Strona główna
Baza wiedzy
Pomiary twardości Pomiary twardości - poradnik

Pomiary twardości - poradnik

Wprowadzenie do pomiarów twardości

Pośród wszystkich pomiarów przeprowadzanych w przedsiębiorstwach produkcyjnych, badania twardości należą do najbardziej zróżnicowanych. Pomiary mogą być wykonywane pod obciążeniem od 3000 kp (29430 N) aż do kilkuset lub ledwie kilku gramów (laboratoria). Z jednej strony badana jest twardość ciężkich odlewów, a z drugiej cześci zegarkwów, z kolei zakres materiałów obejmuje przedmioty wykonane z najtwardszych spieków jak i z miękkich stopów.

Istnieje tak wiele metod pomiaru oraz tyle skal twardości, że nowe zagadnienie pomiarowe potrafi wprawić w zdumienie nawet najbardziej doświadczonych operatorów twardościomierzy. Znaczący postęp w tej dziedzinie wprowadziła nowoczesna elektronika, która obok podniesienia dokładności pomiaru, pozwala zapamiętać jego wyniki, przedstawić je graficznie oraz poddać analizie statystycznej. Naturalnie, układy elektroniczne służą głównie do odczytywania wyniku i kontroli funkcji urządzenia, nie ingerując w niezastąpioną i wiarygodną, mechaniczną zasadę pomiaru. Poniżej, w kilku punktach opisano specyfikę badań twardości; metody – Rockwella, Brinella i Vickersa – zostaną głębiej przeanalizowane w dalszej części przewodnika.

Podczas wyboru twardościomierza, na wstępie zaleca się poświęcić uwagę pięciu poniższym punktom:

  • obciążenie
  • zakres mierzonych twardości
  • dokładność
  • możliwość adaptacji urządzenia do kształtu i wymiarów badanego obiektu
  • budżet

 

Obciążenie:

Z zasady, wgłębnik pod obciążeniem nie może zagłębić się bardziej niż na 1/10 grubości mierzonego elementu bądź badanej warstwy wierzchniej. Kiedy jest to możliwe, zaleca się stosowanie obciążeń dużych, co podnosi dokładność osiąganych wyników, jako że warstwa wierzchnia podlega zazwyczaj odwęgleniu podczas obróbki; poza tym, obciążenie zmniejsza wpływ parametrów powierzchniowych tej warstwy na badanie. Z drugiej strony, zbyt duży nacisk zniszczy przedmiot, inicjując pęknięcie na powierzchni, na której wystąpiły duże naprężenia. Dobór obciążenia powinien uwzględnić także jednorodność materiału: np. odlewy żeliwne wymagają dużych obciążeń.

Zakres mierzonej twardości:

Materiał o twardości powyżej 50 HRC (około 485 HB) wymaga zastosowania wgłębnika diamentowego; wgłębniki w postaci stalowych lub węglikowych kulek mogą być stosowane przy materiałach o niższych wartościach twardości. W metodzie Brinella nie stosuje się wgłębnika diamentowego,  co sprawia, że nie może być ona wykorzystana do pomiarów twardości stali hartowanej; zastosowanie znajduje tu natomiast metoda Rockwella, która zakłada użycie zarówno wgłębnika diamentowego, jak i kulki węglikowej. Metoda Vickersa opiera się na wgłębniku piramidkowym i można ją stosować w całym zakresie twardości, chociaż częściej spotyka się ją w laboratoriach niż na produkcji.

Dokładność

Dokładność urządzenia również zależy od wybranej metody: dobrze przygotowane powierzchnie, stały czas pomiaru, regularne sprawdzanie urządzenia na wzorcach - wszystko to wpływa na dokładność. Gdy tylko jest to możliwe, zaleca się stosowanie systemów dokonujących pomiaru statycznego zamiast urządzeń dynamicznych. Dokładność twardościomierza ma jeszcze większe znaczenie, gdy wkracza się w obszar wymagający zastosowania najmniejszych obciążeń pomiarowych.

Możliwość adaptacji urządzenia do kształtu i wymiarów badanego obiektu:

Możliwe jest zarówno pozycjonowanie przedmiotu względem twardościomierza, jak i odwrotnie: urządzenia pomiarowego względem przedmiotu. Pierwszy przypadek opisuje twardościomierz stacjonarny, na którym mocuje się przedmiot przed testem; takie urządzenie sprawdzi się przy elementach małych i średnich. Przypadek drugi dotyczy twardościomierzy przenośnych, które umieszcza się na przedmiocie, zazwyczaj dużym, o nieregularnych powierzchniach. Wiarygodność testów dokonywanych w trudnych warunkach powinna być okresowo weryfikowana.

Budżet

Wybór twardościomierza opiera się na analizie kilku czynników, jak: cena, uniwersalność, czas pomiaru i zaangażowanie operatora. Dwa pierwsze aspekty stają się istotne przy badaniach wykonywanych rzadko i przy kontroli wyrobów jednostkowych czy po specjalnej obróbce w małych przedsiębiorstwach i zakładach rzemieślniczych. Kiedy testy wykonuje się na produkcji, szybkość pomiaru i brak konieczności zatrudnienia wysoko wykwalifikowanej kadry, stają się bardziej istotnymi czynnika-mi przy wyborze twardościomierza.

Metoda Rockwella

Aby ułatwić zrozumienie zasady tej metody, na rysunku A zilustrowano kilka etapów wykonywania badania wraz z odczytem widocznym na przyrządzie wskazującym, rejestrującym położenie wgłębnika. 

Rys. A. Pomiar twardości wg metody Rockwella 

Na początku przykładane jest obciążenie wstępne F0, powodujące nieznaczne zagłębienie; po obciążeniu przyrząd wskazujący ustawiany jest w położeniu zero. Stopniowo i unikając uderzenia, wprowadzane jest obciążenie główne (F1), które łącznie z obciążeniem F0 daje obciążenie całkowite (F). Konieczne jest odczekanie do momentu zakończenia tego ruchu. Przyrząd wskazujący odzwierciedla przemieszczenie wgłębnika, które maleje wraz ze wzrostem twardości materiału. Zwalniane jest obciążenie F1, nadal aplikowane jest obciążenie wstępne Fo; dzięki temu, wgłębnik pozostaje w materiale, ale eliminowane jest, powodowane obciążeniem całkowitym F, odkształcenie sprężyste. Wskaźnik pokaże różnicę między położeniami wgłębnika pod obciążeniami głównym i wstępnym. Wgłębniki, obciążenia wstępne, obciążenia główne oraz jednostki twardości są znormalizowane i uszeregowane w dwie grupy -  zgodnie z metodą Rockwella i metodą Super Rockwella. Aby ułatwić zrozumienie zasady tej metody, na rysunku A zilustrowano kilka etapów wykonywania badania wraz z odczytem widocznym na przyrządzie wskazującym, rejestrującym położenie wgłębnika. 
 

