Twardość materiałów metalicznych odnosi się do odporności materiału na miejscowe odkształcenia, w szczególności odkształcenia plastyczne, wgniecenia lub zadrapania. Jest wskaźnikiem miękkości lub twardości materiału.
Twardość dzieli się na trzy typy w zależności od metod testowania.
Twardość zarysowania: Służy głównie do porównywania twardości różnych minerałów. Metoda polega na użyciu pręta, którego jeden koniec jest twardy, a drugi miękki, a następnie przeciąganiu pręta po badanym materiale. Miejsce pojawienia się zarysowań decyduje o twardości materiału. Jakościowo twardszy przedmiot pozostawia dłuższą rysę, podczas gdy bardziej miękki przedmiot pozostawia krótszą rysę.
Twardość wcięcia: Stosowany głównie do materiałów metalicznych. Metoda polega na przyłożeniu określonego obciążenia w celu wciśnięcia wyznaczonego wgłębnika w badany materiał. O twardości materiału decyduje stopień miejscowego odkształcenia plastycznego powierzchni. Ze względu na różnice w wgłębniku, obciążeniu i czasie trwania obciążenia istnieje kilka rodzajów testów twardości wgłębnej, w tym między innymi twardość Brinella, twardość Rockwella, twardość Vickersa i mikrotwardość.
Twardość odbicia: Stosowany głównie do materiałów metalicznych. Metoda polega na umożliwieniu swobodnego opadania specjalnie zaprojektowanego młotka z określonej wysokości i uderzenia w próbkę badanego materiału. Twardość materiału jest określana na podstawie ilości energii odkształcenia, którą próbka pochłonęła (a następnie uwolniła) podczas uderzenia, mierzonej wysokością, na jaką odbija się młotek.
Najpopularniejsze testy twardości materiałów metalicznych – twardość Brinella, twardość Rockwella i twardość Vickersa – należą do kategorii twardości wcięcia. Wartość twardości reprezentuje zdolność materiału do przeciwstawienia się odkształceniom plastycznym, gdy inny przedmiot zostanie wciśnięty w jego powierzchnię. Testy twardości odbicia (Shore, Leeb) mierzą twardość na podstawie stopnia odkształcenia sprężystego metalu, przy czym wartość twardości wskazuje zdolność materiału do odkształcenia sprężystego.
Twardość Brinella
Wgłębnik o średnicyDwykonana z hartowanej stali lub kulka węglikowa jest wciskana w powierzchnię próbki z odpowiednią siłą testowąF. Po określonym czasie trzymania siła testowa jest usuwana, pozostawiając wgłębienie o średnicyd. Wartość twardości Brinella oblicza się, dzieląc siłę testową przez pole powierzchni wcięcia. Wynikową wartością jest twardość Brinella, oznaczona jakoHBSLubHBW.
HRóżnica pomiędzyHBSIHBWzależy od rodzaju użytego wgłębnika.HBSodnosi się do testu z użyciem kulki ze stali hartowanej jako wgłębnika, zwykle stosowanego do pomiaru wartości twardości Brinella w materiałach o twardości poniżej 450, takich jak stal miękka, żeliwo szare i metale nieżelazne.HBWz drugiej strony wykorzystuje kulkę węglikową jako wgłębnik i służy do pomiaru wartości twardości Brinella w materiałach o twardości poniżej 650.
W przypadku tego samego elementu testowego i w identycznych warunkach badania wyniki obu metod będą się różnić, m.inHBWwartości często wyższe niżHBSwartości. Nie ma jednak między nimi ustalonego związku ilościowego.
Od 2003 roku Chiny przyjęły międzynarodowy standard i zastąpiły stosowanie kulek ze stali hartowanej kulkami z węglika do testów twardości Brinella. W rezultacieHBSnie jest już używany, orazHBWstał się standardowym zapisem twardości Brinella. W wielu przypadkachHBjest używany samodzielnie do przedstawienia twardości Brinella, do której zwykle się odnosiHBW. Jednakże,HBSmożna je nadal spotkać w niektórych publikacjach naukowych i publikacjach naukowych.
Test twardości Brinella jest odpowiedni dla materiałów takich jak żeliwo, stopy nieżelazne i różne stale ulepszane cieplnie. Nie nadaje się do badania materiałów, które są zbyt twarde, zbyt małe, zbyt cienkie lub próbek, które nie tolerują dużych wgnieceń na swojej powierzchni.
Twardość Rockwella
W metodzie tej wykorzystuje się wgłębnik w kształcie stożka diamentowego o kącie wierzchołkowym 120 stopni lub kulkę ze stali hartowanej jako wgłębnik, w połączeniu z określoną konfiguracją obciążenia. Badanie rozpoczyna się od obciążenia początkowego 10 kgf, po którym następuje przyłożenie całkowitego obciążenia (będącego sumą obciążenia początkowego i obciążenia głównego) 60, 100 lub 150 kgf. Wgłębnik jest wciskany w próbkę pod wpływem tych obciążeń sekwencyjnie. Po przyłożeniu całkowitego obciążenia twardość określa się na podstawie różnicy głębokości wcięcia pomiędzy głębokością pod obciążeniem początkowym a głębokością pod obciążeniem całkowitym po usunięciu obciążenia głównego, przy pozostawieniu obciążenia początkowego.
