Twardość Knoopa HK – metoda pomiaru, mikrotwardość i zastosowanie

Twardość Knoopa jest metodą pomiaru twardości wykorzystującą diamentowy wgłębnik o wydłużonym, romboidalnym kształcie odcisku. Metoda została opracowana przede wszystkim do badań wykonywanych przy małych siłach, gdzie istotne jest ograniczenie głębokości penetracji oraz możliwość wykonywania pomiarów na bardzo małych obszarach materiału. Wynik oznaczany jest symbolem HK. Metoda Knoopa znajduje zastosowanie przede wszystkim w badaniach mikrotwardości, cienkich warstw, powłok, stref przypowierzchniowych, materiałów kruchych oraz niewielkich obszarów mikrostruktury. Ze względu na charakterystycznie wydłużony odcisk może być szczególnie użyteczna tam, gdzie odciski muszą być wykonywane bardzo blisko siebie lub gdzie grubość badanej warstwy jest niewielka.

Co oznacza twardość Knoopa HK?

Symbol HK oznacza twardość Knoopa. Wartość wyznaczana jest na podstawie siły badawczej oraz długości dłuższej przekątnej odcisku pozostającego po usunięciu obciążenia. W przeciwieństwie do metody Vickersa, gdzie mierzone są dwie przekątne odcisku o kształcie zbliżonym do kwadratu, w metodzie Knoopa podstawowym wymiarem pomiarowym jest długa przekątna wydłużonego odcisku. Przykładowe oznaczenia mogą mieć postać:

• 450 HK 0,1,
• 620 HK 0,5,
• 780 HK 1.

Pierwsza liczba oznacza wartość twardości, symbol HK określa metodę Knoopa, natomiast liczba za symbolem informuje o zastosowanej sile badawczej wyrażonej tradycyjnie jako równoważnik kilogram-siły.

Na czym polega metoda Knoopa?

Badanie rozpoczyna się od odpowiedniego przygotowania powierzchni próbki. Następnie diamentowy wgłębnik Knoopa jest wciskany w materiał z określoną siłą. Po utrzymaniu obciążenia przez wymagany czas i jego usunięciu pozostaje trwały odcisk o silnie wydłużonym kształcie. Za pomocą układu optycznego lub cyfrowego mierzy się przede wszystkim długość jego dłuższej przekątnej. Na tej podstawie wyznaczana jest twardość HK. Schemat badania można przedstawić jako:przygotowanie powierzchni → ustawienie próbki → przyłożenie wgłębnika → zastosowanie siły → utrzymanie obciążenia → odciążenie → pomiar długiej przekątnej → wyznaczenie HK

Wgłębnik Knoopa

W metodzie Knoopa stosowany jest diamentowy wgłębnik w kształcie ostrosłupa o rombowej podstawie. Geometria wgłębnika powoduje powstanie charakterystycznego, bardzo wydłużonego odcisku. Kąty między przeciwległymi ścianami wynoszą około 172,5° w kierunku długiej osi oraz około 130° w kierunku krótkiej osi. Dzięki temu stosunek długości długiej przekątnej do krótkiej jest bardzo duży, około 7:1. Odcisk Knoopa jest również stosunkowo płytki w porównaniu z odciskiem Vickersa wykonanym przy podobnej sile. To właśnie niewielka głębokość penetracji jest jedną z najważniejszych zalet metody przy badaniu cienkich warstw i powierzchni.

Dlaczego odcisk Knoopa jest wydłużony?

Wydłużony kształt odcisku pozwala uzyskać długą przekątną nawet przy niewielkiej powierzchni i małej głębokości penetracji. Ułatwia to optyczny pomiar bardzo małych odcisków. Jednocześnie niewielka głębokość ogranicza wpływ materiału znajdującego się pod badaną warstwą. Cecha ta ma szczególne znaczenie przy badaniu powłok, cienkich warstw utwardzonych oraz małych składników mikrostruktury.

Wzór na twardość Knoopa

Twardość Knoopa jest proporcjonalna do stosunku siły badawczej do rzutowanej powierzchni odcisku. Przy zastosowaniu siły wyrażonej w niutonach twardość można określić zależnością:HK = 0,102 × F / A_pgdzie:

• HK – twardość Knoopa,
• F – siła badawcza [N],
• A_p – rzutowana powierzchnia odcisku [mm²].

Ponieważ geometria wgłębnika jest stała, powierzchnię można wyrazić za pomocą długości długiej przekątnej odcisku. W praktyce stosowana jest zależność w postaci:HK ≈ 1,451 × F / d²gdy F wyrażana jest w kilogramach-siły, a d w milimetrach. Wartość współczynnika wynika z geometrii wgłębnika Knoopa.

