Issue 19

L. Susmel et alii, Frattura ed Integrità Strutturale, 19 (2012) 37-50; DOI: 10.3221/IGF-ESIS.19.04 38 monotonic stress-strain curves experimentally determined by testing samples having both conventional size and, for austenitic steel AISI 316L, gauge length size equal to approximately 100 μm. The systematic comparison between experimental results and numerical simulations suggests that the increasing of the measured hardness value with the decreasing of the indenter size may directly be ascribed to the role played by the actual morphology of the material being tested. In particular, it is seen that conventional elasto- plastic continuum mechanics is no longer adequate to estimate metallic material hardness as the size of the indented surface approaches the average size of the grains. Finally, in order to overcome the above limitation by allowing the classical elasto-plastic FE approach to be used also to estimate nano-hardness, a simple engineering method is proposed and subsequently validated through the generated experimental results. K EYWORDS . Durezza; Nanoindentazione; Elementi finiti; Plasticità. I NTRODUZIONE e prove di durezza con penetratore sono da più di un secolo ampiamente impiegate nella pratica industriale per misurare in modo rapido ed economico alcune proprietà meccaniche dei materiali (come, ad esempio, per la stima diretta della tensione di snervamento), nonché per valutare le caratteristiche di trattamenti e lavorazioni superficiali. Queste metodologie di misura, basate sull’uso di penetratori di geometria standard, permettono l’ottenimento di impronte permanenti (aventi la particolarità di essere geometricamente simili al variare della profondità di penetrazione, ovvero, al variare del carico di prova) la cui estensione superficiale consente il computo diretto del valore di durezza, intesa come pressione media esercitata dal penetratore sull’area dell’impronta, area misurata dopo aver rimosso il carico [1-3]. Il forte sviluppo della microelettronica a cui si è assistito negli ultimi decenni (circuiti integrati, microprocessori, ecc.), nonché delle più moderne nanotecnologie (con importanti applicazioni nel campo biomedico), ha di recente portato gli specialisti del settore a rivalutare ulteriormente l’importanza delle prove di durezza basate sull’uso di penetratori. In particolare, viste le ridotte dimensioni di tali componenti, le prove di durezza si sono dimostrate forse le più adatte a rilevare in modo non-distruttivo le proprietà meccaniche dei materiali utilizzati in queste particolari applicazioni. Ovviamente, viste le dimensioni assolute dei componenti di cui doveva essere eseguita la misura della durezza, i carichi di prova sono stati ridotti fino ad ottenere profondità di penetrazione compatibili con le dimensioni del componente da testare. Uno degli aspetti più interessanti di questo processo di miniaturizzazione delle prove di durezza è stata la progressiva riduzione delle dimensioni assolute dell’impronta, mantenendone, però, inalterata la geometria, con l’evidente vantaggio di poter ottenere misure su diverse scale dimensionali che, almeno dal punto di vista geometrico, potessero essere confrontate in modo diretto. Considerando, invece, in modo più generale il problema della dipendenza del valore della durezza dalla dimensione dell’area indentata, è possibile affermare che quando la profondità dell’impronta, ottenuta mediante penetratori conici o piramidali, supera una certo valore di soglia (che varia al variare del materiale), la durezza misurata risulta praticamente indipendente dal valore del carico applicato: questa è la tipica situazione che si osserva nel caso di misure di macro-durezza su materiali metallici. Al contrario, quando, invece, la profondità di penetrazione è inferiore al valore di soglia a cui si faceva riferimento poco sopra, le misure di durezza diventano fortemente dipendenti dalle dimensioni dell’impronta stessa, tanto che il valore della misura può risultare anche due o tre volte più alto del valore ottenuto mediante un macro-indentatore (questo fenomeno diventa particolarmente evidente quando si eseguono misure su monocristalli o su materiali policristallini, come chiaramente evidenziato dalla diagramma di Fig. 1). Il lavoro sintetizzato nel presente articolo si incentra sullo studio delle problematiche legate alla stima della durezza di materiali metallici, quando la durezza viene determinata, su diverse scale dimensionali, mediante l’uso di penetratori di tipo Vickers. Interessante è subito osservare che quando ci si riferisce a questa particolare geometria di penetratore, come brevemente accennato poco sopra, sembra essere convinzione comune [5] che il valore della durezza, calcolato secondo la formula: 2 2p sin 68 HV d    (1) L