Tester tvrdosti Sprievodca: Vysvetlenie metód podľa Rockwella a Vickersa
A tvrdomer meria odolnosť materiálu voči lokalizovanej plastickej deformácii, typicky zatlačením vytvrdeného indentoru do povrchu materiálu pod kontrolovaným zaťažením a vyhodnotením buď hĺbky alebo veľkosti výsledného vtlačenia. Testovanie tvrdosti je jednou z najpoužívanejších kontrol kvality v kovoobrábaní, tepelnom spracovaní a materiálovom inžinierstve, pretože tvrdosť úzko koreluje s odolnosťou proti opotrebeniu, pevnosťou v ťahu a obrobiteľnosťou, čo výrobcom poskytuje rýchly, do značnej miery nedeštruktívny spôsob, ako overiť, či súčiastka spĺňa špecifikáciu materiálu.
Zatiaľ čo existujú desiatky metód a meradiel na testovanie tvrdosti, Rockwell a Vickers zostávajú dve najrozšírenejšie špecifikované v priemyselných a laboratórnych podmienkach, pričom každá je vhodná pre rôzne typy materiálov, geometrie dielov a požiadavky na presnosť. Táto príručka popisuje, ako tvrdomer funguje vo všeobecnosti, ako používať Rockwell tvrdomer krok za krokom a čo odlišuje tvrdomer Vickers od iných testovacích metód.
Ako funguje tvrdomer
Každý tvrdomer, bez ohľadu na metódu, funguje na rovnakom základnom princípe: aplikujte známu silu cez indentor špecifického tvaru a materiálu, potom zmerajte výslednú deformáciu, aby ste odvodili hodnotu tvrdosti. Čo sa medzi testovacími metódami líši, je geometria indentora, aplikované zaťaženie a to, či je meranie založené na hĺbke vtlačenia, meranej priamo strojom, alebo veľkosti vtlačenia, meranej opticky po odstránení zaťaženia.
Testovanie podľa Rockwella meria hĺbku vtlačenia priamo pomocou diamantového kužeľa alebo guľôčky z tvrdenej ocele v závislosti od konkrétnej použitej stupnice a poskytuje údaj o tvrdosti takmer okamžite, pretože stroj vypočíta hodnotu automaticky z rozdielu hĺbky medzi malým a veľkým zaťažením. Naproti tomu testovanie podľa Vickersa a Brinella sa spolieha na meranie fyzických rozmerov vtlačenia ponechaného na povrchu materiálu, zvyčajne pod mikroskopom alebo pomocou integrovaného optického meracieho systému, a na výpočet tvrdosti z tejto nameranej oblasti vtlačenia.
Výber správneho tvrdomeru a stupnice pre daný materiál a aplikáciu závisí od faktorov vrátane predpokladaného rozsahu tvrdosti materiálu, hrúbky a povrchovej úpravy testovaného kusu a od toho, či si aplikácia vyžaduje rýchlu kontrolu na úrovni výroby alebo presné laboratórne meranie. Testovacie normy ako ASTM E18 pre Rockwell a ASTM E92 pre Vickers definujú presné postupy, záťaže a požiadavky na kalibráciu, ktoré musia výrobcovia a laboratóriá dodržiavať, aby sa dosiahli sledovateľné a opakovateľné výsledky.
Ako používať Rockwellov tvrdomer
Správne používanie tvrdomeru podľa Rockwella začína prípravou testovacieho kusu: testovaný povrch musí byť čistý, rovný a bez vodného kameňa, oxidácie alebo nepravidelností povrchu, ktoré by mohli skresliť odčítanie, pretože aj malé znečistenie povrchu môže výrazne skresliť výsledky. Skúšobný kus sa umiestni na nákovu stroja a na základe typu testovaného materiálu a očakávaného rozsahu tvrdosti sa vyberie vhodný indentor, buď diamantový kužeľ pre tvrdšie materiály alebo oceľová guľa pre mäkšie materiály, spolu so správnym zaťažením špecifickým pre mierku.
