Metody pomiaru twardości - poznaj podstawy

Kontrola jakości używanych materiałów to absolutna podstawa działania w przemyśle. Od jakości surowca zależy niemal wszystko – czas i jakość obróbki, jego możliwości plastyczne, czy jakość produktu końcowego. Dla przykładu wykorzystanie wadliwego stopu przy produkcji pojazdów będzie skutkować niebezpieczeństwem dla użytkownika oraz innych uczestników ruchu. Zatem zanim przystąpimy do jakiejkolwiek pracy z materiałem, należy odpowiednio ocenić jego właściwości m.in. poprzez badanie twardości. Jakie wyróżnia się jego metody?

Badanie twardości metali

Na samym początku należy wyjaśnić, czym jest twardość? Nazywa się tak odporność danego materiału na trwałe odkształcenia wywołane wgłębnika na niewielką powierzchnię materiału. Zależnie od właściwości (w tym przypadku) metalu i rozmiaru wspomnianego odkształcenia wyróżnia się badania nanotwardości, mikrotwardości i twardości. Poszczególne metody pomiaru wymagają działania na oczyszczonej, wyszlifowanej - a czasem nawet wypolerowanej - i równej powierzchni. Najczęściej wykorzystuje się trzy sposoby: Brinella, Rockwella i Vickersa. Skala twardości metali jest zależna od stosowanej metody.

Pomiar twardości metodą Brinella

Metoda została opracowana i wprowadzona w 1900 roku przez Johana Augusta Brinella. Skala twardości Brinella jest oznaczana jako HB w zakresie od 0 do 650. Zazwyczaj jest stosowana w przypadku tworzyw hutniczych. Pomiar polega na wciśnięciu w materiał stalowej kulki (HBS) lub kuli wykonanej z węglików spiekanych (HBW). W zależności od badanej próbki stosuje się różne średnice kulki; a także czas trwania badania oraz siłę docisku.

Największym atutem tej metody jest możliwość badania niejednorodnej struktury. Niestety, sposób ten nie jest pozbawiony wad. Przede wszystkim jest to metoda niszcząca, ponieważ pozostawia dużą ślad po pomiarze. Nie nadaje się również do sprawdzania metali twardych oraz drobnych części i cienkich blach. Dodatkowym utrudnieniem jest konieczność optycznego pomiaru średnicy odcisku wgłębnika, która wymusza posiadanie mikroskopu.

Pomiar twardości metodą Rockwella

Metoda ta została opatentowana w 1914 roku przez Hugh M. Rockwella i Stanley’a P. Rockwella. Badanie twardości polega na pomiarze głębokości odcisku wykonanego stożkiem diamentowym o kącie wierzchołkowym 120 st. i promieniu zaokrąglenia 0,2 mm lub kulki węglikowej o średnicy szesnastej części cala (1/16” = 1,5875 mm), rzadziej o średnicy 1/8”, ¼” lub ½”. Co istotne, badana próbka będzie posiadała bardzo niewielką skazę, przez co często dopuszcza się dokonywanie kontroli nawet na gotowych produktach. Każda skala twardości Rockwella posiada oznaczenie HR uzupełnione dodatkową literą lub literami wskazującymi na zastosowany wgłębnik oraz obciążenie wstępne i całkowite. Istnieje trzydzieści skali Rockwella, na przykład HRA, HRBW, HRC.

To badanie twardości zdobyło uznanie dzięki możliwościom stosowania w przypadku materiałów twardych, a także ze względu na szybkość pomiaru i jego łatwość, ponieważ twardościomierz jest prosty w obsłudze. Chodzi także o niewielki wpływ na badane tworzywo oraz bezpośrednie sczytywanie wyników z urządzenia (bez stosowania skomplikowanych tablic). Wszystko ma jednak swoje wady. W tym przypadku mowa o konieczności dokładnego ustawienia badanego przedmiotu, ponieważ łatwo można uzyskać nieprawidłowy wynik. Pomiary mogą również być niewłaściwe przy niesprzyjających warunkach środowiskowych. Metoda wymaga znajomości wielu skali, a porównywanie ich między sobą jest skomplikowane.

Pomiar twardości metodą Vickersa

Jest to najnowsza, z zestawionych tutaj, metoda. Stosuje się ją od 1924 roku. Skala twardości Vickersa jest oznaczana symbolem HV, po którym podaje się wartość zastosowanego obciążenia wyrażonego w kilogramach siły. Pomiar jest wykonywany za pomocą foremnego, czworobocznego ostrosłupa, wykonanego z diamentu, którego kąt wierzchołkowy wynosi 136 stopni. Wynik uzyskuje się poprzez podzielenie obciążenia statycznego, wyrażanego obecnie w N, przez kwadrat średniej długości przekątnych odcisku. Współczynnik 0,1891 uwzględnia jednostki oraz geometrię wgłębnika. Najczęściej stosuje się obciążenia w zakresie 1,961 – 980,7 N, co odpowiada oznaczeniom HV 0,2 – HV 100, ale popularna jest również metoda micro Vickersa (HV 0,01 – HV 0,2).

Ogromną zaletą tej metody jest możliwość stosowania w odniesieniu do materiałów miękkich i twardych. Ważna jest także mała ingerencja w badane tworzywo, czyli niewielki ślad po pomiarze, bardzo duża dokładność oraz możliwość łatwego porównaniu wyników uzyskanych przy różnych obciążeniach. Jako ciekawostkę można potraktować bliską liniowej zależność wyniku wyrażonego metodą Brinella HB30 z wartością uzyskaną w skali Vickersa. Krótki wzór HB = 0,95 HV z pewnością ułatwi doświadczonym w pomiarach twardościomierzem Brinella pracownikom rozpoczęcie badań z użyciem diamentowego wgłębnika. Takiego przeliczenia nie należy jednak traktować jako wyniku pomiaru. Wadą metody Vickersa jest koszt twardościomierza oraz większa pracochłonność procesu przygotowania materiału do pomiaru twardości. Na końcu należy także wskazać duży wpływ chropowatości na wynik pomiaru, szczególnie przy małej sile obciążającej wgłębnik.

Więcej informacji o wyżej wymienionych metodach pomiaru twardości znajdziesz na stronie https://www.ita-polska.com.pl/article_bw/48/wprowadzenie-do-pomiarow-twardosci. 

Artykuł zewnętrzny