Materiaalhardheid-typen, testmethoden & eenheden

hardheid is de kwaliteit van een materiaal om plaatselijke vervorming te weerstaan. Het kan vooral belangrijk zijn bij het zoeken naar een geschikt materiaal voor een omgeving die kleine deeltjes bevat die materiaalslijtage kunnen veroorzaken. Zachte materialen lijden aan inkepingen, terwijl harde materialen bestand zijn tegen elke vormverandering.

hardheid moet worden gezien in context met andere materiaaleigenschappen zoals sterkte, elasticiteit, enz. Bijvoorbeeld, veel harde materialen hebben de neiging om Bros te zijn, het beperken van hun use-cases.

in dit artikel zullen we nader bekijken wat de materiaalhardheid is, hoe deze gemeten wordt en hoe de verschillende eenheden te vergelijken.

Wat Is Materiaalhardheid?

hardheid is de maat voor de weerstand van een materiaal tegen plaatselijke permanente vervorming. Permanente vervorming wordt ook wel plastische vervorming genoemd. Terwijl elastische vervorming betekent dat een materiaal van vorm verandert alleen tijdens het uitoefenen van kracht, een resulterende plastische vervorming betekent dat het materiaal niet zal terugkeren naar zijn oorspronkelijke vorm.

sommige materialen zijn van nature hard. Bijvoorbeeld, wolfraam is een ongelooflijk hard metaal dat gebruik vindt als een legeringselement in gereedschapsstaal. Dit zorgt ervoor dat deze groep staalsoorten ook bij hoge temperaturen tijdens het snijden slijtage kan weerstaan.

gecementeerd carbide, dat veel gebruikt wordt in frezen, omvat vaak ook wolfraam. Deze vervangbare snijgereedschappen verlengen de levensduur van snijgereedschappen aanzienlijk.

aan de andere kant zijn sommige materialen, waaronder metalen, zo zacht dat ze nutteloos zijn voor veel toepassingen. Puur goud is zo zacht dat krabben of buigen het niet veel moeite nodig heeft. Daarom is het toevoegen van andere metalen zoals zilver, koper en aluminium essentieel om de hardheid te verbeteren.

bij sommige materialen is warmtebehandeling een mogelijkheid om een grotere oppervlaktehardheid op te wekken met behoud van de andere eigenschappen van het metaal in de kern. Machineschachten ondergaan dit proces vaak om een langere levensduur te garanderen.

een ingenieur moet ook rekening houden met de verhouding van de hardheid bij het maken van een productontwerpconcept. Bijvoorbeeld, in een lager en as fit, het lager moet zachter zijn omdat ze gemakkelijker te vervangen. Bij constante beweging moet één onderdeel dragen en de keuze is aan de ingenieur.

soorten hardheid

materialen gedragen zich anders bij verschillende soorten belasting. Bijvoorbeeld, een metaal dat een enorme eenmalige impact extreem goed kan nemen kan niet hetzelfde werken tijdens continue belasting.

hardheidsmeting moet voor elk geval worden uitgevoerd, zodat een weloverwogen keuze voor de toepassing kan worden gemaakt.

De drie soorten hardheid zijn scratch, rebound en inkeping hardheid. Het meten van elk type hardheid vereist een andere set gereedschappen. Ook zal hetzelfde materiaal verschillende hardheid waarden hebben voor elk van de bovengenoemde types.

Inspringingshardheid

Dit type hardheid heeft betrekking op de weerstand tegen permanente vervorming bij het onderwerpen van een materiaal aan een continue belasting.

Inspringhardheid is waar ingenieurs en metallurgisten meestal naar verwijzen als ze het hebben over hardheid. Het meten van de waarde is van primair belang omdat continue belasting de meest voorkomende vorm is van het laden van metalen.

Krashardheid

Dit type hardheid verwijst naar het vermogen van een materiaal om krassen op het oppervlak te weerstaan. Krassen zijn smalle doorlopende inkepingen in de bovenste laag door contact met een scherp, harder materiaal.

Krasonderzoek wordt ook vaak gebruikt voor brosse materialen zoals keramiek, omdat deze geen significante plastische vervorming ondergaan. Het is belangrijk om krashardheid te overwegen omdat sommige materiaaltoepassingen zeer gevoelig zijn voor scoren.

beschouw het geval van een motorcilindervoering als voorbeeld. Krabben of scoren kan plaatsvinden om verschillende redenen. Het oppervlak van de voering komt in contact met een verscheidenheid aan metalen zoals zuigerveren, vreemde deeltjes in brandstof of smeerolie. Soms onjuiste plaatsing van de voering kan bijdragen aan het.

de schurende deeltjes kunnen krassen veroorzaken die uiteindelijk de motorprestaties aantasten en op lange termijn meer kosten voor onderhoud, reserveonderdelen en brandstofverbruik.

in de ontwerpfase wordt bij de juiste metaalselectie rekening gehouden met de hardheid van materialen waarmee het in aanraking komt. De hardheid van de voering moet groter zijn dan de materialen waarmee het zal interageren. Dit helpt om veel mogelijke problemen te voorkomen.

