Hårdheden af metalliske materialer refererer til materialets evne til at modstå lokal deformation, især plastisk deformation, fordybning eller ridser. Det er en indikator for materialets blødhed eller hårdhed.
Hårdhed er opdelt i tre typer baseret på testmetoderne.
Ridsehårdhed: Dette bruges primært til at sammenligne hårdheden af forskellige mineraler. Metoden går ud på at bruge en stang med den ene ende hård og den anden blød, og derefter trække stangen hen over materialet, der testes. Det sted, hvor der opstår ridser, bestemmer materialets hårdhed. Kvalitativt efterlader en hårdere genstand en længere ridse, mens en blødere genstand efterlader en kortere ridse.
Indrykningshårdhed: Dette bruges hovedsageligt til metalliske materialer. Metoden involverer at påføre en specifik belastning for at presse en udpeget indenter ind i materialet, der testes. Materialets hårdhed bestemmes af omfanget af lokal plastisk deformation på overfladen. På grund af variationer i indrykning, belastning og varighed af belastningen, er der flere typer af indrykningshårdhedstest, herunder Brinell hårdhed, Rockwell hårdhed, Vickers hårdhed og mikrohårdhed, blandt andre.
Rebound hårdhed: Dette bruges hovedsageligt til metalliske materialer. Metoden går ud på at lade en specialdesignet hammer falde frit fra en vis højde og påvirke prøven af det materiale, der testes. Materialets hårdhed bestemmes af mængden af belastningsenergi, som prøven absorberer (og derefter frigiver) under stødet, som måles ved den højde, som hammeren vender tilbage til.
De mest almindelige hårdhedstest for metalliske materialer - Brinell-hårdhed, Rockwell-hårdhed og Vickers-hårdhed - falder ind under kategorien fordybningshårdhed. Hårdhedsværdien repræsenterer materialets evne til at modstå plastisk deformation, når en anden genstand presses ind i overfladen. Rebound hårdhedstest (Shore, Leeb) måler hårdhed baseret på omfanget af elastisk deformation af metallet, hvor hårdhedsværdien angiver materialets evne til elastisk deformation.
Brinell hårdhed
En indrykning med en diameterDlavet af hærdet stål eller hårdmetalkugle presses ind i overfladen af prøven med den tilsvarende testkraftF. Efter den specificerede holdetid fjernes testkraften, hvilket efterlader en fordybning med en diameterd. Brinell hårdhedsværdien beregnes ved at dividere testkraften med overfladearealet af fordybningen. Den resulterende værdi er Brinell-hårdheden, betegnet somHBSellerHBW.
HForskellen mellemHBSogHBWligger i den anvendte indrykningstype.HBSrefererer til en test med en hærdet stålkugle som indenter, der typisk anvendes til at måle Brinell-hårdhedsværdier i materialer med hårdhed under 450, såsom blødt stål, gråt støbejern og ikke-jernholdige metaller.HBW, på den anden side, bruger en hårdmetalkugle som indenter og bruges til at måle Brinell hårdhedsværdier i materialer med hårdhed under 650.
For samme prøveemne og under identiske prøvningsbetingelser vil resultaterne fra de to metoder være forskellige, medHBWværdier er ofte højere endHBSværdier. Der er dog ingen fast kvantitativ sammenhæng mellem de to.
Siden 2003 har Kina vedtaget den internationale standard og erstattet brugen af hærdede stålkugler med hårdmetalkugler til Brinell-hårdhedstestning. Som følge herafHBSbruges ikke længere, ogHBWer blevet standardnotationen for Brinell hårdhed. I mange tilfældeHBbruges alene til at repræsentere Brinell hårdhed, som typisk refererer tilHBW. Imidlertid,HBSkan stadig ses i nogle litteratur og akademiske artikler.
Brinells hårdhedstest er velegnet til materialer som støbejern, ikke-jernholdige legeringer og forskellige udglødede eller hærdede stål. Den er ikke egnet til at teste materialer, der er for hårde, for små, for tynde eller prøver, der ikke kan tåle store fordybninger på deres overflader.
Rockwell hårdhed
Metoden bruger en diamantkegleindrykker med en 120 graders topvinkel eller en hærdet stålkugle som indrykning i kombination med en specifik belastningskonfiguration. Testen starter med en startbelastning på 10 kgf, efterfulgt af påføring af en samlet belastning (som er summen af startbelastningen og hovedbelastningen) på 60, 100 eller 150 kgf. Indrykkeren presses sekventielt ind i prøven under disse belastninger. Efter at den samlede belastning er påført, bestemmes hårdheden af forskellen i fordybningsdybde mellem dybden under den indledende belastning og dybden under den samlede belastning, når hovedbelastningen er fjernet, mens den oprindelige belastning forbliver.
