Prova di durezza Vickers mobile con UCI per ridurre il carico di lavoro del personale di prova

Il metodo UCI (Ultrasonic Contact Impedance), inventato da Claus Kleesattel, è in uso nell'industria della lavorazione dei metalli da oltre 50 anni.

1.  Test di durezza UCI mobile

La prova di durezza portatile viene solitamente eseguita direttamente in loco sui componenti con dispositivi mobili, il che consente anche una prima valutazione dei risultati. Il grande vantaggio della tecnologia di misura portatile è:

• Facilmente spostabile per prendere decisioni rapide e selettive in loco.
• Può essere utilizzato laddove le prove di durezza classiche (Vickers, Rockwell, Brinell) non sono possibili o non sono pratiche, come ad esempio nell'ambito dell'ispezione delle merci in entrata, del controllo della produzione o della manutenzione dei componenti integrati.
• In particolare, i sistemi con sonde UCI sottili a forma di pin possono essere utilizzati in tutte le direzioni e le applicazioni sono essenzialmente limitate solo dall'accessibilità alla posizione di misura.

Con l'invenzione del metodo UCI (Ultrasonic Contact Impedance) nel 1961, è stato descritto per la prima volta un metodo di prova di durezza che determina la durezza Vickers sotto carico e quindi registra l'intera risposta elastica e plastica del materiale (area di contatto). Il sistema di diamante Vickers e asta vibrante, che vibra longitudinalmente in risonanza, cambia la sua frequenza di vibrazione al contatto con il materiale. L'entità dell'aumento di frequenza dipende sempre allo stesso modo dalla forza di misura (da 1 N a 100 N) e dai parametri meccanici della sonda. I fattori di influenza variabili provengono solo dal materiale in esame, come la forza di accoppiamento dell'area di contatto e il modulo di Young del materiale in esame. L'influenza del modulo E, che è uniforme per una classe di materiali, viene compensata durante l'assemblaggio della sonda regolando tra 128 HV e 900 HV su 8 blocchi di riferimento per la durezza Vickers di acciaio per utensili forgiato (modulo E da 205 a 210 GPa circa) calibrati dalla MPA (Material Testing Authority Dortmund). Si tratta di acciai temprati esclusivamente mediante trattamento termico e non con aggiunte di leghe. La curva di aggiustamento risultante costituisce la base per tutti i calcoli della durezza Vickers a partire da uno spostamento di frequenza (metodo comparativo). L'inventore del metodo UCI, Claus Kleesattel, aveva definito questo principio la "vera durezza SONODUR", che può essere determinata esclusivamente dallo spostamento di frequenza di una vibrazione di risonanza nella gamma degli ultrasuoni.

Pertanto, secondo la norma UCI DIN 50159-1, -2-2021 o ASTM A1038-2019, la calibrazione è rigorosamente riuscita solo se il valore di durezza nominale del blocchetto di riferimento della durezza viene raggiunto senza regolazione manuale sullo strumento da parte dell'operatore. Questo è il caso delle prove UCI con durometri come il SONODUR 3. In questo caso, la calibrazione viene solitamente mantenuta anche dopo un lungo periodo di stoccaggio.

La calibrazione può fallire se:

• il blocchetto di riferimento della durezza è montato su una superficie instabile, come un carrello a rulli, o se poggia su una superficie polverosa (il cosiddetto ringing - formazione di risonanze di componenti di disturbo).
• la forma e le dimensioni del blocco di riferimento per la durezza sono sfavorevoli per la prova di durezza UCI (ad esempio blocchi triangolari di 70 x 70 x 70 x 6 mm) e non è stato accoppiato acusticamente.
• l'operatore non guida la sonda perpendicolarmente alla superficie del componente (max. ± 5 gradi rispetto alla perpendicolare) o inizia a esercitare forze trasversali a causa di una manipolazione sfavorevole. In questo caso, due o più operatori dovrebbero confrontare i loro risultati. In questo caso, l'eliminazione di misurazioni palesemente errate è esplicitamente consentita se è disponibile una linea guida di misurazione corrispondente dal Manuale di gestione della qualità.
• la sonda non è regolata a causa di un'eccessiva sollecitazione meccanica. In questo caso, la sonda deve essere restituita al produttore per un controllo.

Le deviazioni assolute dal valore di blocco sono descritte nella norma DIN 50159-1 e nella norma ASTM A1038 in funzione della forza di misurazione e del livello di durezza (± 5 % per HV5UCI, valore medio di 5 misurazioni).