 

Metoda Rockwella wykorzystuje stożkowy wgłębnik diamentowy o kącie wierzchołkowym 120° i promieniu zaokrąglenia 0,2 mm (Rysunek B) oraz kulki węglikowe o średnicy wyrażanej w calach: 1/16”, 1/8”, 1⁄4”, 1⁄2”. 

Rys. B. Diamentowy wgłębnik Rockwella 

UWAGA:

Zgodnie z obowiązującymi normami, obciążenia wstępne i główne poszczególnych metod (Rockwella, Brinella, Vickersa) muszą być zadawane w N (Newtonach). Jednakże, z powodów praktycznych często stosowane są kp (kilopondy). Jednostki skali Rockwella odpowiadają przemieszczeniu wgłębnika o 0,002 mm. Wraz z twardością materiału wzrasta wartość liczbowa wskazania, a maleje różnica pomiędzy odczytami dla obciążeń wstępnego i całkowitego. Dlatego też twardość wyrażana skalą Rockwella uzyskiwana jest przez odjęcie od 100 jednostek (przy wgłębniku diamentowym) lub od 130 jednostek (przy pozostałych wgłębnikach) wartości w różnicy zagłębień podzielonej przez 0,002 mm.   

PRZYKŁAD 

Przy wgłębniku diamentowym i różnicy głębokości penetracji 0.082 mm, uzyskuje się w skali Rockwella: 100 - (82÷2) = 59 HR. Rozważając teoretycznie zastosowanie wgłębnika kulkowego, przy takiej samej głębokości penetracji, uzyskałoby się według skali Rockwella wartość: 130- (82÷2)= 89 HR. W przypadku urządzeń wyposażonych we wskaźnik zegarowy, który wskazuje przemieszczenie wgłębnika, tarcza podzielony jest na 100 działek, a więc pełen obrót odpowiada głębokości 0,2 mm. 

Tarcza wyposażona jest w dwie podziałki: 

  • czarną dla testów przeprowadzanych wgłębnikiem diamentowym
  • czerwoną dla testów przeprowadzanych wgłębnikiem kulkowym

  

Przyrząd w położenie zero ustawia się zawsze względem czarnej podziałki (130 według podziałki czerwonej). W przypadku urządzeń z elektronicznym układem odczytowym, wynik prezentowany jest na wyświetlaczu jako gotowa obliczona wartość po wykonaniu pomiaru. Zestawiając różne wgłębniki z odpowiednim obciążeniem, tworzone są różne skale twardości, co ilustruje Tabela 1.

Tabela 1. Skale twardości Rockwella 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Siła kp 

Skala HR 

 

 

 

 

150 

C 

G 

K 

P 

V 

100 

D 

B 

E 

M 

S 

60 

A 

F 

H 

L 

R 

wgłebnik 

diamentowy 

kulka 1/16" 

kulka 1/8" 

kulka 1/4" 

kulka 1/2" 

podziałka 

czarna 

czerwona 

 

 

 

  

PRZYKŁAD 

Wykorzystano wgłębnik diamentowy i obciążenie 150 kp, mamy więc do czynienia ze skalą HRC, gdzie H pochodzi od twardości (ang. hardness), R jak metoda Rockwella a C wskazuje na zastosowaną skalę. Wartość liczbową umieszcza się przed skrótem odnoszącym się do skali, np. 60 HRC.

Metoda Super Rockwella opiera się na tych samych wgłębnikach co standardowa Metoda Rockwella. Wgłębnik diamentowy, jednakże, pomimo takiej samej geometrii, wymaga większej dokładności kąta stożka i promienia zaokrąglenia. Małe obciążenie pozostawia niewielki odcisk, zatem w razie najmniejszych uszkodzeń wgłębnika, rezultaty pomiarów będą błędne. Niezmienna siła wstępna: 3 kp (29,43 N). Obciążenia całkowite (wstępne + główne): 15, 30, 45 kp (147,1; 294,2; 441,3 N). Jednostka twardości mierzonej metodą Super Rockwella odpowiada głębokości odcisku 0,001 mm. W metodzie tej wskazanie zeruje się przy wartości 100 (0 na wskaźniku zegarowym), niezależnie czy stosuje się kulkę, czy wgłębnik diamentowy. Tarcza wskaźnika podzielona jest na 100 działek, zatem pełen obrót odpowiada przemieszczeniu wgłębnika o 0,1 mm. 

PRZYKŁAD  

Zastosowano wgłębnik diamentowy i uzyskano odcisk o głębokości 0,082 mm, co przekłada się na twardość: 100 - 82 = 18 w skali Super Rockwella. Obciążenie całkowite, poprzedzające literę, jak w Tabeli 2, pozwala rozpoznać poszczególne skale Super Rockwella. Wartość twardości umieszcza się przed powyższym skrótem, dla przykładu 65 HR30 T.

Tabela 2. Skale twardości Super Rockwella 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Siła kp 

skala HR 

 

 

 

 

45 

45N 

45T 

45W 

45X 

45Y 

30 

30N 

30T 

30W 

30X 

30Y 

15 

15N 

15T 

15W 

15X 

15Y 

wgłębnik 

diamentowy 

kulka 1/16" 

kulka 1/8" 

kulka 1/4" 

kulka 1/2"

Obszar stosowania różnych skal Rockwella

Jak pokazano w tabelach 1 i 2 istnieje kilka skal twardości dla metody Rockwella i dla metody Super Rockwella: wybór konkretnej skali uzależniony jest od twardości materiału, minimalnej grubości próbki lub warstwy utwardzonej (w przypadku powierzchniowego nawęglania lub azotowania, itd.). Twardość materiału wskazuje na wgłębnik, który należy zastosować: stożkowy wgłębnik diamentowy lub wgłębnik kulkowy. Wgłębnik diamentowy stosuje się do twardych materiałów; nie stosuje się go do stali o wytrzymałości mniejszej niż 785 N/mm2. Kulka stalowa stosowana jest do metali miękkich: im bardziej miękki materiał, tym mniejsze należy wprowadzić obciążenie oraz kulkę o większej średnicy.

