Udostępnij artykuł:

Porównanie twardości i twardości

W zastosowaniach przemysłowych stosuje się szeroką gamę surowców i materiałów pomocniczych. Kompleksowa wiedza na temat ich właściwości materiałowych jest absolutnym warunkiem wstępnym wykorzystania tych surowców do określonego zastosowania w środowiskach technicznych. Testy twardości są sposobem na określenie podstawowych właściwości materiału, takich jak twardość / ciągliwość i wytrzymałość materiału, takiego jak stal. Twardość odgrywa kluczową rolę w charakterystyce i kontroli jakości materiałów. Twardość stali dostarcza informacji o jej właściwościach mechanicznych, odporności na zużycie i przydatności do określonych zastosowań. W tym kontekście opracowano różne metody i skale testowania twardości w celu dokładnego określenia i klasyfikacji twardości stali. W artykule przedstawiono przegląd typowych metod badania twardości i opisano jedną możliwą procedurę pomiaru twardości. Tabela porównawcza twardości umożliwia porównanie wartości określonych poszczególnymi metodami.

Różne testy twardości w porównaniu

Badanie twardości ma kluczowe znaczenie dla charakterystyki i kontroli jakości wyrobów stalowych. Istnieją różne testy twardości, np. według Brinella, Rockwella, Shore'a i Vickersa. Najpopularniejszą metodą jest badanie twardości według Rockwella.

Przyrząd do pomiaru twardości
Przyrząd do pomiaru twardości

Twardość Brinella

Test twardości Brinella był pierwszą metodą, która pozwalała bezpośrednio obliczyć wartości. Powierzchnia testowanego materiału jest ściskana przy określonej sile testowej (F) przy użyciu sferycznego korpusu testowego wykonanego z węglika wolframu. Średnica (d) wycisku jest następnie mierzona. Moduł oblicza się w następujący sposób:

HBW=\frac{2F \times 0,102}{\Pi \times D \times ({D}-\sqrt{D^{2}-d^{2}})}
  • D = średnica kuli
  • d = średnica wycisku
  • F = Siła testowa
  • Współczynnik konwersji 0,102 = Poprzednio dla twardości określono starą jednostkę miary kilopond (kp). Obecnie nie jest to już stosowane, a współczynnik konwersji jest używany do określenia wartości w Newtonach (1 kp odpowiada 9,81 N)

W praktyce twardość jest jednak określona w przyrządzie pomiarowym i nie trzeba jej obliczać. Dotyczy to wszystkich procedur.

Metoda badania twardości według Brinella jest znormalizowana w normie DIN EN ISO 6506-1. Siłę testową można odczytać w tabelach. Zasadniczo odcisk kulki testowej powinien być tak duży, jak to możliwe, aby wykryć jak najwięcej elementów składowych.

Test twardości Brinella jest odpowiedni dla miękkich i średnio twardych materiałów, których twardość nie przekracza 650 HBW. Jest on również niezależny od obciążenia.

Twardość Vickersa

Metoda badania twardości Vickersa jest podobna do metody Brinella. Została on opracowana z faktu, że metoda testowa Brinella nadaje się do miękkich i średnio twardych materiałów, ale nie do bardzo twardych materiałów. Zamiast kulki z węglika stosuje się tutaj piramidę diamentową o kwadratowej powierzchni podstawy i kącie otwarcia 136° między końcówkami. Kąt został wybrany w celu zapewnienia porównań z twardościami Brinella.

Kształt korpusu penetrującego pozwala na zastosowanie dużych sił (aluminium do stali). Minimalna grubość próbki testowej próbki Smin jest warunkiem wstępnym procedury. Próbka musi mieć co najmniej 1,5 x średniej długości przekątnej wycisku (1,5 x d), aby sonda nie przeszła przez płytkę próbki. Również w tym przypadku normy takie jak DIN EN ISO 6507-1 zapewniają minimalne odległości między punktami pomiarowymi lub wyciskami oraz do krawędzi próbki, aby wyniki nie zostały sfałszowane przez odkształcenie. Na przykład twardość Vickersa jest wskazana w następujący sposób: 210 HV 40/30 (siła testowa/czas trwania testu). Można ją obliczyć przy użyciu następującego wzoru:

