Tvrdoća metala i čelika – metode mjerenja, skale tvrdoće i konverzija

Tvrdoća To je jedno od osnovnih mehaničkih svojstava metala i legura. Određuje otpornost materijala na lokaliziranu plastičnu deformaciju izazvanu djelovanjem tvrđeg utiskivača. Mjerenje tvrdoće omogućava, između ostalog, procjenu stanja materijala nakon termičke obrade, poređenje različitih serija materijala, praćenje efekata kaljenja i indirektnu procjenu određenih mehaničkih svojstava.
U industrijskoj praksi, najčešće korištene metode su: Brinell (HBW), Rockwell (HRA, HRB, HRC) i Vickers (HV)Metoda se također koristi u ispitivanjima mikrotvrdoće i vrlo tankih slojeva. Knoop (HK).

Šta je tvrdoća materijala?

Tvrdoća nije jedna, nezavisna konstanta materijala u smislu gustoće. Rezultat mjerenja zavisi, između ostalog, od korištene metode, vrste i geometrije utiskivača, opterećenja, pripreme površine i strukture materijala koji se testira.
Stoga rezultat tvrdoće uvijek treba navesti zajedno s korištenom skalom, na primjer:

• 220 HBW – tvrdoća po Brinellu,
• 35 HRC – Tvrdoća po Rockwellu na C skali,
• 280 HV – tvrdoća po Vickersu,
• 450 HK – Tvrdoća po Knoopu.

Ne upoređujte samo numeričke vrijednosti bez uzimanja u obzir korištene metode mjerenja.

Najvažnije metode mjerenja tvrdoće

Najčešće korištene metode uključuju:

• Brinell – HBW,
• Rockwell – HRA, HRB, HRC i druge Rockwellove skale,
• Vickers – HV,
• Knoop – HK.

Svaka od ovih metoda koristi drugačiju metodu određivanja tvrdoće i ima različite primjene.

Brinell metoda – tvrdoća HBW

Kod Brinell metode, pritisak se primjenjuje na površinu materijala koji se testira. lopta napravljena od volfram karbidNakon uklanjanja opterećenja, mjeri se promjer rezultirajućeg otiska.
Na osnovu prečnika otiska, prečnika kugle i primijenjene sile, izračunava se vrijednost Tvrdoća po Brinellu označen simbolom HBW.
Primjer unosa može izgledati ovako:
250 HBW 10/3000
gdje oznaka uključuje vrijednost tvrdoće i parametre izvršenog ispitivanja.
Brinelova metoda je posebno korisna za ispitivanje:

• konstrukcijski čelik,
• čelik nakon žarenja i normalizacije,
• liveno gvožđe,
• legure aluminijum,
• legure bakar,
• dużych otkivci i odlivci,
• materijali s heterogenom strukturom.

Relativno veliko udubljenje znači da rezultat može dobro predstavljati prosječnu tvrdoću materijala koji sadrži različite strukturne komponente.

Rockwellova metoda – HRC, HRB i HRA

Rockwellova metoda se razlikuje od Brinell i Vickers prvenstveno metodom mjerenja. Tvrdoća se određuje na osnovu dubina trajnog otiska udubljenja stvorene pod određenim opterećenjem.
Ovo čini test brzim i vrlo pogodnim za kontrolu serijske proizvodnje.
U zavisnosti od vrste materijala, koriste se različite metode Rockwellova skala.

Najčešća skala za kaljene čelike je HRC.

Vickersova metoda – tvrdoća HV

U Vickersovoj metodi, utiskivač je dijamantna piramida s kvadratnom bazomNakon što je otisak napravljen, mjere se njegove dvije dijagonale, koje se koriste za određivanje vrijednosti tvrdoće.
Primjeri oznaka:

• 200 HV 10,
• 350 HV 30,
• 650 HV 10.

Velika prednost Vickersove metode Moguće ga je koristiti u vrlo širokom rasponu tvrdoće.
HV metoda se, između ostalog, koristi pri ispitivanju:

• konstrukcijski čelik,
• kaljeni čelici,
• nehrđajući čelik,
• legure nikla,
• cementirani i nitrirani slojevi,
• zavareni spojevi i zone pod utjecajem topline,
• mikrostruktura materijala.

Pri malim opterećenjima, Vickersova metoda se može koristiti za mjerenje mikrotvrdoće.

Knoop metoda – tvrdoća HK

Knoopova metoda koristi izduženi dijamantski utiskivač za stvaranje karakterističnog, plitkog otiska.
Zbog male dubine prodiranja, ova metoda je posebno korisna za ispitivanje:

• veoma tanki slojevi,
• premazi,
• male površine mikrostrukture,
• krhki materijali,
• površinski očvrsnuti slojevi.

Knoop je prvenstveno laboratorijska metoda i metoda koja se koristi u ispitivanju mikrotvrdoće.

Poređenje Brinell-ove, Rockwell-ove i Vickers-ove metode

Konverzija tvrdoće HBW, HV i HRC

U praksi je često potrebno uporediti rezultate dobijene različitim metodama. Tabele za konverziju tvrdoće koriste se za aproksimaciju sljedećeg:

• HBW na HRC-u,
• HBW na HV-u,
• HV na HRC-u,
• HRC na HV-u,
• HRB u HBW ili HV.