Rebound of dynamische hardheid

Rebound hardheid heeft meer te maken met elastische hardheid dan kunststofhardheid. Het materiaal absorbeert de energie bij impact en geeft het terug aan het indruklichaam.

een indruklichaam is een referentiemateriaal dat wordt gebruikt voor de hardheidsmeting. Dynamische hardheid wordt meestal gemeten door het laten vallen van een diamant-tip hamer op het proefstuk en het opnemen van de bounce van de hamer nadat het raakt het oppervlak.

hoe dichter de hoogte bij de oorspronkelijke valhoogte ligt, hoe hoger de waarde voor de terugslaghardheid.

verschillende hardheidseenheden

de SI-eenheid van hardheid is n/mm2. De eenheid Pascal wordt dus ook gebruikt voor hardheid, maar hardheid mag niet worden verward met druk.

de verschillende soorten hardheid die hierboven zijn besproken, hebben verschillende meetschalen. Voor kras -, inkeping-en reboundhardheid variëren de meetmethoden (bijvoorbeeld Brinell, Rockwell, Knoop, Leeb en Meyer). Aangezien de eenheden zijn afgeleid van deze meetmethoden, zijn ze niet geschikt voor directe vergelijking.

U kunt echter altijd een conversietabel gebruiken om de waarden Rockwell (B & C), Vickers en Brinell te vergelijken. Tabellen zoals deze zijn niet 100% nauwkeurig, maar geven een goede indicatie.

In al deze schalen zal een hard materiaal een hoger hardheidsgetal hebben.

de meest gebruikte eenheden voor hardheidsmeting zijn:

• Brinell Hardheidsgetal (HB)
• Vickers hardheidsgetal (HV)
• Rockwell hardheidsgetal (HRA, HRB, HRC, enz.)
• Leeb hardheidswaarde (HLD, HLS, HLE, enz.)

meten hardheid

de verschillende soorten hardheid zijn gemeten met behulp van verschillende testmethoden. Een overeenkomst tussen alle methoden is het gebruik van een indruklichaam voor het maken van de indrukking op het oppervlak van het proefstuk. De inkeping geeft een tastbare weergave van de hardheid van materialen en het is gemakkelijk te meten en te repliceren.

hardere materialen hebben ondiepe inkepingen en zachtere materialen hebben diepere inkepingen.

Brinell-hardheidstest

de Brinell-test was een van de eerste algemeen aanvaarde hardheidsmetingen voor het meten van de indrukhardheid. Bij de Brinell-test wordt een stalen kogel met een diameter van 10 mm als indruklichaam gebruikt om een indruk te maken op het proefstuk om het Brinell-hardheidsgetal te berekenen.

de bal wordt op zijn plaats gehouden voor een vooraf bepaalde tijd, meestal 30 seconden, en een kracht wordt uitgeoefend op de bal. Deze kracht zal variëren afhankelijk van het meetmetaal.

De standaardbelasting bedraagt 3000 kg, maar voor zachtere metalen kan deze worden verlaagd tot 500 kg. Voor hardere metalen kan een wolfraamcarbide kogel worden gebruikt om vervorming van de kogel te voorkomen. De hardheidseenheid HB (of HBN) zal worden gewijzigd in HBW in het geval van wolfraam om het gebruik ervan te melden (wolfraam=Wolfram in het Duits/Zweeds).

bij het verwijderen van het indruklichaam wordt de deuk waargenomen met een microscoop met een laag vermogen en de grootte wordt berekend door het gemiddelde van de metingen loodrecht te nemen.

na afloop van de Brinell-test wordt het hardheidsgetal als volgt berekend:

, waarbij

F – force, N

D – indenteerder diameter, mm

d – inspringen diameter, mm

Rockwell Hardheid Testen

Rockwell hardheid test is de meest gebruikte methode voor het inspringen hardheidsmetingen. De waarde van Rockwell hardheid gaat gepaard met de gebruikte schaal.

afhankelijk van het te testen materiaal moet een geschikte schaal worden gekozen. Deze hardheidsschaal geeft informatie over het gebruikte type indruklichaam / belastingcombinatie.

