Twardość metali i stali – metody pomiaru, skale twardości i przeliczanie

Twardość jest jedną z podstawowych właściwości mechanicznych metali i stopów. Określa odporność materiału na miejscowe odkształcenie plastyczne wywołane działaniem twardszego wgłębnika. Pomiar twardości pozwala między innymi ocenić stan materiału po obróbce cieplnej, porównywać różne partie materiału, kontrolować efekty umocnienia oraz pośrednio szacować niektóre właściwości mechaniczne.

W praktyce przemysłowej najczęściej stosuje się metody Brinella (HBW), Rockwella (HRA, HRB, HRC) oraz Vickersa (HV). W badaniach mikrotwardości i bardzo cienkich warstw wykorzystuje się również metodę Knoopa (HK).

Co to jest twardość materiału?

Twardość nie jest pojedynczą, niezależną stałą materiałową w takim znaczeniu jak gęstość. Wynik pomiaru zależy między innymi od zastosowanej metody, rodzaju i geometrii wgłębnika, obciążenia, przygotowania powierzchni oraz struktury badanego materiału.
Dlatego wynik twardości powinien być zawsze podawany razem z oznaczeniem zastosowanej skali, na przykład:

• 220 HBW – twardość Brinella,
• 35 HRC – twardość Rockwella w skali C,
• 280 HV – twardość Vickersa,
• 450 HK – twardość Knoopa.

Nie należy porównywać samych wartości liczbowych bez uwzględnienia zastosowanej metody pomiarowej.

Najważniejsze metody pomiaru twardości

Do najczęściej stosowanych metod należą:

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

Każda z tych metod wykorzystuje inny sposób wyznaczania twardości i ma inne zastosowanie.

Metoda Brinella – twardość HBW

W metodzie Brinella w powierzchnię badanego materiału wciskana jest kulka wykonana z węglika wolframu. Po usunięciu obciążenia mierzy się średnicę powstałego odcisku.
Na podstawie średnicy odcisku, średnicy kulki oraz zastosowanej siły obliczana jest wartość twardości Brinella oznaczana symbolem HBW.
Przykładowy zapis może mieć postać:
250 HBW 10/3000
gdzie oznaczenie zawiera wartość twardości oraz parametry przeprowadzonego badania.
Metoda Brinella jest szczególnie przydatna do badania:

• stali konstrukcyjnych,
• stali po wyżarzaniu i normalizowaniu,
• żeliw,
• stopów aluminium,
• stopów miedzi,
• dużych odkuwek i odlewów,
• materiałów o niejednorodnej strukturze.

Stosunkowo duży odcisk powoduje, że wynik może dobrze reprezentować średnią twardość materiału zawierającego różne składniki strukturalne.

Metoda Rockwella – HRC, HRB i HRA

Metoda Rockwella różni się od Brinella i Vickersa przede wszystkim sposobem wykonywania pomiaru. Twardość określana jest na podstawie głębokości trwałego odcisku wgłębnika powstałego pod określonym obciążeniem.
Dzięki temu badanie jest szybkie i bardzo dobrze nadaje się do seryjnej kontroli produkcji.
W zależności od rodzaju materiału stosuje się różne skale Rockwella.

Najbardziej rozpowszechnioną skalą w przypadku stali hartowanych jest HRC.

Metoda Vickersa – twardość HV

W metodzie Vickersa wgłębnikiem jest diamentowa piramida o podstawie kwadratu. Po wykonaniu odcisku mierzone są jego dwie przekątne, na podstawie których określa się wartość twardości.
Przykładowe oznaczenia:

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

Dużą zaletą metody Vickersa jest możliwość stosowania jej w bardzo szerokim zakresie twardości.
Metoda HV znajduje zastosowanie między innymi podczas badania:

• stali konstrukcyjnych,
• stali hartowanych,
• stali nierdzewnych,
• stopów niklu,
• warstw nawęglanych i azotowanych,
• spoin oraz stref wpływu ciepła,
• mikrostruktury materiałów.

Przy niewielkich obciążeniach metoda Vickersa może być stosowana do pomiarów mikrotwardości.

Metoda Knoopa – twardość HK

Metoda Knoopa wykorzystuje wydłużony diamentowy wgłębnik tworzący charakterystyczny, płytki odcisk.
Ze względu na niewielką głębokość penetracji metoda ta jest szczególnie przydatna do badania:

• bardzo cienkich warstw,
• powłok,
• małych obszarów mikrostruktury,
• materiałów kruchych,
• warstw utwardzanych powierzchniowo.

Knoop jest przede wszystkim metodą laboratoryjną i metodą stosowaną w badaniach mikrotwardości.

Porównanie metod Brinella, Rockwella i Vickersa

Przeliczanie twardości HBW, HV i HRC

W praktyce często zachodzi potrzeba porównania wyników uzyskanych różnymi metodami. Stosuje się wówczas tablice przeliczeniowe pozwalające orientacyjnie przeliczać między innymi:

• HBW na HRC,
• HBW na HV,
• HV na HRC,
• HRC na HV,
• HRB na HBW lub HV.

Należy pamiętać, że przeliczanie twardości nie jest prostym przeliczeniem matematycznym. Zależności pomiędzy skalami są uzależnione od rodzaju materiału, jego struktury i stanu obróbki.
Orientacyjne wartości dla stali przedstawiono poniżej.

