Η σκληρότητα των μεταλλικών υλικών

Η σκληρότητα των μεταλλικών υλικών αναφέρεται στην ικανότητα του υλικού να αντιστέκεται σε τοπική παραμόρφωση, ιδιαίτερα πλαστική παραμόρφωση, εσοχή ή γρατσουνιές. Είναι ένας δείκτης της απαλότητας ή της σκληρότητας του υλικού.

Η σκληρότητα χωρίζεται σε τρεις τύπους με βάση τις μεθόδους δοκιμής.

Σκληρότητα γρατσουνιών: Χρησιμοποιείται κυρίως για τη σύγκριση της σκληρότητας διαφορετικών ορυκτών. Η μέθοδος περιλαμβάνει τη χρήση μιας ράβδου με το ένα άκρο σκληρό και το άλλο μαλακό, και στη συνέχεια σύρσιμο της ράβδου κατά μήκος του υλικού που δοκιμάζεται. Η θέση όπου εμφανίζονται οι γρατσουνιές καθορίζει τη σκληρότητα του υλικού. Ποιοτικά, ένα πιο σκληρό αντικείμενο αφήνει μια μεγαλύτερη γρατσουνιά, ενώ ένα πιο μαλακό αντικείμενο αφήνει μια πιο κοντή γρατσουνιά.

Σκληρότητα εσοχής: Χρησιμοποιείται κυρίως για μεταλλικά υλικά. Η μέθοδος περιλαμβάνει την εφαρμογή ενός συγκεκριμένου φορτίου για την πίεση μιας καθορισμένης εσοχής στο υλικό που δοκιμάζεται. Η σκληρότητα του υλικού καθορίζεται από την έκταση της τοπικής πλαστικής παραμόρφωσης στην επιφάνεια. Λόγω των διακυμάνσεων στην εσοχή, το φορτίο και τη διάρκεια του φορτίου, υπάρχουν διάφοροι τύποι δοκιμών σκληρότητας εσοχής, όπως η σκληρότητα Brinell, η σκληρότητα Rockwell, η σκληρότητα Vickers και η μικροσκληρότητα, μεταξύ άλλων.

Σκληρότητα ανάκαμψης: Χρησιμοποιείται κυρίως για μεταλλικά υλικά. Η μέθοδος περιλαμβάνει το να επιτρέπεται σε ένα ειδικά σχεδιασμένο σφυρί να πέφτει ελεύθερα από ένα ορισμένο ύψος και να χτυπά το δείγμα του υλικού που δοκιμάζεται. Η σκληρότητα του υλικού καθορίζεται από την ποσότητα της ενέργειας παραμόρφωσης που απορροφά (και στη συνέχεια απελευθερώνει) το δείγμα κατά την κρούση, η οποία μετράται από το ύψος στο οποίο αναπηδά το σφυρί.

Οι πιο συνηθισμένες δοκιμές σκληρότητας για μεταλλικά υλικά - σκληρότητα Brinell, σκληρότητα Rockwell και σκληρότητα Vickers - εμπίπτουν στην κατηγορία της σκληρότητας εσοχής. Η τιμή σκληρότητας αντιπροσωπεύει την ικανότητα του υλικού να αντιστέκεται στην πλαστική παραμόρφωση όταν πιέζεται ένα άλλο αντικείμενο στην επιφάνειά του. Οι δοκιμές σκληρότητας επαναφοράς (Shore, Leeb) μετρούν τη σκληρότητα με βάση την έκταση της ελαστικής παραμόρφωσης του μετάλλου, με την τιμή σκληρότητας να υποδεικνύει την ικανότητα του υλικού για ελαστική παραμόρφωση.

Σκληρότητα Brinell

Μια εσοχή με διάμετροDαπό σκληρυμένο χάλυβα ή μπάλα καρβιδίου πιέζεται στην επιφάνεια του δείγματος με την αντίστοιχη δύναμη δοκιμήςF. Μετά τον καθορισμένο χρόνο συγκράτησης, η δύναμη δοκιμής αφαιρείται, αφήνοντας μια εσοχή με διάμετροd. Η τιμή σκληρότητας Brinell υπολογίζεται διαιρώντας τη δύναμη δοκιμής με την επιφάνεια της εσοχής. Η τιμή που προκύπτει είναι η σκληρότητα Brinell, που υποδηλώνεται ωςHBSήHBW.

H Η διαφορά μεταξύHBSκαιHBWέγκειται στον τύπο της εσοχής που χρησιμοποιείται.HBSαναφέρεται σε μια δοκιμή που χρησιμοποιεί μια σφαίρα από σκληρυμένο χάλυβα ως εσοχή, που συνήθως χρησιμοποιείται για τη μέτρηση των τιμών σκληρότητας Brinell σε υλικά με σκληρότητα κάτω από 450, όπως μαλακοί χάλυβες, γκρίζος χυτοσίδηρος και μη σιδηρούχα μέταλλα.HBW, από την άλλη πλευρά, χρησιμοποιεί μια σφαίρα καρβιδίου ως εσοχή και χρησιμοποιείται για τη μέτρηση των τιμών σκληρότητας Brinell σε υλικά με σκληρότητα κάτω από 650.

