Tester twardości Przewodnik: Wyjaśnienie metod Rockwellaa i Vickersaa
A tester twardości mierzy odporność materiału na miejscowe odkształcenie plastyczne, zazwyczaj poprzez wciśnięcie utwardzonego wgłębnika w powierzchnię materiału pod kontrolowanym obciążeniem i ocenę głębokości lub rozmiaru powstałego wcięcia. Badanie twardości jest jedną z najczęściej stosowanych kontroli jakości w obróbce metali, obróbce cieplnej i inżynierii materiałowej, ponieważ twardość jest ściśle powiązana z odpornością na zużycie, wytrzymałością na rozciąganie i obrabialnością, dając producentom szybki, w dużej mierze nieniszczący sposób sprawdzenia, czy część spełnia specyfikację materiałową.
Chociaż istnieją dziesiątki metod i skal badania twardości, Rockwell i Vickers pozostają dwiema najczęściej stosowanymi w warunkach przemysłowych i laboratoryjnych, a każda z nich jest dostosowana do różnych typów materiałów, geometrii części i wymagań dotyczących precyzji. W tym przewodniku opisano ogólne działanie twardościomierza, krok po kroku korzystanie z twardościomierza Rockwella oraz to, co wyróżnia twardościomierz Vickersa spośród innych metod testowania.
Jak działa tester twardości
Każdy twardościomierz, niezależnie od metody, działa na tej samej podstawowej zasadzie: przyłóż znaną siłę przez wgłębnik o określonym kształcie i materiale, a następnie zmierz powstałe odkształcenie, aby uzyskać wartość twardości. Metody testowania różnią się geometrią wgłębnika, przyłożonym obciążeniem oraz tym, czy pomiar opiera się na głębokości wcięcia mierzonej bezpośrednio przez maszynę, czy też wielkości wgłębnika mierzonej optycznie po usunięciu obciążenia.
Testy Rockwella mierzą bezpośrednio głębokość wcięcia za pomocą stożka diamentowego lub kulki ze stali hartowanej, w zależności od używanej skali, i niemal natychmiast dają odczyt twardości, ponieważ maszyna oblicza wartość automatycznie na podstawie różnicy głębokości między przyłożeniem mniejszego i większego obciążenia. Z kolei testy Vickersa i Brinellaa polegają na pomiarze wymiarów fizycznych wcięcia pozostawionego na powierzchni materiału, zwykle pod mikroskopem lub za pomocą zintegrowanego optycznego systemu pomiarowego, i obliczeniu twardości na podstawie zmierzonego obszaru wcięcia.
Wybór odpowiedniego testera twardości i skali dla danego materiału i zastosowania zależy od czynników obejmujących oczekiwany zakres twardości materiału, grubość i wykończenie powierzchni badanego elementu oraz to, czy zastosowanie wymaga szybkiej kontroli na hali produkcyjnej, czy precyzyjnego pomiaru laboratoryjnego. Normy testowe, takie jak ASTM E18 dla Rockwell i ASTM E92 dla Vickers, definiują dokładne procedury, obciążenia i wymagania kalibracyjne, których powinni przestrzegać producenci i laboratoria, aby uzyskać identyfikowalne i powtarzalne wyniki.
Jak korzystać z twardościomierza Rockwella
Prawidłowe użycie twardościomierza Rockwella rozpoczyna się od przygotowania próbki do badania: badana powierzchnia musi być czysta, płaska i wolna od zgorzeliny, utlenienia lub nierówności powierzchni, które mogłyby zniekształcić odczyt, ponieważ nawet niewielkie zanieczyszczenie powierzchni może znacznie zniekształcić wyniki. Próbkę do badań umieszcza się na kowadle maszyny i wybiera się odpowiedni wgłębnik – diamentowy stożek do twardszych materiałów lub stalową kulkę do miękkich materiałów, wraz z właściwym obciążeniem skali, w zależności od rodzaju materiału i oczekiwanego zakresu twardości.
