Przewodnik po testach twardości metali: Rockwell, Shore i metody

Twardość jest miarą odporności materiału na trwałe wgniecenie. W badaniu twardości metali odpowiedź na pytanie, jak mierzy się twardość, jest prosta: znormalizowany wgłębnik wciskany jest w powierzchnię pod precyzyjnym obciążeniem, a wielkość lub głębokość wycisku przeliczana jest na liczbę twardości . W przypadku badania twardości stali na hali produkcyjnej metoda Rockwella jest przeważającym wyborem 60 HRC reprezentująca typową hartowaną stal narzędziową i 25 HRC oznacza miękką, podatną na obróbkę mechaniczną stal miękką . A Twardościomierz firmy United Rockwell to specyficzny instrument cyfrowy, który automatyzuje ten test, dostarczając wyniki w ciągu kilku sekund. W przypadku bardziej miękkich, niemetalowych materiałów, Twardościomierze Shore'a mierzą penetrację wgłębnika sprężynowego i są niezbędne w przypadku elastomerów i polimerów. W artykule przedstawiono praktyczne badanie metod sprawdzania twardości, począwszy od klasycznych technik Brinella i Vickersa, po przenośne testery odbicia, z przykładami twardości stali betonowej.

Jak mierzy się twardość: podstawowe zasady

Wszystkie metody pomiaru twardości statycznej mają wspólną sekwencję: wgłębnik o znanej geometrii jest wciskany w materiał z kontrolowaną siłą i szybkością, siła jest utrzymywana przez określony czas przebywania, a następnie mierzone jest wgłębienie. Wartość twardości oblicza się na podstawie głębokości penetracji lub powierzchni wycisku. Trzy najpopularniejsze typy wgłębników to stożek diamentowy, kulka ze stali hartowanej lub węglika oraz piramida diamentowa. Zasadnicza różnica między metodami polega na połączeniu wgłębnika, przyłożonej siły i podejścia pomiarowego.

W metalurgicznym badaniu twardości proces ten daje więcej niż tylko liczbę. Odzwierciedla granicę plastyczności materiału, szybkość utwardzania przez zgniot i mikrostrukturę. A Próba Brinella na odlewie gruboziarnistym na przykład uśrednia twardość wielu ziaren, podczas gdy a Mikrowcięcie Vickersa przy 0,5 kgf może wyizolować twardość węglika granicznego pojedynczego ziarna. Zrozumienie zasady pomiaru jest pierwszym krokiem do wyboru odpowiedniego testu.

Testowanie twardości Rockwella: stiard branżowy dla metalu

Badanie twardości Rockwella jest dominującą metodą badania twardości metali w środowiskach produkcyjnych, ponieważ jest szybkie, nieniszczące w skali makro i nie wymaga pomiarów optycznych. Test polega na przyłożeniu najpierw niewielkiego obciążenia (zwykle 10 kgf) w celu osadzenia wgłębnika i ustalenia zerowego odniesienia. Następnie przykłada się duże obciążenie (60, 100 lub 150 kgf), a następnie usuwa je, pozostawiając jedynie mniejsze obciążenie. Twardość odczytywana jest bezpośrednio z tarczy lub wyświetlacza cyfrowego jako funkcja odwrotna stałego przyrostu głębokości . Typowy cykl testowy trwa mniej niż pięć sekund.

Najpopularniejsze skale to HRC i HRB. HRC wykorzystuje wgłębnik diamentowy i główne obciążenie o masie 150 kgf i is used for hardened steels and titanium alloys. HRB wykorzystuje kulkę z węglika o średnicy 1/16 cala i główne obciążenie 100 kgf do bardziej miękkich materiałów, takich jak stopy miedzi i niehartowana stal. Przykładem twardości Rockwella, który stanowi wskazówkę dla dużej części przemysłu, jest specyfikacja przekładni nawęglanych 58–62 HRC , co zapewnia optymalną odporność na zużycie bez nadmiernej kruchości.

