Průvodce testováním tvrdosti kovů: Rockwell, Shore a metody

Tvrdost je mírou odolnosti materiálu vůči trvalému promáčknutí. Při testování tvrdosti kovů je odpověď na to, jak se tvrdost měří, jednoduchá: do povrchu se pod přesným zatížením vtlačí staardizovaný indentor a velikost nebo hloubka vtisku se převede na číslo tvrdosti . Pro testování tvrdosti oceli ve výrobě je drtivou volbou Rockwellova metoda 60 HRC představující typickou kalenou nástrojovou ocel a 25 HRC představuje měkkou, obrobitelnou měkkou ocel . A Tvrdoměr United Rockwell je specifický digitální přístroj, který automatizuje tento test a přináší výsledky během několika sekund. Pro měkčí, nekovové materiály, Tvrdoměry Shore měří penetraci odpruženého indentoru a jsou nezbytné pro elastomery a polymery. Tento článek poskytuje praktické zkoumání metod kontroly tvrdosti, od klasických technik Brinella a Vickerse po přenosné testery odrazu, s příklady tvrdosti betonové oceli.

Jak se měří tvrdost: Základní principy

Všechny metody statického měření tvrdosti sdílejí společnou sekvenci: indentor známé geometrie je vtlačován do materiálu řízenou silou a rychlostí, síla je udržována po definovanou dobu setrvání a poté je měřen vtisk. Číslo tvrdosti je odvozeno buď z hloubky vniknutí, nebo z plochy povrchu otisku. Tři nejběžnější typy indentorů jsou diamantový kužel, kalená ocelová nebo karbidová kulička a diamantová pyramida. Zásadní rozdíl mezi metodami spočívá v kombinaci indentoru, aplikované síly a přístupu měření.

Při metalurgickém testování tvrdosti dává proces více než jen číslo. Odráží mez kluzu materiálu, rychlost zpevňování a mikrostrukturu. A Brinellův test na hrubozrnném odlitku , například průměruje tvrdost více zrn, zatímco a Vickersův mikrovtisk při 0,5 kgf může izolovat tvrdost karbidu s hranicí jednoho zrna. Pochopení principu měření je prvním krokem k výběru správného testu.

Testování tvrdosti podle Rockwella: Průmyslový staard pro kov

Testování tvrdosti podle Rockwella je dominantní metodou testování tvrdosti kovů pro výrobní prostředí, protože je rychlé, nedestruktivní v makro měřítku a nevyžaduje optické měření. Test funguje tak, že nejprve aplikujete malé zatížení (typicky 10 kgf) pro usazení indentoru a stanovení nulové reference. Poté je aplikováno velké zatížení (60, 100 nebo 150 kgf) a následně odstraněno, přičemž zůstává pouze malé zatížení. Tvrdost se odečítá přímo z číselníku nebo digitálního displeje jako inverzní funkce trvalého nárůstu hloubky . Typický testovací cyklus trvá méně než pět sekund.

Nejběžnější stupnice jsou HRC a HRB. HRC používá diamantový kuželový indentor a hlavní zatížení 150 kgf a používá se pro kalené oceli a slitiny titanu. HRB používá 1/16palcovou karbidovou kuličku a hlavní zátěž 100 kgf pro měkčí materiály jako slitiny mědi a nekalená ocel. Příkladem tvrdosti podle Rockwella, kterým se řídí velká část průmyslu, je specifikace povrchově kalených ozubených kol 58–62 HRC , který poskytuje optimální odolnost proti opotřebení bez nadměrné křehkosti.

Testování tvrdosti oceli a typické příklady tvrdosti podle Rockwella

Testování tvrdosti oceli je nejčastější aplikací stolních tvrdoměrů a Rockwellovy hodnoty slouží jako univerzální jazyk pro specifikaci tepelného zpracování. Níže uvedená tabulka uvádí přímé praktické příklady tvrdosti pro běžné podmínky oceli. Tyto hodnoty jsou tím, co technik kvality očekává, když umístí vzorek na a Tvrdoměr United Rockwell .

United Rockwell Tvrdoměr : Praktické řešení na pracovním stole

The Tvrdoměr United Rockwell je specifická značka digitálního stolního tvrdoměru široce používaného v metalurgickém testování tvrdosti a zajištění kvality. Modely v řadě United TRU pracují na všech běžných i povrchových Rockwellových vahách, včetně HRC, HRB a HRN/T, se systémem aplikace síly s uzavřenou smyčkou, který zajišťuje přesnost lepší než plus nebo mínus 0,5 HRC . Přístroj automatizuje usazení menší zátěže, aplikaci větší zátěže, prodlevu a vykládací sekvenci stisknutím tlačítka, čímž eliminuje vliv operátora na výsledek. Pro testování tvrdosti oceli to znamená, že technik může otestovat dávku 50 vzorků hřídele a získat konzistentní, opakovatelná čísla bez optického měření. Digitální displej testeru zobrazuje hodnotu tvrdosti přímo a data lze exportovat pro statistické řízení procesu, což z něj činí centrální nástroj v jakékoli knihovně metod kontroly tvrdosti kovů.