Για το ίδιο δοκίμιο και υπό ίδιες συνθήκες δοκιμής, τα αποτελέσματα από τις δύο μεθόδους θα διαφέρουν, μεHBWοι τιμές είναι συχνά υψηλότερες απόHBSαξίες. Ωστόσο, δεν υπάρχει σταθερή ποσοτική σχέση μεταξύ των δύο.

Από το 2003, η Κίνα υιοθέτησε το διεθνές πρότυπο και αντικατέστησε τη χρήση σφαιρών από σκληρυμένο χάλυβα με μπάλες καρβιδίου για τη δοκιμή σκληρότητας Brinell. Ως αποτέλεσμα,HBSδεν χρησιμοποιείται πλέον καιHBWέχει γίνει η τυπική σημείωση για τη σκληρότητα Brinell. Σε πολλές περιπτώσεις,ΗΒχρησιμοποιείται μόνο για να αναπαραστήσει τη σκληρότητα Brinell, η οποία συνήθως αναφέρεταιHBW. Ωστόσο,HBSμπορεί ακόμα να παρατηρηθεί σε ορισμένες λογοτεχνικές και ακαδημαϊκές εργασίες.

Η δοκιμή σκληρότητας Brinell είναι κατάλληλη για υλικά όπως ο χυτοσίδηρος, τα μη σιδηρούχα κράματα και οι διάφοροι ανοπτημένοι ή σκληρυμένοι χάλυβες. Δεν είναι κατάλληλο για δοκιμή υλικών που είναι πολύ σκληρά, πολύ μικρά, πολύ λεπτά ή δείγματα που δεν μπορούν να ανεχθούν μεγάλες εσοχές στην επιφάνειά τους.

Σκληρότητα Rockwell

Η μέθοδος χρησιμοποιεί μια εσοχή κώνου διαμαντιού με γωνία κορυφής 120 μοιρών ή μια σφαίρα από σκληρυμένο χάλυβα ως εσοχή, σε συνδυασμό με μια συγκεκριμένη διαμόρφωση φορτίου. Η δοκιμή ξεκινά με ένα αρχικό φορτίο 10 kgf, ακολουθούμενο από την εφαρμογή ενός συνολικού φορτίου (που είναι το άθροισμα του αρχικού φορτίου και του κύριου φορτίου) 60, 100 ή 150 kgf. Η εσοχή πιέζεται στο δείγμα κάτω από αυτά τα φορτία διαδοχικά. Μετά την εφαρμογή του συνολικού φορτίου, η σκληρότητα προσδιορίζεται από τη διαφορά στο βάθος της εσοχής μεταξύ του βάθους κάτω από το αρχικό φορτίο και του βάθους κάτω από το συνολικό φορτίο μόλις αφαιρεθεί το κύριο φορτίο, ενώ το αρχικό φορτίο παραμένει.

Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται συνήθως σεΣκληρότητα Rockwellδοκιμές. Το βάθος εσοχής κάτω από το αρχικό φορτίο και το συνολικό φορτίο χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της τιμής σκληρότητας, η οποία αντανακλά την αντίσταση του υλικού στην εσοχή και στα δύο φορτία.

Η δοκιμή σκληρότητας Rockwell χρησιμοποιεί τρεις διαφορετικές δυνάμεις δοκιμής και τρεις τύπους εσοχών, με αποτέλεσμα εννέα πιθανούς συνδυασμούς, καθένας από τους οποίους αντιστοιχεί σε μία από τις εννέα κλίμακες σκληρότητας Rockwell. Αυτές οι εννέα κλίμακες καλύπτουν σχεδόν όλα τα συχνά χρησιμοποιούμενα μεταλλικά υλικά. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες ζυγαριές είναιΕΑΔ, HRB, καιHRC, μεHRCείναι η πιο ευρέως εφαρμοσμένη.

Κοινός Πρότυπος Πίνακας Δοκιμών Σκληρότητας Rockwell

ΟΚλίμακα HRCΣυνήθως χρησιμοποιείται για τιμές σκληρότητας που κυμαίνονται από 20 έως 70 HRC. Όταν η τιμή σκληρότητας είναι κάτω από 20 HRC, η ευαισθησία της δοκιμής μειώνεται επειδή το κωνικό άκρο της εσοχής διεισδύει πολύ βαθιά στο υλικό. Σε αυτή την περίπτωση, τοΚλίμακα HRBθα πρέπει να χρησιμοποιείται αντ 'αυτού, καθώς είναι πιο κατάλληλο για πιο μαλακά υλικά.