Dla przykładu, skala HRB (kulka 1/16” i siła 100 kp) nie pozwala na pomiar twardości materiałów tak miękkich jak skala HRL (kulka 1/4” i siła 60 kp). Największymi kulkami bada się tworzywa sztuczne. Metoda Rockwella umożliwia pomiar twardości tworzyw nawet pod obciążeniem. Podczas badania bardzo cienkich arkuszy lub warstw, wgłębnik oddziałuje na dużej powierzchni materiału oraz wokół samego miejsca aplikacji obciążenia. Deformacja zaobserwowana po drugiej stronie materiału świadczy o nieprawidłowości badania. Wnioskiem w takiej sytuacji jest zastosowanie obciążenia mniejszego, które nie tylko nie doprowadzi do przebicia materiału, ale i nie spowoduje deformacji o wielkości zbliżonej do grubości materiału czy warstwy. To ogólna zasada stosowana w każdym pomiarze twardości. Przed każdym badaniem należy ustalić minimalną (z uwagi na twardość), grubość materiału. Nie ma jednakże ścisłych reguł, gdyż pomiar jest zależny również od rodzaju badanego materiału. Przyjęto pewną zasadę, wg której minimalna grubość ścianki, której twardość jest mierzona, musi być 10-krotnie większa od głębokości odcisku (Tabela 3).

Tabela 3. Minimalna grubość próbki / warstwy przy pomiarze metodą Rockwella

F

kp

HRC

20

30

40

50

60

70

15

0,41

0,33

0,26

0,19

0,14

0,09

30

0,69

0,58

0,47

0,36

0,26

0,17

45

0,91

0,77

0,63

0,50

0,37

0,25

60

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

150

1,8

1,6

1,4

1,2

1,0

0,8

 

To samo odnosi się do próbek powierzchniowo utwardzanych (hartowanych, nawęglanych itp.), gdzie zazwyczaj stosuje się skalę HRA (stożek diamentowy, obciążenie 60 kp). Najpowszechniej stosowane skale Rockwella to: HRC (wgłębnik diamentowy – 150 kp) Najczęściej używana skala Rockwella, do materiałów utwardzonych, hartowanych i głęboko nawęglanych. Kiedy mówi się o skali Rockwella, często domyślnie przyjmuje się właśnie HRC. Może to jednak prowadzić do nieporozumień, jeśli wymagany jest wynik w tak ro- zumianych jednostkach HRC, a materiał wymaga zastosowania innej skali, np. HRL. Wartość twardości wyrażoną w HRC można przeliczać na wartości uzyskane innymi metodami przy pomocy tablic, choć jest to jedynie przybliżenie.  

HRA (wgłębnik diamentowy – 60 kp) Z zasady stosowana przy spiekach i bardzo twardych metalach, gdzie twardość węgla może skutkować wykruszeniem wgłębnika. Z tego powodu nie zaleca się dużych obciążeń. HRB (wgłębnik kulkowy 1/16’’ – 100 kp) W Europie znajduje zastosowanie przy stopach miedzi (mosiądze, brązy itp.) natomiast w USA przy stopach żelaza o wytrzymałości do ok. 686 N/mm2. Super Rockwell Skale: HR15N, HR30N, HR45N (wgłębnik diamentowy) zalecane są przy pomiarach twardości cienkich warstw. Skale: HR15T, HR30T, HR45T (wgłębnik kulkowy 1/16”) zalecane są przy pomiarach twardości przedmiotu o małej grubości ścianki.

Pomiary twardości na powierzchniach cylindrycznych zewnętrznych

Warunki pomiaru twardości różnią się w zależności od tego, czy mamy do czynienia z powierzchnią płaską czy cylindryczną. W przypadku powierzchni cylindrycznych o dużych średnicach, różnica w stosunku do płaszczyzn jest pomijalnie mała; natomiast przy badaniach przedmiotów o małych średnicach, wymagana jest kompensacja, która podnosi wartość zmierzoną odpowiednio dla danej średnicy i twardości próbki (Tabela 4).

 

Tabela 4. Wartości korekcji twardości przy pomiarach metodą Rockwella na powierzchniach o małej średnicy z wgłębnikiem diamentowym (należy dodać do wartości zmierzonej)

 

 

Średnica próbki
3 6 10 12 15 20 25

Skala HR

C-D-A

80 0,5 0,5 0,5 0 0 0
70 1,0 1,0 0,5 0,5 0,5 0
60 1,5 1,0 1,0 0,5 0,5 0,5
50 2,5 2,0 1,5 1,0 1,0 0,5
40 3,5 2,5 2,0 1,5 1,0 1,0
30 5 3,5 2,5 2,0 1,5 1,0
20 6 4,5 3,5 2,5 2,0 1,5

Skala HR

15N-30N-45N

90 0,5 0,5 0 0 0 0 0
80 1,0 0,5 0,5 0,5 0 0 0
70 2,0 1,0 1,0 0,5 0,5 0,5 0,5
60 3,0 1,5 1,0 1,0 0,5 0,5 0,5
50 3,5 2,0 1,5 1,0 1,0 1,0 0,5
40 4,5 3,0 2,0 1,5 1,0 1,0 1,0

 

 Uwaga:

Wartości korekcji odpowiadające średnicom i jednostkom skali twardości, których nie ujęto w Tabeli 4 interpoluje się na podstawie sąsiadujących wierszy i kolumn, np. dla przedmiotu o średnicy 6 mm i zmierzonej twardości 65 HRC, stosuje się kompensację o 1,25 punktu.

Zalety i ograniczenia w stosowaniu metody Rockwella

Pośród wszystkich metod pomiaru twardości, tylko metoda Rockwella pozwala bezpośrednio odczytać wartość pomiaru, bez systemu optycznego charakterystycznego dla metod Vickersa i Brinella. Co więcej, jest to metoda bardzo szybka i jedyna, którą da się w pełni zautomatyzować. Przyrządy opierające się na tej metodzie są najbardziej popularne, ponieważ są mało wrażliwe na wpływ operatora. Zgodnie z normami pomiar powinien być wykonany na odpowiednio przygotowanej powierzchni. Biorąc pod uwagę różne metody pomiaru twardości, metoda Rockwella wykazuje najmniejszą wrażliwość na chropowatość powierzchni.

