Tvrdoća po Rockwellu HRC, HRB i HRA – Metoda mjerenja, skale i primjena

Tvrdoća po Rockwellu jedna je od najčešće korištenih metoda za mjerenje tvrdoće metala u kontroli kvalitete, serijskoj proizvodnji i ispitivanju materijala. Za razliku od Brinell i Vickers metoda, koje mjere dimenzije udubljenja koje ostavlja utiskivač, Rockwell metoda koristi mjerenje trajne dubine prodiranja utiskivačaOvo omogućava direktno očitavanje rezultata sa testera tvrdoće, bez izvođenja optičkog mjerenja udubljenja.
Najčešće skale uključuju HRC, HRB i HRA, ali Rockwell sistem također uključuje i druge skale za različite materijale, raspone tvrdoće i debljine komponenti. Odabir prave skale je ključan za dobijanje tačnih i uporedivih rezultata.

Šta znači tvrdoća po Rockwellu?

Rockwellova metoda određuje tvrdoću na osnovu razlike u dubini prodiranja utiskivača pod djelovanjem dva nivoa sile: predopterećenja i ukupnog opterećenja.
U zavisnosti od korištene skale, koriste se sljedeće:

• dijamantski konus,
• karbidna kugla volfram.

Oznaka rezultata sadrži numeričku vrijednost i simbol skale, na primjer:

• 62 HRC,
• 45 HRC,
• 85 HRBW,
• 75 HRA.

Ne navodite samo numeričku vrijednost bez oznake skale. Na primjer, vrijednosti 60 HRC i 60 HRA predstavljaju rezultate dobijene pod različitim uslovima mjerenja i nisu direktno ekvivalentne.

Šta je Rockwellova metoda?

Ispitivanje počinje tako što utiskivač dodiruje površinu uzorka. Zatim se primjenjuje početna sila, F₀, koja uspostavlja referentni položaj i ograničava efekte manjih površinskih nepravilnosti i zazora u mjernom sistemu.
Nakon što se položaj utiskivača stabilizira, primjenjuje se dodatna sila, što uzrokuje daljnje prodiranje materijala. Zbir početne i dodatne sile predstavlja ukupnu silu ispitivanja F.
Nakon određenog vremena, dodatna sila se uklanja, ali početna sila ostaje primijenjena. Dolazi do djelomičnog elastičnog oporavka deformacije materijala.
Uređaj za mjerenje tvrdoće mjeri trajnu razliku u dubini prodiranja i koristi je za određivanje vrijednosti tvrdoće po Rockwellu.
Dizajn studije može se predstaviti kao:
kontakt utiskivača → predopterećenje → uspostavljanje referentne tačke → ukupno opterećenje → prodiranje materijala → uklanjanje dodatnog opterećenja → mjerenje trajne dubine → očitavanje tvrdoće

Zašto Rockwell mjeri dubinu, a ne promjer otiska?

Ovo je jedna od najvažnijih razlika između Rockwellove metode i Brinell-Vickersove metode.
Brinell metoda mjeri prečnik otiska kuglice. Vickers metoda mjeri dijagonale otiska dijamantske piramide. Rockwell metoda mjeri dubinu direktno unutar mjernog sistema uređaja za mjerenje tvrdoće.
Ovo omogućava značajno smanjenje vremena ispitivanja i ograničava utjecaj operatera vezan za optičko određivanje granica otiska.
Zbog toga je Rockwellova metoda posebno korisna u kontroli serijske proizvodnje.

HRC skala – Rockwell C

skala HRC je najčešće povezana Rockwellova skala i jedna od osnovnih metoda za procjenu tvrdoće kaljenih čelika.
Koristi se HRC skala dijamantski konusPočetna sila je približno 98,07 N, dok je ukupna istraživačka snaga približno 1471 N, što je historijski ekvivalentno 150 kgf.
HRC skala se, između ostalog, koristi za ispitivanje:

• kaljeni čelici,
• alatni čelici,
• martenzitni čelici,
• elementi nakon termičko poboljšanje,
• ležajevi,
• osovine i mašinski elementi visoke tvrdoće,
• alati,
• neki martenzitni nehrđajući čelici i otvrdnuta taloženjem.

Prema standardu ISO 6508-1:2023, tipičan raspon primjene C skale je 20–70 HRC.

