Il metodo UCI (Ultrasonic Contact Impedance), inventato da Claus Kleesattel, è in uso nell'industria della lavorazione dei metalli da oltre 50 anni.
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:
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:
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).
Il grande punto di forza delle prove UCI rispetto alle prove ottiche Vickers sui pezzi è il contatto completo con il materiale. Soprattutto con impressioni di misura decrescenti (forza di misura ridotta, durezza elevata), l'acquisizione di lunghezze diagonali diventa sempre più difficile con il metodo ottico. Analogamente, i test UCI nell'industria metallurgica possono essere eseguiti su substrati grigi a rullo, superfici rettificate o su substrati scuri (bruniti). In questo caso, il classico test Vickers non è più utile a causa dell'incerta determinazione delle lunghezze diagonali dovute alla topologia irregolare della superficie. Anche le scanalature di lavorazione non interferiscono molto al livello di carico più elevato (100 N / HV10), purché il componente non sia temprato.
La prova di durezza UCI può quindi essere adattata con estrema precisione al compito di misurazione rispetto alla classica prova di durezza Vickers e rappresenta quindi il "braccio esteso" della tecnologia di misurazione classica nella produzione. L'adattamento del dispositivo a materiali con moduli di elasticità diversi (rame, alluminio, cromo, ecc.) è facilmente realizzabile attraverso una misurazione comparativa con una macchina di misura della durezza classica (HV, HRC, HB). L'operazione deve essere eseguita una sola volta, perché i parametri di regolazione possono essere salvati in testo semplice. In questo caso, i numeri di identificazione del materiale devono essere noti e inclusi nei parametri di regolazione. Le tabelle dei materiali memorizzate da EN ISO 18265 e ASTM E 140 contengono già i numeri di aggiustamento (CAL), nella misura in cui sono disponibili valori empirici (vedi capitolo 2 "Il metodo UCI").
Il metodo UCI - utilizzato per la prima volta nel 1965 con il nome di "SONODUR" - valuta elettronicamente e visualizza digitalmente l'indentazione della durezza Vickers in frazioni di secondo. Il valore di durezza risultante in unità di Vickers viene determinato sotto carico e viene calcolato un valore di durezza a una forza definita (forza di indentazione). Questo corrisponde alla superficie di indentazione dopo lo scarico.
Mentre la sonda di misura viene premuta sul materiale, l'asta vibrante della sonda esegue vibrazioni ultrasoniche longitudinali a circa 78 kHz mediante eccitazione piezoelettrica. L'accoppiamento del materiale del diamante di Vickers crea una resistenza di contatto, che inizialmente provoca uno smorzamento dell'ampiezza dell'oscillazione e contemporaneamente fa aumentare la frequenza di oscillazione in modo caratteristico. Questo smorzamento viene compensato all'interno di un anello di controllo. Lo spostamento di frequenza viene determinato esattamente quando viene raggiunta una determinata forza di misura e, nel caso delle sonde portatili, la durezza Vickers viene calcolata immediatamente. Il valore di durezza viene determinato molto rapidamente già durante il "movimento in avanti", cioè mentre il diamante viene premuto nel materiale, senza tempi di attesa o solo dopo che la sonda è stata sollevata dal materiale in esame. Questo è il modo migliore per ridurre al minimo l'influenza della forza di misura sull'operatore. Nel caso delle sonde motorizzate, il design prevede un tempo di penetrazione programmabile (da 1 a 99 s). Ciò consente di simulare il test allo stesso modo del metodo Vickers ed è utilizzato con grande successo nell'industria della stampa rotocalco su rivestimenti di rame con forze di misura ridotte (1 N o 3 N). In questo caso, uno speciale sistema di molle mantiene costante la forza di misura durante il processo di penetrazione, cosa che attualmente non è possibile con le sonde di misura portatili.
Impilatore a cilindro nell'industria della stampa rotocalco
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).
Sebbene la gamma delle diverse sonde sia molto ampia, l'asta vibrante, l'elemento più importante per l'esecuzione di test UCI, rimane sempre la stessa struttura. Questo è fondamentale affinché la risposta del materiale (impedenza acustica) sia ben prevedibile per tutte le sonde UCI. Questo non è necessariamente il caso dei produttori con diverse geometrie di aste (frequenze di vibrazione tra 40 e 80 kHz o 100 kHz).
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.
Come mostrato nella Fig. 1c, risulta una curva separata per ogni materiale con modulo di Young diverso da 210 GPa.
Fig. 1c: I diversi materiali in termini di modulo di Young danno luogo a una serie di curve
Si noti che: le diverse leghe di acciaio non differiscono nel modulo di Young (acciai al Cr-Mn, ecc.) e in questo senso rappresentano la "stessa classe di materiali". Gli acciai inossidabili austenitici, gli acciai duplex o l'Inconel possono richiedere una regolazione individuale per confronto con un riferimento adeguato. Inoltre, va notato che la rugosità superficiale può essere inclusa nel numero di regolazione. Pertanto, è importante che la lavorazione del materiale sia il più possibile simile.
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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. |
Fig. 2: Operazioni di determinazione della curva di regolazione per l'acciaio basso-legato, che viene creata individualmente per ogni sonda UCI.
La formula
Secondo la formula
Se la relazione del valore HVUCI con la durezza Vickers HV = F/AHV 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.
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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