra un nucleo più tenero. Una piccola impronta Rockwell o Vickers può misurare lo strato superficiale; una maggiore impronta Brinell può comprendere anche il nucleo. Convertire uno dei due risultati senza registrare profondità e posizione di misura crea un confronto falsato.

Una ricerca sugli acciai strutturali non legati storici e contemporanei ha rilevato una relazione empirica generalmente lineare tra la durezza Brinell e i parametri della resistenza a trazione per acciai allo stato grezzo o normalizzato (Materials Today: Proceedings, 2023). Questo risultato sostiene un uso controllato all’interno di una popolazione di acciai definita; non giustifica il trasferimento della retta a un acciaio per utensili indurito o a un acciaio inossidabile. Uno studio NIST del 1929 ha analogamente riferito che la resistenza a trazione dell’acciaio può spesso essere stimata dalla durezza Brinell per scopi commerciali, trattando tuttavia la relazione come empirica e non universale (NIST, 1929).

Quando le proprietà a trazione influenzano la progettazione, la qualificazione delle saldature, la valutazione della frattura o l’accettazione, sono necessarie una prova di trazione diretta o una correlazione convalidata e specifica per qualità e condizione. La tabella deve orientare il giudizio, non sostituire la prova da cui dipende effettivamente la decisione.

Riportare correttamente la durezza e i valori convertiti

I dati di durezza devono mostrare ciò che è stato effettivamente misurato prima di presentare qualsiasi conversione. Un valore di durezza privo di scala, metodo e condizioni di prova è incompleto: “durezza 42” potrebbe significare 42 HRC, 42 HRB, 42 HV o 42 HBW, e tali valori non descrivono la stessa risposta del materiale. Il rapporto dovrebbe inoltre chiarire se il valore deriva da una prova di indentazione, da una tabella di conversione pubblicata o da una stima basata su una relazione empirica con la resistenza.

Registrare prima il risultato originale della prova

Il primo valore riportato dovrebbe essere il risultato misurato nella scala e con la designazione originali. Per esempio:

> Durezza misurata: 58 HRC, ASTM E18, acciaio AISI 4140, temprato e rinvenuto a 540 °C; posizione della prova: a metà del raggio, 10 mm sotto la superficie lavorata; superficie rettificata; durometro Rockwell calibrato, carico maggiore di 150 kgf.

Questa formulazione identifica un risultato ottenuto mediante una prova Rockwell. Non sostituisce implicitamente il risultato con un valore Brinell o Vickers. Se sono state eseguite più indentazioni, riportare le singole letture oppure la loro media e il loro intervallo, per esempio 58, 59, 58 HRC; media 58,3 HRC, intervallo 1 HRC. Il numero di indentazioni e la loro distanza reciproca possono essere importanti quando il materiale presenta un gradiente, una microstruttura grossolana, decarburazione o un trattamento termico localizzato.

Il rapporto dovrebbe identificare il grado di acciaio esattamente come specificato dalla norma applicabile relativa al materiale, ove possibile. “4140” è meno preciso di SAE J404 Grade 4140, e “acciaio inossidabile” non costituisce una descrizione adeguata del grado quando il materiale è UNS S30400, AISI 304 o un’altra designazione specificata. Registrare la condizione di trattamento termico: ricotto, normalizzato, temprato e rinvenuto, cementato, nitrurato o allo stato di fornitura. Una lettura di durezza eseguita su uno strato nitrurato non è intercambiabile con una lettura eseguita sul cuore del materiale.

La geometria deve figurare nella registrazione, poiché sezioni sottili, particolari di piccole dimensioni, superfici curve e provini di bassa massa possono alterare i risultati dell’indentazione. Indicare lo spessore, il diametro, la distanza da un bordo e se la prova è stata eseguita su una superficie piana o curva. Anche la preparazione della superficie è importante. Specificare la lavorazione meccanica, la rettifica, la lucidatura, la rimozione del rivestimento e l’eventuale presenza visibile di calamina o di uno strato decarburato. Un risultato Rockwell, Brinell, Vickers, Knoop o Leeb dovrebbe indicare lo strumento o almeno il metodo di prova, il carico, l’indentatore e la norma pertinente.

