twardość materiału-rodzaje, metody testowania i jednostki

twardość jest jakością materiału, aby wytrzymać lokalne odkształcenia. Może to być szczególnie ważne, gdy szukasz odpowiedniego materiału do środowiska, które zawiera małe cząstki, które mogą wywoływać zużycie materiału. Miękkie materiały cierpią wgłębienia, podczas gdy twarde są odporne na wszelkie zmiany kształtu.

twardość należy rozpatrywać w kontekście innych właściwości materiału, takich jak wytrzymałość, elastyczność itp. Na przykład wiele twardych materiałów jest kruchych, co ogranicza ich zastosowanie.

w tym artykule przyjrzymy się bliżej twardości materiału, jak jest mierzona i jak porównać różne jednostki.

Jaka jest twardość materiału?

twardość jest miarą odporności materiału na zlokalizowane trwałe odkształcenia. Trwałe odkształcenie jest również nazywane odkształceniem plastycznym. Podczas gdy odkształcenie elastyczne oznacza, że materiał zmienia swój kształt tylko podczas przyłożenia siły, powstałe odkształcenie plastyczne oznacza, że materiał nie powróci do pierwotnego kształtu.

niektóre materiały są naturalnie twarde. Na przykład wolfram jest niezwykle twardym metalem, który znajduje zastosowanie jako pierwiastek stopowy w stalach narzędziowych. Dzięki temu ta grupa stali jest odporna na zużycie nawet w wysokich temperaturach podczas operacji cięcia.

Węglik spiekany, który znajduje duże zastosowanie w frezach, często obejmuje również Wolfram. Te wymienne narzędzia skrawające znacznie wydłużają żywotność narzędzi skrawających.

z drugiej strony, niektóre materiały, w tym metale, są miękkie do tego stopnia, że czyni je bezużytecznymi dla wielu zastosowań. Czyste złoto jest tak miękkie, że drapanie czy zginanie nie wymaga większego wysiłku. Dlatego dodanie innych metali, takich jak srebro, miedź i aluminium, jest niezbędne do poprawy jego twardości.

w przypadku niektórych materiałów obróbka cieplna umożliwia uzyskanie większej twardości powierzchni przy zachowaniu innych właściwości metalu w rdzeniu. Wały maszyn często przechodzą ten proces, aby zagwarantować dłuższą żywotność.

inżynier musi również wziąć pod uwagę stosunek twardości podczas tworzenia koncepcji projektu produktu. Na przykład w przypadku dopasowania łożyska i wału łożysko musi być bardziej miękkie, ponieważ łatwiej je wymienić. Przy ciągłym ruchu jedna część musi się nosić, a wybór należy do inżyniera.

rodzaje twardości

materiały zachowują się różnie pod różnymi rodzajami obciążeń. Na przykład metal, który może przyjąć ogromny jednorazowy wpływ bardzo dobrze, może nie działać tak samo podczas ciągłego ładowania.

badanie twardości musi być przeprowadzone dla każdego przypadku, aby można było dokonać świadomego wyboru dla aplikacji.

trzy rodzaje twardości to twardość zarysowania, odbicia i wcięcia. Pomiar każdego rodzaju twardości wymaga innego zestawu narzędzi. Ponadto ten sam materiał będzie miał różne wartości twardości dla każdego z wyżej wymienionych typów.

twardość wcięcia

ten typ twardości odnosi się do odporności na trwałe odkształcenia podczas poddawania materiału ciągłemu obciążeniu.

twardość wcięcia jest to, co inżynierowie i metalurdzy zwykle odnoszą się do, gdy mówią o twardości. Pomiar jego wartości ma podstawowe znaczenie, ponieważ ładowanie ciągłe jest najczęstszą formą ładowania metali.

twardość zarysowania

ten rodzaj twardości odnosi się do odporności materiału na zadrapania na powierzchni. Zadrapania to wąskie ciągłe wgłębienia w górnej warstwie spowodowane kontaktem z ostrym, twardszym materiałem.

testowanie zarysowań jest również powszechnie stosowane w przypadku kruchych materiałów, takich jak ceramika, ponieważ nie ulegają one znaczącym odkształceniom plastycznym. Ważne jest, aby wziąć pod uwagę twardość Zarysowania, Ponieważ niektóre zastosowania materiałów są bardzo wrażliwe na punktowanie.

rozważmy przykład tulei cylindrowej silnika. Drapanie lub punktowanie może mieć miejsce z różnych powodów. Powierzchnia wykładziny ma kontakt z różnymi metalami, takimi jak pierścienie tłokowe, obce cząstki w paliwie lub oleju smarowym. Czasami niewłaściwe siedzenia liniowej może przyczynić się do niego.