Sam proces testowania przebiega według dwuetapowej sekwencji obciążania: najpierw przykładane jest niewielkie obciążenie, aby mocno osadzić wgłębnik na powierzchni materiału i ustalić stabilny punkt odniesienia, po czym przykładane jest główne obciążenie i utrzymywane przez określony czas przebywania, aby materiał mógł w pełni zareagować na przyłożoną siłę. Po usunięciu głównego obciążenia, podczas gdy mniejsze obciążenie pozostaje, maszyna mierzy różnicę w głębokości wcięcia pomiędzy dwoma etapami obciążenia i ta różnica głębokości jest przekształcana bezpośrednio na wartość twardości Rockwella wyświetlaną na tarczy testera lub na wyświetlaczu cyfrowym.
Aby uzyskać spójne i dokładne wyniki, operatorzy powinni dokonać wielu odczytów w różnych punktach badanego elementu, zamiast polegać na jednym pomiarze, ponieważ drobne niespójności materiałowe lub różnice powierzchni mogą powodować różnice w indywidualnych odczytach. Rozmieszczanie punktów testowych na tyle daleko od siebie, aby uniknąć zakłóceń pola naprężeń wytwarzanych przez sąsiednie wgłębienia, oraz utrzymywanie kalibracji testera poprzez regularną weryfikację za pomocą certyfikowanych bloków testowych to podstawowe praktyki umożliwiające uzyskanie wiarygodnych danych dotyczących twardości Rockwella w czasie.
Maszyna do testowania twardości Vickersa: czym się różni
A Maszyna do pomiaru twardości Vickersa wykorzystuje precyzyjnie ukształtowany wgłębnik diamentowy w kształcie kwadratowej piramidy, wciskany w powierzchnię materiału pod wybranym obciążeniem i w odróżnieniu od badania Rockwella, wartość twardości oblicza się na podstawie zmierzonej długości przekątnej pozostawionego wcięcia, a nie z głębokości wcięcia zmierzonej podczas samego testu. Ta metoda pomiaru optycznego wymaga zintegrowanego systemu mikroskopu lub kamery zdolnego do pomiaru przekątnych wgłębień z dużą precyzją, ponieważ nawet małe błędy pomiaru przekładają się bezpośrednio na niedokładność wartości twardości.
Jedną z kluczowych zalet testów Vickersa jest niezwykle szeroki zakres twardości i możliwość badania szerokiego spektrum materiałów, od bardzo miękkich metali po wyjątkowo twarde, kruche materiały, przy użyciu tej samej geometrii wgłębnika, co nie ma miejsca w przypadku testów Rockwella, gdzie różne skale wymagają różnych wgłębników i obciążeń dla różnych zakresów twardości. Ta wszechstronność sprawia, że testery Vickers są szczególnie cenne w środowiskach badawczych i kontroli jakości, obsługujących szeroką gamę typów materiałów i poziomów twardości bez konieczności zmiany konfiguracji sprzętu.
Nowoczesne twardościomierze Vickers w coraz większym stopniu zawierają oprogramowanie do automatycznego pomiaru optycznego, które przechwytuje obraz wcięcia i automatycznie oblicza pomiary przekątnej oraz wynikającą z nich wartość twardości, znacznie zmniejszając subiektywność operatora, która w przeszłości była ograniczeniem ręcznych pomiarów przy użyciu mikroskopu. Ta automatyzacja sprawiła, że testowanie Vickersa jest znacznie szybsze i bardziej spójne niż wcześniejsze ręczne metody pomiaru, przy jednoczesnym zachowaniu doskonałej precyzji i szerokiego zastosowania materiałów, które sprawiają, że testowanie Vickersa jest preferowaną metodą badania mikrotwardości cienkich powłok, małych części i nawęglanych warstw powierzchniowych.
Porównanie powszechnych metod badania twardości według typu wgłębnika, podstawy pomiaru i typowego zastosowania.