Indicare la norma e la base della conversione

Un valore convertito deve seguire la misurazione originale, non sostituirla. Per esempio:

> Misurato: 58 HRC, ASTM E18. Convertito: circa 615 HV equivalente Rockwell secondo ASTM E140-12, Tabella [tabella applicabile], per l’intervallo di acciaio specificato; la conversione è approssimativa e non costituisce una misurazione Vickers distinta.

Il numero della tabella o l’equazione dovrebbero essere registrati quando la fonte ne fornisce uno. Se il risultato è stato fornito da un software, indicare il software, il database, la revisione e la categoria di materiale selezionata. “Convertito in 615 HV” è insufficiente, poiché tabelle diverse possono produrre risultati diversi, in particolare in prossimità degli estremi dei rispettivi intervalli dichiarati.

ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, fornisce relazioni approssimative tra le scale Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficiale, Knoop, Scleroscope e Leeb per metalli specificati, compresi acciai al carbonio, legati e per utensili omogenei. ASTM afferma che “le conversioni sono influenzate dalla lega, dalla struttura dei grani e dal trattamento termico” (ASTM International, 2012). Tale limitazione fa parte del risultato. Dovrebbe essere conservata nei disegni, nei rapporti di ispezione e nei certificati, anziché essere rimossa per comodità di presentazione.

ISO 18265:2013 stabilisce i principi per la conversione dei valori di durezza tra diverse scale e per la stima della resistenza a trazione. La sua avvertenza è più rigorosa di quanto suggeriscano molte brevi tabelle di conversione: i valori convertiti si applicano direttamente soltanto al materiale esatto sottoposto a prova, e le stime della resistenza a trazione sono le conversioni meno affidabili (International Organization for Standardization, 2013). Un rapporto dovrebbe quindi indicare esplicitamente la base della conversione:

> Base: ISO 18265:2013, tabella di conversione per acciai, valore approssimativo; applicabilità limitata al grado e alla condizione del materiale sottoposto a prova.

ASTM E140 e ISO 18265 non autorizzano a convertire qualsiasi combinazione di scale. Le loro tabelle presentano categorie di materiali, intervalli e limiti relativi ai metodi di prova. Una conversione al di fuori di tali limiti dovrebbe essere contrassegnata come non supportata oppure omessa.

Separare i valori misurati, convertiti e stimati

Utilizzare etichette separate per tre diversi tipi di informazione:

> Durezza misurata: 225 HBW 10/3000, ASTM E10. > Durezza convertita: circa 22 HRC, ISO 18265:2013, tabella applicabile per gli acciai. > Resistenza a trazione stimata: circa 760 MPa, relazione empirica durezza–resistenza; non misurata mediante prova di trazione.

Il terzo valore non deve mai essere presentato come resistenza a trazione: 760 MPa, a meno che non sia stato ottenuto mediante una prova di trazione. ISO 18265 identifica le stime della resistenza a trazione come le conversioni meno affidabili. Lo studio NIST sulle relazioni empiriche Rockwell–Brinell, pubblicato nel 1929, ha rilevato che la resistenza a trazione dell’acciaio può spesso essere stimata dalla durezza Brinell a fini commerciali, ma tale risultato descrive una convenienza empirica, non una legge universale. Una prova di trazione diretta rimane necessaria quando un calcolo di progetto, una certificazione del materiale, un’indagine su un cedimento o una decisione di accettazione dipendono dal carico di snervamento, dalla resistenza a trazione ultima, dall’allungamento o dalla strizione.

Alcune relazioni sono utili soltanto entro una determinata classe di materiali. Uno studio del 2012 pubblicato in Materials Science and Engineering: A ha individuato la relazione approssimativa Hᵥ ≈ 3σUTS per alcuni materiali metallici duttili ad alta resistenza. Il rapporto varia in funzione della classe del materiale, della microstruttura e della morfologia dell’indentazione; non dovrebbe essere applicato automaticamente all’ASTM A36 ferritico-perlitico, al SAE J404 Grade 4140 temprato e rinvenuto, all’acciaio inossidabile martensitico o a una superficie nitrurata. Uno studio del 2023 sugli acciai strutturali non legati storici e contemporanei ha rilevato una relazione empirica generalmente lineare tra la durezza Brinell e i parametri della resistenza a trazione nel materiale allo stato grezzo o normalizzato. Tale risultato non stabilisce la stessa retta per acciai temprati e rinvenuti, incruditi, cementati o induriti per precipitazione.

