Precyzyjna kontrola parametrów wykonywanych przedmiotów metalowych to jeden z podstawowych sposobów na kontrolę ich jakości. Wśród rozmaitych metod weryfikacji uzyskiwanych efektów należy pomiar twardości, przydatny zwłaszcza tam, gdzie różne wyroby stalowe są poddawane procesom mającym ulepszyć ich właściwości wytrzymałościowe, takim jak hartowanie czy przesycanie. Odpowiednie twardościomierze będą więc jednym z elementów kluczowego wyposażenia firmy.

Dlaczego pomiar twardości ma znaczenie?

Stal to materiał wykorzystywany szeroko przy budowie konstrukcji nośnych używanych w budownictwie i przemyśle do wykonywania elementów instalacji przenoszących większe obciążenia, a także stosowany do budowy maszyn i urządzeń oraz wielu przedmiotów codziennego użytku od elementów złącznych po zapinki i suwaki wszywane w ubrania czy obuwie. Tak powszechne korzystanie ze stali wynika z jej parametrów wytrzymałościowych – odporności na obciążenia statyczne i dynamiczne, sprężystości czy możliwości stosunkowo swobodnego kształtowania rozmaitymi metodami obróbki termicznej, mechanicznej lub chemicznej. Ze względu na to, że stopy stalowe są konieczne do budowy struktur, części i podzespołów, na które niejednokrotnie działają bardzo duże siły, niezbędne jest dokładne oznaczanie wartości poszczególnych parametrów, tak, by możliwe było doświadczalne sprawdzenie, czy spełniają one określone kryteria. Jedną z kluczowych cech weryfikowanych w ten sposób jest twardość stali – wyjaśnia przedstawiciel firmy P.P.H.U. Głowacki i S-ka s.c., która zajmuje się produkcją wyrobów metalowych dla przemysłu maszynowego.

Badanie własności mechanicznych metali obejmuje kontrolę kluczowych parametrów, które mają za zadanie odtworzenie warunków, w jakich poszczególne stopy będą eksploatowane. Wśród najczęściej sprawdzanych cech znajdują się próby rozciągania, ściskania, zginania oraz twardości. Ten ostatni parametr jest szczególnie często weryfikowany, ponieważ korzysta się z niego przy oznaczaniu jednorodności metalu, szacowaniu efektów obróbki termicznej, termiczno-chemicznej i plastycznej, których celem była poprawa rozpiętości możliwych w tym zakresie obciążeń. Znajomość twardości jest przydatna podczas oznaczania wytrzymałości na rozciąganie i podczas oceny stanu materiału, np. po dłuższym okresie wykorzystywania pod obciążeniem czy po przechowywaniu.

Określanie twardości pozwala na wyznaczenie, w którym momencie działająca na metal siła doprowadzi do przekroczenia granicy jego plastyczności i spowoduje powstanie trwałego odkształcenia. Skłonność do odkształceń wynika bezpośrednio ze struktury metalu, czyli jego sieci krystalicznej oraz siły wiązań między poszczególnymi atomami, a zatem łatwości, z jaką dochodzi do ich dyslokacji. Jest to ważne np. przy elementach poddawanych zwiększonemu tarciu, naciskowi czy kontaktowi z różnymi powierzchniami. Wyznaczanie twardości może się odbywać na różne sposoby. Stosowane są metody ryskowe, używane zwłaszcza doraźnie i w warunkach warsztatowych, metody dynamiczne, a także klasyczne badania statyczne przeprowadzane w warunkach laboratoryjnych.

W jaki sposób można mierzyć twardość metali?

Poszczególne metody pomiaru twardości różnią się między sobą zarówno procedurą, według której są wykonywane, jak i uzyskiwaną dokładnością pomiaru oraz czasem i warunkami, w jakich można je przeprowadzić. Przy pomiarze twardości metali metodą ryskową jest ona podawana analogicznie do skali twardości Mohsa opracowanej dla badań minerałów. Metoda ta opiera się na pogrupowaniu materiałów według ich twardości od najtwardszych, osiągających wynik 10, przypisany do twardości diamentu, przez stadia pośrednie, m.in. wynik 7 dla kwarcu czy 3 dla kalcytu aż po 1 charakterystyczny dla talku. Ponieważ minerał o większej twardości jest w stanie zarysować ten, którego twardość jest mniejsza, różne substancje można grupować doświadczalnie sprawdzając kolejne efekty kontaktu dwóch powierzchni. W ten sam sposób wykonuje się pomiar metoda ryskową, sprawdzając, którym z metalowych próbników o znanej twardości i rodzaju można wykonać rysę na powierzchni badanego materiału. Wadą tej metody jest stosunkowo niska dokładność, zaletą będzie natomiast fakt, że cały proces może być łatwo wykonany w warunkach warsztatowych, a procedura uzyskania wyniku jest niezwykle szybka.

Inną grupą metod sprawdzania twardości stanowią badania dynamiczne. W ich przypadku sprawdzane są odkształcenia powstające w wyniku zadziałania określonej energii kinetycznej. Do najczęściej wykonywanych badań tego rodzaju należą przeprowadzane wg metodologii opracowanej przez Shore’a, Poldiego oraz Leeba. W metodzie Shore’a sprawdzana jest wysokość odbicia elementu zakończonego wgłębnikiem o masie 2,626 grama. Metoda Poldiego bazuje na porównaniu odkształceń, jakie spowoduje stalowa kulka wgniatana w materiał oraz płytkę wzorcową w efekcie uderzenia młota o masie pół kilograma. W metodzie Leeba twardość określa się przez porównanie prędkości elementu stalowego o masie 5,5 grama przed uderzeniem w próbkę oraz po nim. Metody dynamiczne niezwykle rzadko są wykorzystywane do badania właściwości metali, ze względu na swoją niską dokładność w przypadku materiałów tego typu.