cząstki ścierne mogą powodować zarysowania, które ostatecznie obniżają wydajność silnika i kosztują więcej konserwacji, części zamiennych i zużycia paliwa w dłuższej perspektywie.

na etapie projektowania właściwy dobór metalu uwzględnia twardość materiałów, z którymi będzie miał kontakt. Twardość wykładziny musi być większa niż materiały, z którymi będzie oddziaływać. Pomaga to uniknąć wielu możliwych problemów.

twardość odbicia lub dynamiczna

twardość odbicia ma więcej wspólnego z twardością elastyczną niż twardością tworzywa sztucznego. Materiał pochłania energię przy uderzeniu i zwraca ją do wgłębienia.

wgłębienie jest materiałem odniesienia używanym do badania twardości. Twardość dynamiczna jest zwykle mierzona przez upuszczenie młotka z końcówką diamentową na próbce i zarejestrowanie odbicia młotka po uderzeniu w powierzchnię.

im bliżej oryginalnej wysokości upuszczania, tym wyższa wartość twardości odbicia.

różne jednostki twardości

jednostką twardości Si jest N/mm2. Jednostka Pascal jest zatem używany do twardości, jak również, ale twardości nie należy mylić z ciśnieniem.

różne rodzaje twardości omówione powyżej mają różne skale pomiaru. W przypadku twardości zarysowania, wcięć i odbicia metody pomiaru są różne (np. Brinell, Rockwell, Knoop, Leeb i Meyer). Ponieważ jednostki pochodzą z tych metod pomiarowych, nie nadają się one do bezpośredniego porównania.

jednak zawsze możesz użyć tabeli konwersji do porównania wartości Rockwella (B & C), Vickersa i Brinella. Tabele takie jak te nie są w 100% dokładne, ale dają dobrą wskazówkę.

we wszystkich tych skalach twardy materiał będzie miał wyższą liczbę twardości.

powszechnie stosowanymi jednostkami do pomiaru twardości są:

• numer twardości Brinella (HB)
• numer twardości Vickersa (HV)
• numer twardości Rockwella (HRA, HRB, HRC itp.)
• wartość twardości Leeba (HLD, HLS, HLE itp.)

pomiar twardości

różne rodzaje twardości są mierzone za pomocą różnych metody testowania. Wspólną cechą wszystkich metod jest zastosowanie wcięcia do tworzenia wcięcia na powierzchni badanego elementu. Wcięcie zapewnia namacalną reprezentację twardości materiałów i jest łatwe do zmierzenia i replikacji.

twardsze materiały będą miały płytkie wgłębienia, a bardziej miękkie materiały będą miały głębsze wgłębienia.

test twardości Brinella

test Brinella był jednym z pierwszych powszechnie akceptowanych testów twardości do pomiaru twardości wcięcia. W teście Brinella stalowa kula o średnicy 10 mm jest używana jako wgłębienie do wytworzenia wrażenia na badanym elemencie w celu obliczenia jego twardości Brinella.

piłka jest utrzymywana w miejscu przez określony czas, zwykle 30 sekund, i siła jest przyłożona do piłki. Siła ta będzie się różnić w zależności od mierzonego metalu.

standardowe obciążenie wynosi 3000 kg, ale w przypadku bardziej miękkich metali można je zmniejszyć do 500 kg. W przypadku twardszych metali można użyć kulki z węglika wolframu, aby zapobiec zniekształceniu piłki. Jednostka twardości HB (lub HBN) zostanie zmieniona na HBW w przypadku wolframu, aby powiadomić o jego użyciu (Wolfram=Wolfram w języku niemieckim/szwedzkim).

Po usunięciu wgniecenia obserwuje się wgniecenie mikroskopem o małej mocy, a wielkość oblicza się, przyjmując średnią z pomiarów pod kątem prostym.

Po zakończeniu testu Brinella liczbę twardości oblicza się w następujący sposób:

, gdzie

F – force, N

D – średnica wgłębienia, mm

D – średnica wgłębienia, mm

Rockwell test twardości

test twardości Rockwella jest najczęściej stosowaną metodą pomiaru twardości wcięć. Wartości twardości Rockwella towarzyszy zastosowana skala.

w zależności od badanego materiału należy wybrać odpowiednią skalę. Ta skala twardości zawiera informacje na temat rodzaju zastosowanej kombinacji wcięcia i obciążenia.

do wyboru jest w sumie 30 wag. To właśnie sprawia, że Rockwell jest testem miarowym do pomiaru twardości szerokiej gamy materiałów. Możliwe są nawet pomiary twardości materiałów ceramicznych i kompozytowych. Najczęściej stosowanymi skalami są „B „I”C”.

