Twardość materiału
Twardość materiału jest definiowana jako odporność danego materiału na miejscowe odkształcenie plastyczne lub wgniecenie. Termin ten może być również używany do opisu odporności materiału na zarysowania, ścieranie lub cięcie. Jeśli chodzi o metale, twardość jest najczęściej używana do oceny ich zdolności do przeciwstawiania się trwałym odkształceniom spowodowanym przez skoncentrowane zastosowanie obciążeń. Im wyższa twardość metalu, tym silniejsza jest jego zdolność do zachowania kształtu pod wpływem sił zewnętrznych. Twardość metalu zależy w dużym stopniu od innych parametrów, takich jak sztywność, wytrzymałość, odkształcenie, ciągliwość i granica plastyczności. Znajomość twardości metali jest bardzo przydatna, ponieważ pomaga wybrać odpowiedni materiał do konkretnego zastosowania. Znajomość twardości metalu z wyprzedzeniem pomaga ocenić, czy metal jest łatwy w obróbce lub jak zachowa się podczas eksploatacji.
Spis treści:
- Twardość materiału i jej rodzaje
- Jak testować twardość materiału?
- Dlaczego twardość materiałów jest istotna?
Twardość materiału i jej rodzaje
Klasyfikuje się ją na trzy typy ze względu na różne zastosowania i cechy: twardość zarysowań, wgniecenia i odbicia.
Twardość zarysowań to miara odporności materiału na zarysowania, jak i zdolność materiału do przeciwstawiania się odkształceniom powierzchni. Zarysowania to wąskie, ciągłe linie, które można znaleźć na powierzchni materiału w wyniku kontaktu z twardszym, ostrzejszym materiałem. Testowanie zarysowań jest stosowane głównie w przypadku kruchych materiałów, takich jak ceramika, ponieważ nie przechodzą one fazy odkształcenia plastycznego. W rezultacie są bardzo wrażliwe na zarysowania.
Twardość wciskania ocenia odporność na odkształcenie od określonego wgłębnika w kontrolowanych warunkach. Mierzy odporność materiału na trwałe odkształcenie po ciągłym nacisku. Test twardości wgniecenia ujawnia, jak dobrze materiał może wytrzymać trwałą zmianę kształtu, gdy jest poddawany ciągłemu działaniu siły zewnętrznej. Zazwyczaj przeprowadza się go, wywierając nacisk na materiał, a poziom wgniecenia daje wgląd w jego właściwości mechaniczne. Im mniejsze wgniecenie, tym mocniejszy jest materiał. Jako przykładowe testy można tu wymienić test Vickersa, Brinella i Rockwella.
Twardość odbicia to sprężysta odpowiedź na zastosowaną siłę zewnętrzną i sposób w jaki zachowa się wtedy materiał. Z reguły dotyczy metali, gdyż to one głównie podlegają naprężeniom i wstrząsom. Podczas testu mierzona jest wysokość odbicia materiału, gdy znormalizowany obiekt zostaje upuszczony na powierzchnię materiału. Większa wysokość odbicia oznacza twardszy materiał. Tę metodę testowania nazywa się alternatywnie twardością dynamiczną i jest ona szeroko stosowana w przypadku części materiałowych wymagających powtarzalnego narażenia na drgania.
Jak testować twardość materiału?
W przeciwieństwie do innych dobrze zdefiniowanych właściwości materiałów, nie ma standardowej skali do pomiaru twardości. Istnieją jednak różne metody testowania materiałów, a każda z nich używa własnej, arbitralnie zdefiniowanej skali do wskazania twardości. Testowanie materiałów to seria procesów zaprojektowanych w celu pomiaru właściwości, takich jak ciągliwość, wytrzymałość, reaktywność i twardość tworzyw sztucznych, metali i ceramiki, gdy są one wystawione na działanie różnych warunków. Jeśli chodzi konkretnie o twardość to w różnych gałęziach przemysłu stosuje się różne rodzaje testów twardości. Do najbardziej standardowych zalicza się:
- Test Brinella (BHN) oparty jest na jednej z pierwszych jednostek miary twardości i jest globalnie stosowaną metodą określania twardości stopów metali. W teście wykorzystuje się kulkę z węglika spiekanego lub twardą stal do wciskania określonej średnicy w powierzchnię materiału przy użyciu standardowego obciążenia. Następnie mierzy się powstałe wgniecenie, aby uzyskać BHN, dzieląc przyłożone obciążenie przez powierzchnię wgniecenia. Metoda ta jest najczęściej wykorzystywana w przypadku materiałów o równych lub bardzo chropowatych powierzchniach, takich jak materiały gruboziarniste, odlewy i odkuwki. Zapewnia ona po prostu dokładniejsze odczyty w porównaniu do innych metod.
- Test Rockwella (HRB, HRC) to powszechnie stosowana metoda określania twardości materiału. Głównie ze względu na szybkość wykonania i dokładność wyników. Wykonuje się ją przy użyciu najpierw mniejszego obciążenia, a następnie większego, po czym dołącza się wgłębnik. Różnica poziomów głębokości penetracji w obu obciążonych materiałach służy do określenia wartości twardości. Istnieje kilka rodzajów skal Rockwella, ale dwa są najpopularniejsze. Skala Rockwella B (HRB) jest stosowana do ilościowego określania poziomu twardości lżejszych metali, takich jak aluminium. Skala Rockwella C (HRC) jest używana do cięższych metali, takich jak stal.
- Test Vickersa (VHN) wymaga wgłębnika w kształcie piramidy diamentowej. Jest on przykładany do materiału z określonym obciążeniem, a średnica wgłębienia jest używana do uzyskania pomiaru VHN. Przyłożone obciążenie jest dzielone przez powierzchnię wgłębienia. Metoda ta może być wykorzystywana do różnego rodzaju materiałów od metali, aż po tworzywa sztuczne.
- Skala twardości Mohsa różni się od wszystkich innych omawianych skal, gdyż jest testem jakościowym badającym zdolność jednego materiału do zarysowywania innego. Skala obejmuje zakres od 1 do 10, gdzie 1 oznacza najbardziej miękki materiał, a 10 najtwardszy. Materiały umiejscowione wyżej w skali będą powodować zarysowania na materiałach z niższej pozycji. Używana jest głównie do testowania kamieni szlachetnych i minerałów. Metoda ta nie jest tak dokładna jak pozostałe trzy, ale jest najprostszym testem twardości, który może być wykorzystywany w terenie.
Dlaczego twardość materiałów jest istotna?
Twardość materiałów wpływa na żywotność, trwałość i wydajność produktów oraz na:
- zgodność z potrzebami produkcji szczególnie w takich branżach jak motoryzacja, lotnictwo czy budownictwo, aby zapewnić bezpieczeństwo w trakcie wdrażania projektów,
- odporność na zużycie, gdyż im twardszy materiał, tym bardziej odporny na erozję lub zużycie spowodowane tarciem, wodą lub olejem. Materiały odporne na zarysowania i ścieranie poprawiają wydajność w środowiskach o dużym naprężeniu,
- twardsze materiały są z reguły trwalsze, dzięki czemu bardziej odporne na zużycie i długi czas użytkowania,
Twardsze materiały są trudniejsze w obróbce. Dzięki temu, że ich twardość jest znana przed rozpoczęciem produkcji, możliwy jest wybór odpowiednich narzędzi i sprzętu, co przyczyni się do precyzji wykonania i podniesienia jakości produktu.