Główne ograniczenie stanowi jedynie 10-krotna różnica między obciążeniami maksymalnym a minimalnym. W pomiarach twardości, w różnych aplikacjach wymagany jest szeroki zakresu obciążeń, od 1 do 3000 kp. Niestety skala Rockwella, która pozwoliłaby określić zarówno twardość odlewu żeliwnego jak i np. arkusza blachy o grubości mniejszej niż 0,15 mm, po prostu nie istnieje.

By zaradzić tym ograniczeniom, buduje się twardościomierze Rockwella, które mogą działać również w zakresie bardzo małych, niestandardowych obciążeń. Metoda Rockwella oferuje szereg zróżnicowanych skal, pomimo to istnieje grupa ważnych materiałów, takich jak stal w stanie surowym, dla których nie ma specjalnej skali. W takim wypadku, warto rozważyć zastosowanie urządzenia działającego w oparciu o zasadę Rockwella, ale wyposażonego we wgłębnik Brinella i oferującego charakterystyczne dla tej metody obciążenia (wymienione w Tabeli 5)

Tabela 5. Metoda Brinella i zależność F/D2

Średnica kulki mm

Siła kp

10

3000

1000

500

250

5

750

250

125

62,5

2,5

187,5

62,5

31,2

15,6

Współczynnik

HB30

HB10

HB5

HB2,5

Modyfikacje metody Rockwella

Podstawową wadą tradycyjnych urządzeń Rockwella jest silna zależność dokładności pomiaru od idealnego kontaktu między badanym przedmiotem a podstawą, którą najczęściej stanowi stolik. Po powrocie od obciążenia całkowitego do obciążenia wstępnego, odkształcenie wskazane przez wskaźnik zegarowy powinno dokładnie odpowiadać głębokości odcisku. Taka sytuacja ma miejsce tylko w wypadku idealnego kontaktu kowadełka i próbki; cienki film olejowy, smary stałe lub inne cząstki, niewielkie poruszenie - wszystko to wpływa na głębokość odcisku i zakłócając pomiar, obniża wskazanie wartości twardości. Osiągnięcie idealnych warunków bywa często niemożliwe, zwłaszcza w rzeczywistości produkcyjnej, stąd problem wart jest bardziej wnikliwej analizy. By mu zaradzić, prawie wszystkie urządzenia (seria AT, TWIN, BRE-AUT, COMPUTEST SC, DYNATEST SC) pracują w oparciu o zmodyfikowaną metodę Rock- wella, którą ilustruje Rysunek C. Specjalny układ prowadzący wgłębnika (prowadnik), będący w kontakcie z powierzchnią przedmiotu, pozwala dokładnie zmierzyć głębokość odcisku. Dzięki niemu wszelkie poruszenia, podniesienie śruby a nawet ruch statywu nie mają wpływu na wynik pomiaru. Modyfikacja ta daje również korzyści w pomiarach zgodnych z metodami Brinella i Vickersa.

Rys C. Schemat pracy prowadnika 

  • (1) Układ wgłębnik-prowadnik (a+b) porusza się w kierunku próbki; ruch prowadnika ustaje gdy dochodzi do jego kontaktu z powierzchnią próbki to punkt automatycznego zerowania wskazania), wgłębnik zadaje obciążenie odpowiadające sile wstępnej.
  • (2) Zadanie obciążenia całkowitego.
  • (3) Zniesienie obciążenia głównego - wskaźnik zegarowy wskazuje dokładnie przemieszczenie wgłębnika

 

W przypadku poruszenia próbki, relacja między elementami a i b pozostaje stała, co pozwala uniknąć podstawowego błędu charakterystycznego dla metody Rockwella. Tę samą modyfikację stosuje się w urządzeniach dokonujących pomiaru metodą Super Rockwella. 

Urządzenia firmy Ernst posiadają często jeszcze jeden dodatkowy element oprócz prowadnika (b). W twardościomierzach stacjonarnych jest to tuleja ustalająca pozycję detalu. Służy ona dociśnięciu próbki do stolika, co pozwala uniknąć dodatkowego oprzyrządowania mocującego i stanowi jednocześnie osłonę wgłębnika, podczas umieszczania części w przestrzeni roboczej. Osłona ta może być łatwo usunięta, jeśli wymaga tego specyfika pomiaru. W twardościomierzach przenośnych funkcję tulei dociskowej spełnia tzw. pod- stawka, która jest wymienna i pomaga uzyskać odpowiednie oparcie głowicy na próbce.

Modyfikacje-metody-Rockwella

Metoda Brinella

W metodzie Brinella, do węglikowego wgłębnika kulkowego (o średnicy wyrażanej w mm) przyłożony jest nacisk o konkretnej wartości i przez określony czas (zazwyczaj 15 sekund). Wgłębnik ten powoduje powstanie na powierzchni próbki (płaskiej i gładkiej) odcisku, mierzonego następnie systemem optycznym (mikroskopem lub projektorem); jeśli odcisk (teoretycznie okrągły) jest zniekształcony, przyjmuje się średnią wartość średnicy. Twardość Brinella (HB*) jest wyrażana relacją między obciążeniem i średnicą pozostawionego przez wgłębnik odcisku, zgodnie z poniższym zapisem, gdzie F to siła podane w kp, D średnica kulki w mm oraz d średnica odcisku również w mm.

Schemat pomiaru wg metody Brinella

Znając obciążenie, średnicę kulki oraz średnicę odcisku, twardość Brinella można oszacować wykorzystując specjalne tabele. Standardowo metoda Brinella opiera się na kulkach o średnicach: 10; 5; 2,5 i 1 mm.