Zakres sił w metodzie Knoopa

Aktualna norma ISO 4545-1:2023 obejmuje badania wykonywane przy siłach od 0,009807 N do 19,613 N. Odpowiada to w przybliżeniu zakresowi od 1 gf do 2 kgf. Metoda jest więc ukierunkowana przede wszystkim na pomiary przy małych siłach. :contentReference[oaicite:0]{index=0}

Długość przekątnej odcisku

ISO 4545-1:2023 określa metodę dla odcisków, których długa przekątna ma długość co najmniej 0,020 mm. Pomiary mniejszych odcisków są poza zakresem normy, ponieważ przy tak małych wymiarach rośnie wpływ ograniczeń pomiaru optycznego oraz niedoskonałości końcówki wgłębnika. :contentReference[oaicite:1]{index=1}>W praktyce jest to bardzo ważne. Jeżeli odcisk jest zbyt mały, nawet niewielki błąd odczytu przekątnej może powodować znaczną zmianę wyniku HK.

Mikrotwardość Knoopa

Metoda Knoopa jest kojarzona przede wszystkim z pomiarem mikrotwardości. Małe siły i płytki odcisk pozwalają badać bardzo małe obszary bez głębokiego naruszania struktury materiału. Metodę wykorzystuje się między innymi do:

• badania cienkich warstw powierzchniowych,
• pomiaru twardości powłok,
• badania warstw nawęglanych i azotowanych,
• oceny twardości poszczególnych składników mikrostruktury,
• badania bardzo cienkich przekrojów,
• pomiarów w pobliżu powierzchni i krawędzi,
• badania materiałów kruchych,
• analizy gradientu twardości na bardzo małej odległości.

Knoop a Vickers – najważniejsza różnica

Obie metody wykorzystują diamentowy wgłębnik i optyczny pomiar odcisku, jednak geometria odcisku jest zupełnie inna. Vickers pozostawia odcisk zbliżony do kwadratu, natomiast Knoop tworzy bardzo wydłużony romb. To powoduje istotne różnice praktyczne.

Dlaczego Knoop sprawdza się przy cienkich warstwach?

Wgłębnik Knoopa powoduje powstanie bardzo płytkiego odcisku w stosunku do jego długości. Dzięki temu mniejsza część strefy odkształcenia znajduje się głęboko pod powierzchnią. Ogranicza to wpływ podłoża na wynik badania cienkiej warstwy. Jest to szczególnie istotne przy powłokach, gdzie wynik powinien możliwie dobrze reprezentować samą warstwę, a nie materiał znajdujący się pod nią.

Badanie powłok metodą Knoopa

ISO 4545-1:2023 dopuszcza stosowanie metody do metalicznych i innych nieorganicznych powłok, w tym powłok elektrolitycznych, autokatalitycznych, natryskiwanych oraz anodowych na aluminium. Norma obejmuje zarówno pomiary wykonywane prostopadle do powierzchni powłoki, jak i pomiary na przekroju, pod warunkiem że gładkość, grubość i inne właściwości umożliwiają prawidłowy odczyt odcisku. :contentReference[oaicite:2]{index=2}>Norma nie obejmuje pomiaru prostopadłego do powierzchni dla powłok cieńszych niż 0,007 mm ani pomiaru na przekroju powłok cieńszych niż 0,020 mm. Przy jeszcze mniejszych wymiarach odpowiedniejsze mogą być metody instrumentalnego badania twardości, np. według ISO 14577. :contentReference[oaicite:3]{index=3}

Knoop a materiały kruche

Metoda Knoopa jest szczególnie przydatna przy badaniu materiałów podatnych na pękanie podczas wgniatania. Płytki odcisk i specyficzna geometria powodują, że przy odpowiednio dobranej sile można ograniczyć uszkodzenie materiału. Metodę stosuje się między innymi do badań:

• bardzo twardych faz,
• węglików,
• kruchych warstw powierzchniowych,
• niektórych materiałów ceramicznych i kompozytowych w badaniach specjalistycznych,
• mikroobszarów w materiałach wielofazowych.

W każdym przypadku należy jednak stosować normę odpowiednią dla konkretnego rodzaju materiału i celu badania.

Knoop w badaniu mikrostruktury stali

Przy małych siłach odcisk Knoopa może obejmować bardzo niewielki obszar. Pozwala to porównywać lokalną twardość poszczególnych składników mikrostruktury. W stalach można w ten sposób analizować różnice pomiędzy obszarami o odmiennej strukturze lub pomiędzy warstwą powierzchniową i rdzeniem. Wynik należy jednak interpretować ostrożnie. Jeżeli odcisk obejmuje jednocześnie kilka faz, otrzymana wartość stanowi lokalny wynik złożony i nie reprezentuje twardości jednej czystej fazy.