Una registrazione completa può quindi essere formulata come segue:

> Materiale: SAE J404 Grade 4140, temprato e rinvenuto a 540 °C; barra di 40 mm, prova a metà del raggio; superficie rettificata. Misurato: 31 HRC, ASTM E18, durometro Rockwell calibrato. Convertito: circa 295 HBW, ASTM E140-12, tabella applicabile per gli acciai legati; valore esclusivamente approssimativo. Resistenza a trazione stimata: circa [valore] MPa, ottenuta da [equazione o tabella indicata]; solo una stima, non il risultato di una prova di trazione.

Questo formato conserva le evidenze, le ipotesi e i limiti della conversione. Consente inoltre a un revisore successivo di decidere se sia necessaria una prova diretta, evitando di scambiare un comodo valore equivalente per una nuova misurazione.

Confronti metallurgici esemplificativi senza falsa precisione

La conversione della durezza diventa fuorviante quando il numero viene trattato come un’identità del materiale anziché come il risultato di una prova specifica eseguita su una determinata condizione dell’acciaio. Un valore Brinell misurato su una sezione integra e omogenea può correlarsi ragionevolmente con la resistenza a trazione all’interno di una famiglia controllata di acciai normalizzati. Lo stesso valore numerico di durezza ottenuto su un acciaio bonificato, o sulla superficie cementata di un componente, non ha lo stesso significato.

La norma ASTM E140-12, Tabelle standard di conversione della durezza per i metalli, fornisce relazioni approssimative tra le scale Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficiale, Knoop, Scleroscope e Leeb per metalli specificati, inclusi gli acciai al carbonio, legati e per utensili omogenei. ASTM afferma direttamente che «le conversioni sono influenzate dalla lega, dalla struttura dei grani e dal trattamento termico» (ASTM International, 2012). Tale limitazione si applica a ciascuno dei confronti riportati di seguito.

Acciaio strutturale non legato normalizzato

Un acciaio strutturale non legato normalizzato rappresenta il caso in cui la relazione tra durezza Brinell e resistenza può essere relativamente coerente. Si consideri un grado quale ASTM A36, oppure un grado della norma EN 10025-2 quale S275JR, a condizione che il materiale si trovi effettivamente in una condizione normalizzata o equivalente a grana fine e che la sezione sottoposta a prova sia sufficientemente omogenea. La normalizzazione affina e regolarizza la struttura ferrite–perlite mediante riscaldamento al di sopra dell’intervallo critico e successivo raffreddamento in aria. Non rende identica ogni colata di acciaio, ma riduce parte della variabilità dello stato metallurgico che complica l’interpretazione della durezza.

Per questa classe di materiali, la durezza Brinell campiona un volume relativamente grande attraverso un’impronta sferica. Il risultato media quindi ferrite, perlite, inclusioni e variazioni locali in modo più efficace rispetto a un’impronta di microdurezza molto piccola. Se il tenore di carbonio, il tenore di manganese, la dimensione dei grani, lo spessore e la storia di lavorazione rimangono all’interno di una popolazione ristretta, all’aumento della durezza Brinell corrisponderà generalmente un aumento del carico di snervamento e della resistenza a trazione. Uno studio del 2023 pubblicato in Materials Today: Proceedings ha rilevato una relazione empirica generalmente lineare tra la durezza Brinell e i parametri della resistenza a trazione per acciai strutturali non legati storici e contemporanei allo stato grezzo o normalizzato (Materials Today: Proceedings, 2023).

«Generalmente lineare» non autorizza a calcolare un valore garantito della resistenza a trazione a partire da una singola impronta. Descrive una relazione adattata a un insieme di materiali. Anche all’interno del grado S275JR o ASTM A36, le differenze nello spessore della lamiera, nella pratica di disossidazione, nel tenore di fosforo e zolfo, nella storia di laminazione e nella segregazione locale possono modificare il risultato. Un valore di durezza rilevato nella zona termicamente alterata di una saldatura non è intercambiabile con uno rilevato nella lamiera base.