Stosowane obciążenia:

3000; 1000; 750; 500; 250; 187,5; 125; 62,5; 31,25 kp (29420; 9807; 7355; 4903; 2452; 1839; 1226; 612,9; 306,5 N) a czasem jeszcze mniej. *

Pomiaru metodą Brinella dokonuje się wg następującego schematu:

Istnieje fundamentalna relacja F/D2 między stosowanym obciążeniem (kp) a kwadratem średnicy kulki (mm), co jest charakterystycznym współczynnikiem przy każdym teście. Najbardziej popularne jego wartości to: 30; 10; 5; 2,5 (dla wyjątkowo miękkich materiałów można zastosować nawet mniejsze współczynniki). Dla przykładu, wybierając kulkę 10 mm i obciążenie 3000 kp otrzymujemy współczynnik 30.Wg zależności, 3000:102  = 30 Połączenie kulki 5 mm z obciążeniem 125 kp daje współczynnik równy 5. Twardszy materiał wymaga większej wartości współczynnika ponieważ wraz z nią bardzo zmienia się wynik pomiaru. W rzeczywistości ten sam materiał badany kulką 10 mm pod obciążeniem 1000 kp (współczynnik HB10) będzie miał inne wskazanie wartości twardości niż poddany badaniu kulką 10 mm pod obciążeniem 500 kp (współczynnik HB5). Z drugiej strony, pomiar twardości wykonany kulką 2,5 mm pod obciążeniem 62,5 kp da taki sam wynik jak pomiar pierwszy, gdyż w obu przypadkach otrzymujemy współczynnik HB10 (zakładając naturalnie jednorodność materiału).

*Skrót powszechnie przyjęty, choć aktualna norma podaje oznaczenie HBW, które wprowadzono wraz z kulką wgłębnika wykonaną z materiałów węglikowych.

Metoda-Brinella

Definicja metody Brinella

Skrót HB wywodzi się od twardości (H z ang. hardness) określonej metodą Brinella (B). Wartość twardości umieszcza się przed symbolem HB, który poprzedza informacje o średnicy kulki w mm, obciążeniu w kp (lub w N) oraz czasie jego zadawania w sekundach.

Przykład: 305 HB 2,5/187,5/15

Dla twardościomierzy przenośnych, skrót HB poprzedza wartość omawianego współczynnika (F/D2) (na przykład, 305 HB30). Poszczególne jego wartości prezentuje Tabela 5.

Tabela 5. Metoda Brinella i zależność F/D2

Średnica kulki mm

Siła kp

10

3000

1000

500

250

5

750

250

125

62,5

2,5

187,5

62,5

31,2

15,6

Współczynnik

HB30

HB10

HB5

HB2,5

Zastosowanie metody Brinella

Jak wspomniano w poprzednim rozdziale, wartość współczynnika charakterystycznego dla metody Brinella jest zdeterminowana twardością materiału. Ustalenie jego wartości, pozwala dobrać obciążenie testu na podstawie poniższych zaleceń:

Tabela 6. Minimalna grubość materiału wymagana przy metodzie Brinella

Kulka mm

F kp

HB

40

60

80

100

150

200

300

400

500

2,5

187,5

HB30

2,40

1,60

1,20

0,80

0,60

0,48

5

125

2,0

1,3

1,0

0,80

0,53

HB5

10

1000

8,0

5,3

4,0

3,2

2,10

1,6

HB10

10

3000

HB30

9,6

6,3

4,8

3,2

2,4

1,9

 

Poniżej przedstawiono zestawienie stosowanych odmian metody Brinella w zależności od badanego materiału Stal Zawsze HB30. Metoda Brinella ma fundamentalne znaczenie przy pomiarach stali, gdyż istnieje zależność matematyczna między twardością Brinella a wytrzymałością na rozciąganie. By oszacować wytrzymałość, twardość wyrażoną w skali HB mnoży się przez stałą g (wartość przyspieszenia ziemskiego) i współczynnik 0,34 dla stali chromowo-niklowej albo 0,36 dla stali węglowej, chromowej i chromowo-magnezowej. Przykład: 225 HB30x0,36x9,807= 794,3 N/mm2 Jest to jedyny nieniszczący test pozwalający określić wytrzymałość stali. Niestety metoda Brinella nie znajduje zastosowania przy materiałach utwardzonych, gdzie stosuje się wgłębnik diamentowy. Odlewy nieutwardzone HB30, nawet gdy średnica odcisku przekracza połowę średnicy kulki wgłębnika. Odlewy żeliwne Zawsze HB30. Z powodu dużej niejednorodności materiału, zaleca się stosowanie przy danej grubości materiału maksymalnych dopuszczalnych obciążeń pomiarowych. Z zasady wprowadza się obciążenie 3000 kp. Stopy lekkie HB10 lub HB5. Szczególnie miękkie stopy wymagają HB 2,5. Stopy miedzi HB10 dla brązów (przy twardszych odmianach nawet HB30) i HB5/HB10 dla mosiądzów.

Zalety i ograniczenia w stosowaniu metody Brinella

Główną zaletę oferowaną przez metodę Brinella stanowią duże obciążenia, które wprowadza się twardościomierzami o sztywnej konstrukcji. Twardościomierz te cechuje ponadto łatwość obsługi. Średnicę odcisku mierzy się bądź przy pomocy mikroskopu, bądź stosując wyskalowaną lupkę, jeśli potrzebna jest szybka kontrola twardości w warunkach produkcyjnych. Pomiar można przeprowadzić nawet w przypadku, gdy ułożenie próbki nie jest idealnie prostopadłe względem kierunku oddziaływania wgłębnika, czego wymaga metoda Rockwella. Dodatkowo, metoda Brinella nie jest wrażliwa na ugięcie obiektu badania, którego powierzchnia nie stanowi bazy pomiarowej. Kolejną zaletą jest zależność między wytrzymałością materiału a twardością Brinella, którą wyrażoną liczbowo wystarczy przemnożyć przez odpowiedni dla danego materiału współczynnik. Deformacja odcisku wskazuje na naprężenia istniejące w materiale. Najważniejszym utrudnieniem w stosowaniu tej metody jest odczyt optyczny średnicy odcisku, na który duży wpływ mają umiejętności operatora. Ważne jest również przygotowanie powierzchni, bez którego wyniki stają się często niewiarygodne, ponieważ ich rozrzut w zależności od lokalizacji odcisku jest bardzo duży. Powyższe przesłanki sprawiają, że metoda Brinella nie może być uznana za szybki test, przez co nie znajduje zastosowania przy pomiarach seryjnych. Sposobem na zaradzenie temu problemowi jest złożenie zasady pomiaru z metody Rockwella (pomiar zagłębienia wgłębnika) z wgłębnikami i obciążeniami metody Brinella. W przypadku pomiarów na powierzchniach cylindrycznych, wymagane jest przygotowanie na badanej powierzchni obszaru płaskiego.