Powyższe wartości mają charakter orientacyjny. Do technicznego przeliczania twardości należy korzystać z odpowiednich tablic i norm przeznaczonych dla określonych grup materiałów.

Twardość a wytrzymałość na rozciąganie Rm

W przypadku niektórych stali istnieje przybliżona zależność pomiędzy twardością Brinella a wytrzymałością na rozciąganie Rm.
Dla wielu stali węglowych i niskostopowych można orientacyjnie przyjąć:
Rm ≈ 3,4–3,6 × HBW
gdzie Rm wyrażone jest w MPa.
Przykładowo stal o twardości około 200 HBW może mieć wytrzymałość na rozciąganie rzędu około 700 MPa.
Zależność ta jest jednak przybliżona i nie może być bezkrytycznie stosowana do wszystkich materiałów. Inne zależności mogą występować między innymi dla stali austenitycznych, duplex i superduplex, stopów niklu, stali utwardzanych wydzieleniowo, żeliw oraz stopów aluminium.

Wpływ obróbki cieplnej na twardość stali

Twardość stali może bardzo silnie zmieniać się w zależności od zastosowanej obróbki cieplnej.
Do procesów mających wpływ na twardość należą między innymi:

• hartowanie,
• odpuszczanie,
• wyżarzanie,
• normalizowanie,
• przesycanie,
• starzenie.

Dobrym przykładem jest stal nierdzewna utwardzana wydzieleniowo 1.4542 / 17-4PH. Jej twardość oraz właściwości mechaniczne zależą od stanu obróbki cieplnej, na przykład H900, H1025, H1075, H1100 czy H1150.
Zmiana stanu obróbki pozwala uzyskać różne kombinacje twardości, wytrzymałości, plastyczności i udarności.

Umocnienie przez zgniot a twardość

Metale mogą zwiększać swoją twardość również w wyniku odkształcenia plastycznego na zimno.
Zjawisko to określane jest jako umocnienie przez zgniot.
Wraz ze wzrostem stopnia odkształcenia zwykle:

• wzrasta twardość,
• wzrasta granica plastyczności,
• wzrasta wytrzymałość na rozciąganie,
• zmniejsza się wydłużenie i plastyczność.

Zjawisko to ma szczególne znaczenie w przypadku austenitycznych stali nierdzewnych, takich jak 1.4301 / AISI 304, 1.4307 / 304L, 1.4401 / 316 oraz 1.4404 / 316L.
Dlatego twardość tego samego gatunku stali może być różna w zależności od tego, czy materiał znajduje się w stanie wyżarzonym, walcowanym na zimno, ciągnionym czy dodatkowo umocnionym.

Twardość różnych grup stali nierdzewnych

Poszczególne grupy stali nierdzewnych różnią się mechanizmem uzyskiwania twardości.

Przygotowanie powierzchni do pomiaru twardości

Dokładność badania zależy nie tylko od urządzenia pomiarowego, lecz również od przygotowania próbki.
Powierzchnia powinna być:

• czysta,
• pozbawiona zgorzeliny i zanieczyszczeń,
• odpowiednio gładka dla zastosowanej metody,
• stabilnie podparta podczas badania.

Szczególne znaczenie ma to w metodach Vickersa i Knoopa, w których odciski mogą być bardzo małe.
Należy również zachować odpowiednią grubość próbki oraz wymagane odległości pomiędzy odciskami i krawędzią badanego elementu.

Normy dotyczące pomiaru twardości

Badania twardości są opisane w międzynarodowych normach ISO oraz ASTM.

Przy wykonywaniu badań do celów odbiorowych, certyfikacyjnych lub kontroli jakości należy stosować wymagania odpowiedniej normy w jej aktualnym wydaniu.

Czy twardość określa wszystkie właściwości stali?

Nie. Twardość jest bardzo użytecznym parametrem kontrolnym, ale nie zastępuje pełnych badań właściwości mechanicznych.
Dwa materiały o podobnej twardości mogą różnić się między innymi:

• granicą plastyczności,
• wytrzymałością na rozciąganie,
• wydłużeniem,
• udarnością,
• odpornością zmęczeniową,
• odpornością na pękanie.

Dlatego wynik pomiaru twardości powinien być interpretowany w odniesieniu do gatunku materiału, jego mikrostruktury, stanu dostawy oraz zastosowanej obróbki cieplnej lub plastycznej.

Pomiar twardości jest jedną z najczęściej stosowanych metod kontroli właściwości metali i stali. Metody Brinella, Rockwella, Vickersa i Knoopa różnią się rodzajem wgłębnika, sposobem pomiaru oraz zakresem zastosowania.
HBW jest szczególnie przydatna przy większych elementach i materiałach o niejednorodnej strukturze, HRC i HRB umożliwiają bardzo szybkie pomiary produkcyjne, natomiast HV zapewnia szeroki zakres zastosowania i pozwala wykonywać pomiary małych obszarów. HK znajduje zastosowanie przede wszystkim w badaniach mikrotwardości, cienkich warstw i powłok.
Przeliczanie wartości pomiędzy HBW, HV, HRC i innymi skalami powinno być traktowane jako przybliżenie i wykonywane zgodnie z odpowiednimi tablicami oraz normami dla określonej grupy materiałów.

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