Ta metoda jest zwykle stosowana wTwardość Rockwellatestowanie. Głębokość wcięcia pod obciążeniem początkowym i obciążeniem całkowitym służy do obliczenia wartości twardości, która odzwierciedla odporność materiału na wgniecenie pod obydwoma obciążeniami.
W teście twardości Rockwella wykorzystuje się trzy różne siły testowe i trzy rodzaje wgłębników, co daje dziewięć możliwych kombinacji, z których każda odpowiada jednej z dziewięciu skal twardości Rockwella. Te dziewięć skal obejmuje prawie wszystkie powszechnie stosowane materiały metaliczne. Najczęściej stosowane skale toHRA, HRB, IHRC, zHRCbędąc najpowszechniej stosowanym.
Wspólna tabela standardów badania twardości Rockwella
|
Symbole twardości |
Rodzaje wcięć |
F/N(kgf) |
Zakres twardości |
Aplikacje |
|
HRA |
Stożek diamentowy 120 stopni |
588.4(60) |
20~88 |
Stale węglikowe, cermetalowe i stale utwardzane powierzchniowo |
|
HRB |
Ø1,588mm Kulka ze stali hartowanej |
980.7(100) |
20~100 |
Stale wyżarzone i normalizowane, stopy aluminium, stopy miedzi, żeliwo |
|
HRC |
Stożek diamentowy 120 stopni |
1471(150) |
20~70 |
Stal hartowana, stal ulepszana cieplnie i stal głęboko utwardzana powierzchniowo |
TheSkala HRCjest zwykle stosowany do wartości twardości w zakresie od 20 do 70 HRC. Przy wartości twardości poniżej 20 HRC czułość badania maleje, gdyż stożkowa końcówka wgłębnika zbyt głęboko wnika w materiał. W tym przypadkuSkala HRBzamiast tego należy go stosować, ponieważ jest bardziej odpowiedni do bardziej miękkich materiałów.
Gdy twardość próbki przekracza 67 HRC, nacisk na końcówkę wgłębnika staje się zbyt duży, co może spowodować uszkodzenie diamentu i znaczne skrócenie żywotności wgłębnika. Dlatego ogólnie zaleca się przejście naSkala HRAdla materiałów o twardości większej niż 67 HRC.
Test twardości Rockwella jest prosty w obsłudze, szybki i wytwarza małe wgłębienia, dzięki czemu nadaje się do testowania powierzchni gotowych produktów, a także twardszych i cieńszych przedmiotów. Ze względu na małe wcięcie wartość twardości może wahać się bardziej znacząco w przypadku materiałów o nierównej mikrostrukturze lub twardości, co skutkuje niższą dokładnością w porównaniu z testem twardości Brinella. Test twardości Rockwella jest powszechnie stosowany do pomiaru twardości stali, metali nieżelaznych, materiałów węglikowych i innych stopów.
Twardość Vickersa
Zasada pomiaru twardości Vickersa jest podobna do zasady pomiaru twardości Brinella. Stosowany jest wgłębnik w kształcie piramidy diamentowej o kącie rozwarcia 136 stopni i określonej sile testowejFnakłada się na powierzchnię materiału. Po utrzymaniu obciążenia przez określony czas siła testowa jest usuwana. Wartość twardości określa się na podstawie średniego nacisku wywieranego na jednostkową powierzchnię wgłębienia w kształcie ostrosłupa kwadratowego, a wartość twardości jest oznaczona symbolemWN.
Test twardości Vickersa ma szeroki zakres pomiarowy, umożliwiający pomiar materiałów o wartościach twardości od10 do 1000 HV. Wgłębienie jest małe, dzięki czemu szczególnie nadaje się do pomiaru cieńszych materiałów i warstw utwardzanych powierzchniowo, takich jak powierzchnie nawęglane lub azotowane.
Twardość Leeba
W teście twardości Leeba element udarowy z wgłębnikiem kulkowym z węglika wolframu uderza w powierzchnię próbki pod określoną siłą, powodując jej odbicie. Ze względu na różną twardość materiału prędkość odbicia jest różna. Urządzenie udarowe jest wyposażone w magnes trwały, a gdy korpus udarowy porusza się w górę i w dół, otaczająca cewka generuje sygnał elektromagnetyczny proporcjonalny do prędkości odbicia. Sygnał ten jest następnie przekształcany w obwodzie elektronicznym na wartość twardości Leeba, a wartość jest oznaczona symbolemHL.
Twardościomierz Leeba nie wymaga stołu warsztatowego; jego czujnik twardości jest tak mały jak długopis i można go obsługiwać bezpośrednio ręcznie. Ułatwia to bezproblemowe testowanie dużych, ciężkich przedmiotów lub próbek o skomplikowanej geometrii.
Kolejną zaletą twardościomierza Leeba jest to, że powoduje on bardzo minimalne uszkodzenia powierzchni produktu, a w niektórych przypadkach może być stosowany dobadania nieniszczące. Jest szczególnie wyjątkowy w przypadku badania twardości w różnych kierunkach, wąskich przestrzeniach i wyspecjalizowanych obszarach, gdzie zastosowanie innych metod może być trudne.
