Metoda Rockwella – czym jest i gdzie jest stosowana?

Kontrola twardości ciał stałych jest niezbędna w branży związanej z obróbką metali i stanowi jeden z najważniejszych procesów diagnostycznych. Dlaczego te analizy są tak istotne? Z punktu widzenia inżynieryjnego i technologicznego pozwalają właściwie dobrać narzędzia do obróbki tworzyw oraz przewidzieć trwałość i wytrzymałość gotowych produktów. Tu szczególne znaczenie mają pomiary twardości materiałów, które bazują na skali opracowanej w ramach metody Rockwella – rozwiązania powszechnie uznawanego w przemyśle za standard oceny twardości metali. Przejdź do dalszej części tekstu i dowiedz się, czym jest, a także gdzie znalazł zastosowanie pomiar tą metodą.

Na czym polega metoda Rockwella?

Test twardości opracowany przez Hugh i Stanleya Rockwellów polega na wciskaniu wgłębnika w materiał za pomocą wstępnego i głównego obciążenia, a następnie zmierzeniu różnicy głębokości wejścia wgłębnika w materiał pod wpływem tych sił. W ramach tej metody funkcjonuje kilkanaście różnych skal, które stanowią kombinację rozmaitych obciążeń i typów wgłębników – w praktyce najczęściej korzysta się tylko z kilku. Zasady realizacji pomiaru twardości metodą Rockwella zostały szczegółowo ujęte w normach PN‑EN ISO 6508 oraz ASTM E18.

Przebieg badania twardości metodą Rockwella

Istotą metody Rockwella jest dwustopniowe obciążenie – pomiar polega na wprowadzeniu wstępnej siły (F₀), a następnie wykorzystaniu właściwego, większego obciążenia (F).

1. W pierwszej fazie badania wgłębnik wnika w próbkę na głębokość wynikającą z siły wstępnej F₀.
2. Następnie na materiał oddziałuje się dodatkową siłą główną F₁, co prowadzi do zsumowania obciążenia obu etapów.
3. Po zakończeniu fazy nacisku usuwana jest siła główna. W efekcie element pomiarowy przemieszcza się za wgłębnikiem, uwzględniając sprężyste i plastyczne odkształcenie materiału, co pozwala określić głębokość trwałego odcisku.

Otrzymany wynik – wyrażony w milimetrach – odzwierciedla różnicę poziomu, którą uzyskano po przyłożeniu całkowitego obciążenia F (=F₁+F₀) względem poziomu osiągniętego po użyciu jedynie siły wstępnej (F₀).

Twardość określoną zgodnie ze skalą Rockwella zapisuje się w jednostkach HR (ang. Hardness Rockwell). W przypadku najczęściej wykorzystywanych skal w Polsce (czyli skali B i skali C) wynik jest w jednostce HRB lub HRC. Wynik w HRB oznacza, że test przeprowadzono z wykorzystaniem kulki stalowej, natomiast HRC dotyczy analizy wykonanej stożkiem diamentowym. Dzięki pomiarowi można ocenić twardość różnorodnych stopów, zwłaszcza stali poddanej procesom ulepszania cieplnego. Metoda Rockwella znajduje zastosowanie głównie przy badaniu stopów metali, choć z powodzeniem wykorzystuje się jej warianty także do analizy twardości tworzyw sztucznych, ceramiki oraz węglików spiekanych.

Jak prawidłowo wykonać badanie twardości metodą Rockwella?

Zgodnie z normą, próbka przeznaczona do badania twardości metodą Rockwella powinna mieć grubość przekraczającą dziesięciokrotność trwałego przyrostu głębokości odcisku wykonanego wgłębnikiem diamentowym. Powierzchnia, na której dokonuje się pomiaru, musi zostać starannie przygotowana – ma być idealnie gładka i czysta, a w standardowym pomiarze musi cechować się promieniem krzywizny minimum 19 mm w przypadku zastosowania stożka diamentowego oraz co najmniej 12,5 mm przy pomiarze kulą. Przy mniejszych krzywiznach należy stosować poprawki. Ważne jest także zachowanie właściwych odległości pomiędzy kolejnymi odciskami – norma wskazuje, że mierzone między środkami odcisków powinny wynosić co najmniej trzykrotność ich średnicy.

Wyznaczenie twardości następuje poprzez obliczenie średniej arytmetycznej wyników uzyskanych w minimum trzech niezależnych pomiarach. Próbka powinna zostać stabilnie ustawiona na stoliku pomiarowym, a jej powierzchnia ułożona prostopadle do osi działania wgłębnika przez cały czas badania. Zaleca się, aby obszar pomiaru był pozbawiony rys, wżerów czy zanieczyszczeń, a temperatura badania mieściła się w szerokim – jak na standardy laboratoryjne – zakresie 10 – 35 °C. Dopuszcza się też pomiary w innej temperaturze, ale takie warunki należy odnotować w dokumentacji badań.

W polskich laboratoriach i zakładach przemysłowych najczęściej wykorzystuje się pomiary w skali C – przy użyciu diamentowego stożka do analizy twardości materiałów hartowanych lub ulepszanych cieplnie – oraz skalę B, gdzie stosuje się kulisty wgłębnik w przypadku materiałów niepoddanych obróbce cieplnej lub takich, które dla skali C wykazałyby twardość niższą niż 20 HRC, jak stopy aluminium, brązy, mosiądze czy miękkie stale.

Metoda Rockwella – jakie są wady i zalety?

Zalety stosowania metody Rockwella

• Wyjątkowa szybkość i prostota wykonania pomiaru.
• Obsługa twardościomierza nie wymaga specjalistycznego przeszkolenia.
• Wynik dostępny jest natychmiast po badaniu, bez dodatkowych tablic czy wzorów.
• Niewielka wielkość odcisków pozwala na badanie bardzo twardych wyrobów i różnorodnych warstw utwardzanych.

Wady badania Rockwella

• Konieczność zachowania idealnie prostopadłego położenia próbki względem wgłębnika.
• Metoda nie nadaje się do badania bardzo cienkich elementów ani cienkich warstw po procesach nawęglania lub azotowania.
• Wymagana idealnie gładka powierzchnia, wolna od nierówności i zanieczyszczeń.
• Trudności w wyborze odpowiedniej skali oraz w porównywaniu wyników z rezultatami innych technik pomiarowych.

Zastosowanie pomiaru twardości metodą Rockwella

Szeroka gama dostępnych skal czyni metodę Rockwella wyjątkowo uniwersalną. Korzysta się z niej zarówno w kontroli jakości na liniach produkcyjnych, jak i w laboratoriach badawczych. Znajduje zastosowanie w odlewnictwie i hartowniach. Ze względu na niewielkie wymagania dotyczące przygotowania powierzchni próbki, metoda Rockwella uchodzi za szybkie i ekonomiczne badanie diagnostyczne – nie wymaga zastosowania systemu optycznego. Zgodnie z normą PN‑EN ISO 6508 i ASTM E18 poszczególne skale Rockwella i SuperRockwella pokrywają szeroki zakres zastosowań przemysłowych.

Potrzebujesz wsparcia specjalistów w wyborze przyrządów do wykonywania badań? A może chcesz zlecić wykonanie pomiarów twardości elementów metalowych? Zapraszamy do kontaktu ze specjalistami ITA!