Knoop w badaniach warstw nawęglanych i azotowanych

Warstwy nawęglane i azotowane charakteryzują się zmianą twardości wraz z odległością od powierzchni. Pomiary wykonywane w kolejnych punktach przekroju umożliwiają utworzenie profilu twardości. Wydłużony i płytki odcisk Knoopa może być korzystny, gdy dostępny obszar jest bardzo mały lub konieczne jest wykonanie wielu pomiarów blisko siebie.

Knoop a spoiny

Metoda może być wykorzystywana do analizy niewielkich stref złącza spawanego, szczególnie gdy potrzebna jest wysoka rozdzielczość przestrzenna. Pozwala wykonywać pomiary w metalu spoiny, strefie wpływu ciepła i materiale rodzimym. W praktyce do badań spoin częściej stosuje się Vickersa ze względu na szeroko przyjęte procedury i wymagania norm dotyczących złączy spawanych, ale Knoop może być przydatny w badaniach szczegółowych i laboratoryjnych.

Przygotowanie powierzchni

W pomiarach mikrotwardości jakość przygotowania powierzchni ma bardzo duże znaczenie. Powierzchnia powinna być możliwie płaska, gładka i pozbawiona rys utrudniających odczyt przekątnej. W wielu przypadkach konieczne jest przygotowanie metalograficzne obejmujące szlifowanie i polerowanie. Należy jednak uważać, aby proces przygotowania nie spowodował:

• lokalnego zgniotu,
• przegrzania,
• zmiany mikrostruktury,
• wyrwania miękkich lub kruchych składników,
• zaokrąglenia krawędzi cienkiej warstwy.

ASTM E384 podkreśla, że wpływ przygotowania próbki staje się szczególnie istotny wraz ze zmniejszaniem siły badawczej. :contentReference[oaicite:4]{index=4}

Dlaczego bardzo małe odciski są problematyczne?

Im mniejsza siła, tym mniejszy odcisk i tym większy udział błędu pomiarowego w wyniku końcowym. Przy odciskach o długości kilkudziesięciu mikrometrów nawet niewielka różnica w odczycie może znacząco zmienić obliczoną wartość HK. ASTM E384 wskazuje, że badania Vickersa i Knoopa wykonywane przy siłach ≤25 gf oraz odciski mniejsze niż około 20 µm są obarczone dużą niepewnością i powinny być traktowane ostrożnie, często raczej jakościowo niż jako precyzyjny wynik ilościowy. :contentReference[oaicite:5]{index=5}

Efekt wielkości odcisku ISE

Podobnie jak w metodzie Vickersa, przy bardzo małych siłach może wystąpić indentation size effect – ISE, czyli zależność uzyskanej twardości od wielkości odcisku i zastosowanej siły. Wartość HK uzyskana przy 0,01 kgf nie musi więc być idealnie zgodna z wynikiem uzyskanym przy 1 kgf, nawet dla tego samego materiału. Wpływ mogą mieć mikrostruktura, sprężysty odzysk materiału, stan powierzchni, geometria wgłębnika oraz dokładność odczytu przekątnej.

Sprężysty odzysk odcisku

Po usunięciu siły materiał częściowo sprężyście odzyskuje swój kształt. Ze względu na dużą różnicę pomiędzy długą i krótką przekątną efekt ten może wpływać na geometrię odcisku Knoopa w sposób inny niż w przypadku Vickersa. W praktyce podstawowym parametrem używanym do wyznaczenia HK pozostaje długa przekątna, która jest znacznie mniej wrażliwa na niektóre efekty sprężystego odzysku niż krótki wymiar odcisku.

Odległość pomiędzy odciskami

Pomimo niewielkiej głębokości każdy odcisk powoduje lokalne odkształcenie materiału. Kolejne pomiary powinny być rozmieszczone tak, aby strefy odkształcenia nie wpływały na siebie. Kierunek długiej osi odcisku ma przy tym duże znaczenie. Przy profilach twardości można odpowiednio orientować wgłębnik, aby zmniejszyć wymagany odstęp w kierunku, w którym wykonywana jest seria pomiarów.

Odległość od krawędzi

Pomiar wykonany zbyt blisko krawędzi może prowadzić do nieprawidłowego odkształcenia materiału i zafałszowania wyniku. Problem jest szczególnie istotny przy cienkich warstwach, małych przekrojach oraz przy badaniu materiału w pobliżu granic faz. Należy stosować minimalne odległości określone przez odpowiednią normę i warunki badania.

Zalety metody Knoopa

Do najważniejszych zalet należą:

• bardzo mała głębokość penetracji,
• możliwość badania cienkich warstw i powłok,
• możliwość pomiaru bardzo małych obszarów,
• dobra przydatność przy materiałach kruchych,
• możliwość wykonywania profili twardości na małych odległościach,
• długa przekątna ułatwiająca optyczny pomiar małych odcisków,
• możliwość lokalnej analizy mikrostruktury,
• mniejszy wpływ podłoża niż w przypadku głębszego odcisku przy podobnych warunkach badania.

