Materialehårdhedstyper, testmetoder og enheder

hårdhed er et materiales kvalitet til at modstå lokal deformation. Det kan være særligt vigtigt, når man leder efter et egnet materiale til et miljø, der indeholder små partikler, der kan fremkalde materialeslitage. Bløde materialer lider fordybninger mens hårde dem modstå enhver ændring i form.

hårdhed skal ses i sammenhæng med andre materialeegenskaber som styrke, elasticitet osv. For eksempel har mange hårde materialer tendens til at være sprøde, hvilket begrænser deres brugssager.

i denne artikel vil vi se nærmere på, hvilken materialehårdhed der er, hvordan den måles og hvordan man sammenligner de forskellige enheder.

Hvad er Materialehårdhed?

hårdhed er målestokken for et materiales modstand mod lokaliseret permanent deformation. Permanent deformation kaldes også plastisk deformation. Mens elastisk deformation betyder, at et materiale kun ændrer sin form under anvendelse af kraft, betyder en resulterende plastisk deformation, at materialet ikke vender tilbage til sin oprindelige form.

nogle materialer er naturligt hårde. For eksempel er tungsten et utroligt hårdt metal, der finder anvendelse som legeringselement i værktøjsstål. Dette sikrer, at denne gruppe af stål kan modstå slid selv ved høje temperaturer under skæreoperationer.

cementeret hårdmetal, som finder meget brug i fræsere, inkluderer også ofte tungsten. Disse udskiftelige skæreværktøjsbits forlænger levetiden for skæreværktøjer betydeligt.

på den anden side er nogle materialer, herunder metaller, bløde til det punkt, der gør dem ubrugelige til mange applikationer. Rent guld er så blødt, at ridser eller bøjer det ikke behøver meget indsats. Derfor er tilsætning af andre metaller som sølv, kobber og aluminium afgørende for at forbedre hårdheden.

med nogle materialer er varmebehandling en mulighed for at inducere større overfladehårdhed, samtidig med at metalets andre kvaliteter opretholdes i dets kerne. Maskinaksler gennemgår ofte denne proces for at garantere en længere levetid.

en ingeniør skal også overveje forholdet mellem hårdhed, når man opretter et produktdesignkoncept. For eksempel skal lejet i en leje-og akselpasning være blødere, fordi de er lettere at udskifte. Med konstant bevægelse skal en del bære, og valget er op til ingeniøren.

typer af hårdhed

materialer opfører sig forskelligt under forskellige typer belastning. For eksempel kan et metal, der kan tage en enorm engangspåvirkning ekstremt godt, muligvis ikke virke det samme under kontinuerlig belastning.

hårdhedstest skal udføres for hvert tilfælde, så der kan træffes et velinformeret valg til applikationen.

de tre typer af hårdhed er scratch, rebound og indrykning hårdhed. Måling af hver type hårdhed kræver et andet sæt værktøjer. Det samme materiale vil også have forskellige hårdhedsværdier for hver af de ovennævnte typer.

Indrykningshårdhed

denne hårdhedstype henviser til modstanden mod permanent deformation, når et materiale udsættes for en kontinuerlig belastning.

Indrykningshårdhed er, hvad ingeniører og metallurger normalt henviser til, når de taler om hårdhed. Måling af dens værdi er af primær interesse, da kontinuerlig belastning er den mest almindelige form for indlæsning af metaller udsættes for.

Ridsehårdhed

denne type hårdhed henviser til et materiales evne til at modstå ridser på overfladen. Ridser er smalle kontinuerlige indrykkninger i det øverste lag på grund af kontakt med et skarpt, hårdere materiale.

ridsetest bruges også ofte til sprøde materialer såsom keramik, da de ikke gennemgår betydelig plastisk deformation. Det er vigtigt at overveje ridsehårdhed, da nogle materialeapplikationer er meget følsomme over for scoring.

overvej tilfældet med en motorcylinderforing som et eksempel. Ridser eller scoring kan finde sted på grund af forskellige årsager. Linerens overflade kommer i kontakt med en række metaller såsom stempelringe, fremmede partikler i brændstof eller smøreolie. Nogle gange kan ukorrekt siddepladser af liner bidrage til det.

slibepartiklerne kan forårsage ridser, der i sidste ende forringer motorens ydeevne og koster mere i vedligeholdelse, reservedele og brændstofforbrug i det lange løb.

på designstadiet overvejer det rigtige metalvalg hårdheden af materialer, det kommer i kontakt med. Foringens hårdhed skal være større end de materialer, den vil interagere med. Dette hjælper med at afværge mange mulige problemer.