Imajte na umu da Konverzija tvrdoće nije jednostavan matematički proračunOdnosi između skala zavise od vrste materijala, njegove strukture i stanja obrade.
Približne vrijednosti za čelik prikazane su u nastavku.

Gore navedene vrijednosti su indikativne . Za preračunavanje tehničke tvrdoće koristite odgovarajuće tabele i standarde za određene grupe materijala.

Tvrdoća i zatezna čvrstoća Rm

Za neke čelike postoji približna veza između Tvrdoća po Brinellu i zatezna čvrstoća Rm.
Za mnoge ugljične i niskolegirane čelike, sljedeće se može uzeti kao smjernica:
Rm ≈ 3,4–3,6 × HBW
gdje je Rm izražen u MPa.
Na primjer, čelik tvrdoće približno 200 HBW može imati zateznu čvrstoću od približno 700 MPa.
Međutim, ovaj odnos je približan i ne može se nekritički primijeniti na sve materijaleDruge zavisnosti se mogu pojaviti, između ostalog, kod austenitnih čelika, dupleks i superdupleks, legure nikla, čelici kaljeni taloženjem, liveno gvožđe i legure aluminijum.

Uticaj termičke obrade na tvrdoću čelika

Tvrdoća čelika može značajno varirati ovisno o korištenoj termičkoj obradi.
Procesi koji utiču na tvrdoću uključuju:

• otvrdnjavanje,
• puštanje,
• žarenje,
• normalizacija,
• prezasićenost,
• starenje.

Dobar primjer je nehrđajući čelik očvrsnut taloženjem. 1.4542 / 17-4PHNjegova tvrdoća i mehanička svojstva zavise od stanja termičke obrade, na primjer H900, H1025, H1075, H1100 ili H1150.
Promjena stanja obrade omogućava dobijanje različitih kombinacija tvrdoće, čvrstoće, duktilnosti i udarne žilavosti.

Očvršćavanje i tvrdoća

Metali također mogu povećati svoju tvrdoću kao rezultat hladne plastične deformacije.
Ovaj fenomen se naziva očvršćavanje naprezanjem.
Kako se stepen deformacije povećava, obično:

• tvrdoća se povećava,
• povećava se granica tečenja,
• povećava se zatezna čvrstoća,
• izduženje i plastičnost se smanjuju.

Ovaj fenomen je posebno važan u slučaju austenitnih nehrđajućih čelika kao što su 1.4301 / AISI 304, 1.4307 / 304L, 1.4401 / 316 i 1.4404 / 316L.
Stoga, tvrdoća iste klase čelika može varirati ovisno o tome da li je materijal u žarenom, hladno valjanom, vučenom ili dodatno kaljenom stanju.

Tvrdoća različitih grupa nehrđajućih čelika

Pojedine grupe nehrđajućih čelika razlikuju se po mehanizmu dobijanja tvrdoće.

Priprema površine za mjerenje tvrdoće

Tačnost testa ne zavisi samo od mjernog uređaja, već i od pripreme uzorka.
Površina treba da bude:

• čisto,
• bez kamenca i nečistoća,
• prikladno glatka za korištenu metodu,
• stabilno oslonjen tokom pregleda.

Ovo je posebno važno kod metoda Vickers i Knoop, gdje otisci mogu biti vrlo mali.
Također je potrebno održavati odgovarajuću debljinu uzorka i potrebne udaljenosti između otisaka i ruba ispitivanog elementa.

Standardi za mjerenje tvrdoće

Ispitivanja tvrdoće opisana su u međunarodnim ISO i ASTM standardima.

Prilikom izvođenja testova za potrebe prihvatanja, certifikacije ili kontrole kvaliteta, treba primjenjivati ​​zahtjeve relevantnog standarda u njegovom trenutnom izdanju.

Da li tvrdoća definiše sva svojstva čelika?

Ne. Tvrdoća je vrlo koristan kontrolni parametar, ali ne zamjenjuje potpuno ispitivanje mehaničkih svojstava.
Dva materijala slične tvrdoće mogu se razlikovati, između ostalog, u:

• granica tečenja,
• zatezna čvrstoća,
• izduženje,
• udarna čvrstoća,
• otpornost na umor,
• otpornost na pucanje.

Stoga, rezultat mjerenja tvrdoće treba tumačiti u odnosu na vrstu materijala, njegovu mikrostrukturu, stanje isporuke i primijenjenu toplinsku ili plastičnu obradu.
Mjerenje tvrdoće je jedna od najčešće korištenih metoda za provjeru svojstava metala i čelika. Brinell, Rockwell, Vickers i Knoop Razlikuju se po vrsti utiskivača, metodi mjerenja i području primjene.
HBW Posebno je koristan za veće elemente i materijale s heterogenom strukturom, HRC i HRB omogućavaju vrlo brza mjerenja proizvodnje, dok HV pruža širok spektar primjena i omogućava vam mjerenje malih površina. HK Koristi se prvenstveno u proučavanju mikrotvrdoće, tankih slojeva i premaza.
Konvertovanje vrijednosti između HBW, HV, HRC i drugih skala treba tretirati kao aproksimaciju i izvoditi u skladu s odgovarajućim tabelama i standardima za određenu grupu materijala.

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