Badania zgodnie z metodą Rockwella przy wykorzystaniu wgłębnika i obciążeń metody Brinella

Aby zaradzić ograniczeniom metody Brinella, wykorzystuje się twardościomierze pracujące w oparciu o metodę Rockwella z brinellowskimi wgłębnikami i obciążeniami. W rzeczywistości, znaczna część twardościomierzy Rockwella aplikując obciążenia metody Rockwella, pracuje również przy obciążeniach Brinella, ponieważ ich wartości się częściowo pokrywają (62,5; 125; 187,5 kp / 612,9; 1226; 1839 N). W takich przypadkach, różnica w zagłębieniu przy obciążeniach wstępnym i właściwym pokazuje głębokość odcisku. Wyniki pomiaru są bezpośrednio przenoszone na wyświetlacz lub na wskaźnik zegarowy w skali Rockwella, a na skalę Brinella przekładane są przy pomocy odpowiednich tabel. Metoda ta nie jest oczywiście ściśle rozumianym testem Brinella, gdyż ten wymaga optycznego pomiaru odcisku. Dlatego też wyniki odczytane z tabel różnią się dla poszczególnych materiałów; dla przykładu, istnieją różne tabele dla konwersji jednostek twardości dla stali i dla żeliwa. Niemniej jednak, ten sposób pomiaru jest bardzo wygodny przy dużych seriach, pozwala bowiem zrezygnować z pomiaru optycznego oraz przygotowania powierzchni wymaganego przy klasycznej metodzie Brinella. Podczas pomiarów wykonywanych na stali, możliwe jest zastosowanie specjalnie wykalibrowanej podziałki do bezpośredniego odczytu wytrzymałości w kp/mm2 - N/mm2. Celem polepszenia dokładności przy pomiarach dużych serii, szereg twardościomierzy firmy Ernst daje operatorowi możliwość przeprowadzenia nowej, tymczasowej kalibracji skali Brinella, opartej na wzorcu twardości Brinella, na którym odcisk wykonuje się klasycznym twardościomierzem Brinella.

Metoda Vickersa

Zasada pomiaru wg metody Vickersa jest podobna, jak przy metodzie Brinella, z tym że inny jest stosowany w niej wgłębnik - jest to wgłębnik diamentowy o kształcie piramidki z podstawą kwadratową i kącie wierzchołkowym (między ściankami) 136°. Po wykonaniu odcisku, mierzy się jego dwie przekątne, które niemal zawsze mają inną długość, dlatego oblicza się jej średnią wartość.

Schemat pomiaru metodą Vickersa

Podobnie jak w metodzie Brinella, twardość wyrażana w jednostkach Vickersa to zależność między przyłożonym obciążeniem a polem powierzchni odcisku, zgodnie z zapisem:

gdzie F to obciążenie wyrażone w kp a d to średnia długość dwóch przekątnych podana w mm.

Również w przypadku tej skali zamiast obliczać wynik wyrażony jednostkami Vickersa korzysta się z odpowiednich tabel. Pośród obciążeń metody Vickersa, najczęściej stosuje się: 1; 2; 5; 10; 30 i 100 kp (9,81; 16,62; 49,05; 98,10; 294,30; 981,00 N). Odmianą metody Vickersa, spotykaną zazwyczaj w laboratoriach metalograficznych jest pomiar mikrotwardości, w którym aplikuje się obciążenia mniejsze od 1 kp. Pozwala to określić twardość powłok i warstw utwardzonych.

Metoda-Vickersa

Obszar zastosowania metody Vickersa

Stosując metodę Vickersa, możliwe jest porównanie rezultatów uzyskanych przy użyciu różnych obciążeń, ponieważ za każdym razem korzysta się z takiego samego wgłębnika oraz dlatego, że wartość twardości Vickersa odpowiada konkretnemu obciążeniu na mm2 odcisku. Przykładowo, badania tego samego materiału przy obciążeniu 30 kp (294,30 N) oraz przy obciążeniu 1 kp (9,81 N) przyniosą taki sam rezultat (zakładając jednorodność materiału). Nawet w przypadku obecności wspomnianych warstw, można zastosować metodę Vickersa po uprzednim określeniu wymaganego obciążenia na podstawie minimalnej wymaganej grubości materiału. Ważnym jest, by stosując obciążenia mniejsze niż 200 g, nawet przy materiałach jednorodnych, uwzględnić, że wskazanie twardości będzie zawyżone - tak objawia się obecność naprężeń resztkowych. Minimalna grubość materiału, którego twardość jest mierzona, musi być co najmniej 10 razy większa niż głębokość pozo- stawionego przez wgłębnik odcisku (Tabela 1).

 

Tabela 1. Minimalna grubość pomiarowa przy metodzie Vickersa

F kp

HV

20

50

100

200

300

400

600

800

1000

0,200

0,19

0,12

0,09

0,06

0,05

0,04

0,04

0,03

0,03

1

0,43

0,28

0,19

0,14

0,12

0,10

0,08

0,07

0,06

2

0,62

0,39

0,28

0,19

0,16

0,14

0,12

0,10

0,09

5

1,00

0,62

0,44

0,31

0,25

0,22

0,18

0,15

0,14

10

1,40

0,87

0,62

0,43

0,36

0,31

0,25

0,22

0,19

 

Skrótem oznaczającym pomiar metodą Vickersa jest HV (H = ang. hardness, V = Vickers), po którym wpisuje się informację o obciążeniu wyrażonym w kp oraz o czasie w s, przez jaki obciążenie było zadane. Liczbową wartość twardości umieszcza się przed opisanym oznaczeniem. Przykładowo: 715 HV 5/15. Metoda Vickersa znajduje zastosowanie przy badaniu twardości małych elementów albo takich o niewielkiej grubości czy poddanych cieplnej obróbce powierzchniowej, co wymaga najmniejszych obciążeń. Unikać jej należy przy pomiarach materiałów niejednorodnych, jakimi są np. żeliwa.