Większą dokładność i uniwersalność zapewniają metody statyczne. Podczas nich w badany materiał jest wciskany wgłębnik wykonany z materiału o ściśle określonych właściwościach i przy danej sile oddziaływania. Wśród statycznych metod pomiaru twardości znajdują się metoda Brinella, Vickersa oraz Rockwella. Wszystkie badania tego typu są wykonywane przy użyciu twardościomierzy, czyli urządzeń pozwalających na sprawdzenie twardości i oznaczenie jej na jednej z powszechnie używanych skal.

Najpopularniejsze metody pomiaru twardości z wykorzystaniem twardościomierzy

Pomiar twardości metodą Brinella wiąże się z próbą wciśnięcia w badany metal wgłębnika w postaci kulki z węglików spiekanych lub stali o odpowiedniej, znormalizowanej średnicy 1, 2,5, 5 oraz 10 mm. Twardość w metodzie Brinella jest oznaczana przez stosunek działającej siły do pola powierzchni wytworzonego odcisku, które będzie pokazywało stopień zagłębienia wgłębnika w materiał. Do badań są używane dwie skale, w zależności od typu wgłębnika. Dla kulki stalowej parametr oznaczany jest HBS, dla wykonanej z węglika HBW. Pomiar kulką stalową jest wykonywany przy metalach o HB do 450, a kulką z węglika do 650 HB. Rozróżnienie między pomiarem HBS a HBW ma znaczenie dla wartości twardości powyżej 350 HB.

Badanie twardości metodą Vickersa wynalezioną przez Smitha i Sandlanda wiąże się z używaniem wgłębnika mającego kształt ostrosłupa o podstawie kwadratowej i wierzchołku schodzącym się pod kątem 136°. Wgłębnik jest wykonany z diamentu i działa na próbkę materiału z określoną siłą. Miarą twardości będzie w tym przypadku długość przekątnych odcisku, który zostanie uzyskany po badaniu. Twardość w skali Vickersa jest oznaczana przez HV. Uzyskane wartości są podobne do otrzymywanych w metodzie Brinella, ponieważ geometria wgłębnika została dobrana tak, by odpowiadała kątowi tworzonemu przez styczne do próbnika stosowanej tam kulki, jednak zależność ta utrzymuje się jedynie do poziomu 300 HB.

Twardość w metodzie Rockwella jest ustalana za pomocą składającej się z trzech etapów procedury, której celem jest wyeliminowanie wpływu czynników zakłócających pomiar w tym nierówności powierzchni badanego materiału oraz wpływu jego sprężystości na wielkość odkształcenia. Wgłębnik jest więc wciskany w metal przy tzw. sile wstępnej. Po osiągnięciu powodowanego nią odkształcenia skala pomiarowa jest zerowana, a osiągnięty punkt staje się bazą dalszych pomiarów. W drugim etapie do oddziaływania siły wstępnej dokładana jest siła główna, która zagłębia próbnik na określoną głębokość. Na kolejnym etapie dla usunięcia efektów oddziaływania sprężystego przestaje działać siła główna, co powoduje przesunięcie wgłębnika ku górze. Różnica zagłębienia między pozycją uzyskaną pod wpływem siły wstępnej a głębokością osiągniętą po odjęciu siły głównej jest miarą odkształcenia HR. W metodzie Rockwella stosowany jest wgłębnik w postaci stalowej kulki albo diamentowego stożka z zaokrąglonym wierzchołkiem.

W celu zapewnienia możliwości badania materiałów o różnych właściwościach w metodzie Rockwella wykorzystuje się kilka odmiennych skal. Do pomiaru twardości stali węglowych i stopowych po ulepszaniu cieplnym lub chemiczno-cieplnym stosuje się skalę A oznaczaną HRA. Dla stali miękkich, stopowych i węglowych, ale również żeliwa, miedzi, aluminium oraz innych stopów metali nieżelaznych skalę B (HRB). Dla materiałów twardszych – hartowanych stali węglowych i stopowych, utwardzanych i do tytanu stosuje się skalę C (HRC). Skala D (HRD) jest używana do mierzenia twardości cienkich wyrobów stalowych, skala E (HRE) do odlewów wykonanych z żeliwa, aluminium i magnezu. Ze skali F (HRF) korzysta się przy pomiarach zmiękczonych albo znormalizowanych stali węglowych i stopowych, a także miękkich i cienkich blach. Skala G (HRG) jest przeznaczona do mierzenia twardości żeliwa ciągliwego, a H (HRH) cynku, ołowiu, jak również aluminium. Przy metalach i stopach łożyskowych używa się skali K (HRK), a N (HRN) przy materiałach o bardzo małych grubościach od 0,15 do 0,7 mm, natomiast skala T (HRT) przy grubości między 0,25 a 0,7 mm. Użycie poszczególnych skał zależy więc od przedziału twardości charakterystycznego dla danego materiału.

Metoda Rockwella jest najczęściej stosowana w praktyce produkcyjnej, pozwalając na szybkie i precyzyjne kontrolowanie twardości o różnej charakterystyce, a twardościomierze pozwalające na badanie tego rodzaju stanowią jeden z podstawowych elementów wyposażenia firm zajmujących się obróbką mechaniczną oraz ulepszaniem metali i ich powierzchni przez hartowanie, nawęglanie oraz azotowanie.