Kako dijamantski utiskivač funkcioniše na HRC skali?

Utiskivač koji se koristi u HRC, HRA i HRD skalama ima oblik dijamantskog konusa s odgovarajuće oblikovanim vrhom.
Dijamant se koristi zbog svoje vrlo visoke tvrdoće i otpornosti na trajne deformacije.
Ovo je posebno važno pri ispitivanju kaljenih čelika, čija bi tvrdoća bila previsoka za adekvatnu upotrebu sfernog utiskivača na mnogim Rockwell skalama.
Stanje utiskivača direktno utiče na tačnost mjerenja. Oštećenje, habanje ili nepravilna geometrija vrha mogu uzrokovati sistematske greške u rezultatima.

HRB skala i moderna oznaka HRBW

B skala je prvenstveno namijenjena materijalima s nižom tvrdoćom od tipičnih kaljenih čelika.
Ova vaga koristi kuglu promjera 1,5875 mm ili 1/16 inča. Moderni ISO standard za kuglu od volframovog karbida koristi oznaku HRBW.
Početna sila je približno 98,07 N, a ukupna istraživačka snaga je približno 980,7 N, tj. historijski 100 kgf.
B skala se može koristiti, između ostalog, za:

• meki čelici,
• čelik u žarenom stanju,
• legure bakar,
• mesing,
• smeđe,
• neke legure aluminijum,
• drugi materijali s tvrdoćom nižom od tipičnog HRC raspona.

U tehničkoj praksi, skraćenica HRB je i dalje vrlo česta , posebno u starijim dokumentima, tabelama i karticama materijala.

HRA skala – Rockwell A

skala Hra koristi dijamantski konus sličan HRC-u, ali je ukupna korištena sila ispitivanja niža i iznosi približno 588,4 N, što historijski odgovara 60 kgf.
HRA se može koristiti, između ostalog, za:

• veoma tvrdih materijala,
• cementirani karbidi,
• neki tanki elementi,
• materijali za koje bi veća sila primijenjena u HRC-u bila nepovoljna.

Prema standardu ISO 6508-1:2023, raspon primjene A skale je 20–95 HRA.

Poređenje HRA, HRBW i HRC

Druge Rockwellove skale

HRA, HRBW i HRC nisu jedine Rockwell skale. Standard ISO 6508-1 također uključuje skale. D, E, F, G, H i K.
Razlikuju se po vrsti utiskivača, prečniku kuglice i vrijednosti ukupne sile ispitivanja.

Kako se izračunava tvrdoća po Rockwellu?

Rockwellov rezultat povezan je s održivom dubinom prodiranja utiskivača nakon što se ukloni dodatna sila ispitivanja.
Za klasične Rockwellove skale, jedinica promjene dubine odgovara 0,002 mm.
U zavisnosti od vrste skale, koristi se odgovarajuća konstanta skale.
Za vage koje koriste dijamantski konus, kao što su HRA, HRC i HRD, odnos je sljedeći:
HR = 100 − h / 0,002
a za klasične vage s kuglicom:
HR = 130 − h / 0,002
gdje h označava trajnu dubinu prodiranja izraženu u milimetrima.
To znači da se s povećanjem dubine trajnog otiska smanjuje vrijednost tvrdoće po Rockwellu.

Zašto se koristi predopterećenje?

Prednaprezanje je karakteristična karakteristika Rockwellove metode.
Njegov glavni zadatak je:

• uspostavljanje referentne tačke za mjerenje dubine,
• osiguravanje pravilnog kontakta između utiskivača i uzorka,
• ograničavanje utjecaja manjih površinskih nepravilnosti,
• ograničavanje utjecaja mehaničkog zazora u mjernom sistemu.

Tek nakon što je primijenjena početna sila, primjenjuje se dodatna sila koja uzrokuje značajno prodiranje materijala.

Raspon HRC skale

Prema standardu ISO 6508-1:2023, osnovna oblast primjene HRC skale je 20–70 HRC.
Ako je materijal previše mekan za pravilno HRC ispitivanje, treba koristiti drugu Rockwellovu skalu ili metodu mjerenja tvrdoće.
HRC skalu ne treba tretirati kao univerzalnu samo zato što je najprepoznatljivija.
Na primjer, meki konstrukcijski čelik ili austenitni čelik u stanju očvrslog rastvora mogu zahtijevati drugačiju skalu ili Brinell ili Vickers metodu.