HV=\frac{2F \times sin \frac{136}{2}}{d^{2}} \times 0.102

Wartość d2 jest obliczana na podstawie długości pierwszej przekątnej d1 i drugiej przekątnej d2, należy się również odnieść do wskazanego obszaru na poniższym rysunku. Wartość dla d musi zostać obliczona w pierwszym kroku:

d=\frac{d_1+d_2}{2}

Wartość d2 jest obliczana w następujący sposób:

d^{2}= d \times d
Badanie twardości metodą Vickersa
Badanie twardości metodą Vickersa

Twardość Rockwella

Twardość Rockwella jest na przykład określona podobnie do metody Brinella ze stalową kulką lub podobnie do metody Vickersa ze stożkiem diamentowym o kątach 120°. Jako parametr traktowana jest głębokość penetracji, a nie średnica wycisku. W zależności od metody, twardość Rockwella jest określona w HRA, HRB, HRC lub HRF, gdzie HR odnosi się do testu twardości Rockwella, a litera reprezentuje metodę. Próbka testowa jest umieszczana pod obciążeniem o następującej sile:

  • Rockwell A: Fv 98,07 N, F Z = 490,3 N
    (stożek diamentowy, głębokość odniesienia 0,2 mm - do bardzo twardych materiałów i węglików spiekanych)
  • Rockwell B: Fv= 98,07 N, FZ = 882,6 N
    (Kulka karbidowa, głębokość odniesienia 0,2 mm - dla materiałów o średniej twardości, np. stali i mosiądzu)
  • Rockwell C: Fv= 98,07 N, FZ = 1373 N
    (stożek diamentowy, głębokość odniesienia 0,2 mm - do stali hartowanej)
  • Rockwell F: Fv 98,07 N, F Z = 490,3 N
    (Kulka karbidowa, głębokość odniesienia 0,26 mm - do cienkiej blachy, miękkiej miedzi lub miękkiego mosiądzu)

Procedura testowa może być następująca:

Metoda badania twardości Rockwella
Metoda badania twardości Rockwella

W pierwszym etapie (1) wgłębnik jest ładowany siłą przed testem (Fv) i wnika nieco do próbki (płaszczyzna odniesienia - - - linia). W drugim etapie (2) dodatkowa siła testowa (FZ) jest dodatkowo wywierana, a całkowita siła testowa działa teraz na próbkę. W ostatnim etapie (3) dodatkowa siła testowa jest ponownie usuwana i można teraz zmierzyć stałą głębokość penetracji (h).

Wzór na obliczenie za pomocą stożka diamentowego jest następujący:

HRC, HRA = 100 - \frac{h}{S}

S odpowiada klasyfikacji skali na wskaźniku zegarowym (zwykle 100 segmentów skali odpowiada 0,002 mm).

Wzór do obliczania za pomocą kulki z węglika spiekanego jest następujący:

HRB, HRF = 130 - \frac{h}{0.002}

Która skala Rockwella jest wybierana, zależy od następujących czynników: Twardość materiału, grubość przedmiotu obrabianego, wszelkie utwardzone powierzchnie (takie jak utwardzanie nitracji). Stożek diamentowy jest używany głównie do stali hartowanej lub hartowanej, a kulka stalowa jest głównie używana do bardziej miękkich materiałów. Odpowiednie diamentowe korpusy penetrujące można znaleźć w sklepie MISUMI.

Twardość Shore’a

Testy twardości Shore'a stosuje się głównie w przypadku materiałów elastycznych, takich jak gumy, tworzywa sztuczne, żele lub pianki. Również w tym przypadku do materiału z określoną siłą wciskana jest wyspecjalizowana próbka testowa. Głębokość penetracji odpowiada skali. Istnieje sześć różnych skal:

  • Shore 00: do bardzo miękkich materiałów, takich jak silikon, żele.
  • Shore 0: dla miękkich, ale nieco bardziej wytrzymałych materiałów.
  • Shore A: do średnio twardych materiałów elastycznych (np. kauczuk naturalny, syntetyczne elastomery, elastyczne tworzywa sztuczne, miękkie gumy)
  • Shore B: do elastycznych materiałów o większej sztywności (np. kompozyty z twardej gumy)
  • Shore C: do materiałów twardszych (np. elastomerów termoplastycznych, twardych tworzyw sztucznych, utwardzonych gum)
  • Shore D: do elastomerów i tworzyw termoplastycznych, takich jak PPOM (polioksymetylen), PE (polietylen) i PA (poliamidy)

Twardość Shore’a A i twardość Shore’a D są istotne dla większości zastosowań przemysłowych.

