duritatea materialului – tipuri, metode de testare și unități

duritatea este calitatea unui material pentru a rezista la deformarea localizată. Poate fi deosebit de important atunci când căutați un material adecvat pentru un mediu care include particule mici care pot induce uzura materialului. Materialele moi suferă indentări, în timp ce cele dure rezistă la orice schimbare de formă.

duritatea trebuie privită în context cu alte proprietăți ale materialului, cum ar fi rezistența, elasticitatea etc. De exemplu, multe materiale dure tind să fie fragile, limitând utilizarea lor-cazuri.

în acest articol, vom analiza mai atent ce este duritatea materialului, cum se măsoară și cum se compară diferitele unități.

ce este duritatea materialului?

duritatea este măsura rezistenței unui material la deformarea permanentă localizată. Deformarea permanentă se mai numește deformare plastică. În timp ce deformarea elastică înseamnă că un material își schimbă forma numai în timpul aplicării forței, o deformare plastică rezultată înseamnă că materialul nu va reveni la forma sa originală.

unele materiale sunt în mod natural greu. De exemplu, tungstenul este un metal incredibil de dur care se folosește ca element de aliere în oțelurile de scule. Acest lucru asigură că acest grup de oțeluri poate rezista la uzură chiar și la temperaturi ridicate în timpul operațiilor de tăiere.

carbura cimentată, care găsește multă utilizare în Freze, include adesea tungsten. Acești biți de scule de tăiere înlocuibile prelungesc considerabil durata de viață a instrumentelor de tăiere.

pe de altă parte, unele materiale, inclusiv metalele, sunt moi până la punctul care le face inutile pentru multe aplicații. Aurul pur este atât de moale încât zgârierea sau îndoirea nu necesită mult efort. Prin urmare, adăugarea altor metale precum argintul, cuprul și aluminiul este esențială pentru a-i îmbunătăți duritatea.

cu unele materiale, tratamentul termic este o posibilitate de a induce o duritate mai mare a suprafeței, menținând în același timp celelalte calități ale metalului în miezul său. Arborele mașinii suferă adesea acest proces pentru a garanta o durată de viață mai lungă.

un inginer trebuie să ia în considerare, de asemenea, raportul de duritate atunci când creează un concept de design de produs. De exemplu, într-o fixare a rulmentului și a arborelui, rulmentul trebuie să fie mai moale, deoarece este mai ușor de înlocuit. Cu mișcare constantă, o parte trebuie să poarte și alegerea depinde de inginer.

tipuri de duritate

materialele se comportă diferit sub diferite tipuri de încărcare. De exemplu, un metal care poate avea un impact uriaș o singură dată extrem de bine poate să nu acționeze la fel în timpul încărcării continue.

testarea durității trebuie efectuată pentru fiecare caz, astfel încât să se poată face o alegere bine informată pentru aplicație.

cele trei tipuri de duritate sunt zero, rebound, și duritate indentare. Măsurarea fiecărui tip de duritate necesită un set diferit de instrumente. De asemenea, același material va avea valori de duritate diferite pentru fiecare dintre tipurile menționate mai sus.

indentare duritate

acest tip de duritate se referă la rezistența la deformare permanentă la supunerea unui material la o sarcină continuă.

duritatea indentării este ceea ce inginerii și metalurgiștii se referă de obicei atunci când vorbesc despre duritate. Măsurarea valorii sale este de interes primar, deoarece încărcarea continuă este cea mai comună formă de încărcare la care sunt supuse metalele.

duritate zero

acest tip de duritate se referă la capacitatea unui material de a rezista zgârieturi pe suprafață. Zgârieturile sunt indentări continue înguste în stratul superior datorită contactului cu un material ascuțit și mai dur.

testarea zgârieturilor este, de asemenea, utilizată în mod obișnuit pentru materiale fragile, cum ar fi ceramica, deoarece acestea nu suferă deformări plastice semnificative. Este important să se ia în considerare duritatea zgârieturilor, deoarece unele aplicații materiale sunt foarte sensibile la notare.

luați în considerare cazul unei garnituri de cilindru a motorului ca exemplu. Zgârierea sau notarea pot avea loc din diverse motive. Suprafața căptușelii vine în contact cu o varietate de metale, cum ar fi inele de piston, particule străine în combustibil sau ulei de lubrifiere. Uneori, așezarea necorespunzătoare a căptușelii poate contribui la aceasta.

particulele abrazive pot provoca zgârieturi care în cele din urmă degradează performanța motorului și costă mai mult în întreținere, piese de schimb și consum de combustibil pe termen lung.

la etapa de proiectare, alegerea corectă a metalului ia în considerare duritatea materialelor cu care va intra în contact. Duritatea căptușelii trebuie să fie mai mare decât materialele cu care va interacționa. Acest lucru ajută la evitarea multor probleme posibile.