Badanie twardości stali i typowe przykłady twardości Rockwella

Badanie twardości stali jest najczęstszym zastosowaniem twardościomierzy laboratoryjnych, a wartości Rockwella służą jako uniwersalny język określający obróbkę cieplną. Poniższa tabela podaje bezpośrednie, praktyczne przykłady twardości dla typowych warunków stali. Wartości te są tym, czego oczekuje inżynier ds. jakości podczas umieszczania próbki na materiale Twardościomierz firmy United Rockwell .

Zjednoczonego Rockwella Tester twardości : Praktyczne rozwiązanie na ławce

The Twardościomierz firmy United Rockwell to specyficzna marka cyfrowego testera twardości, szeroko stosowanego w metalurgicznym badaniu twardości i zapewnianiu jakości. Modele z serii United TRU wykonują wszystkie regularne i powierzchniowe skale Rockwella, w tym HRC, HRB i HRN/T, z systemem przykładania siły w zamkniętej pętli, który zapewnia dokładność lepsza niż plus minus 0,5 HRC . Przyrząd automatyzuje sekwencję osadzania mniejszego ładunku, przykładania dużego obciążenia, zatrzymania i rozładunku po naciśnięciu przycisku, eliminując wpływ operatora na wynik. W przypadku badania twardości stali oznacza to, że technik może przetestować partię 50 próbek wałów i uzyskać spójne, powtarzalne wyniki bez pomiarów optycznych. Cyfrowy wyświetlacz testera pokazuje bezpośrednio wartość twardości, a dane można eksportować w celu statystycznej kontroli procesu, co czyni go centralnym narzędziem w dowolnej bibliotece metod sprawdzania twardości metali.

Badanie twardości Brinella dla materiałów sypkich i grubych

Metoda Brinella jest preferowaną metodą pomiaru twardości materiałów o grubej lub niejednorodnej mikrostrukturze, takich jak odlewy z żelaza, części kute i stopy miedzi. A Kulka z węglika wolframu o średnicy 10 mm jest zwykle wciskany w powierzchnię pod dużym obciążeniem 3000 kgf dla stali i 500 kgf dla miękkich metali nieżelaznych . Po usunięciu obciążenia mierzy się średnicę wycisku za pomocą skalibrowanego mikroskopu. Liczba twardości, podawana jako HBW 10/3000 na przykład, czy przyłożone obciążenie jest podzielone przez pole powierzchni wcięcia. Ponieważ duża kula zawiera próbki wielu ziaren, wynikiem jest niezawodna twardość nasypowa, która dobrze koreluje z wytrzymałością na rozciąganie w przypadku wielu metali. Typowym przykładem twardości tej metody jest 200 HBW dla żeliwa szarego .

Testowanie twardości Vickersa: precyzja we wszystkich skalach

Vickers jest wyjątkowy wśród metod pomiaru twardości, ponieważ jest taki sam wgłębnik piramidowy o podstawie kwadratu diamentowego stosuje się go dla sił od 1 gf do 120 kgf, dzięki czemu test można zastosować do wszystkiego, od powłoki o grubości 3 mikronów po grubą płytę stalową. Przekątne wgłębień są mierzone optycznie, a twardość wyrażana jako HV , jest niezależny od obciążenia w szerokim zakresie. W metalurgicznych badaniach twardości Vickers jest niezbędny określenie głębokości przypadku , gdzie wykonuje się serię wgłębień o wartości 0,5 lub 1 kgf od powierzchni do rdzenia w celu odwzorowania gradientu twardości. Jest to również metoda referencyjna do kwalifikowania stref spawania i cienkich folii, w których Rockwell i Brinell nie zauważyliby krytycznych odchyleń. Przykładem twardości azotowanej powierzchni jest 1000 HV 0,5 , spadając do 300 HV w rdzeniu.