Metoda Shore’a dla metali

Metoda ta bazuje na następującej zasadzie: kulka (lub kuliście zakończony trzpień) spada swobodnie w stronę materiału i odbija się od przedmiotu na różną wysokość w zależności od twardości materiału. Nie znajduje ona powszechnego zastosowania, ponieważ prostota zasady działania nie niweluje wpływu masy przedmiotu i prostopadłości osi głowicy na dokładność. Metoda jest ustandaryzowana dla cylindrów o dużej średnicy, po obróbce wykańczającej, dającej bardzo małą chropowatość. Wynik badania podawany jest w stopniach Shore’a. Część spośród twardościomierzy firmy ERNST może być wyposażona w skalę Shore’a, umożliwiając bezpośredni odczyt twardości w stopniach Shore’a.

Metoda Knoopa

Będąc podobną do metody Vickersa, metoda Knoopa wykorzystuje wgłębnik diamentowy o kształcie romboidalnej piramidy o zależności między przekątnymi 1:7. Jest często spotykana w laboratoriach i opiera się na obciążeniach z zakresu poniżej 1 kp, dzięki czemu pozwala określić mikrotwardość badanego materiału, powłoki naniesionej na skutek różnych zabiegów albo uzyskanej metodą obróbki cieplno-chemicznej (jak azotowanie czy nawęglanie) warstwy utwardzonej.

Schemat-pomiaru-metoda-Esatest

Metoda Esatest - pomiar w miejscach trudnodostępnych

Zasada pomiaru wg metody Esatest jest opatentowanym rozwiązaniem firmy Ernst, które opiera się na zmianach rezystancji w obwodzie elektrycznym, jaki stanowi twardościomierz wraz z badanym detalem. Wgłębnik diamentowy, od momentu kontaktu z warstwą, której twardość jest oznaczana, przewodzi prąd elektryczny. Powierzchnia kontaktu rośnie w miarę wzrostu głębokości odcisku, zmniejszając wartość rezystancji, co rejestruje układ elektroniczny. Odnosząc się do krzywej kalibracyjnej, można na podstawie tych zmian określić twardość materiału. Jest ona prezentowana bezpośrednio na wyświetlaczu.

Rys F Schemat pomiaru metodą Esatest

Wgłębnik stosowany przy metodzie Esatest można porównać do małego potencjometru. Im twardszy materiał, tym mniejsza jest powierzchnia kontaktu pod wpływem siły F, przez co rośnie rezystancja. Na jej podstawie określa się twardość. Siła aplikowana przez głowicę Esatest jest stale kontrolowana i przyrasta w zakresie 0,2 - 10 kp (w zależności od wersji). Twardość jest oznaczana przy różnych wartościach siły, co pozwala utworzyć krzywą twardości. Diagram widoczny na wyświetlaczu urządzenia pozwala porównać wyniki badania twardości przy różnych obciążeniach już po jednym teście, oszczędzając czas, jakiego wymagałoby określenie twardości przy pomocy różnych skal. Dla metody Esatest nie ma odrębnej jednostki twardości. Rezultat badania wyświetlany jest w jednostkach zależnych od wybranej skali, np. HRC, HV itd.

 

Obszar zastosowania i ograniczenia metody Esatest

Metoda Esatest stanowi odpowiedź na konieczność określania twardości w miejscach niedostępnych dla konwencjonalnych twardościomierzy, których rolę również spełnia z powodzeniem. Obszar zastosowań obejmuje materiały przewodzące prąd elektryczny, magnetyczne i niemagnetyczne. Progresywne wprowadzanie obciążenia pozwala określać twardość po cieplnej obróbce powierzchniowej, zastępując skalę Super Rockwella. Nie ma konieczności ustalania minimalnej grubości warstwy, a niewielkie rozmiary samej głowicy sprawiają, że Esatest sprawdza się wewnątrz otworów czy tulei, na zębach kół zębatych, w rowkach wpustowych oraz wszędzie tam, gdzie dostęp jest utrudniony. W zależności od potrzeb, elementy małe umieszcza się na odpowiednich podstawach, do części dużych gabarytowo można podejść z urządzeniem (wersja przenośna). Esatest łączy w sobie zalety metody Vickersa, która nie wymaga zmiany wgłębnika niezależnie od twardości materiału, umożliwiając bezpośrednie porównanie rezultatów oraz metody Rockwella, z której uzyskuje się wynik bez angażowania optycznych systemów do pomiaru przekątnych odcisku. W konsekwencji, dzięki głowicy Esatest wynik badania otrzymuje się szybko i można go łatwo porównać np. z efektami poprzednich prób.  

Ograniczenia metody Esatest

Metody Esatest nie stosuje się przy badaniach materiałów dielektrycznych i słabo przewodzących prąd elektryczny, co stanowi podstawowe ograniczenie. Należy mieć je na uwadze w przypadku badań na warstwach chromowych, gdyż metal ten jest złym przewodnikiem. Siła nacisku wgłębnika tego urządzenia (do 10 kp) sprawia, że żeliwa także wymagają innych twardościomierzy - takich, które oferują większe obciążenia.

Tabele przeliczeń między skalami twardości i wzorce twardości

Porównanie poszczególnych skal twardości jest efektem wieloletnich doświadczeń, ale należy pamiętać, że nie ma matematycznej zależności między nimi. W rzeczywistości tabele pochodzące z różnych źródeł wykazują znaczące różnice wyników. Dlatego twardość wyznaczona na podstawie tabel może być traktowana jedynie jako przybliżenie. W ogólnym ujęciu, tabele przeliczeń między skalami zawierają również informację o wytrzymałości na rozciąganie wyrażonej w kp/mm2 i N/mm2 dla stali, z współczynnikami konwersji 0,36 lub 0,34 dla skali HB30.

Twardościomierze wyposażone są zazwyczaj w jeden lub więcej wzorców. Wzorce te wykonane są z wysoce jednorodnego, starannie obrobionego materiału. Wzorce są wykalibrowane jedynie po jednej stronie. Celem zweryfikowania poprawności działania i dokładności twardościomierza, należy sprawdzić wskazanie na wzorcu. Minimalną odległość między dwoma środkami sąsiednich odcisków lub od krawędzi wzorca wynoszą:

  • dla metody Rockwella: 3 mm
  • przy skali Rockwella N: 1 mm
  • przy skali Rockwella T: 2 mm
  • dla metody Brinella: od 2,5 do 6 średnic odcisku, w zależności od twardości

 

Kiedy powierzchnia wykalibrowana jest gęsto pokryta odciskami, należy wymienić wzorzec na nowy. Twardość wzorca zmienia się również w czasie. Z doświadczenia wiemy, że twardość wzorca określona jako 60 HRC w ciągu pięciu lat wzrasta o 0,5-1 HRC.

