Pomiar twardości materiałów – metody Brinella, Vickersa i Rockwella
Twardość materiału to kluczowa właściwość mechaniczna. Określa odporność na odkształcenia plastyczne. Poznaj najpopularniejsze metody pomiaru twardości. Wyjaśniamy skale Brinella, Vickersa i Rockwella.
Czym jest twardość materiału?
Twardość materiału to ważna cecha. Jest kluczowa w inżynierii materiałowej. Encyklopedia PWN podaje definicję. Określa twardość jako zdolność przeciwstawiania się odkształceniom plastycznym. Odporność materiału na lokalne odkształcenia jest miarą twardości. Twardość materiału metalicznego zależy od jego składu chemicznego. Wpływa na nią także obróbka termomechaniczna. Pierwiastkiem kluczowym dla twardości stali jest węgiel. Odpowiednia twardość elementów zapewnia ich wydajne działanie. Jest gwarantem bezawaryjnego funkcjonowania. Twardość stali to jedna z jej najważniejszych cech. Ma kluczowe znaczenie dla jej właściwości mechanicznych. Wpływa na zastosowania w przemyśle.
Metody pomiaru twardości
Istnieją różne metody pomiaru twardości. Można je podzielić na dwie grupy. Są to metody statyczne i metody dynamiczne. Metody statyczne to badania niszczące. Polegają na wgnieceniu wgłębnika w materiał. Mierzymy wtedy rozmiar odcisku. Metody dynamiczne opierają się na odbiciu. Mierzymy energię lub prędkość odbitego elementu.
Metody statyczne pomiaru twardości
Metody statyczne są szeroko stosowane. Umożliwiają precyzyjne pomiary. Należą do nich metody Brinella, Vickersa i Rockwella. Stosuje się też metody Knoopa i Mohsa.
Metoda Brinella
Metodę Brinella opracował Johan August Brinell. Było to w roku 1900. Pomiar polega na wgnieceniu kulki. Ma ona określoną średnicę. Stosujemy zadane obciążenie. Następnie mierzymy średnicę odcisku. Procedura pomiarów opisana jest w Polskiej Normie PN-EN ISO 6506. Metoda Brinella należy do prób niszczących. Jest stosunkowo łatwa w obsłudze. Nie jest jednak uznawana za metodę szybką. Przygotowanie powierzchni jest kluczowe. Zapewnia to wiarygodność pomiarów. Skala twardości Brinella oznacza się HBW. Leży w zakresie od 3 do 650 HBW. Skala Brinella ma fundamentalne znaczenie. Stosujemy ją przy pomiarach stali.
„zdolność materiału do przeciwstawiania się odkształceniom plastycznym…” – Encyklopedia PWN
Jak mierzy się twardość metodą Brinella?
Pomiar twardości metodą Brinella polega na wgnieceniu kulki. Ma ona określoną średnicę. Stosujemy zadane obciążenie. Następnie mierzymy średnicę odcisku.
| Kryterium | Wartość |
|---|---|
| Zakres twardości HBW (min.) | 3 |
| Zakres twardości HBW (max.) | 650 |
| Typowe średnice kulki (mm) | 1, 2.5, 5, 10 |
| Typowa siła docisku (min. N) | 1 |
| Typowa siła docisku (max. N) | 3000 |
Metoda Vickersa
Skala twardości Vickersa powstała w 1924 roku. Opracowali ją Smith i Sandland. Pracowali w firmie Vickers Ltd. Twardość w skali Vickersa oznacza się HV. Pomiar polega na wgnieceniu wgłębnika. Jest nim czworoboczny ostrosłup diamentowy. Kąt wierzchołkowy ostrosłupa wynosi 136°. Mierzymy przekątną wgniecenia. Stosujemy różne obciążenia. Metoda Vickersa jest bardziej precyzyjna. Procedura opisana jest w PN-EN ISO 6507-1.
Co jest wgłębnikiem w metodzie Vickersa?
W metodzie Vickersa używamy wgłębnika. Jest nim czworoboczny ostrosłup diamentowy. Ma kąt wierzchołkowy 136°.
Możemy stosować różne siły obciążenia. Wyróżniamy trzy zakresy skali Vickersa. Mikrotwardość to siły od 0,09807 N do 0,9807 N. Mała siła obciążenia to od 1,961 N do 29,42 N. Standardowa twardość to siły od 49,03 N do 980,7 N.
Metoda Rockwella
Metodę Rockwella wynaleźli Hughon M. i Stanley P. Rockwell. Została opatentowana w 1914 roku. Pierwszą serię twardościomierzy wypuściła firma WILSON. Skala Rockwella to zespół skal. Służą do oznaczania twardości różnych materiałów. Badamy metale, tworzywa sztuczne, ceramikę. Analizujemy też węgliki spiekane. Metoda Rockwella polega na pomiarze głębokości wgniecenia. Stosujemy stożek diamentowy lub kulkę stalową. Pomiar jest wykonywany pod wpływem obciążenia. Metoda Rockwella pozwala analizować materiały. Dotyczy to zarówno miękkich, jak i twardszych. Procedura opisana jest w PN-EN ISO 6508.
Kiedy opatentowano metodę Rockwella?
