Tvrdoća metalnih materijala

Tvrdoća metalnih materijala odnosi se na sposobnost materijala da se odupre lokalnim deformacijama, posebno plastičnoj deformaciji, udubljenju ili ogrebotinu. To je pokazatelj mekoće ili tvrdoće materijala.

Tvrdoća se deli na tri tipa na osnovu metoda ispitivanja.

Tvrdoća ogrebotina: Ovo se prvenstveno koristi za poređenje tvrdoće različitih minerala. Metoda uključuje korištenje štapa s jednim krajem tvrdim, a drugim mekim, a zatim vučenje šipke preko materijala koji se testira. Mjesto na kojem se pojavljuju ogrebotine određuje tvrdoću materijala. Kvalitativno, tvrđi predmet ostavlja dužu ogrebotinu, dok mekši predmet ostavlja kraću ogrebotinu.

Tvrdoća udubljenja: Ovo se uglavnom koristi za metalne materijale. Metoda uključuje primjenu specifičnog opterećenja kako bi se utisnuo određeni indenter u materijal koji se ispituje. Tvrdoća materijala određena je opsegom lokalne plastične deformacije na površini. Zbog varijacija u indenteru, opterećenju i trajanju opterećenja, postoji nekoliko tipova testova tvrdoće utiskivanja, uključujući tvrdoću po Brinelu, tvrdoću po Rockwellu, tvrdoću po Vickersu i mikrotvrdoću, između ostalih.

Rebound Hardness: Ovo se uglavnom koristi za metalne materijale. Metoda uključuje omogućavanje specijalno dizajniranog čekića da slobodno padne sa određene visine i udari u uzorak materijala koji se ispituje. Tvrdoća materijala određena je količinom energije naprezanja koju uzorak apsorbira (a zatim otpušta) tokom udara, a koja se mjeri visinom na koju se čekić odbija.

Najčešći testovi tvrdoće za metalne materijale - tvrdoća po Brinelu, tvrdoća po Rockwellu i tvrdoća po Vickersu - spadaju u kategoriju tvrdoće udubljenja. Vrijednost tvrdoće predstavlja sposobnost materijala da se odupre plastičnoj deformaciji kada se drugi predmet utisne u njegovu površinu. Testovi tvrdoće odskoka (Shore, Leeb) mjere tvrdoću na osnovu obima elastične deformacije metala, pri čemu vrijednost tvrdoće pokazuje sposobnost materijala za elastičnu deformaciju.

Brinellova tvrdoća

Indenter sa prečnikomDod kaljenog čelika ili karbidne kuglice utiskuje se u površinu uzorka odgovarajućom ispitnom silomF. Nakon navedenog vremena držanja, testna sila se uklanja, ostavljajući udubljenje promjerad. Vrijednost Brinellove tvrdoće se izračunava dijeljenjem ispitne sile s površinom udubljenja. Rezultirajuća vrijednost je Brinellova tvrdoća, označena kaoHBSiliHBW.

HRazlika izmeđuHBSiHBWzavisi od vrste indentera koji se koristi.HBSodnosi se na test koji koristi kaljenu čeličnu kuglu kao indentor, koji se obično koristi za mjerenje vrijednosti tvrdoće po Brinellu u materijalima tvrdoće ispod 450, kao što su mekani čelici, sivi ljev i obojeni metali.HBW, s druge strane, koristi karbidnu kuglu kao indenter i koristi se za mjerenje vrijednosti tvrdoće po Brinelu u materijalima tvrdoće ispod 650.

Za isti ispitni komad i pod identičnim uvjetima ispitivanja, rezultati dvije metode će se razlikovati, sHBWvrijednosti su često veće odHBSvrijednosti. Međutim, ne postoji fiksni kvantitativni odnos između njih.

Od 2003. godine Kina je usvojila međunarodni standard i zamijenila upotrebu kaljenih čeličnih kuglica kuglicama od karbida za ispitivanje tvrdoće po Brinellu. kao rezultat toga,HBSse više ne koristi, iHBWje postala standardna oznaka tvrdoće po Brinellu. u mnogim slučajevima,HBse koristi sam za predstavljanje Brinellove tvrdoće, što se obično odnosi naHBW. međutim,HBSjoš uvijek se može vidjeti u nekoj literaturi i akademskim radovima.

Brinellov test tvrdoće je pogodan za materijale kao što su liveno gvožđe, legure obojenih metala i različiti žareni ili kaljeni čelici. Nije pogodan za ispitivanje materijala koji su previše tvrdi, premali, pretanki ili uzorci koji ne mogu tolerisati velika udubljenja na svojim površinama.