Rebound eller dynamisk hårdhed

Rebound-hårdhed har mere at gøre med elastisk hårdhed end plasthårdhed. Materialet absorberer energien ved påvirkning og returnerer den til indrykket.

en indrykning er et referencemateriale, der anvendes til hårdhedstest. Dynamisk hårdhed måles normalt ved at droppe en diamantspidset hammer på teststykket og registrere hammerens hoppe, efter at den rammer overfladen.

jo tættere højden er på den oprindelige faldhøjde, desto højere er værdien for reboundhårdhed.

forskellige hårdhedsenheder

si-hårdhedsenheden er N/mm2. Enheden Pascal bruges således også til hårdhed, men hårdhed må ikke forveksles med tryk.

de forskellige typer hårdhed, der er diskuteret ovenfor, har forskellige måleskalaer. For scratch, indrykning og rebound hårdhed varierer målemetoderne (f.eks. Da enhederne er afledt af disse målemetoder, er de ikke egnede til direkte sammenligning.

Du kan dog altid bruge en konverteringstabel til sammenligning af værdierne Rockbrønd (B & C), Vickers og Brinell. Tabeller som disse er ikke 100% nøjagtige, men giver en god indikation.

i alle disse skalaer vil et hårdt materiale have et højere hårdhedsnummer.

de almindeligt anvendte enheder til hårdhedsmåling er:

• Brinell Hardness Number (HB)
• Vickers hardness number (HV)
• rockhardness number (HRA, HRB, HRC osv.)
• Leeb hardness value (Hld, HLS, HLE osv.)

måling af hårdhed

de forskellige typer hårdhed er målt ved hjælp af forskellige testmetoder. En fælles blandt alle metoder er brugen af en indrykning til at skabe indrykket på prøveemnets overfladeareal. Indrykket giver en konkret repræsentation af materialernes hårdhed, og det er let at måle og replikere.

hårdere materialer vil have lavvandede fordybninger og blødere materialer vil have dybere fordybninger.

Brinell hårdhedstest

Brinell-testen var en af de første bredt accepterede hårdhedstest til måling af indrykningshårdhed. I Brinell-test bruges en stålkugle med en diameter på 10 mm som et indrykk for at skabe et indtryk på prøveemnet for at beregne dets Brinell-hårdhedsnummer.

bolden holdes på plads i en forudbestemt tid, normalt 30 sekunder, og der påføres en kraft på bolden. Denne kraft vil variere afhængigt af testmetallet, der måles.

standardbelastningen er 3000 kg, men den kan reduceres til 500 kg for blødere metaller. For hårdere metaller kan en hårdmetalkugle anvendes til at forhindre forvrængning af bolden. Hårdhedsenheden HB (eller HBN) ændres til HBV i tilfælde af tungsten for at underrette dens anvendelse (Tungsten=Ulfram på tysk/svensk).

Ved fjernelse af indrykket observeres bukken med et laveffektmikroskop, og størrelsen beregnes ved at tage gennemsnittet af målingerne i rette vinkler.

efter afslutning af Brinell-testen beregnes hårdhedsnummeret som følger:

, hvor

F – kraft, N

d – indenterdiameter, mm

d – indrykningsdiameter, mm

hårdhedstest

hårdhedstest er den mest anvendte metode til måling af indrykningshårdhed. Værdien af Stenhårdhed ledsages af den anvendte skala.

afhængigt af det materiale, der testes, skal der vælges en passende skala. Denne hårdhedsskala giver information om den anvendte type kombination af indrykning.

