Tvrdosť kovových materiálov

Tvrdosť kovových materiálov sa vzťahuje na schopnosť materiálu odolávať lokálnej deformácii, najmä plastickej deformácii, vtlačeniu alebo poškriabaniu. Je indikátorom mäkkosti alebo tvrdosti materiálu.

Tvrdosť je rozdelená do troch typov na základe skúšobných metód.

Tvrdosť proti poškriabaniu: Používa sa predovšetkým na porovnanie tvrdosti rôznych minerálov. Metóda zahŕňa použitie tyče s jedným koncom tvrdým a druhým mäkkým a potom ťahaním tyče cez testovaný materiál. Miesto, kde sa objavujú škrabance, určuje tvrdosť materiálu. Kvalitatívne, tvrdší predmet zanecháva dlhší škrabanec, zatiaľ čo mäkší predmet zanecháva kratší škrabanec.

Tvrdosť vtlačenia: Používa sa hlavne na kovové materiály. Metóda zahŕňa aplikáciu špecifického zaťaženia na vtlačenie určeného indentora do testovaného materiálu. Tvrdosť materiálu je určená rozsahom lokálnej plastickej deformácie na povrchu. Vzhľadom na odchýlky v indentore, zaťažení a trvaní zaťaženia existuje niekoľko typov testov tvrdosti vtláčania, vrátane tvrdosti podľa Brinella, tvrdosti Rockwella, tvrdosti podľa Vickersa a mikrotvrdosti.

Tvrdosť odrazu: Používa sa hlavne na kovové materiály. Metóda zahŕňa umožnenie, aby špeciálne navrhnuté kladivo voľne spadlo z určitej výšky a zasiahlo vzorku testovaného materiálu. Tvrdosť materiálu je určená množstvom deformačnej energie, ktorú vzorka absorbuje (a následne uvoľní) počas nárazu, čo sa meria výškou, do ktorej sa kladivo odrazí.

Najbežnejšie skúšky tvrdosti kovových materiálov – tvrdosť podľa Brinella, tvrdosť podľa Rockwella a tvrdosť podľa Vickersa – spadajú do kategórie vtlačovacej tvrdosti. Hodnota tvrdosti predstavuje schopnosť materiálu odolávať plastickej deformácii, keď je do jeho povrchu vtlačený iný predmet. Testy odrazovej tvrdosti (Shore, Leeb) merajú tvrdosť na základe rozsahu elastickej deformácie kovu, pričom hodnota tvrdosti udáva schopnosť materiálu elastickej deformácie.

Tvrdosť podľa Brinella

Indentor s priemeromDz kalenej ocele alebo karbidovej guľôčky sa vtlačí do povrchu vzorky príslušnou skúšobnou silouF. Po stanovenom čase držania sa skúšobná sila odstráni a zanechá priehlbinu s priemeromd. Hodnota tvrdosti podľa Brinella sa vypočíta vydelením testovacej sily plochou povrchu vtlačenia. Výsledná hodnota je tvrdosť podľa Brinella, označovaná akoHBSaleboHBW.

H Rozdiel medziHBSaHBWspočíva v type použitého indentoru.HBSsa týka testu s použitím kalenej oceľovej guľôčky ako indentora, ktorý sa zvyčajne používa na meranie hodnôt tvrdosti podľa Brinella v materiáloch s tvrdosťou pod 450, ako sú mäkké ocele, sivá liatina a neželezné kovy.HBWna druhej strane používa karbidovú guľôčku ako indentor a používa sa na meranie hodnôt tvrdosti podľa Brinella v materiáloch s tvrdosťou pod 650.

Pre ten istý skúšobný kus a za rovnakých skúšobných podmienok sa výsledky z týchto dvoch metód budú líšiťHBWhodnoty sú často vyššie akoHBShodnoty. Medzi nimi však neexistuje žiadny pevný kvantitatívny vzťah.

Od roku 2003 Čína prijala medzinárodnú normu a na testovanie tvrdosti podľa Brinella nahradila používanie guľôčok z tvrdenej ocele karbidovými guľôčkami. v dôsledku tohoHBSsa už nepoužíva, aHBWsa stala štandardným označením tvrdosti podľa Brinella. V mnohých prípadochHBsa používa samostatne na vyjadrenie tvrdosti podľa Brinella, ktorá sa zvyčajne vzťahuje naHBW. všakHBSmožno stále vidieť v niektorej literatúre a akademických prácach.

Skúška tvrdosti podľa Brinella je vhodná pre materiály ako liatina, neželezné zliatiny a rôzne žíhané alebo temperované ocele. Nie je vhodný na testovanie materiálov, ktoré sú príliš tvrdé, príliš malé, príliš tenké alebo vzorky, ktoré neznesú veľké priehlbiny na svojom povrchu.