Rockwell tvrdoća

Metoda koristi utiskivač sa dijamantskim konusom sa vršnim uglom od 120 stepeni ili kaljenu čeličnu kuglu kao indenter, u kombinaciji sa specifičnom konfiguracijom opterećenja. Test počinje s početnim opterećenjem od 10 kgf, nakon čega slijedi primjena ukupnog opterećenja (koje je zbir početnog opterećenja i glavnog opterećenja) od 60, 100 ili 150 kgf. Indenter se utiskuje u uzorak pod tim opterećenjima uzastopno. Nakon primjene ukupnog opterećenja, tvrdoća se određuje razlikom u dubini udubljenja između dubine pod početnim opterećenjem i dubine pod ukupnim opterećenjem kada se glavno opterećenje ukloni, dok početno opterećenje ostaje.

Ova metoda se obično koristi uRockwell tvrdoćatestiranje. Dubina udubljenja pod početnim opterećenjem i ukupno opterećenje koristi se za izračunavanje vrijednosti tvrdoće, koja odražava otpornost materijala na udubljenje pod oba opterećenja.

Test tvrdoće po Rockwellu koristi tri različite ispitne sile i tri vrste utiskivača, što rezultira devet mogućih kombinacija, od kojih svaka odgovara jednoj od devet Rockwell skala tvrdoće. Ovih devet skala pokriva gotovo sve uobičajeno korištene metalne materijale. Najčešće korištene vage suHRA, HRB, iHRC, saHRCkoji je najšire primijenjen.

Zajednička standardna tabela za ispitivanje tvrdoće po Rockwellu

TheHRC skalase obično koristi za vrijednosti tvrdoće u rasponu od 20 do 70 HRC. Kada je vrijednost tvrdoće ispod 20 HRC, osjetljivost testa se smanjuje jer konusni vrh indentera prodire suviše duboko u materijal. U ovom slučaju,HRB skalaumjesto toga treba koristiti, jer je pogodniji za mekše materijale.

Kada tvrdoća uzorka prijeđe 67 HRC, pritisak na vrhu indentera postaje previsok, što može oštetiti dijamant i značajno skratiti vijek trajanja indentora. Stoga se općenito preporučuje prelazak naHRA skalaza materijale tvrdoće veće od 67 HRC.

Rockwellov test tvrdoće je jednostavan za rukovanje, brz i proizvodi mala udubljenja, što ga čini pogodnim za testiranje gotovih površina proizvoda kao i tvrđih i tanjih radnih komada. Zbog malog udubljenja, vrijednost tvrdoće može znatno fluktuirati za materijale s neujednačenom mikrostrukturom ili tvrdoćom, što rezultira nižom preciznošću u odnosu na Brinellov test tvrdoće. Rockwellov test tvrdoće se obično koristi za mjerenje tvrdoće čelika, obojenih metala, karbidnih materijala i drugih legura.

Vickers Hardness

Princip mjerenja tvrdoće po Vickersu sličan je onom kod Brinellove tvrdoće. Koristi se dijamantski piramidalni indenter sa uključenim uglom od 136 stepeni i određenom ispitnom silomFnanosi se na površinu materijala. Nakon održavanja opterećenja u određenom periodu, ispitna sila se uklanja. Vrijednost tvrdoće je određena prosječnim pritiskom koji se vrši na jediničnu površinu udubljenja kvadratne piramide, a vrijednost tvrdoće je označena simbolomHV.

Vickersov test tvrdoće ima širok raspon mjerenja, sposoban za mjerenje materijala sa vrijednostima tvrdoće u rasponu od10 do 1000 HV. Udubljenje je malo, što ga čini posebno pogodnim za mjerenje tanjih materijala i površinski kaljenih slojeva, kao što su naugljenične ili nitrirane površine.

Leeb Hardness

U testu tvrdoće po Leeb-u, udarno tijelo s indenterom kugle od volfram-karbida koristi se da udari u površinu uzorka pod određenom silom, uzrokujući njegovo odbijanje. Zbog različite tvrdoće materijala, brzina odbijanja se razlikuje. Udarni uređaj je opremljen trajnim magnetom, a kako se udarno tijelo pomiče gore-dolje, okolni kalem stvara elektromagnetski signal koji je proporcionalan brzini odbijanja. Ovaj signal se zatim pretvara u vrijednost Leebove tvrdoće putem elektronskog kola, a vrijednost se označava simbolomHL.

Leeb tester tvrdoće ne zahtijeva radni sto; njegov senzor tvrdoće je mali kao olovka i njime se može upravljati direktno rukom. To olakšava testiranje velikih, teških radnih komada ili geometrijski složenih uzoraka bez poteškoća.

Još jedna prednost Leeb testera tvrdoće je što uzrokuje vrlo minimalno površinsko oštećenje proizvoda, au nekim slučajevima se može koristiti zaispitivanje bez razaranja. Posebno je jedinstven za ispitivanje tvrdoće u različitim smjerovima, uskim prostorima i specijaliziranim područjima, gdje druge metode mogu biti izazovne za primjenu.