Il più datato studio NIST sulle relazioni empiriche Rockwell–Brinell è giunto a una conclusione pratica che rimane utile: la resistenza a trazione dell’acciaio può spesso essere stimata dalla durezza Brinell per scopi commerciali, ma la stima è empirica e non costituisce una legge universale (NIST, 1929). Pertanto, una tabella di conversione può contribuire a verificare preliminarmente l’uniformità del materiale o a supportare il controllo di processo quando la famiglia e la condizione dell’acciaio corrispondono a quelle della tabella. Non può sostituire una prova di trazione quando sono in gioco un carico di snervamento specificato, una resistenza a trazione, un allungamento o un criterio di accettazione.

Acciaio legato bonificato

Un acciaio legato bonificato mette in evidenza in modo ancora più netto i limiti di una conversione generica della durezza. SAE 4140 ed EN 10083-3 42CrMo4 possono essere entrambi descritti come acciai al cromo-molibdeno, tuttavia la loro relazione tra durezza e resistenza dipende fortemente dalla pratica di austenitizzazione, dalla severità di tempra, dalla temperatura di rinvenimento, dal tempo di mantenimento e dalla dimensione della sezione. Lo stesso grado nominale può contenere martensite rinvenuta in prossimità di una superficie temprata, una miscela di bainite e martensite in una posizione intermedia e una struttura di trasformazione più tenera verso il centro di una barra di grandi dimensioni.

La condizione di rinvenimento è importante perché durezza e comportamento a trazione non variano esattamente nella stessa proporzione lungo l’intero intervallo di rinvenimento. La martensite rinvenuta a bassa temperatura può conservare un’elevata durezza con tenacità limitata; il rinvenimento a temperatura più elevata riduce la durezza, migliorando al contempo la duttilità e riducendo le tensioni residue. Le reazioni di indurimento secondario, la precipitazione dei carburi, l’austenite trattenuta e l’infragilimento da rinvenimento possono alterare ulteriormente una semplice relazione basata su un unico numero. Una conversione da HRC a HB può essere accettabile come approssimazione tra scale per un provino omogeneo, mentre una resistenza a trazione stimata sulla base del valore HB così convertito può comportare un’incertezza considerevolmente maggiore.

Anche la dimensione della sezione è altrettanto importante. Un piccolo provino di 42CrMo4 può temprarsi attraverso l’intera sezione, mentre un grande albero forgiato della stessa designazione può sviluppare un gradiente di durezza perché il nucleo si raffredda più lentamente. Sottoporre a prova la superficie e attribuire quel risultato all’intera sezione trasversale può sovrastimare la resistenza del nucleo. Il rapporto tecnico SAE Prove di durezza e conversioni dei numeri di durezza afferma che le conversioni precise devono essere sviluppate per la composizione dell’acciaio, il trattamento termico e il componente specifici, poiché dimensioni, massa, composizione e lavorazione influenzano la relazione (SAE International, 1967).

La relazione approssimativa Hᵥ ≈ 3σUTS, riportata per alcuni materiali metallici ad alta resistenza e duttili in uno studio del 2012 pubblicato in Materials Science and Engineering: A, illustra il pericolo di estendere una correlazione utile oltre la sua classe di materiali. Lo studio riporta inoltre che i rapporti tra durezza e resistenza dipendono dalla classe del materiale, dalla microstruttura e dalla morfologia dell’impronta (Materials Science and Engineering: A, 2012). Tale relazione non deve essere applicata come regola generale a ogni condizione del 4140, tantomeno a una catena di conversioni che coinvolga diverse scale di durezza.

Acciaio con superficie indurita e nucleo tenero

Un componente in acciaio cementato rende particolarmente rischiosa la sostituzione della resistenza a trazione con la durezza. Si consideri SAE 8620 o EN 10084 20MnCr5 dopo cementazione, tempra e rinvenimento. L’arricchimento di carbonio produce uno strato cementato martensitico duro, mentre il nucleo a basso tenore di carbonio rimane molto più tenace e sostanzialmente più tenero. Il componente non presenta quindi un’unica durezza rappresentativa del suo stato meccanico complessivo.