Twardość Shore'a można zmierzyć na przykład za pomocą durometru. Ten ostatni jest dociskany ręcznie do badanego obiektu, a następnie wyświetlana jest odpowiednią wartość. Należy pamiętać, że w przypadku durometrów wyświetlane są wartości tylko jednej skali Shore’a, to znaczy, że istnieją durometry Shore A itp. Durometry są również dostępne w naszym sklepie MISUMI.

Przykład durometru
Przykład durometru

Konwersja twardości

To, który test twardości jest stosowany jako standard, nie jest wymagane. W związku z tym różne branże i laboratoria stosują różne metody pomiarowe. W celu porównania różnych poziomów twardości, DIN EN ISO 18265, na przykład, zapewnia tabelę porównawczą twardości dla stali niestopowej i niskostopowej oraz stali odlewanej:

Zaktualizowano tabelę konwersji twardości (SAEJ417) -1983 - Przybliżona konwersja wartości C twardości Rockwella dla stali (*1)
(HRC)
Skala twardości Rockwella C		 (HV)
Twardość Vickersa		 Twardość Brinella (HB)
Kulka 10 mm, obciążenie 3000 kgf		 Twardość Rockwella (*3) Diamentowy penetrator stożkowy do pomiaru twardości Rockwella (Hs)
Twardość Shore’a		 Wytrzymałość na rozciąganie (przybliżona wartość)
Mpa
(kgf/mm2)(*2)		 Twardość Rockwella
Skala C
(*3)
Kula standardowa kulka z węglika wolframu (HRA)
Skala A,
Obciążenie 60 kgf,
Stożek diamentowy
Penetrator		 (HRB)
Skala B,
Obciążenie 100 kgf,
Śr, 1.6 mm
Kula (1/16 cala)		 (HRD)
Skala D,
Obciążenie 100 kgf,
Diamentowy penetrator stożkowy		 15-N
skala,
Obciążenie 15 kgf		 30-N
skala,
Obciążenie 30 kgf		 45-N
skala,
Obciążenie 45 kgf
68 940 − − 85.6 − 76.9 93.2 84.4 75.4 97 − 68
67 900 − − 85 − 76.1 92.9 83.6 74.2 95 − 67
66 865 − − 84.5 − 75.4 92.5 82.8 73.3 92 − 66
65 832 − (739) 83.9 − 74.5 92.2 81.9 72 91 − 65
64 800 − (722) 83.4 − 73.8 91.8 81.1 71 88 − 64
63 772 − (705) 82.8 − 73 91.4 80.1 69.9 87 − 63
62 746 − (688) 82.3 − 72.2 91.1 79.3 68.8 85 − 62
61 720 − (670) 81.8 − 71.5 90.7 78.4 67.7 83 − 61
60 697 − (654) 81.2 − 70.7 90.2 77.5 66.6 81 − 60
59 674 − (634) 80.7 − 69.9 89.8 76.6 65.5 80 − 59
58 653 − 615 80.1 − 69.2 89.3 75.7 64.3 78 − 58
57 633 − 595 79.6 − 68.5 88.9 74.8 63.2 76 − 57
56 613 − 577 79 − 67.7 88.3 73.9 62 75 − 56
55 595 − 560 78.5 − 66.9 87.9 73 60.9 74 2075 (212) 55
54 577 − 543 78 − 66.1 87.4 72 59.8 72 2015 (205) 54
53 560 − 525 77.4 − 65.4 86.9 71.2 58.5 71 1950 (199) 53
52 544 (500) 512 76.8 − 64.6 86.4 70.2 57.4 69 1880 (192) 52
51 528 (487) 496 76.3 − 63.8 85.9 69.4 56.1 68 1820 (186) 51
50 513 (475) 481 75.9 − 63.1 85.5 68.5 55 67 1760 (179) 50
49 498 (464) 469 75.2 − 62.1 85 67.6 53.8 66 1695 (173) 49