Šta znači 60 HRC?

vrijednost 60 HRC znači rezultat od 60 na Rockwellovoj C skali dobijen korištenjem specificiranog utiskivača, ulazne sile i ukupne ispitne sile.
U praksi, 60 HRC označava materijal sa visokom tvrdoćom. Takve vrijednosti se mogu javiti, na primjer, kod pravilno kaljenih alatnih ili ležajnih čelika.
Međutim, sama vrijednost od 60 HRC ne određuje kvalitet čelika ili sva njegova mehanička svojstva.
Dva čelika sa identičnom HRC tvrdoćom mogu se razlikovati:

• udarna čvrstoća,
• otpornost na pucanje,
• čvrstoća na zamor,
• otpornost na habanje,
• otpornost na koroziju,
• stabilnost na povišenim temperaturama.

HRC i termička obrada čelika

Mjerenje HRC-a je posebno korisno za praćenje termičke obrade čelika.
Kaljenje može dovesti do stvaranja tvrde martenzitne strukture, dok naknadno otpuštanje mijenja tvrdoću i druga mehanička svojstva.
HRC mjerenje vam omogućava brzu provjeru da li je komponenta dostigla potreban raspon tvrdoće.
Koristi se, između ostalog, za kontrolu:

• alati,
• nasipi,
• zupčanici,
• ležajevi,
• matrice,
• poštanske marke,
• elementi izrađeni od alatnog čelika,
• martenzitni nehrđajući čelici.

Tvrdoća nehrđajućih čelika po Rockwellu

Kod nehrđajućih čelika, izbor skale zavisi od grupe materijala i njegovog stanja.
Austenitni nehrđajući čelici kao što su 1.4301 / AISI 304, 1.4307 / 304L, 1.4401 / 316 i 316L, nisu klasično termički kaljeni. Međutim, njihova tvrdoća se može značajno povećati hladnom obradom.
Martenzitni čelici kao što su 1.4021, 1.4034 ili 1.4112Međutim, nakon kaljenja i otpuštanja mogu postići visoku tvrdoću, zbog čega im je HRC skala od velikog značaja.
Posebnu grupu čine čelici koji se kale precipitacijom, kao što su 1.4542 / 17-4PH, čija tvrdoća zavisi od stanja termičke obrade, npr. H900, H1025, H1075, H1100 ili H1150.

Debljina uzorka i mjerenje Rockwellove metode

Jedan od najvažnijih uslova za ispravno mjerenje je odgovarajuća debljina ispitivanog elementa.
Ako je uzorak pretanak, zona deformacije ispod utiskivača može stupiti u interakciju sa suprotnom površinom ili nosačem.
To može dovesti do lažnog rezultata.
Na suprotnoj strani uzorka ne bi trebalo biti vidljivih znakova deformacije uzrokovane mjerenjem.
Za tanke elemente, razmislite o korištenju Rockwellovih površinskih skala ili neke druge metode, npr. Vickersove, s odgovarajuće odabranom silom.

Rockwellove površinske vage

Za tanje elemente i pliće slojeve, Rockwellove površinske skale.
To uključuje, između ostalog:

• HR15N,
• HR30N,
• HR45N,
• HR15T,
• HR30T,
• HR45T.

Na površinskim skalama se koriste manje sile nego na klasičnim Rockwellovim skalama.
Vage sa slovom N koristite dijamantski utiskivač, dok skale sa slovom T koriste sferni utiskivač.
Korisni su, između ostalog, za ispitivanje tankih elemenata, malih dijelova i specifičnih površinskih slojeva gdje bi klasično Rockwellovo opterećenje rezultiralo predubokim prodiranjem.

Priprema površine za Rockwellovo ispitivanje

Površina uzorka treba biti čista, stabilna i pravilno pripremljena.
Sljedeće treba ukloniti:

• skala,
• rasuti proizvodi korozija,
• zagađenje,
• debeli slojevi oksida,
• drugi slojevi koji mogu utjecati na prodiranje utiskivača.

Površina treba biti dovoljno glatka da neravnine ne utiču značajno na mjerenje dubine.
Istovremeno, priprema površine ne smije uzrokovati pregrijavanje, očvršćavanje ili druge promjene površinskog sloja.