Zkoušky tvrdosti podle Brinella pro sypké a hrubé materiály

Brinell je preferovanou metodou měření tvrdosti pro materiály s hrubou nebo heterogenní mikrostrukturou, jako jsou železné odlitky, kované díly a slitiny mědi. A 10 mm kulička z karbidu wolframu se běžně vtlačuje do povrchu pod vysokým zatížením 3000 kgf pro ocel a 500 kgf pro měkké neželezné kovy . Po odstranění zátěže se průměr vtisku změří kalibrovaným mikroskopem. Číslo tvrdosti, uváděné jako HBW 10/3000 například je aplikované zatížení děleno povrchovou plochou vtisku. Protože velká koule odebírá mnoho zrn, výsledkem je spolehlivá objemová tvrdost, která u mnoha kovů dobře koreluje s pevností v tahu. Typickým příkladem tvrdosti z této metody je 200 HBW pro šedou litinu .

Testování tvrdosti podle Vickerse: Přesnost napříč všemi stupnicemi

Vickers je jedinečný mezi metodami měření tvrdosti, protože je stejný diamantový čtvercový pyramidový vtlačovač se používá pro síly od 1 gf do 120 kgf, díky čemuž je test použitelný na vše od 3mikronového povlaku po tlustý ocelový plech. Vtiskové úhlopříčky se měří opticky a tvrdost je vyjádřena jako HV , je v širokém rozsahu nezávislý na zatížení. Při metalurgickém testování tvrdosti je Vickers zásadní pro určení hloubky případu , kde se od povrchu k jádru vytvoří série vtlačení o síle 0,5 nebo 1 kgf, aby se zmapoval gradient tvrdosti. Je to také referenční metoda pro kvalifikaci svarových zón a tenkých fólií, kde by Rockwell a Brinell přehlédli kritické odchylky. Příkladem tvrdosti pro nitridovaný povrch je 1000 HV 0,5 , klesá na 300 HV v jádře.

Tvrdoměry Shore pro elastomery a polymery

Tvrdoměry Shore jsou přenosné přístroje, které měří odolnost pryže, plastů a jiných nekovových materiálů vůči vtlačení pružinovým vtlačovacím tělesem. Dvě nejběžnější stupnice jsou Shore A pro měkkou gumu a Shore D pro tvrdé plasty . Hodnota tvrdosti 60 Shore A je typická pro běhoun pryžové pneumatiky, zatímco hodnota 80 Shore D označuje materiál přilby. Měření je rychlé a nedestruktivní, což z něj činí standardní metodu kontroly tvrdosti ve výrobě i v terénu. I když se testery Shore nepoužívají pro kovy, jsou kritickou součástí schopnosti kompletního testování tvrdosti hybridních součástí, jako jsou gumové a kovové držáky.

Jak provést test tvrdosti: Průvodce krok za krokem

Následující praktický postup ilustruje, jak testovat tvrdost pomocí stolního testeru Rockwell, což je nejběžnější průmyslový scénář. U všech metod platí stejné principy přípravy vzorku, strojového ověření a rozteče vtisků.

1. Ověřte tester. Proveďte denní kontrolu kalibrace na certifikovaném zkušebním bloku známé tvrdosti. Odečet musí být v rámci stanovené tolerance, typicky plus nebo mínus 1,0 HRC na stupnici HRC.
2. Připravte povrch vzorku. Zkušební povrch a sedlo kovadliny musí být čisté, suché a bez okují nebo oduhličení. U tenkých nebo nepravidelných dílů použijte správný zvedací šroub a vložku kovadliny, abyste zajistili stabilitu.
3. Vyberte správné měřítko a vtlačovač. Pro kalenou ocel nad 20 HRC nainstalujte diamantový kuželový indentor a zvolte stupnici HRC. Pro mosaz nebo nekalenou ocel použijte kuličku 1/16 palce a stupnici HRB.
4. Použijte malé zatížení. Pomalu zvedněte zvedací šroub, dokud se indentor nedotkne vzorku a malé zatížení je plně aplikováno, což je indikováno referenční značkou nebo pípnutím.
5. Použijte hlavní zatížení a setrvejte. Spusťte testovací cyklus. Stroj aplikuje plnou hlavní zátěž, podrží ji po stanovenou dobu prodlevy (obvykle 3–6 sekund) a automaticky se uvolní zpět na malou zátěž.
6. Odečtěte hodnotu tvrdosti. Rockwellovo číslo se zobrazí přímo. Zaznamenejte hodnotu a stupnici, např. 58,5 HRC .
7. Udržujte správné rozestupy. Vzdálenost mezi zářezy musí být alespoň trojnásobek průměru prohlubně a každý zářez musí být alespoň 2,5násobek průměru od okraje vzorku, aby se zabránilo interferenci při mechanickém zpevňování.

Výběr správné metody kontroly tvrdosti

Volba metody měření tvrdosti je řízena typem materiálu, geometrií součásti, měřítkem mikrostruktury a tím, zda je test určen pro výrobní uvolnění nebo analýzu selhání. Níže uvedená tabulka shrnuje primární metody kontroly tvrdosti pro kovové a nekovové aplikace a poskytuje praktický průvodce výběrem.

Poslední praktický bod: žádný test tvrdosti není univerzální. Dobře vybavená metalurgická laboratoř využívá a Tvrdoměr United Rockwell pro každodenní kontroly výroby oceli, Vickers mikrotvrdoměr pro analýzu poruch a přenosný Shore metr pro vstupní kontroly pryže. Přizpůsobení metody materiálu a požadovaným informacím je základem spolehlivého testování tvrdosti.