Rebound sau duritate dinamică

duritatea de Rebound are mai mult de-a face cu duritatea elastică decât duritatea plasticului. Materialul absoarbe energia la impact și o returnează la indenter.

un indenter este un material de referință utilizat pentru testarea durității. Duritatea dinamică este de obicei măsurată prin aruncarea unui ciocan cu vârf de diamant pe piesa de testare și înregistrarea săriturii ciocanului după ce lovește suprafața.

cu cât înălțimea este mai aproape de înălțimea inițială de cădere, cu atât este mai mare valoarea durității de revenire.

diferite unități de duritate

unitatea si de duritate este N / mm2. Unitatea Pascal este astfel utilizată și pentru duritate, dar duritatea nu trebuie confundată cu presiunea.

diferitele tipuri de duritate discutate mai sus au scale diferite de măsurare. Pentru duritatea zgârieturilor, indentării și revenirii, metodele de măsurare variază (de exemplu, Brinell, Rockwell, Knoop, Leeb și Meyer). Deoarece unitățile sunt derivate din aceste metode de măsurare, acestea nu sunt potrivite pentru comparație directă.

cu toate acestea, puteți utiliza întotdeauna un tabel de conversie pentru a compara valorile Rockwell (B & C), Vickers și Brinell. Tabele ca acestea nu sunt 100% exacte, dar oferă o indicație bună.

în toate aceste scale, un material dur va avea un număr de duritate mai mare.

unitățile utilizate în mod obișnuit pentru măsurarea durității sunt:

• Numărul durității Brinell (HB)
• numărul durității Vickers (HV)
• numărul durității Rockwell (HRA, HRB, HRC etc.)
• valoarea durității Leeb (HLD, HLS, HLE etc.)

duritatea de măsurare

diferitele tipuri de duritate sunt măsurate folosind diferite metode de testare. O caracteristică comună între toate metodele este utilizarea unui indenter pentru a crea indentarea pe suprafața piesei de testare. Indentarea oferă o reprezentare tangibilă a durității materialelor și este ușor de măsurat și reprodus.

materialele mai dure vor avea crestături superficiale, iar materialele mai moi vor avea crestături mai profunde.

testul de duritate Brinell

testul Brinell a fost unul dintre primele teste de duritate acceptate pe scară largă pentru măsurarea durității indentării. În testul Brinell, o bilă de oțel cu diametrul de 10 mm este utilizată ca indenter pentru a crea o impresie pe piesa de testare pentru a calcula numărul său de duritate Brinell.

mingea este ținută pe loc pentru un timp predeterminat, de obicei 30 de secunde, și se aplică o forță pe minge. Această forță va varia în funcție de metalul de testare măsurat.

sarcina standard este de 3000 kg, dar poate fi redusă la 500 kg pentru metale mai moi. Pentru metale mai dure, o minge de carbură de tungsten poate fi utilizată pentru a preveni denaturarea mingii. Unitatea de duritate HB (sau HBN) va fi schimbată în HBW în cazul tungstenului pentru a notifica utilizarea acestuia (Tungsten=Wolfram în Germană/Suedeză).

la îndepărtarea indenterului, dentura este observată cu un microscop cu putere redusă, iar dimensiunea este calculată luând media măsurătorilor în unghi drept.

la finalizarea testului Brinell, numărul de duritate se calculează după cum urmează:

, unde

F – forță, n

d – diametru indentare, mm

d – diametru indentare, mm

Rockwell testul de duritate

testul de duritate Rockwell este metoda cea mai frecvent utilizată pentru măsurătorile durității indentării. Valoarea durității Rockwell este însoțită de scara utilizată.