Denne metode bruges typisk iRockwell hårdhedafprøvning. Inddybningsdybden under startbelastningen og den samlede belastning bruges til at beregne hårdhedsværdien, som afspejler materialets modstandsdygtighed over for indrykning under begge belastninger.
Rockwell hårdhedstesten bruger tre forskellige testkræfter og tre typer af indrykning, hvilket resulterer i ni mulige kombinationer, der hver svarer til en af de ni Rockwell hårdhedsskalaer. Disse ni vægte dækker næsten alle almindeligt anvendte metalliske materialer. De mest brugte vægte erHRA, HRB, ogHRC, medHRCer den mest udbredte.
Almindelig Rockwell-hårdhedstest-standardtabel
|
Hårdhedssymboler |
Typer af Indenter |
F/N(kgf) |
Hårdhedsomfang |
Ansøgninger |
|
HRA |
120 graders diamantkegle |
588.4(60) |
20~88 |
Hårdmetal, cermet og overfladehærdet stål |
|
HRB |
Ø1,588mm Kugle af hærdet stål |
980.7(100) |
20~100 |
Glødede og normaliserede stål, aluminiumslegeringer, kobberlegeringer, støbejern |
|
HRC |
120 graders diamantkegle |
1471(150) |
20~70 |
Afkølet stål, hærdet stål og dybt overfladehærdet stål |
DeHRC skalabruges typisk til hårdhedsværdier fra 20 til 70 HRC. Når hårdhedsværdien er under 20 HRC, falder testens følsomhed, fordi den koniske spids af indenteren trænger for dybt ind i materialet. I dette tilfældeHRB skalabør bruges i stedet, da det er mere velegnet til blødere materialer.
Når prøvens hårdhed overstiger 67 HRC, bliver trykket ved spidsen af indenteren for højt, hvilket kan beskadige diamanten og forkorte indenterens levetid betydeligt. Derfor anbefales det generelt at skifte tilHRA skalafor materialer med en hårdhed større end 67 HRC.
Rockwell hårdhedstesten er enkel at betjene, hurtig og producerer små fordybninger, hvilket gør den velegnet til test af færdige produktoverflader samt hårdere og tyndere emner. På grund af den lille fordybning kan hårdhedsværdien svinge mere signifikant for materialer med ujævn mikrostruktur eller hårdhed, hvilket resulterer i lavere nøjagtighed sammenlignet med Brinell hårdhedstesten. Rockwell hårdhedstesten bruges almindeligvis til at måle hårdheden af stål, ikke-jernholdige metaller, carbidmaterialer og andre legeringer.
Vickers hårdhed
Princippet for Vickers hårdhedsmåling svarer til Brinell hårdhedsprincippet. Der anvendes en diamantpyramideindrykker med en inkluderet vinkel på 136 grader og en specificeret testkraftFpåføres materialets overflade. Efter opretholdelse af belastningen i en specificeret periode, fjernes testkraften. Hårdhedsværdien bestemmes af det gennemsnitlige tryk, der udøves på enhedsoverfladearealet af den kvadratbaserede pyramideindrykning, og hårdhedsværdien er angivet med symboletHV.
Vickers hårdhedstest har et bredt måleområde, der er i stand til at måle materialer med hårdhedsværdier fra10 til 1000 HV. Fordybningen er lille, hvilket gør den særdeles velegnet til måling af tyndere materialer og overfladehærdede lag, såsom karburerede eller nitrerede overflader.
Leeb hårdhed
I Leeb-hårdhedstesten bruges et anslagslegeme med en kugleindrykker af wolframcarbid til at ramme overfladen af prøven under en bestemt kraft, hvilket får den til at springe tilbage. På grund af materialets varierende hårdhed er rebound-hastigheden forskellig. Slaganordningen er udstyret med en permanent magnet, og når anslagslegemet bevæger sig op og ned, genererer den omgivende spole et elektromagnetisk signal, der er proportional med tilbageslagshastigheden. Dette signal konverteres derefter til Leeb hårdhedsværdien gennem et elektronisk kredsløb, og værdien er angivet med symboletHL.
Leeb hårdhedstesteren kræver ikke et arbejdsbord; dens hårdhedssensor er så lille som en kuglepen og kan betjenes direkte i hånden. Dette gør det nemt at teste store, tunge emner eller geometrisk komplekse prøver uden besvær.
En anden fordel ved Leeb hårdhedstesteren er, at den forårsager meget minimal overfladeskade på produktet, og i nogle tilfælde kan den bruges tilikke-destruktiv test. Det er særligt unikt til hårdhedstestning i forskellige retninger, smalle rum og specialiserede områder, hvor andre metoder kan være udfordrende at anvende.