Tvrdosť podľa Rockwella

Metóda využíva diamantový kužeľový indentor s vrcholovým uhlom 120 stupňov alebo kalenú oceľovú guľu ako indentor v kombinácii so špecifickou konfiguráciou zaťaženia. Skúška začína počiatočným zaťažením 10 kgf, po ktorom nasleduje aplikácia celkového zaťaženia (čo je súčet počiatočného zaťaženia a hlavného zaťaženia) 60, 100 alebo 150 kgf. Pri týchto zaťaženiach sa indentor vtláča do vzorky postupne. Po aplikovaní celkového zaťaženia je tvrdosť určená rozdielom v hĺbke vtlačenia medzi hĺbkou pri počiatočnom zaťažení a hĺbkou pri celkovom zaťažení po odstránení hlavného zaťaženia, pričom počiatočné zaťaženie zostáva.

Táto metóda sa zvyčajne používa vTvrdosť podľa Rockwellatestovanie. Hĺbka vtlačenia pri počiatočnom zaťažení a celkové zaťaženie sa používa na výpočet hodnoty tvrdosti, ktorá odráža odolnosť materiálu voči vtlačeniu pri oboch zaťaženiach.

Skúška tvrdosti podľa Rockwella využíva tri rôzne skúšobné sily a tri typy indentorov, výsledkom čoho je deväť možných kombinácií, z ktorých každá zodpovedá jednej z deviatich stupňov tvrdosti podľa Rockwella. Týchto deväť mierok pokrýva takmer všetky bežne používané kovové materiály. Najčastejšie používané váhy súHRA, HRB, aHRC, sHRCktoré sú najrozšírenejšie.

Bežná štandardná tabuľka testovania tvrdosti podľa Rockwella

TheHRC stupnicasa typicky používa pre hodnoty tvrdosti v rozsahu od 20 do 70 HRC. Keď je hodnota tvrdosti nižšia ako 20 HRC, citlivosť testu klesá, pretože kužeľovitý hrot indentora preniká príliš hlboko do materiálu. V tomto prípade,HRB stupnicamala by sa použiť namiesto toho, pretože je vhodnejšia pre mäkšie materiály.

Keď tvrdosť vzorky presiahne 67 HRC, tlak na hrot indentora sa príliš zvýši, čo môže poškodiť diamant a výrazne skrátiť životnosť indentora. Preto sa vo všeobecnosti odporúča prejsť naHRA stupnicapre materiály s tvrdosťou vyššou ako 67 HRC.

Rockwellova skúška tvrdosti sa jednoducho ovláda, je rýchla a vytvára malé vrúbky, vďaka čomu je vhodná na testovanie povrchov hotových výrobkov, ako aj tvrdších a tenších obrobkov. Vďaka malému vtlačeniu môže hodnota tvrdosti výraznejšie kolísať pri materiáloch s nerovnomernou mikroštruktúrou alebo tvrdosťou, čo má za následok nižšiu presnosť v porovnaní s testom tvrdosti podľa Brinella. Rockwellova skúška tvrdosti sa bežne používa na meranie tvrdosti ocelí, neželezných kovov, karbidových materiálov a iných zliatin.

Tvrdosť podľa Vickersa

Princíp merania tvrdosti podľa Vickersa je podobný ako pri tvrdosti podľa Brinella. Použije sa diamantové pyramídové vtláčadlo s uhlom 136 stupňov a špecifikovaná skúšobná silaFsa nanáša na povrch materiálu. Po udržiavaní zaťaženia počas stanoveného obdobia sa skúšobná sila odstráni. Hodnota tvrdosti je určená priemerným tlakom vyvíjaným na jednotkovú povrchovú plochu štvorcového pyramídového vrúbkovania a hodnota tvrdosti je označená symbolomHV.

Vickersova skúška tvrdosti má široký rozsah merania, je schopná merať materiály s hodnotami tvrdosti v rozmedzí od10 až 1000 HV. Prehĺbenie je malé, vďaka čomu je obzvlášť vhodné na meranie tenších materiálov a povrchovo tvrdených vrstiev, ako sú nauhličované alebo nitridované povrchy.

Leebova tvrdosť

Pri skúške tvrdosti podľa Leeba sa nárazové teleso s guľôčkovým indentom z karbidu volfrámu používa na zasiahnutie povrchu vzorky pod špecifickou silou, čo spôsobí jej odraz. V dôsledku rôznej tvrdosti materiálu sa rýchlosť odrazu líši. Nárazové zariadenie je vybavené permanentným magnetom a keď sa nárazové teleso pohybuje hore a dole, okolitá cievka generuje elektromagnetický signál, ktorý je úmerný rýchlosti odrazu. Tento signál sa potom pomocou elektronického obvodu prevedie na hodnotu tvrdosti podľa Leeba a hodnota sa označí symbolomHL.

Tvrdomer Leeb nevyžaduje pracovný stôl; jeho snímač tvrdosti je malý ako pero a možno ho ovládať priamo rukou. To uľahčuje testovanie veľkých, ťažkých obrobkov alebo geometricky zložitých vzoriek bez problémov.

Ďalšou výhodou tvrdomeru Leeb je, že spôsobuje veľmi minimálne poškodenie povrchu výrobku a v niektorých prípadoch ho možno použiť nanedeštruktívne testovanie. Je obzvlášť jedinečný na testovanie tvrdosti v rôznych smeroch, úzkych priestoroch a špecializovaných oblastiach, kde môže byť náročné použiť iné metódy.