Metoda Rockwella została opatentowana w 1914 roku. Wynaleźli ją Hughon M. i Stanley P. Rockwell.
Twardość według Rockwella (HRC) jest często stosowana. Używa się jej w przemyśle sztućcowym. Zakres skali Rockwella HRC to od 20 do 100. Odczyty poniżej HRC 20 są niewiarygodne. Twardość stali bardzo twardej to HRC 55–66. Twardość mosiądzu to HRB 55 do HRB 93. Twardość noża jest ważnym czynnikiem. Twardość stali mierzy się w stopniach HRC. Noże podstawowe mają 56 do 59 stopni HRC. Noże o twardości 63-66 stopni HRC są wyjątkowo ostre. Wyższa wartość twardości oznacza dłuższą żywotność ostrza.
„Radość posługiwać się takim ostrzem.” – Cytat z materiałów źródłowych
„Różnica pomiędzy nożem, który ma 58, a tym, który ma 59 stopni HRC jest gigantyczna.” – Cytat z materiałów źródłowych
Inne metody statyczne
Metoda Knoopa mierzy wgniecenia. Stosuje diamentowe urządzenie. Ma ono specjalny kształt. Jest idealna dla materiałów cienkich. Metoda Mohsa to badanie zarysowania. Służy do określania twardości minerałów.
Metody dynamiczne pomiaru twardości
Metody dynamiczne bazują na odbiciu. Pozwalają na szybkie pomiary. Należą do nich metody Shore’a i Leeba. Stosuje się też metodę młotka Poldi’ego.
Metoda Shore’a
Metoda Shore’a polega na zrzuceniu ciężarka. Spada on z określonej wysokości. Mierzymy wysokość jego odbicia. Procedura opisana jest w PN-ISO 868.
Metoda Leeba
Metoda Leeba mierzy stosunek prędkości. Dotyczy to prędkości odbicia i uderzenia. Stosujemy specjalny twardościomierz Leeba.
Metoda młotka Poldi’ego
Metoda młotka Poldi’ego to prosta metoda dynamiczna. Służy do porównania twardości. Wgniata się kulkę jednocześnie w badany materiał i wzorzec.
Porównanie metod i przeliczanie twardości
Dla różnych materiałów dobieramy metody badawcze. Wybór zależy od struktury materiału. Zależy też od wymagań badawczych. Istnieją tabele twardości materiałów. Obejmują jednostki Brinella, Vickersa i Rockwella. Tabele pozwalają przeliczać twardość. Używamy ich do wyznaczenia wytrzymałości na rozciąganie.
Znaczenie pomiaru twardości
Badanie twardości stali jest ważne. Jest istotne w wielu branżach. Pomiary twardości metali są powtarzalne. Są niezależne od operatora. Twardościomierz do stali pozwala określić parametry materiałów. Pomiary twardości stali są zalecane. Dotyczy to ulepszenia cieplnego materiału. Przykładem jest proces hartowania. Twardość metalu wykorzystanego przy produkcji kół powinna być wyższa. Powinna być wyższa o 20% niż szyn.
Dlaczego mierzymy twardość stali?
Mierzymy twardość stali, bo to ważna cecha. Wpływa na jej właściwości mechaniczne. Zapewnia bezawaryjne działanie elementów. Jest kluczowa w przemyśle.
Inne badania materiałowe obejmują badania wizualne (VT). Wykonuje się badania penetracyjne (PT). Stosuje się badania magnetyczno-proszkowe (MT). Przeprowadza się badania prądami wirowymi (ET). Badania szczelności to metoda pęcherzykowa (LT). Stosuje się też metodę ultradźwiękową (LT). Wykonuje się badania radiograficzne (RT). Ultradźwiękowe pomiary grubości (UTT) są popularne. Badania ultradźwiękowe (UT) to szeroka kategoria. Obejmuje IBUS-TD, phased array (PA), TOFD. Analiza składu chemicznego (PMI) jest ważna. Pomiary zawartości ferrytu (FE) są wykonywane. Ocena stanu technicznego konstrukcji (ATCS) jest istotna. Badania szczelności spoin są konieczne. Badania zbiorników są przeprowadzane.
Narzędzia do pomiaru twardości
Do pomiaru twardości używamy twardościomierzy. Są to specjalistyczne urządzenia. Wyróżniamy twardościomierze Vickersa, Brinella, Rockwella. Stosuje się też twardościomierz Leeba. Metoda UCI wykorzystuje drgania. Urządzenia pomiarowe powinny pochodzić z wiarygodnego źródła.
Jakie są rodzaje twardościomierzy?
Istnieją różne rodzaje twardościomierzy. Należą do nich twardościomierze Vickersa, Brinella, Rockwella, Leeba. Stosuje się też urządzenia UCI.
Podsumowanie
Pomiar twardości jest fundamentalny. Jest kluczowy w inżynierii materiałowej. Twardość to odporność na trwałe odkształcenia. Istnieją metody statyczne i dynamiczne. Metody Brinella, Vickersa i Rockwella są najpopularniejsze. Każda metoda ma swoją skalę i zastosowania. Dobór metody zależy od materiału. Zależy też od wymagań badania. Prawidłowy pomiar twardości zapewnia jakość.