Tabele przeliczeń twardości

Skala Vickersa

Skale Rockwella

Skale Super Rockwella

Skale Brinella

Rm

HV10

HRC

HRB

HRA

HRD

15N

30N

45N

HBW 5

HBW30

MPa

1076

70

 

87

79

94

86

78

 

 

 

940

68

 

86

77

93

84

75

 

 

 

865

66

 

85

75

93

83

73

 

 

 

800

64

 

84

74

92

81

71

 

722

 

746

62

 

83

72

91

79

69

 

688

 

697

60

 

81

71

90

78

67

 

654

2206

653

58

 

80

69

89

76

64

 

615

2069

613

56

 

79

68

88

74

62

 

577

1944

577

54

120

78

66

87

72

60

 

543

1834

544

52

119

77

65

86

70

57

 

512

1689

513

50

117

76

63

86

69

55

 

481

1607

484

48

116

75

61

85

67

53

 

455

1524

458

46

115

74

60

84

65

50

 

432

1462

434

44

114

73

59

83

63

48

 

409

1379

412

42

113

72

57

82

61

46

 

390

1317

392

40

112

71

55

80

60

43

 

371

1255

372

38

110

70

54

79

58

41

 

353

1193

354

36

109

69

52

78

56

38

 

336

1138

336

34

108

68

51

77

54

36

 

319

1076

318

32

107

67

49

76

52

34

 

301

1014

302

30

105

66

48

75

50

31

 

286

965

286

28

104

65

46

74

49

29

 

271

917

272

26

103

64

45

73

47

27

 

258

869

260

24

101

63

43

72

45

24

 

247

834

248

22

99

62

42

71

43

22

195

234

793

238

20

97

61

40

69

42

20

184

222

752

230

18

96

59

 

 

 

 

179

214

731

222

16

95

58

 

 

 

 

175

208

703

213

14

94

58

 

 

 

 

169

203

683

204

12

92

57

 

 

 

 

163

195

662

196

10

91

56

 

 

 

 

160

190

641

188

8

89

55

 

 

 

 

154

180

607

180

6

87

54

 

 

 

 

148

172

579

172

4

85

53

 

 

 

 

142

165

558

164

2

83

51

 

 

 

 

137

159

538

156

0

81

50

 

 

 

 

133

153

517

148

 

79

49

 

 

 

 

128

147

 

141

 

77

48

 

 

 

 

124

141

 

 

Skala Vickersa

Skale Rockwella

Skale Super Rockwella

Skale Brinella

Rm

HV10

HRC

HRB

HRA

HRD

15N

30N

45N

HBW 5

HBW30

MPa

137

 

75

47

 

 

 

 

120

137

 

132

 

73

46

 

 

 

 

116

132

 

127

 

71

45

 

 

 

 

112

127

 

123

 

69

44

 

 

 

 

109

123

 

118

 

67

43

 

 

 

 

106

119

 

115

 

65

42

 

 

 

 

102

116

 

113

 

63

41

 

 

 

 

99

112

 

111

 

61

40

 

 

 

 

96

108

 

108

 

59

39

 

 

 

 

94

106

 

106

 

57

38

 

 

 

 

91

102

 

104

 

55

38

 

 

 

 

89

99

 

102

 

53

37

 

 

 

 

86

 

 

100

 

51

36

 

 

 

 

84

 

 

99

 

49

35

 

 

 

 

82

 

 

97

 

47

34

 

 

 

 

80

 

 

95

 

45

33

 

 

 

 

79

 

 

94

 

43

32

 

 

 

 

77

 

 

92

 

41

31

 

 

 

 

75

 

 

90

 

39

31

 

 

 

 

74

 

 

89

 

37

30

 

 

 

 

72

 

 

88

 

35

29

 

 

 

 

71

 

 

87

 

33

28

 

 

 

 

69

 

 

86

 

31

27

 

 

 

 

68

 

 

85

 

28

26

 

 

 

 

66

 

 

84

 

27

25

 

 

 

 

65

 

 

83

 

25

24

 

 

 

 

64

 

 

82

 

23

24

 

 

 

 

63

 

 

81

 

21

23

 

 

 

 

62

 

 

80

 

19

22

 

 

 

 

61

 

 

79

 

17

21

 

 

 

 

60

 

 

78

 

15

20

 

 

 

 

59

 

 

77

 

13

 

 

 

 

 

58

 

 

76

 

11

 

 

 

 

 

57

 

 

75

 

9

 

 

 

 

 

56

 

 

74

 

7

 

 

 

 

 

56

 

 

73

 

5

 

 

 

 

 

55

 

 

72

 

3

 

 

 

 

 

54

 

 

70

 

0

 

 

 

 

 

53

 

 

Treść powyższego artykułu korzysta z ochrony udzielanej przez przepisy ustawy z dnia 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych (j.t. Dz. U. z 2006 r. Nr 90, poz. 631 ze zm.). Każdy z Klientów zobowiązany jest do poszanowania praw autorskich pod rygorem odpowiedzialności cywilnoprawnej oraz karnej wynikającej z przepisów tej ustawy. Treść artykułu – w całości bądź jakiejkolwiek części – może być wykorzystywana tylko w zakresie dozwolonego użytku osobistego. Wykorzystanie tego artykułu - w całości bądź jakiejkolwiek części - do innych celów a w szczególności - komercyjnych, w tym kopiowanie, publiczne odtwarzanie, lub udostępnianie osobom trzecim w jakikolwiek inny sposób, może następować tylko pod warunkiem uzyskania wyraźnego pisemnego zezwolenia ITA i na warunkach określonych przez ITA. W celu uzyskania zgody na wykorzystanie zawartości Strony, należy skontaktować się z ITA za pośrednictwem formularza kontaktowego dostępnego w zakładce Kontakt. Korzystanie z powyższej treści w celu innym niż do użytku osobistego, a więc do kopiowania, powielania, wykorzystywania w innych publikacjach w całości lub w części bez pisemnej zgody ITA jest zabronione i podlega odpowiedzialności cywilnoprawnej oraz karnej wynikającej z przepisów ustawy o prawie autorskim i prawach pokrewnych.

ITA spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Sp. k. ul. Poznańska 104, Skórzewo,  
60-185 Poznań

Kontakt

+48612225800 +48612225800