Una misurazione Rockwell C sullo strato cementato rileva la resistenza di una regione superficiale poco profonda. Dice poco sul carico di snervamento del nucleo, sulla resistenza a trazione del nucleo, sull’allungamento o sul comportamento a frattura. Se lo strato cementato è sottile rispetto alla profondità dell’impronta o se il carico di prova raggiunge la zona di transizione, il valore misurato può essere ridotto dall’influenza del substrato tenero. Una prova Rockwell superficiale o Vickers può caratterizzare meglio lo strato cementato, ma descrive comunque lo strato sottoposto a prova, non il materiale massivo. I profili di microdurezza possono mappare la durezza dalla superficie verso il nucleo; da soli, tuttavia, non possono stabilire una curva sforzo–deformazione a trazione.

La distinzione influisce anche sul campionamento. La rimozione mediante rettifica dello strato cementato prima di una prova Brinell può produrre una durezza significativa del nucleo, ma tale risultato deve essere riportato come misurazione del nucleo. Lasciare intatto lo strato cementato ed eseguire una misurazione superficiale produce un risultato relativo allo strato cementato. Definire entrambi i valori come «la durezza del componente» nasconde il gradiente delle proprietà.

La norma ISO 18265:2013 specifica i principi per la conversione dei valori di durezza tra le diverse scale e per la stima della resistenza a trazione, ma stabilisce che i valori convertiti si applicano direttamente solo al materiale esatto sottoposto a prova e identifica le stime della resistenza a trazione come le conversioni meno affidabili (ISO, 2013). Un dente in SAE 8620 cementato non è il materiale omogeneo esatto rappresentato da una tabella di conversione per acciai al carbonio. La norma ASTM E140-12 non può quindi trasformare il suo valore HRC dello strato cementato in un valore difendibile della resistenza a trazione del materiale massivo.

Per una decisione di progettazione o di accettazione, la risposta corretta consiste nel definire la proprietà da verificare: durezza dello strato cementato, profondità efficace dello strato cementato, durezza del nucleo oppure proprietà a trazione ottenute da un provino preparato separatamente. Le prove di trazione dirette, l’esame metallografico e la profilatura della durezza in funzione della profondità rispondono a domande diverse. Un numero convertito risponde soltanto alla domanda circoscritta supportata dalla correlazione applicabile e specifica per il materiale.

Procedura pratica di riferimento

La conversione della durezza dovrebbe iniziare da una decisione relativa alla proprietà effettivamente necessaria. Un valore di durezza misurato descrive la risposta di una determinata superficie, posizione, penetratore e forza di prova. Un valore di durezza convertito è una stima su un’altra scala di durezza. Una resistenza a trazione stimata è un’ulteriore inferenza e, di norma, è meno affidabile della conversione tra scale di durezza. Questi tre risultati non devono essere riportati come se fossero intercambiabili.

Prima della prova

Definire il quesito ingegneristico prima di selezionare la prova. Se il requisito riguarda la resistenza all’usura superficiale, la profondità dello strato indurito, l’uniformità locale del trattamento termico o un valore per il controllo della produzione, la durezza può essere la proprietà diretta appropriata. Se il requisito riguarda il limite di snervamento, la resistenza a trazione ultima, l’allungamento, il comportamento alla frattura o la certificazione del materiale, la durezza è soltanto una possibile misura di screening. La prova di trazione è il metodo diretto per determinare le proprietà a trazione.

Identificare il grado di acciaio e lo stato del prodotto con la massima precisione consentita dalla documentazione. “Acciaio al carbonio” non è sufficiente. Registrare la designazione, come ASTM A36, SAE J403 1045, AISI 4140, ASTM A681 O1 o EN 1.2379, insieme alla forma del prodotto, alle dimensioni della sezione, al trattamento termico, al rinvenimento, all’incrudimento e al trattamento superficiale. Un provino di 4140 temprato e rinvenuto a 540 °C non presenta la stessa relazione durezza–resistenza dell’acciaio 4140 ricotto, anche se entrambi sono denominati 4140. Una superficie cementata, uno strato decarburato, una zona termicamente alterata dalla saldatura e una lamiera normalizzata possono richiedere ciascuno un piano di misurazione diverso.