Testery twardości Shore'a dla elastomerów i polimerów

Twardościomierze Shore'a to przenośne przyrządy służące do pomiaru odporności gumy, tworzyw sztucznych i innych materiałów niemetalowych na wgniecenie za pomocą wgłębnika sprężynowego. Dwie najczęstsze skale to Shore A dla miękkiej gumy i Shore D do twardych tworzyw sztucznych . Odczyt twardości wynoszący 60 Shore A jest typowy dla gumowego bieżnika opony, natomiast 80 Shore D oznacza materiał, z którego wykonany jest kask. Pomiar jest szybki i nieniszczący, co czyni go standardową metodą sprawdzania twardości na hali produkcyjnej i w terenie. Chociaż testery Shore'a nie są używane do metali, są kluczowym elementem pełnej możliwości testowania twardości komponentów hybrydowych, takich jak mocowania gumowo-metalowe.

Jak przeprowadzić test twardości: przewodnik krok po kroku

Poniższa praktyczna procedura ilustruje sposób przeprowadzania testu twardości przy użyciu testera na stanowisku Rockwella, co jest najczęstszym scenariuszem przemysłowym. We wszystkich metodach obowiązują te same zasady przygotowania próbki, weryfikacji maszynowej i odstępów między wcięciami.

1. Zweryfikuj testera. Codziennie przeprowadzaj kontrolę kalibracji na certyfikowanym bloku testowym o znanej twardości. Odczyt musi mieścić się w podanej tolerancji, zazwyczaj plus/minus 1,0 HRC dla skali HRC.
2. Przygotuj powierzchnię próbki. Powierzchnia testowa i gniazdo kowadełka muszą być czyste, suche i wolne od kamienia lub odwęglenia. W przypadku cienkich lub nieregularnych części należy zastosować odpowiednią śrubę podnoszącą i wkładkę kowadełka, aby zapewnić stabilność.
3. Wybierz właściwą skalę i wgłębnik. W przypadku stali hartowanej powyżej 20 HRC zainstaluj wgłębnik diamentowy i wybierz skalę HRC. W przypadku mosiądzu lub stali niehartowanej użyj kuli 1/16 cala i skali HRB.
4. Zastosuj mniejsze obciążenie. Powoli podnoś śrubę podnoszącą, aż wgłębnik zetknie się z próbką i zostanie całkowicie przyłożone mniejsze obciążenie, co zostanie wskazane przez znak odniesienia lub sygnał dźwiękowy.
5. Zastosuj główne obciążenie i pozostań. Uruchom cykl testowy. Maszyna przykłada pełne obciążenie główne, utrzymuje je przez określony czas przebywania (zwykle 3–6 sekund) i automatycznie zwalnia z powrotem do obciążenia mniejszego.
6. Odczytaj wartość twardości. Liczba Rockwella jest wyświetlana bezpośrednio. Zapisz wartość i skalę, np. 58,5 HRC .
7. Zachowaj odpowiednie odstępy. Odległość między wcięciami musi wynosić co najmniej trzykrotność średnicy wcięcia , a każde wgłębienie musi mieć co najmniej 2,5 średnicy od krawędzi próbki, aby uniknąć zakłóceń podczas utwardzania.

Wybór właściwej metody sprawdzania twardości

Wybór metody pomiaru twardości zależy od rodzaju materiału, geometrii części, skali mikrostruktury oraz tego, czy test dotyczy analizy dopuszczenia do produkcji, czy też awarii. Poniższa tabela podsumowuje podstawowe metody sprawdzania twardości w zastosowaniach metalowych i niemetalowych, zapewniając praktyczny przewodnik po wyborze.

Ostatnia uwaga praktyczna: żaden pojedynczy test twardości nie jest uniwersalny. Dobrze wyposażone laboratorium metalurgiczne wykorzystuje m.in Twardościomierz firmy United Rockwell do codziennych kontroli produkcji stali, tester mikrotwardości Vickersa do analizy uszkodzeń oraz przenośny miernik Shore'a do kontroli przychodzącej gumy. Dopasowanie metody do materiału i wymaganych informacji to podstawa rzetelnego badania twardości.