1.1 Punti di forza della prova di durezza UCI: un'efficace estensione della prova Vickers

Impilatore a cilindro nell'industria della stampa rotocalco

2.2 Variabili chiave che influenzano il cambiamento di frequenza: il modulo di Young

Il riferimento alla classica prova di durezza Vickers è stabilito, come spiegato, su blocchi di riferimento di durezza in acciaio calibrati MPA, registrando lo spostamento di frequenza misurato per ogni grado di durezza tra circa 120 e 900 HV (Fig. 1). La sonda UCI agisce come un diapason ad alta frequenza la cui frequenza inudibile (elevazione) dipende dal grado di accoppiamento del diamante Vickers con il materiale in esame. Non solo l'area di contatto gioca un ruolo importante, ma anche le proprietà fisiche del pezzo in esame, come il modulo di Young e il rapporto di Poisson. In questo caso, i durometri sono calibrati su uno specifico modulo di Young. Il SONODUR 3, ad esempio, per l'acciaio ha un modulo di Young di circa 210 GPa. Ciò corrisponde alla maggior parte degli acciai tecnici. Grazie a questa regolazione di fabbrica, il contributo della forza agente, l'interazione dell'area di contatto risultante tra il diamante e il pezzo in prova, nonché il contributo del modulo elastico del materiale di prova risonante alla geometria dell'asta vibrante o alla sospensione sono presi in considerazione nello spostamento di frequenza.

Fig. 1: Principio del test UCI con asta vibrante (a sinistra) in risonanza e spostamento di frequenza in funzione dell'accoppiamento/durezza del diamante con il materiale di prova (area di contatto).

• Monitoraggio della frequenza di oscillazione con il contatto del materiale.
• Misura della frequenza esatta al carico di prova.
• Calcolo dello spostamento di frequenza Δf rispetto alla frequenza zero f0 in aria.
• Stima del valore di durezza in HV da una curva di riferimento (curva di FOERSTER)

2.3 La barra vibrante: il cuore del gruppo sonda

2.4 Il modello dei punti di massa accoppiati

I processi relativi ai test UCI possono essere considerati come se l'asta vibrante agisse come una grande molla con un diamante Vickers attaccato all'estremità (Fig. 1a). Il materiale di prova è considerato virtualmente composto da molte piccole "molle elementari". Se l'asta che vibra longitudinalmente viene portata a contatto con il materiale, il diamante è inizialmente in contatto solo con alcune singole molle elementari e l'accoppiamento è minimo con un piccolo aumento di frequenza. Tuttavia, questo effetto aumenta quando il diamante penetra ulteriormente e interagisce con un numero sempre maggiore di molle del materiale (aumento dell'area di contatto). In questo modo, per una determinata forza di misura, si stabilisce una relazione con la durezza del materiale. L'insieme delle molle del materiale può anche essere chiamato modulo di Young, che influenza lo spostamento di frequenza. Le relazioni possono essere viste nella Fig. 1b.

Fig. 1a: Rappresentazione schematica della tecnologia UCI

2.5  La risposta di FOERSTER al test di durezza mobile UCI: il SONODUR 3

SONODUR 3 — Tecnologia di misurazione UCI di alta qualità   La tecnologia di misura UCI, installata nel SONODUR 3, definisce gli standard di qualità dei risultati di prova. L'acquisizione immediata dei valori di durezza in "marcia avanti" consente di ottenere rapidamente i valori misurati e di eliminare in larga misura gli errori dell'operatore. Il riferimento alla classica prova di durezza Vickers e quindi alla scala di durezza classica standardizzata pone le basi sistemiche della procedura di prova con SONODUR 3. La scala di durezza HV consente di misurare tutti i materiali e i pezzi in prova, da quelli morbidi a quelli duri. Il metodo copre l'intero intervallo di durezza. Di conseguenza, le conversioni in tutte le scale di durezza più comuni sono possibili in tempo reale e in qualsiasi momento. SONODUR 3 e sonde di misura UCI Un altro grande vantaggio della tecnologia di misura SONODUR 3 è la possibilità di effettuare regolazioni rapide su materiali con moduli di Young diversi. Il SONODUR 3 è quindi non solo ben equipaggiato per le applicazioni attuali, ma anche perfettamente adatto alle esigenze future. Provate tutti i vantaggi del SONODUR 3!

3.  Il concetto di numero di regolazione CAL e la conversione dei valori di durezza

Fig. 2: Operazioni di determinazione della curva di regolazione per l'acciaio basso-legato, che viene creata individualmente per ogni sonda UCI.

La formula  mostra la dipendenza dello spostamento di frequenza Δf dalla proprietà "k" dell'asta, dall'area di contatto A e dal modulo di Young effettivo (dal diamante e dal materiale).

Secondo la formula  , la durezza Vickers calcolata HV_UCI deriva dalla formula Vickers F/A_HV con la forza di misura F e l'area di indentazione A_HV dalle diagonali misurate durante la prova ottica (ipotesi A =A_UCIHV ). L'andamento della curva corrisponde a un'iperbole.