în funcție de materialul testat, trebuie selectată o scară adecvată. Această scală de duritate oferă informații despre tipul de combinație indenter-sarcină utilizată.

există un total de 30 de scale disponibile pentru a alege de la. Aceasta este ceea ce face din Rockwell un test de măsurare pentru a măsura duritatea unei game largi de materiale. Chiar și măsurătorile durității materialelor ceramice și compozite sunt posibile. Cele mai frecvent utilizate scale sunt „B” și „C”.

în testul de duritate Rockwell, înainte de aplicarea sarcinii de testare, se aplică o mică sarcină minoră pentru a așeza indenterul în piesa de testare și pentru a elimina efectul oricăror nereguli de suprafață. Acest lucru oferă o precizie mai bună.

apoi similar cu testul Brinell, indenterul este utilizat pentru a crea o impresie asupra materialului prin aplicarea sarcinii de testare cunoscută și sub numele de sarcină majoră. Impresia este apoi măsurată pentru determinarea durității. Un ecartament cadran este utilizat pentru a înregistra deformarea.

creșterea netă a dimensiunii dent (între aplicarea sarcinii minore și majore) este luată în considerare pentru calcularea valorii durității.

este necesară specificarea vitezei de încărcare. În metale moi, viteze diferite de aplicare a sarcinii poate produce o diferență apreciabilă în valoarea finală. Este important să monitorizați cu atenție faptul că rata de încărcare este conformă standardului.

formula pentru duritatea Rockwell este:

, unde

factorul de scară n în funcție de scara utilizată

factorul de scară s în funcție de scara utilizată

d – adâncimea indentării permanente în comparație cu sarcina minoră, mm

testul de duritate Vickers

a treia modalitate de măsurare a durității materialului este utilizarea testului Vickers. Acest lucru este potrivit în special pentru materiale mai moi care nu au nevoie de sarcini mari. Cu materiale moi, metoda Vickers oferă o precizie mai bună.

de asemenea, calculul valorii durității este mai ușor, deoarece Vickers folosește același indenter de diamant pentru toate materialele. Astfel, modificarea formulei nu este necesară.

o altă caracteristică importantă este utilizarea unei lupe, făcând posibilă testarea zonelor cu o microstructură specifică.

în primul rând, testerul trebuie să plaseze piesa pe mașină și să utilizeze microscopul pentru a găsi înălțimea potrivită. Apoi, folosind imaginile, se determină locul corect.indenterul diamantului are forma unei piramide cu patru laturi. După atingerea piesei, mașina atinge în curând valoarea forței predeterminate. Rămâne la aceeași încărcătură pentru o anumită perioadă de timp.

apoi, are loc măsurarea indentării. Calculul valorii durității Vickers utilizează următoarea formulă:

, unde

F – force, n

d – diagonală de indentare, mm

testul de duritate Mohs

mineralogul german Mohs a conceput pentru prima dată testul de duritate Mohs pentru a măsura duritatea zgârieturilor materialelor. În acest test, materialul este zgâriat cu un material de referință care are o duritate definită.

o valoare numerică a durității este atribuită materialului de testare pe baza rezultatelor testului. Testul de duritate Mohs utilizează 10 Materiale de referință cu duritate variabilă ca scală pentru test.

cel mai moale material folosit este talcul (valoare=1), iar cel mai dur material este diamantul (valoare=10). Având în vedere că referințele utilizate pentru scara Mohs nu au o creștere gradată, scara Mohs nu are precizie și este doar o măsură brută a durității.

astăzi, testele moderne de zgârieturi sunt efectuate folosind indenters Rockwell diamond prin zgârierea piesei de testare pentru o lungime specifică presată de valoarea de încărcare selectată.

test de Scleroscop

un scleroscop este un dispozitiv utilizat pentru a măsura duritatea de rebound sau dinamică a materialelor. Configurația constă dintr-un tub de sticlă vertical gol conectat la un suport. Prin acest tub, un ciocan cu diamant este aruncat pe piesa de testare și se înregistrează săritura ciocanului.

ciocanul cu diamant este aruncat de la o înălțime fixă sub propria greutate. La intrarea în contact cu piesa de testare, ciocanul ricoșează înapoi. Acest salt va fi mai mare pentru materialele cu duritate mai mare.

săritura va fi mai mică pentru un metal moale, deoarece o porțiune din energia de impact va fi epuizată în crearea unei adâncituri pe suprafața de testare. Tubul de sticlă are gradienți pentru a măsura înălțimea săriturii. Duritatea de revenire este măsurată în unități de țărm.