Važnost odgovarajuće podrške uzorku

Ispitivani element mora biti stabilno oslonjen.
Svako pomjeranje uzorka tokom primjene sile može se mjernim sistemom protumačiti kao dodatno prodiranje utiskivača.
Posebnu pažnju treba posvetiti:

• cilindrični elementi,
• valjci,
• cijevi,
• elementi nepravilnog oblika,
• tanki uzorci.

Za cilindrične elemente koriste se odgovarajući nosači, uključujući prizme V-tipa.

Rockwellovo mjerenje na cilindričnim površinama

Zakrivljenost površine utiče na geometriju kontakta utiskivača i materijala i može uzrokovati razliku između očitane i stvarne tvrdoće.
Standardi predviđaju korekcije rezultata za konveksne površine sa poznatim radijusom u određenim slučajevima.
Što je manji prečnik osovine ili cilindričnog elementa koji se testira, to veći može biti uticaj zakrivljenosti na rezultat.
Stoga, prilikom testiranja valjaka, sirovo očitanje HRC ili HRB ne treba nekritički tumačiti kao ekvivalentno mjerenju izvršenom na ravnoj površini.

Udaljenost od ruba i između otisaka

Svako mjerenje uzrokuje lokalnu plastičnu deformaciju materijala.
Sljedeći otisak ne treba napraviti preblizu prethodnom, jer zone deformacije mogu uticati jedna na drugu.
Također biste trebali održavati odgovarajuću udaljenost od ruba uzorka.
Tačne minimalne udaljenosti treba odabrati u skladu sa zahtjevima relevantnog standarda i korištene skale.

Najčešće greške pri mjerenju Rockwellove krivulje

Uobičajeni izvori grešaka uključuju:

• upotreba pogrešne skale,
• previše tanak uzorak,
• nestabilna podrška elementa,
• prljava ili previše hrapava površina,
• ostavljajući utisak preblizu ivice,
• pravljenje uzastopnih otisaka preblizu jedan drugom,
• istrošen ili oštećen utiskivač,
• netačna verifikacija mjerača tvrdoće,
• vibracije tokom ispitivanja,
• nepravilno pozicioniranje uzorka u odnosu na osu utiskivača,
• neuzimanje u obzir zakrivljenosti testiranog elementa.

Prednosti Rockwellove metode

Najvažnije prednosti uključuju:

• veoma brzo mjerenje,
• direktno očitavanje rezultata,
• nema potrebe za optičkim mjerenjem otiska,
• velika korisnost u kontroli serije,
• širok izbor vaga,
• mogućnost ispitivanja materijala vrlo različite tvrdoće,
• relativno mali udubljenje u poređenju sa Brinell metodom,
• veoma široku industrijsku primjenu.

Ograničenja Rockwellove metode

Rockwellova metoda također ima ograničenja.
Rezultat može biti posebno osjetljiv na:

• pogrešan odabir razmjere,
• mala debljina elementa,
• hrapavost površine,
• nestabilna podrška,
• zakrivljenost uzorka,
• lokalna nehomogenost mikrostrukture.

Udubljenje je manje nego kod Brinell metode, tako da rezultat može predstavljati više lokalnih svojstava materijala.
Za vrlo heterogene materijale, kao što su neki liveno gvožđe ili veliki odlivci, Brinell može pružiti reprezentativniji prosjek mikrostrukture.

Rockwell i Brinell

Rockwell i Vickers

Vickers koristi dijamantsku piramidu i optičko mjerenje dijagonala udubljenja. Rockwell, s druge strane, mjeri dubinu prodiranja.
Vickers je veoma svestran i može se koristiti i za mjerenje malih površina i mikrotvrdoće. Rockwell je, s druge strane, brži i posebno pogodan za inspekciju proizvodnje.

HRC u HBW i HV konverzija

U praksi je često potrebno uporediti HRC vrijednosti sa Brinell ili Vickers rezultatima.
Takve konverzije su približan i zavise od vrste materijala koji se testira.
HRC, HBW i HV ne treba tretirati kao skale povezane jednom univerzalnom matematičkom relacijom.
Za tehničke konverzije koristite odgovarajuće tabele konverzije za određenu grupu materijala.
Potreban je poseban oprez:

• austenitni čelici,
• dupleksne i superdupleksne konstante,
• čelici za kaljenje taloženjem,
• liveno gvožđe,
• legure nikla,
• stopy aluminijum.