Se la relazione del valore HV_UCI con la durezza Vickers HV = F/A_HV è garantito (validazione), è possibile effettuare la conversione in altre scale di durezza o in resistenza alla trazione per l'acciaio.

L'adattamento dello strumento a materiali con modulo di Young diverso (rame, alluminio, cromo, ghisa, ecc.) è facilmente realizzabile tramite una misura comparativa e deve essere eseguito una sola volta, perché i parametri di regolazione (numero di regolazione, scala, tabella dei materiali, standard, forza di misura e nome dell'operatore) possono essere salvati in testo semplice e persino inviati per e-mail ad altri durometri. Le regolazioni a un punto "CAL" dell'azienda possono ora essere utilizzate per creare tabelle di materiali personalizzate per il controllo della produzione. L'operatore può riconoscere immediatamente la regolazione "corretta" dal numero di regolazione visualizzato.

Il numero di taratura "CAL" viene ora utilizzato per regolare il materiale (Fig. 3), con l'aiuto del quale la durezza Vickers viene ricalcolata dalla curva di taratura originale (Fig. 2). Il principio della misura di confronto e della regolazione è una pratica comune nei controlli non distruttivi, ad esempio con correnti parassite (σ, µ, dati del sensore), ultrasuoni (c, dati della sonda) o UCI (modulo di Young, asta vibrante). Il valore numerico è caratteristico del processo di misura e può essere programmato nel dispositivo in qualsiasi momento.

Fig. 3: I materiali con modulo di Young diverso devono essere addestrati al dispositivo di misura.

La costante di accoppiamento per l'alluminio con modulo di Young di circa 70 GPa provoca un segnale molto più piccolo rispetto a quello dell'acciaio, il che porterebbe a risultati errati rispetto alla regolazione dell'acciaio.

Dopo aver determinato il valore HV, i risultati della misurazione Vickers possono essere visualizzati in altre unità di durezza o resistenza alla trazione utilizzando le funzioni di conversione della norma EN ISO 18265-2019 (ex DIN 50150) o ASTM E140-18 (Fig. 2). Il problema dell'applicazione delle rivalutazioni all'interno delle scale di durezza classiche è discusso in dettaglio nei testi standard. Le condizioni di trattamento superficiale o termico e il controllo del processo possono influenzare la risposta del materiale in modo diverso per i diversi metodi di prova della durezza. SONODUR 3 include tutte le tabelle dei materiali in cui i valori di durezza Vickers sono correlati ad altre scale.
Inoltre, il calibro si imposta automaticamente con l'appropriato fattore di regolazione CAL se i valori di esperienza sono noti (ad esempio, alluminio, tabella F4, F5 o T9 con CAL=-8350, modulo di Young circa 70 GPa). Da qui, le regolazioni fini individuali possono essere effettuate in modo molto rapido e semplice mediante le misure comparative di cui sopra. Le leghe di alluminio con un elevato contenuto di silicio hanno un modulo di Young più elevato (circa 104 GPa) e devono quindi essere misurate utilizzando un riferimento Vickers con un valore CAL modificato per ottenere una misura valida. Nel caso dell'alluminio, si consiglia di utilizzare la tabella di conversione F5 (BS Standard, HB5/250) anziché F4 o T9 (ASTM E140, HB10/1000). Nel caso del rame, è necessario determinare i singoli numeri CAL, poiché la penetrazione dipende dal tempo e dalla forza di misura.

Il concetto del numero di regolazione CAL presenta ulteriori vantaggi, ad esempio quando la tecnologia di misura UCI viene utilizzata in apparecchiature di misura automatiche e devono essere compensate le possibili influenze (costanti) dovute alla guida e al montaggio della sonda.

L'uso di prove di durezza mobili ha senso solo se sono disponibili linee guida o specifiche e se sono note le proprietà del materiale e la loro storia. Si deve inoltre garantire che la comparabilità sia possibile quando si utilizzano metodi di prova con forze elevate (HRC, HB) e grandi profondità di penetrazione.

Quale strumento di misura può soddisfare al meglio i requisiti della prova di durezza mobile?

SONODUR 3

Con il SONODUR 3, FOERSTER offre un dispositivo mobile high-tech tuttofare nel campo dei test di durezza UCI. Il dispositivo funziona con le sonde della serie SONO-H/M/S collegate a cavo. Queste sono disponibili in diverse versioni e carichi di prova. Le sonde portatili sono disponibili con i carichi di prova standard di 10 N, 30 N, 49 N e 98 N. Le sonde a motore sono disponibili nelle versioni da 1 N, 3 N e 8,6 N. Per le sonde a treppiede sono disponibili forze di prova di 10 N, 49 N e 98 N.

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