48 484 451 455 74.7 − 61.4 84.5 66.7 52.5 64 1635 (167) 48
47 471 442 443 74.1 − 60.8 83.9 65.8 51.4 63 1580 (161) 47
46 458 432 432 73.6 − 60 83.5 64.8 50.3 62 1530 (156) 46
45 446 421 421 73.1 − 59.2 83 64 49 60 1480 (151) 45
44 434 409 409 72.5 − 58.5 82.5 63.1 47.8 58 1435 (146) 44
43 423 400 400 72 − 57.7 82 62.2 46.7 57 1385 (141) 43
42 412 390 390 71.5 − 56.9 81.5 61.3 45.5 56 1340 (136) 42
41 402 381 381 70.9 − 56.2 80.9 60.4 44.3 55 1295 (132) 41
40 392 371 371 70.4 − 55.4 80.4 59.5 43.1 54 1250 (127) 40
39 382 362 362 69.9 − 54.6 79.9 58.6 41.9 52 1215 (124) 39
38 372 353 353 69.4 − 53.8 79.4 57.7 40.8 51 1180 (120) 38
37 363 344 344 68.9 − 53.1 78.8 56.8 39.6 50 1160 (118) 37
36 354 336 336 68.4 -109 52.3 78.3 55.9 38.4 49 1115 (114) 36
35 345 327 327 67.9 -108.5 51.5 77.7 55 37.2 48 1080 (110) 35
34 336 319 319 67.4 -108 50.8 77.2 54.2 36.1 47 1055 (108) 34
33 327 311 311 66.8 -107.5 50 76.6 53.3 34.9 46 1025 (105) 33
32 318 301 301 66.3 -107 49.2 76.1 52.1 33.7 44 1000 (102) 32
31 310 294 294 65.8 -106 48.4 75.6 51.3 32.7 43 980 (100) 31
30 302 286 286 65.3 -105.5 47.7 75 50.4 31.3 42 950 (97) 30
29 294 279 279 64.7 -104.5 47 74.5 49.5 30.1 41 930 (95) 29
28 286 271 271 64.3 -104 46.1 73.9 48.6 28.9 41 910 (93) 28
27 279 264 264 63.8 -103 45.2 73.3 47.7 27.8 40 880 (90) 27
26 272 258 258 63.3 -102.5 44.6 72.8 46.8 26.7 38 860 (88) 26
25 266 253 253 62.8 -101.5 43.8 72.2 45.9 25.5 38 840 (86) 25
24 260 247 247 62.4 -101 43.1 71.6 45 24.3 37 825 (84) 24
23 254 243 243 62 100 42.1 71 44 23.1 36 805 (82) 23
22 248 237 237 61.5 99 41.6 70.5 43.2 22 35 785 (80) 22
21 243 231 231 61 98.5 40.9 69.9 42.3 20.7 35 770 (79) 21
20 238 226 226 60.5 97.8 40.1 69.4 41.5 19.6 34 760 (77) 20
(18) 230 219 219 − 96.7 − − − − 33 730 (75) (18)
(16) 222 212 212 − 95.5 − − − − 32 705 (72) (16)
(14) 213 203 203 − 93.9 − − − − 31 675 (69) (14)
(12) 204 194 194 − 92.3 − − − − 29 650 (66) (12)
(10) 196 187 187 − 90.7 − − − − 28 620 (63) (10)
(8) 188 179 179 − 89.5 − − − − 27 600 (61) (8)
(6) 180 171 171 − 87.1 − − − − 26 580 (59) (6)
(4) 173 165 165 − 85.5 − − − − 25 550 (56) (4)
(2) 166 158 158 − 83.5 − − − − 24 530 (54) (2)
(0) 160 152 152 − 81.7 − − − − 24 515 (53) (0)
Uwaga
(*1) Podświetlone liczby: Na podstawie ASTM E 140, Tabela 1 (wspólnie koordynowane przez SAE, ASM i ASTM.)
(*2) Jednostki i liczby przedstawione w nawiasach są wynikami konwersji z numerów psi przy użyciu tabel konwersji z JIS Z 8413 i Z 8438. 1 MPa = 1 N/mm2
(*3) Liczby podane w nawiasach znajdują się w zakresach, które nie są powszechnie używane. Są one przeznaczone wyłącznie do celów informacyjnych.