Ograniczenia metody Knoopa

Do ograniczeń należą:

• konieczność bardzo dobrego przygotowania powierzchni,
• wymagany optyczny lub cyfrowy pomiar odcisku,
• duża wrażliwość małych odcisków na błędy pomiarowe,
• większy wpływ lokalnej mikrostruktury niż przy dużych odciskach Brinella,
• ograniczona przydatność do szybkiej seryjnej kontroli produkcji,
• konieczność dokładnego ustawienia próbki i wgłębnika,
• możliwość występowania efektu wielkości odcisku przy małych siłach.

Knoop a Rockwell i Brinell

Metoda Knoopa służy do zupełnie innego rodzaju pomiarów niż typowy Rockwell lub Brinell. Rockwell jest bardzo szybki i nadaje się do kontroli seryjnej. Brinell wykorzystuje duży odcisk i dobrze uśrednia niejednorodną strukturę odlewów lub odkuwek. Knoop jest natomiast przeznaczony przede wszystkim do lokalnych badań przy małych siłach.

Czy można przeliczać HK na HV?

Wartości Knoopa i Vickersa mogą być do siebie zbliżone dla niektórych materiałów i zakresów twardości, ale nie należy traktować HK i HV jako automatycznie równoważnych. Obie metody mają inną geometrię wgłębnika i inne oddziaływanie z materiałem. Różnice stają się szczególnie istotne przy małych siłach, materiałach anizotropowych, kruchych, wielofazowych oraz przy cienkich warstwach. Jeżeli potrzebne jest przeliczenie, należy korzystać z odpowiednich danych dla konkretnego materiału i warunków badania, a nie z jednej uniwersalnej zależności.

Normy dotyczące metody Knoopa

Podstawową serią norm ISO jest ISO 4545.

ISO 4545-1:2023

ISO 4545-1:2023 jest aktualnym wydaniem międzynarodowej normy dotyczącej metody Knoopa. Zastąpiła wydanie z 2017 roku. Obejmuje siły od 0,009807 N do 19,613 N oraz odciski o długiej przekątnej co najmniej 0,020 mm. Norma obejmuje również określone zastosowania do powłok metalicznych i innych powłok nieorganicznych. :contentReference[oaicite:6]{index=6}

ASTM E384

ASTM E384-22 obejmuje badania mikrotwardości metodą Vickersa i Knoopa w zakresie sił od około 0,0098 N do 9,8 N, czyli od 1 do 1000 gf. ASTM podkreśla szczególne znaczenie jakości przygotowania powierzchni oraz ograniczenia związane z odczytem bardzo małych odcisków. :contentReference[oaicite:7]{index=7}

Kiedy wybrać metodę Knoopa?

Knoop jest szczególnie dobrym wyborem, gdy badany obszar jest bardzo mały, warstwa jest cienka albo konieczne jest ograniczenie głębokości penetracji. Sprawdza się także wtedy, gdy należy wykonać serię pomiarów na bardzo małych odległościach. Jeżeli celem jest uniwersalny pomiar twardości materiału w szerszym zakresie obciążeń, częściej wybiera się Vickersa. Do szybkiej kontroli seryjnej bardziej praktyczny jest Rockwell, a do dużych i niejednorodnych odlewów oraz odkuwek często korzystniejszy jest Brinell.

Metoda Knoopa HK jest specjalistyczną metodą pomiaru mikrotwardości wykorzystującą diamentowy wgłębnik o rombowej podstawie, który pozostawia bardzo wydłużony i płytki odcisk. Twardość wyznaczana jest przede wszystkim na podstawie długości długiej przekątnej odcisku. Największą zaletą metody jest mała głębokość penetracji, dzięki czemu dobrze nadaje się do badania cienkich warstw, powłok, niewielkich obszarów mikrostruktury oraz materiałów kruchych. Metoda wymaga jednak bardzo dobrego przygotowania powierzchni i dokładnego pomiaru optycznego. Podstawową aktualną normą jest ISO 4545-1:2023, natomiast badania mikrotwardości Knoopa są również opisane w ASTM E384-22.

Twardość metali i stali – metody pomiaru, skale twardości i przeliczanie
Twardość Rockwella HRC, HRB i HRA – metoda pomiaru, skale i zastosowanie
Twardość Brinella HBW – metoda pomiaru, skala, wzór i zastosowanie
Twardość Vickersa HV – metoda pomiaru, wzór i zastosowanie
Twardość Knoopa HK – metoda pomiaru, mikrotwardość i zastosowanie
Przeliczanie twardości HBW, HRC, HRB i HV – tabele konwersji