Selezionare la scala in base alla geometria e alla durezza prevista, non alla praticità. La scala Brinell è utile per molte sezioni più grandi e relativamente uniformi, ma l’impronta della sfera richiede uno spessore sufficiente e una distanza adeguata dai bordi o dalle impronte adiacenti. La scala Rockwell è più rapida e lascia un’impronta più piccola, mentre le scale Rockwell superficiali sono adatte a sezioni più sottili o a strati induriti poco profondi. Le prove di microdurezza Vickers e Knoop possono risolvere piccole regioni, gradienti e singole fasi, ma la preparazione della superficie e la tecnica dell’operatore diventano più importanti. I metodi Leeb e Scleroscope sono portatili e utili in condizioni di campo adeguate; tuttavia, le loro letture dipendono fortemente dalla massa, dal supporto, dall’orientamento, dalle condizioni della superficie e dalla configurazione dello strumento.

Leggere la norma di prova applicabile prima di eseguire l’impronta. ASTM E10 disciplina la prova di durezza Brinell, ASTM E18 la prova di durezza Rockwell e ASTM E384 la prova di durezza per microindentazione; il metodo ISO pertinente può inoltre essere specificato dal disegno tecnico o dalla norma del materiale. ASTM E140-12, Tabelle standard di conversione della durezza dei metalli, contiene relazioni approssimate tra i valori Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficiale, Knoop, Scleroscope e Leeb per metalli specifici, inclusi acciai al carbonio, legati e per utensili omogenei. Essa non rende una scala un sostituto universale di un’altra.

Pianificare la preparazione del provino. Rimuovere calamina, ruggine, vernice e bave senza modificare lo strato trattato termicamente mediante rettifica o lucidatura eccessiva. La superficie di prova deve essere piana, pulita e sufficientemente liscia per il metodo selezionato. Sostenere saldamente il provino. Una lamiera sottile che si flette sotto il penetratore può produrre una lettura falsamente bassa, mentre un componente curvo o sostenuto in modo inadeguato può spostare il risultato in una delle due direzioni.

Durante la misurazione

Verificare lo strumento utilizzando i blocchi di riferimento o la procedura di verifica prescritti e registrare l’identificazione della macchina, il tipo di penetratore, la forza, il tempo di permanenza, la temperatura e la posizione della prova. Non mescolare tacitamente scale o carichi. “HRC” e “HRB” sono scale Rockwell diverse, non etichette intercambiabili; “HV10” e “HV0.2” utilizzano forze di prova diverse e possono campionare volumi microstrutturali differenti.

Eseguire le impronte lontano da bordi, fori, limiti delle saldature e impronte precedenti, rispettando le distanze richieste dalla norma di prova. Su un componente cementato, tracciare la distanza dalla superficie invece di effettuare una sola lettura in una posizione comoda. In un acciaio segregato, bandato o multifase, possono essere necessarie diverse impronte per distinguere la variazione effettiva dalla dispersione della misurazione.

Ripetere le misurazioni. Tre letture possono essere adeguate per un provino uniforme da laboratorio, mentre un giunto saldato, un rivestimento sottile, un gradiente o un grande forgiato possono richiedere una griglia più ampia. Scartare una lettura scomoda senza una regola documentata è una pratica scorretta. Riportare i singoli valori, la media, l’intervallo o la deviazione standard e le eventuali esclusioni, indicandone le motivazioni. Se le impronte ripetute mostrano variazioni significative, esaminare le condizioni della superficie, il supporto, la selezione della scala, la microstruttura e la tecnica dell’operatore prima di procedere a qualsiasi conversione.

Il risultato misurato dovrebbe conservare la propria identità originale: per esempio, 22 HRC, 235 HBW 2.5/187.5 o 310 HV10. Una conversione dovrebbe essere riportata separatamente, per esempio: “circa 22 HRC, convertiti da 235 HBW utilizzando ASTM E140-12”. Ciò impedisce che il valore fornito da una tabella venga scambiato per una seconda misurazione.