Procedura pomiaru twardości

Procedura pomiaru twardości może być następująca: Przed wykonaniem testu należy przygotować próbkę. Zanieczyszczenia powierzchni muszą zostać usunięte poprzez szlifowanie, a próbka musi zostać oczyszczona. Następnie próbka testowa jest umieszczana na płytce z próbką i przesuwana do momentu osiągnięcia żądanego położenia. Ważne jest, aby nie testować zbyt blisko krawędzi, ponieważ odkształcenie może w przeciwnym razie prowadzić do sfałszowanych wyników. Optyka inspekcyjna może być używana do wykrywania, kiedy pozycja jest prawidłowo regulowana (obraz staje się ostry). Próbka testowa jest teraz zaciśnięta równolegle do płaszczyzny i można rozpocząć test. Określoną siłę testową należy przykładać powoli, ale równomiernie, uruchamiając dźwignię. W idealnym przypadku wartość końcowa jest osiągana między 2 a 8 sekundą, a następnie utrzymywana przez maksymalnie 15 sekund. Dźwignia jest teraz delikatnie popychana do tyłu, aby usunąć nacisk.

Klasyczny przyrząd pomiarowy
Klasyczny przyrząd pomiarowy

Jednak takie pomiary są bardzo niepraktyczne w codziennym życiu, ponieważ twardość jest czasami sprawdzana również na miejscu bezpośrednio na materiale. W tym celu dostępne są również mobilne urządzenia pomiarowe do użytku bezpośrednio na miejscu:

Pomiar twardości bezpośrednio na elemencie
Pomiar twardości bezpośrednio na elemencie

Zastosowanie różnych testów twardości

Poniższa tabela zawiera porównanie procedur:

Procedura testowania twardości
Procedura testowa (standardowa) Odpowiednie materiały Zmienne do ustalenia Właściwości Komentarze
Twardość Brinella
(DIN EN ISO 6506-1)		 Miękkie i średnio twarde materiały

np. metale nieżelazne, materiały niejednorodne, metale miękkie, miękkie stale wyżarzane		 Siła testowa F w N
Średnica kuli w mm
Średnica odcisku w mm		 - odpowiednie do materiałów niejednorodnych i porowatych, takich jak żeliwo szare lub wyroby kute, ponieważ wcięcie jest duże.
- nieodpowiednie do małych lub cienkich próbek
- nieodpowiednie do materiałów twardych i bardzo twardych		 JIS Z 2243
Twardość Rockwella
(DIN EN ISO 6508-1)		 z kulą badawczą: Tworzywa sztuczne, węgiel oraz metale miękkie i średnio twarde

ze stożkiem diamentowym (HRC):materiały twarde i bardzo twarde		 Siła testowa F w N
Głębokość penetracji w mm odnośnej próbki badanej zgodnie z tą metodą
(HRA, HRB, HRC, HRF)		 - wartość twardości można szybko określić.
- odpowiednie do okresowej kontroli produktów już gotowych
- należy wziąć pod uwagę różne rodzaje twardości Rockwella		 JIS Z 2245
Twardość Shore’a
(DIN ISO 7619-1)		 Elastomery lub elastomery termoplastyczne

np. pianki, guma, miękkie, średnie i twarde tworzywa sztuczne

Siła testowa F w N
Głębokość penetracji odnośnej badanej próbki zgodnie ze skalą
(Shore 00, Shore 0, Shore A, Shore B, Shore C, Shore D)		 - łatwe do wykonania
- możliwość szybkiego ustalenia danych
- badany materiał musi mieć równą, gładką powierzchnię
- badany materiał musi być przechowywany w znormalizowanej temperaturze
- temperatura otoczenia i wilgotność muszą być utrzymywane na stałym poziomie; należy brać pod uwagę czas oczekiwania
- wcięcie jest małe i nadaje się do testowania już gotowych produktów
- zwartość, lekka waga i przenośność
- wagi wykorzystują różne sworznie i siły		 JIS Z 2246
Twardość Vickersa
(DIN EN ISO 6507-1)		 Miękkie, średnio twarde lub bardzo twarde materiały (metale i ceramika)