W teście twardości Rockwella przed przyłożeniem obciążenia testowego stosuje się małe niewielkie obciążenie, aby osadzić wgłębienie w wycinku badanym i usunąć efekt wszelkich nierówności powierzchni. Zapewnia to lepszą dokładność.

następnie podobnie jak w teście Brinella, wgłębienie służy do wytworzenia wrażenia na materiale poprzez zastosowanie obciążenia testowego znanego również jako obciążenie główne. Wycisk jest następnie mierzony w celu określenia twardości. Miernik zegarowy służy do rejestrowania deformacji.

przy obliczaniu wartości twardości bierze się pod uwagę wzrost netto wymiaru wgłębienia (między przyłożeniem obciążenia małego i dużego).

określenie prędkości ładowania jest konieczne. W metalach miękkich zmienne prędkości nakładania obciążenia mogą powodować znaczną różnicę w wartości końcowej. Ważne jest, aby dokładnie monitorować, że szybkość ładowania jest zgodna ze standardem.

wzór na twardość Rockwella jest:

, gdzie

n – współczynnik skali w zależności od zastosowanej skali

s – współczynnik skali w zależności od zastosowanej skali

d – głębokość trwałego wcięcia w porównaniu do małego obciążenia, mm

test twardości Vickersa

trzecim sposobem pomiaru twardości materiału jest test Vickersa. Jest to szczególnie odpowiednie dla bardziej miękkich materiałów, które nie wymagają dużych obciążeń. Dzięki miękkim materiałom metoda Vickersa zapewnia lepszą dokładność.

również obliczanie wartości twardości jest łatwiejsze, ponieważ Vickers używa tego samego wgłębienia diamentowego dla wszystkich materiałów. W związku z tym dostosowanie formuły nie jest konieczne.

kolejną ważną cechą jest zastosowanie lupy, umożliwiającej badanie obszarów o określonej mikrostrukturze.

najpierw tester musi umieścić część na maszynie i użyć mikroskopu, aby znaleźć odpowiednią wysokość. Następnie za pomocą obrazów określa się właściwe miejsce.

wgłębienie diamentowe ma kształt czworobocznej piramidy. Po dotknięciu części maszyna wkrótce osiągnie wstępnie określoną wartość siły. Pozostaje w tym samym obciążeniu przez pewien czas.

następnie następuje pomiar wcięcia. Obliczanie wartości twardości Vickersa wykorzystuje następujący wzór:

, gdzie

f – Siła, N

d – przekątna wcięcia, mm

test twardości Mohsa

niemiecki mineralog Mohs po raz pierwszy opracował test twardości Mohsa do pomiaru twardości zarysowań materiałów. W tym teście materiał jest porysowany materiałem referencyjnym o określonej twardości.

numeryczna wartość twardości jest przypisana do badanego materiału na podstawie wyników badania. Test twardości Mohsa wykorzystuje 10 materiałów referencyjnych o różnej twardości jako skalę do testu.

najdelikatniejszym zastosowanym materiałem jest Talk (wartość=1), A najtwardszym materiałem jest diament (wartość=10). Biorąc pod uwagę, że odniesienia stosowane w skali Mohsa nie mają stopniowanego wzrostu, Skala Mohsa nie ma dokładności i jest tylko szorstką miarą twardości.

obecnie nowoczesne testy zarysowania są przeprowadzane przy użyciu wcięć Diamentowych Rockwell poprzez zarysowanie badanego elementu na określoną długość dociskanego przez wybraną wartość obciążenia.

Test Skleroskopu

skleroskop jest urządzeniem służącym do pomiaru odbicia lub twardości dynamicznej materiałów. Zestaw składa się z pustej pionowej szklanej rurki połączonej ze stojakiem. Przez tę rurkę, młotek diamentowy jest upuszczany na badany element, a odbicie młota jest rejestrowane.

młotek diamentowy jest upuszczany ze stałej wysokości pod własnym ciężarem. Po zetknięciu się z badaną częścią młotek odbija się. To odbicie będzie wyższe dla materiałów o wyższej twardości.

odbicie będzie niższe dla miękkiego metalu, ponieważ część energii uderzenia zostanie wyczerpana, tworząc wgniecenie na powierzchni testowej. Szklana rura ma gradienty do pomiaru wysokości odbicia. Twardość odbicia mierzona jest w jednostkach brzegowych.