der er i alt 30 skalaer tilgængelige at vælge imellem. Dette er, hvad der gør rocken en målestok test for at måle hårdheden af en bred vifte af materialer. Selv målinger af hårdhed i keramik og kompositmateriale er mulige. De mest anvendte skalaer er “B”og ” C”.

i test af hårdhedsgrad, inden testbelastningen påføres, påføres en lille mindre belastning for at placere indrykket i prøveemnet og fjerne effekten af eventuelle uregelmæssigheder på overfladen. Dette giver bedre nøjagtighed.

derefter ligner Brinell-testen, indrykket bruges til at skabe et indtryk på materialet ved at anvende testbelastningen, også kendt som en større belastning. Indtrykket måles derefter til bestemmelse af hårdheden. En opkaldsmåler bruges til at registrere deformationen.

nettostigningen i dent-dimension (mellem anvendelse af mindre og større belastning) overvejes til beregning af hårdhedsværdien.

angivelse af indlæsningshastigheden er nødvendig. I bløde metaller kan varierende belastningshastigheder give en mærkbar forskel i den endelige værdi. Det er vigtigt at omhyggeligt overvåge, at belastningshastigheden er i overensstemmelse med standarden.

formlen for Stenhårdhed er:

, hvor

n – skala faktor afhængig af den anvendte skala

s – skala faktor afhængig af den anvendte skala

d – dybde af permanent indrykning sammenlignet med mindre belastning, mm

Vickers hårdhedstest

den tredje måde til måling af materialehårdhed bruger Vickers-testen. Dette er især velegnet til blødere materialer, der ikke har brug for store belastninger. Med bløde materialer giver Vickers-metoden bedre nøjagtighed.

det er også lettere at beregne hårdhedsværdien, da Vickers bruger den samme diamantindrykning til alle materialer. Det er således ikke nødvendigt at tilpasse formlen.

et andet vigtigt træk er brugen af en forstørrelsesglas, der gør det muligt at teste områder med en bestemt mikrostruktur.

først skal testeren placere delen på maskinen og bruge mikroskopet til at finde den passende højde. Derefter bestemmes det korrekte sted ved hjælp af billederne.

diamantindgangen er i form af en firesidet pyramide. Efter berøring af delen når maskinen snart den forudbestemte kraftværdi. Det forbliver på samme belastning i en vis tid.

derefter finder måling af indrykket sted. Beregning af Vickers hårdhedsværdi bruger følgende formel:

, hvor

F – force, N

D – indrykning diagonal, mm

Mohs hårdhedstest

tysk mineralog Mohs udtænkte først Mohs hårdhedstest for at måle materialets ridsehårdhed. I denne test ridses materialet med et referencemateriale, der har en defineret hårdhed.

en numerisk hårdhedsværdi tildeles testmaterialet baseret på testresultaterne. Mohs hårdhedstest bruger 10 referencematerialer med varierende hårdhed som skalaen til testen.

det blødeste anvendte materiale er talkum (værdi=1), og det hårdeste materiale er diamant (værdi=10). I betragtning af at referencerne, der bruges til Mohs-skalaen, ikke har en graderet stigning, mangler Mohs-skalaen nøjagtighed og er kun et groft mål for hårdhed.

i dag udføres moderne ridsetest ved hjælp af diamantindtræk ved at ridse teststykket i en bestemt længde presset af den valgte belastningsværdi.

Scleroscope Test

et scleroscope er en enhed, der bruges til at måle rebound eller dynamisk hårdhed af materialer. Opsætningen består af et hult lodret glasrør forbundet til et stativ. Gennem dette rør, en diamant hammer er faldet på prøveemnet og bounce af hammeren registreres.

diamanthammeren falder fra en fast højde under sin egen vægt. Når han kommer i kontakt med prøveemnet, springer hammeren tilbage. Denne bounce vil være højere for materialer med højere hårdhed.

bounce vil være lavere for et blødt metal, da en del af slagenergien vil blive opbrugt for at skabe en dent på testoverfladen. Glasrøret har gradienter til at måle højden af bounce. Rebound hårdhed måles i shore enheder.