Dopo la conversione

Utilizzare una tabella di conversione corrispondente alla famiglia di acciai e all’intervallo misurato. ASTM E140-12 stabilisce che “le conversioni sono influenzate dalla lega, dalla struttura granulare e dal trattamento termico” (ASTM International, 2012). ISO 18265:2013 specifica i principi per convertire i valori di durezza tra scale e per stimare la resistenza a trazione, ma stabilisce che i valori convertiti sono direttamente applicabili solo al materiale esatto sottoposto alla prova; inoltre, identifica le stime della resistenza a trazione come le conversioni meno affidabili (ISO, 2013). Un valore tabellare al di fuori dell’intervallo dichiarato non diventa valido aggiungendo cifre decimali.

Trattare le stime della resistenza a trazione come risultati di screening. Uno studio NIST del 1929 riportò che la resistenza a trazione dell’acciaio può spesso essere stimata dalla durezza Brinell per scopi commerciali, sulla base di relazioni empiriche Rockwell–Brinell (NIST, 1929). Tale risultato conferma una correlazione pratica, non una legge universale. Anche il rapporto SAE del 1967, Prove di durezza e conversioni dei numeri di durezza, spiega che le conversioni precise devono essere sviluppate per la particolare composizione dell’acciaio, il trattamento termico e il componente, poiché dimensioni, massa, composizione e processo influenzano la relazione.

La relazione approssimata $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ è stata riportata per alcuni materiali metallici duttili ad alta resistenza, ma lo studio del 2012 pubblicato su Materials Science and Engineering: A ha collegato i rapporti tra durezza e resistenza alla classe del materiale, alla microstruttura e alla morfologia dell’impronta (Materials Science and Engineering: A, 2012). Essa non deve essere applicata automaticamente a una lamiera ferritico–perlitica, a un acciaio per utensili martensitico, a un acciaio inossidabile indurito per precipitazione o a uno strato superficiale indurito. Analogamente, uno studio del 2023 ha rilevato una relazione generalmente lineare tra durezza Brinell e resistenza a trazione per acciai strutturali non legati, storici e contemporanei, allo stato grezzo o normalizzato, ma non per ogni lega o stato di trattamento termico (Materials Today: Proceedings, 2023).

Registrare la tabella di origine, l’edizione, la scala originale, la scala convertita, la designazione dell’acciaio, lo stato, la posizione della prova, il numero di letture e l’incertezza. Dichiarare se il valore è misurato, convertito o stimato. Includere limitazioni quali gli effetti delle sezioni sottili, i gradienti superficiali, il trattamento termico sconosciuto, lo stato della calibrazione e l’eventuale appartenenza dell’acciaio a un intervallo esterno ai dati di origine.

Il flusso di lavoro ingegneristico è pertanto il seguente: definire la proprietà richiesta; selezionare, ove possibile, una prova diretta valida; verificare il grado e lo stato dell’acciaio; preparare e sostenere il provino; eseguire misurazioni ripetute; consultare la norma di conversione pertinente; registrare l’incertezza e le limitazioni; e ricorrere alla prova di trazione diretta quando il risultato incide sulla progettazione, sulla certificazione o sull’accettazione del materiale.

Riferimenti

1. [1]ASTM International. Standard Hardness Conversion Tables for Metals. ASTM International standard, 2012. https://store.astm.org/e0140-12.html
2. [2]International Organization for Standardization. Metallic materials—Conversion of hardness values. ISO standard, 2013. https://www.iso.org/standard/53810.html
3. [3]National Institute of Standards and Technology. Empirical Rockwell–Brinell relationships. NIST Journal of Research, 1929. https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/5/jresv5n1p19_A2b.pdf
4. [4]SAE International. Hardness Tests and Hardness Number Conversions. SAE technical report, 1967. https://books.google.com/books/about/Hardness_Tests_and_Hardness_Number_Conve.html?id=hRW4zwEACAAJ
5. [5]Materials Today: Proceedings authors. Brinell hardness and tensile-strength relationship in unalloyed structural steels. Materials Today: Proceedings, 2023. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352012423017897