Er zijn in totaal 30 schalen beschikbaar om uit te kiezen. Dit is wat Rockwell een maatstaf maakt om de hardheid van een breed scala aan materialen te meten. Ook hardheidsmetingen van keramiek en composietmateriaal zijn mogelijk. De meest gebruikte schalen zijn ” B “en”C”.

bij de hardheidstest van Rockwell wordt, voordat de testbelasting wordt uitgeoefend, een kleine geringe belasting toegepast om het indruklichaam in het proefstuk te plaatsen en het effect van eventuele oneffenheden aan het oppervlak te verwijderen. Dit zorgt voor een betere nauwkeurigheid.

dan wordt, net als bij de Brinell-test, het indruklichaam gebruikt om een indruk op het materiaal te maken door de testbelasting toe te passen die ook wel een grote belasting wordt genoemd. Vervolgens wordt de indruk gemeten om de hardheid te bepalen. Een wijzerplaat wordt gebruikt om de vervorming te registreren.

De netto toename van de deukafmetingen (tussen de toepassing van geringe en grote belasting) wordt in aanmerking genomen voor de berekening van de hardheidswaarde.

het specificeren van de laadsnelheid is noodzakelijk. Bij zachte metalen kunnen wisselende belastingsnelheden een aanzienlijk verschil in de eindwaarde veroorzaken. Het is belangrijk om zorgvuldig te controleren of de laadsnelheid volgens de norm is.

De formule voor Rockwell hardheid is:

, waarbij

N – schaalfactor afhankelijk van de schaal die wordt gebruikt

s – schaalfactor afhankelijk van de schaal die wordt gebruikt

d – diepte van permanente indrukking in vergelijking met kleine laden, mm

Vickers Hardheid Testen

De derde manier voor het meten van materiaal hardheid is het gebruik van het Vickers-test. Dit is vooral geschikt voor zachtere materialen die geen hoge belastingen nodig hebben. Met zachte materialen zorgt de Vickers-methode voor een betere nauwkeurigheid.

ook is het berekenen van de hardheidswaarde eenvoudiger, omdat Vickers voor alle materialen hetzelfde diamantindenter gebruikt. Dus, tweaken van de formule is niet nodig.

een ander belangrijk kenmerk is het gebruik van een vergrootglas, waardoor het mogelijk is om gebieden met een specifieke microstructuur te testen.

eerst moet de tester het onderdeel op de machine plaatsen en de microscoop gebruiken om de geschikte hoogte te vinden. Vervolgens wordt met behulp van de afbeeldingen de juiste plaats bepaald.

het diamant-indruklichaam heeft de vorm van een vierzijdige piramide. Na het aanraken van het onderdeel bereikt de machine al snel de vooraf bepaalde krachtwaarde. Het blijft op dezelfde lading voor een bepaalde tijd.

vervolgens wordt de inspringing gemeten. Voor de berekening van de Vickers-hardheidswaarde wordt de volgende formule gebruikt::

, waarbij

F – force, N

d – inspringen diagonaal, mm

Mohs Hardheid Testen

duitse mineraloog Mohs eerste bedacht de Mohs hardheid test voor het meten van de krasvastheid van materialen. In deze test wordt het materiaal bekrast met een referentiemateriaal met een gedefinieerde hardheid.

aan het testmateriaal wordt op basis van de resultaten van de test een numerieke hardheidswaarde toegekend. Mohs hardheidstest gebruikt 10 referentiematerialen van verschillende hardheid als schaal voor de test.

het zachtste materiaal dat wordt gebruikt is Talk (waarde=1) en het hardste materiaal is diamant (waarde=10). Aangezien de referenties die voor de Mohs-schaal worden gebruikt geen graduele verhoging hebben, mist de Mohs-schaal nauwkeurigheid en is het slechts een ruwe maat voor de hardheid.

tegenwoordig worden moderne krasproeven uitgevoerd met Rockwell diamantindenters door het proefstuk over een bepaalde lengte te krassen, ingedrukt door de geselecteerde belastingwaarde.

Scleroscoop Test

een scleroscoop wordt gebruikt om de rebound of dynamische hardheid van materialen te meten. De opstelling bestaat uit een holle verticale glazen buis verbonden met een standaard. Via deze buis wordt een diamanthamer op het proefstuk gegooid en wordt de Stuiter van de hamer geregistreerd.

De diamanthamer valt vanaf een vaste hoogte onder zijn eigen gewicht. Bij contact met het proefstuk stuitert de hamer terug. Deze bounce zal hoger zijn voor materialen met een hogere hardheid.

bij een zacht metaal zal de veerkracht lager zijn omdat een deel van de botsenergie wordt verbruikt bij het creëren van een deuk op het testoppervlak. De glazen buis heeft gradiënten om de hoogte van de bounce te meten. Rebound hardheid wordt gemeten in shore units.