Όταν η σκληρότητα του δείγματος υπερβαίνει τα 67 HRC, η πίεση στο άκρο της εσοχής γίνεται πολύ υψηλή, γεγονός που μπορεί να βλάψει το διαμάντι και να μειώσει σημαντικά τη διάρκεια ζωής της εσοχής. Επομένως, γενικά συνιστάται να μεταβείτε στοΚλίμακα HRAγια υλικά με σκληρότητα μεγαλύτερη από 67 HRC.

Η δοκιμή σκληρότητας Rockwell είναι απλή στη λειτουργία, γρήγορη και δημιουργεί μικρές εσοχές, καθιστώντας την κατάλληλη για τη δοκιμή επιφανειών τελικού προϊόντος καθώς και για σκληρότερα και λεπτότερα τεμάχια εργασίας. Λόγω της μικρής εσοχής, η τιμή σκληρότητας μπορεί να κυμαίνεται πιο σημαντικά για υλικά με ανομοιόμορφες μικροδομές ή σκληρότητα, με αποτέλεσμα χαμηλότερη ακρίβεια σε σύγκριση με τη δοκιμή σκληρότητας Brinell. Η δοκιμή σκληρότητας Rockwell χρησιμοποιείται συνήθως για τη μέτρηση της σκληρότητας χάλυβα, μη σιδηρούχων μετάλλων, υλικών καρβιδίου και άλλων κραμάτων.

Σκληρότητα Vickers

Η αρχή της μέτρησης της σκληρότητας Vickers είναι παρόμοια με αυτή της σκληρότητας Brinell. Χρησιμοποιείται ένα διαμαντένιο εσοχή πυραμίδας με περιλαμβανόμενη γωνία 136 μοιρών και μια καθορισμένη δύναμη δοκιμήςFεφαρμόζεται στην επιφάνεια του υλικού. Μετά τη διατήρηση του φορτίου για μια καθορισμένη περίοδο, η δύναμη δοκιμής αφαιρείται. Η τιμή σκληρότητας καθορίζεται από τη μέση πίεση που ασκείται στη μονάδα επιφάνειας της εσοχής της πυραμίδας με βάση το τετράγωνο και η τιμή σκληρότητας συμβολίζεται με το σύμβολοHV.

Το τεστ σκληρότητας Vickers έχει ένα ευρύ φάσμα μετρήσεων, ικανό να μετρήσει υλικά με τιμές σκληρότητας που κυμαίνονται από10 έως 1000 HV. Η εσοχή είναι μικρή, καθιστώντας την ιδιαίτερα κατάλληλη για τη μέτρηση λεπτότερων υλικών και επιφανειακά σκληρυμένων στρωμάτων, όπως επιφάνειες με ενανθράκωση ή νιτρίωση.

Σκληρότητα Leeb

Στη δοκιμή σκληρότητας Leeb, ένα σώμα κρούσης με εσοχή σφαίρας καρβιδίου βολφραμίου χρησιμοποιείται για να χτυπήσει την επιφάνεια του δείγματος υπό συγκεκριμένη δύναμη, προκαλώντας την ανάκαμψη. Λόγω της ποικίλης σκληρότητας του υλικού, η ταχύτητα ανάκαμψης διαφέρει. Η συσκευή κρούσης είναι εξοπλισμένη με μόνιμο μαγνήτη και καθώς το σώμα κρούσης κινείται πάνω και κάτω, το περιβάλλον πηνίο παράγει ένα ηλεκτρομαγνητικό σήμα που είναι ανάλογο με την ταχύτητα ανάκαμψης. Αυτό το σήμα στη συνέχεια μετατρέπεται στην τιμή σκληρότητας Leeb μέσω ενός ηλεκτρονικού κυκλώματος και η τιμή συμβολίζεται με το σύμβολοHL.

Ο ελεγκτής σκληρότητας Leeb δεν απαιτεί πάγκο εργασίας. Ο αισθητήρας σκληρότητας του είναι τόσο μικρός όσο ένα στυλό και μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας με το χέρι. Αυτό καθιστά εύκολη τη δοκιμή μεγάλων, βαριών τεμαχίων ή γεωμετρικά πολύπλοκων δειγμάτων χωρίς δυσκολία.

Ένα άλλο πλεονέκτημα του ελεγκτή σκληρότητας Leeb είναι ότι προκαλεί ελάχιστη επιφανειακή ζημιά στο προϊόν και σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να χρησιμοποιηθεί γιαμη καταστροφικές δοκιμές. Είναι ιδιαίτερα μοναδικό για δοκιμές σκληρότητας σε διάφορες κατευθύνσεις, στενούς χώρους και εξειδικευμένες περιοχές, όπου άλλες μέθοδοι μπορεί να είναι δύσκολο να εφαρμοστούν.