Twardościomierz do stali – zastosowanie i metodyka pomiarów twardości metali

Podstawową zaletą tej metody jest fakt, że obecnie pomiary twardości metali dokonywane są w sposób powtarzalny i niezależny od operatora. Odpowiednia twardość elementów jest gwarantem ich bezawaryjnego i wydajnego funkcjonowania w zespole mechanicznym. Sprawdź, jakie jest zastosowanie twardościomierza do stali?

Twardościomierz do stali w diagnostyce stanu konstrukcji mechanicznych 

Kontrola odtworzenia poprawnej twardości wszystkich istotnych detali ma ogromne znaczenie zwłaszcza przy konstrukcjach urządzeń, których demontaż odznacza się wysokim stopniem skomplikowania, a awaria może spowodować uszkodzenia także innych podzespołów. Pomiary twardości stali są zalecane także w przypadku ulepszenia cieplnego materiału, np. podczas hartowania.

Należy dodać, że przeprowadzenie pomiarów twardości metali często określa w sposób decydujący o użyteczności podzespołu lub detalu w konkretnym zastosowaniu.

Twardościomierz do stali pozwala określić podstawowe parametry użytkowe metali, z których wykonane są badane elementy:

• tendencja do odkształcania się pod wpływem działających sił;
• wytrzymałość na udary;
• trwałość.

Nie można przy tym zapominać, że wiele elementów współpracujących ze sobą odznacza się różnymi wymaganiami co ich wytrzymałości oraz twardości. Można tu posłużyć się przykładem szyn i kół jezdnych suwnic. Twardość metalu wykorzystanego przy produkcji kół powinna być wyższa o 20% aniżeli szyn, ponieważ tylko taki stosunek zapewnia optymalny poziom zużycia dla obu współpracujących elementów.

Jest to tylko jeden z wielu przykładów, wskazujący na znaczenie zastosowania twardościomierza do stali w celu doboru twardości elementów, który de facto przesądza o wzajemnym oddziaływaniu tych elementów, tempie zużycia, a nawet ryzyku wystąpienia awarii. Podobne podejście do tego zagadnienia powinno towarzyszyć zespołom podejmującym się regeneracji uszkodzonych elementów, która wymaga także pieczołowitego odtworzenia podatności na odkształcenia regenerowanej części.

Twardościomierz do stali – na czym polegają pomiary twardości stali? 

Metody badania twardości w zależności od rodzaju przyłożonego obciążenia podlegają klasyfikacji. Odkształcenie plastyczne pod działaniem obciążenia statycznego nosi miano statycznej próby twardości. Próba dynamiczna odnosi się do oceny właściwości sprężystych materiałów poddawanych odkształceniom udarowym.

Należy także wspomnieć o tzw. próbach specjalnych badania twardości, (np. metoda Mohsa). Określają one opór materiału związany ze ścieralnością lub zarysowaniem. Niezależnie od zastosowanej metodyki pomiarów narzędziem niezbędnym do ich wykonania jest twardościomierz do stali.

Najczęściej stosowanymi metodami statycznymi pomiarów twardości metali są metody:

1. Vickersa (Twardościomierz Vickersa);
2. Brinella (Twardościomierz Brinella);
3. Rockwella (Twardościomierz Rockwella).

W ich trakcie oznaczony zostaje poziom oporu stawianego przez materiał na skutek odkształcenia przy pomocy wgłębnika.

Metoda Vickersa 

W metodzie Vickersa zastosowany jest wgłębnik w kształcie ostro zakończonego ostrosłupa czworobocznego o wierzchołku z kątem 136°.

Wynik – współczynnik twardości Vickersa HV – mierzony jest długością przekątnych czworobocznego wgłębienia w powierzchni próbki.

Metoda Brinella 

W metodzie Brinella wykorzystywany jest wgłębnik w kształcie kulki. W tym przypadku sprawdzenie twardości metalu polega na pomiarze średnicy powstałego wgłębienia. Współczynnik twardości Brinella HBW odczytywany jest ze specjalnego wzorca.

Metoda Rockwella 

Badanie twardości metodą Rockwella (HR) jest nieco bardziej skomplikowane. Polega ono na dwustopniowym nacisku na powierzchnię przy użyciu wgłębników:

• ze stożkiem o podstawie czworokątnej lub zakończonego kulką, której średnica wynosi 1,588 mm;
• ze stożkiem o podstawie czworokątnej lub zakończonego kulką o średnicy 3,175 mm.

O rodzaju zastosowanego wgłębnika decyduje skala, na której przeprowadzane jest badanie. Wynikiem pomiaru jest przyrost głębokości uzyskanego odkształcenia.

Inne polecane twardościomierze umożliwiające dokonanie pomiarów twardości 

Pomiarów twardości metali można dokonywać także przy pomocy innych urządzeń pomiarowych. Pośród nich godnymi polecenia są:

• Młotek Poldiego, wyposażony w kulę stalową hartowaną stalową o średnicy 10 mm. Kulę umieszcza się pomiędzy kalibrowaną płytką stalową o określonej wytrzymałości na rozciąganie a badanym elementem. Jednoczesne odciśnięcie kuli w próbce kontrolnej i próbce badanej powstaje na skutek silnego uderzenia młotkiem. Wynik pomiaru średnic obu odcisków porównywany jest z tabelą twardości i wytrzymałości na rozciąganie Brinella.
• Metoda UCI – Przyrząd pomiarowy wyposażony jest w sondę zaopatrzoną w pręt zakończony diamentem. Pomiar odbywa się w trakcie wywierania nacisku na próbkę, kiedy to dochodzi do zmiany częstotliwości oscylacji rdzenia. Poprawna ocena wartość twardości wynika z różnicy pomiędzy częstotliwością, gdy wgłębnik znajduje się w powietrzu, a częstotliwością powstałą przy obciążeniu testowym. Badania ułatwia oprogramowanie twardościomierza, którego zadaniem jest porównanie obu częstotliwości i przeliczenie ich na wartość wyrażoną w skali twardości Vickersa.
• Twardościomierz Leeba – Jest to dynamiczna próba twardości polegająca na pomiarze sprężystości materiału. W trakcie badania masa udarowa zostaje wypchnięta w kierunku badanej powierzchni przez siłę sprężyny, po czym następuje odbicie. Stosunek prędkości odbicia do prędkości uderzenia (pomnożony razy 1000) stanowi wynik twardości Leeba (HL). Wyniki pomiarów archiwizowane są w rejestratorze, co pozwala odczytać wyniki uśrednione dla poszczególnych serii. Twardościomierz Leeba wyposażony jest dodatkowo (w pamięci urządzenia) w krzywe konwersyjne skali Leeba, powszechnie wykorzystywane w pozostałych skalach twardości.

Niezależnie od wyboru typu twardościomierz oraz metody pomiarów, należy mieć na uwadze, że urządzenia pomiarowe muszą odznaczać się najwyższą jakością wykonania i materiałową z uwagi na konieczność zachowania precyzji pomiarów. Z tego względu urządzenia powinny pochodzić wyłącznie z uznanego i wiarygodnego źródła.