Standardi za mjerenje tvrdoće po Rockwellu

Osnovna međunarodna serija standarda za ispitivanje tvrdoće po Rockwellu je ISO 6508.

U tehničkoj dokumentaciji treba obratiti pažnju na tačno izdanje standarda koje je naveo kupac, specifikaciju materijala ili uslove prihvatanja.

ISO 6508-1 i ASTM E18

ISO 6508-1 i ASTM E18 opisuju ispitivanje tvrdoće po Rockwellu, ali za prihvatna ispitivanja ne bi ih trebalo smatrati automatski zamjenjivim dokumentima u svakom detalju.
Ako narudžba, standard proizvoda ili specifikacija kupca zahtijevaju ispitivanje prema ASTM E18, rezultat treba dobiti u skladu s ASTM E18. Slično tome, ako je potreban ISO 6508-1, treba primijeniti zahtjeve tog standarda.
Ovo je posebno važno kada:

• prijemni testovi,
• kontrola zaliha materijala,
• priprema laboratorijskih izvještaja,
• certifikacija,
• upoređivanje rezultata dobijenih u različitim laboratorijama.

Gdje se koristi Rockwellovo mjerenje?

Rockwellova metoda se obično koristi u:

• metalurgija,
• industrija alata,
• proizvodnja ležajeva,
• proizvodnja zupčanika i osovina,
• kontrola termičke obrade,
• automobilska industrija,
• proizvodnja mašinskih dijelova,
• laboratorije za materijale,
• serijska kontrola kvalitete.

Brzina ispitivanja znači da se jedan tester tvrdoće može koristiti za pregled velikog broja proizvodnih komponenti.

Da li HRC određuje čvrstoću čelika?

Tvrdoća može biti u korelaciji s nekim mehaničkim svojstvima, ali HRC nije direktno mjerenje zatezne čvrstoće.
Ne treba određivati ​​sva svojstva materijala samo na osnovu HRC-a.
Čelik visoke tvrdoće može također pokazivati ​​nižu duktilnost ili udarnu čvrstoću. S druge strane, otpuštanje može smanjiti tvrdoću, ali poboljšati žilavost materijala na lom.
Stoga, Rockwellovo mjerenje treba tumačiti zajedno s informacijama o:

• vrsta materijala,
• mikrostrukture,
• šator termička obrada,
• zatezna čvrstoća Rm,
• granica tečenja Rp0,2,
• produžetak A,
• udarna čvrstoća KV.

Rockwellova metoda je jedna od najvažnijih industrijskih metoda za mjerenje tvrdoće metala. Njena glavna prednost je što određuje tvrdoću na osnovu dubina prodiranja utiskivača, tako da se rezultat može dobiti brzo i bez optičkog mjerenja otiska.
Najpoznatija skala je HRC, koristi se prvenstveno za kaljene čelike i druge materijale visoke tvrdoće. Okamena masa HRBW koristi kuglu i koristi se za materijale niže tvrdoće, dok Hra koristi dijamantski utiskivač s manjom ukupnom silom od HRC-a.
Ispravno mjerenje zahtijeva pravilan odabir skale, odgovarajuću debljinu i pripremu uzorka, stabilno oslonac elementa i efikasan i pravilno verificiran tester tvrdoće.
Osnovni međunarodni standard za metodu je ISO 6508-1: 2023, dok se u ASTM sistemu koristi ASTM E18.

Primjena – Pretvarač tvrdoće Brinell HB, Rockwell HRC, Vickers HV, Knoop, Mohs

Tvrdoća metala i čelika – metode mjerenja, skale tvrdoće i konverzija
Tvrdoća po Rockwellu HRC, HRB i HRA – Metoda mjerenja, skale i primjena
Tvrdoća po Brinellu HBW – Metoda mjerenja, skala, formula i primjena
Tvrdoća po Vickersu HV – Metoda mjerenja, formula i primjena
Knoop tvrdoća HK – Metoda mjerenja, mikrotvrdoća i primjena
Mohsova skala – tabela tvrdoće minerala i materijala
Konverzija tvrdoće HBW, HRC, HRB i HV – tabele konverzije