Samotný testovací proces sa riadi dvojstupňovou postupnosťou zaťaženia: najprv sa aplikuje malé zaťaženie, aby sa indentor pevne usadil na povrch materiálu a vytvoril sa stabilný referenčný bod, po ktorom sa aplikuje hlavné zaťaženie a udržiava sa po určitú dobu zotrvania, aby materiál mohol plne reagovať na aplikovanú silu. Po odstránení hlavného zaťaženia, zatiaľ čo menšie zaťaženie zostáva, stroj zmeria rozdiel v hĺbke vtlačenia medzi dvoma stupňami zaťaženia a tento hĺbkový rozdiel sa prevedie priamo na hodnotu tvrdosti podľa Rockwella zobrazenú na číselníku testera alebo na digitálnom displeji.
Na dosiahnutie konzistentných a presných výsledkov by mali operátori vykonať viacero meraní v rôznych bodoch na testovacom kuse a nemali by sa spoliehať na jedno meranie, pretože menšie nezrovnalosti materiálu alebo odchýlky povrchu môžu spôsobiť, že sa jednotlivé údaje budú líšiť. Rozmiestnenie testovacích bodov dostatočne ďaleko od seba, aby sa predišlo interferencii zo strany napäťového poľa vytvoreného priľahlými zárezmi, a udržiavanie kalibrácie testera prostredníctvom pravidelného overovania s certifikovanými testovacími blokmi, to sú základné postupy na získanie spoľahlivých údajov o tvrdosti podľa Rockwella v priebehu času.
Stroj na meranie tvrdosti Vickers: Ako sa líši
A Tvrdomer Vickers používa presne tvarovaný diamantový vtlačok vo forme pyramídy so štvorcovým základom, vtlačený do povrchu materiálu pod zvoleným zaťažením a na rozdiel od Rockwellovho testovania sa hodnota tvrdosti počíta skôr z nameranej diagonálnej dĺžky vtlačenia, ktoré zostalo, než z hĺbky vtlačenia nameranej počas samotného testu. Tento prístup k optickému meraniu si vyžaduje integrovaný mikroskop alebo kamerový systém schopný merať uhlopriečky vtlačku s vysokou presnosťou, pretože aj malé chyby merania sa priamo premietajú do nepresnosti hodnoty tvrdosti.
Jednou z kľúčových výhod Vickersovho testovania je jeho extrémne široký rozsah tvrdosti a jeho schopnosť testovať široké spektrum materiálov, od veľmi mäkkých kovov až po extrémne tvrdé, krehké materiály, s použitím rovnakej geometrie indentorov, čo nie je prípad Rockwellovho testovania, kde rôzne stupnice vyžadujú rôzne indentory a zaťaženia pre rôzne rozsahy tvrdosti. Vďaka tejto všestrannosti sú testery Vickers obzvlášť cenné vo výskume a prostrediach kontroly kvality, ktoré pracujú so širokou škálou typov materiálov a úrovní tvrdosti bez potreby prepínania konfigurácií zariadení.
Moderné tvrdomery Vickers čoraz viac obsahujú automatizovaný softvér na optické meranie, ktorý zachytáva obraz vtlačenia a automaticky vypočítava diagonálne merania a výslednú hodnotu tvrdosti, čím sa výrazne znižuje subjektivita operátora, ktorá bola historicky obmedzením ručného merania pomocou mikroskopu. Táto automatizácia spôsobila, že testovanie podľa Vickersa je podstatne rýchlejšie a konzistentnejšie ako predchádzajúce metódy manuálneho merania, pričom si stále zachováva jemnú presnosť a širokú použiteľnosť materiálov, vďaka ktorým je testovanie podľa Vickersa preferovanou metódou na testovanie mikrotvrdosti tenkých povlakov, malých dielov a cementovaných povrchových vrstiev.
Porovnanie bežných metód skúšania tvrdosti podľa typu indentoru, základu merania a typickej aplikácie.