np. materiały z warstwą utwardzoną przez hartowanie indukcyjne, karbonizację, azotowanie, powlekanie galwaniczne lub ceramiczne itp.		 Siła testowa F w N
Średnia arytmetyczna z 2 ukośnych odcisków w mm
- wgłębnik jest wykonany z diamentu, co umożliwia badanie materiałów o dowolnej twardości
- nieodpowiednie dla materiału porowatego
wymagana jednorodna mikrostruktura
 JIS Z 2244

Bez względu na to, którą procedurę wybierzesz: Sklep MISUMI oferuje szereg wskaźników twardości.

Twardość stali

Stopień twardości stali wskazuje, jak odporny jest materiał na odkształcenia plastyczne lub penetrację. Jest to miara twardości (przeciw penetracji ciała) lub siły (przeciwko awarii lub nieodwracalnemu odkształceniu) stali. Różne poziomy twardości stali można osiągnąć dzięki celowej obróbce cieplnej. Nowa struktura o pożądanych właściwościach powstaje poprzez przeniesienie, włączenie lub usunięcie cząstek materiału:

  • Przemieszczanie: wyżarzanie, hartowanie, utwardzanie, hartowanie, odpuszczanie
  • Włączanie: Nawęglanie, azotowanie
  • Usuwanie: Odwęglanie (odpuszczanie)

Wpływ różnych twardości stali

Rodzaj stopu w jego najlepszym składzie bezpośrednio wpływa na możliwości procesów hartowania i utwardzania. Użytkownicy muszą zawsze ważyć między twardością a plastycznością. Odpowiednia zdolność do hartowania różnych gatunków stali ma zalety i wady. Aby znaleźć odpowiednią stal do zamierzonego celu, należy zatem dokładnie rozważyć te zdolności produkcyjne. Twardość stali może mieć następujące wpływy:

Wpływ rosnącej twardości na plastyczność i skrawalność

Twardość stali wpływa na plastyczność i skrawalność. Zmętnienie opisuje, jak dobrze materiał może wytrzymać naprężenia (np. nagły wstrząs lub uderzenie) bez awarii.

Bardziej miękka stal jest bardziej plastyczna niż twardsza stal. Łatwiej jest więc ją odkształcić i obrabiać. Z drugiej strony twardsza stal jest krucha i pęka szybciej pod dużym obciążeniem. Jednocześnie jest jednak bardziej odporny na ścieranie i penetrację.

Poniższy rysunek przedstawia przegląd twardości, plastyczności i interakcji obu gatunków stali:

Stal konstrukcyjna (stal do konstrukcji stalowych) Twardość - + Wytrzymałość Stal węglowa (stal niestopowa do obróbki na zimno), stal do budowy maszyn, stal hartowana Stal (wysokostopowa), stal narzędziowa do prac zimnych, stal narzędziowa do prac gorących HSS (stal szybkotnąca) + -

Interakcja twardości i ciągliwości

Podczas gdy twardość po lewej stronie zmniejsza się w kierunku stali konstrukcyjnej, ciągliwość po prawej stronie wzrasta w tym samym czasie.

Twardość stali wpływa również na wybór narzędzia. Twardsza stal prowadzi do szybszego zużycia narzędzia. Typowe oznaki zużycia to stępienie lub uszkodzenie ostrza. Ponadto podczas obróbki stali hartowanej mogą być konieczne dostosowanie warunków skrawania, np. zmniejszone prędkości skrawania. Oprócz dostosowania prędkości skrawania i warunków skrawania konieczne jest użycie narzędzi do frezowania i cięcia specjalnego przeznaczenia w zależności od twardości stali. W tym celu, sklep MISUMI oferuje szeroką gamę narzędzi do obróbki skrawaniem.