Odblokowanie wytrzymałości materiału: kompleksowy przewodnik po twardości

Czym jest twardość materiałów?

Twardość odnosi się do zdolności materiału do przeciwstawiania się odkształceniom powierzchni, takim jak zarysowania, wgniecenia lub ścieranie. Jest to kluczowa właściwość, która pomaga określić, jak dobrze materiał wytrzymuje zużycie i rozdarcie w różnych środowiskach. Twardość materiału jest często używana jako wskaźnik jego wytrzymałości, trwałości i przydatności do określonych zastosowań. Materiały o wysokiej twardości są zazwyczaj bardziej odporne na uszkodzenia. Jednak te o niskiej twardości mogą być bardziej podatne na zarysowania lub wgniecenia.

Ponadto twardość nie jest pojedynczą wartością, ale może się różnić w zależności od rodzaju materiału i zastosowanej metody testowania. Różne techniki testowania, takie jak Brinell, Rockwell i Vickers, mierzą twardość w określony sposób.

Jakie są pięć przykładów twardości?

1. Diament

Z twardością w skali Mohsa wynoszącą 10 diament jest najtwardszym naturalnie występującym materiałem. W rezultacie jego niezrównana odporność na zarysowania i zużycie nadaje się do narzędzi używanych do cięcia, szlifowania i wiercenia.

2. Stal

Stal zazwyczaj mieści się między 6 a 8 w skali Mohsa, w zależności od stopu i obróbki. Ze względu na swoją wytrzymałość i odporność stal jest powszechnie wykorzystywana w budownictwie i produkcji. Ponadto jej twardość można regulować poprzez obróbkę cieplną, co zapewnia wszechstronność w różnych zastosowaniach.

3. Szkło

Szkło, które zwykle ma od 5 do 6 w skali Mohsa, jest podatne na pękanie pod wpływem uderzenia. Jednak jego duża odporność na zarysowania nadaje się do stosowania w produktach takich jak okna, ekrany i pojemniki.

4. Miedź

Miedź o twardości około 3 w skali Mohsa jest stosunkowo miękka i plastyczna, co pozwala na łatwe kształtowanie. Chociaż jest szeroko stosowana w instalacjach elektrycznych i hydraulicznych, miedź jest podatna na zarysowania i z czasem może korodować.

5. Talk

Talk, oceniony na 1 w skali Mohsa, jest najdelikatniejszym znanym minerałem. Jego niska twardość sprawia, że ​​łatwo go zarysować, dlatego jest powszechnie stosowany w produktach takich jak talk. Ponadto ta miękkość dobrze nadaje się do pól, w których wymagane jest minimalne tarcie.

Tworzywo	Twardość (skala Mohsa)	Opis
Diament	10	Najtwardszy materiał, stosowany do cięcia, szlifowania i wiercenia.
Stal	6-8	Zależy od stopu i obróbki, szeroko stosowane w budownictwie i produkcji.
Szkło	5-6	Kruchy, ale odporny na zarysowania, stosowany w oknach i ekranach.
Miedź	3	Miękki i plastyczny, stosowany w instalacjach elektrycznych i hydraulicznych.
Talk	1	Najdelikatniejszy minerał, używany w talku i zastosowaniach wymagających minimalnego tarcia.

Rodzaje twardości materiału

Twardość materiału obejmuje kilka typów, z których każdy odzwierciedla różne metody pomiaru i zdolność materiału do przeciwstawiania się różnym formom odkształceń. Główne typy twardości obejmują:

1. Twardość zarysowań

Twardość zarysowania mierzy, jak dobrze materiał opiera się zarysowaniu przez twardszy przedmiot. Często stosuje się ją do oceny twardości, gdy inne testy twardości nie są odpowiednie. W tym teście twardsza substancja zarysowuje materiał, a jeśli pojawi się zarysowanie, oznacza to, że materiał jest bardziej miękki. Ta metoda zwykle ma na celu ocenę minerałów, powłok i małych komponentów. Typowym przykładem jest skala twardości Mohsa, która mieści się w zakresie od 1 do 10. Na przykład:

• Diament (twardość 10 w skali Mohsa) jest w stanie zarysować wszystkie inne materiały.
• Kwarc (twardość 7 w skali Mohsa) może zarysować większość powszechnie dostępnych materiałów, jednak nie jest tak twardy jak diament.
• Talk (twardość 1 w skali Mohsa) jest najmiększym minerałem i łatwo ulega zarysowaniu przez inne materiały.

Ogólnie rzecz biorąc, pomiar twardości zarysowań zapewnia intuicyjny i wygodny sposób porównywania odporności materiału na zarysowania, zwłaszcza w przypadku materiałów o stosunkowo niewielkich różnicach twardości.

2. Twardość wcisku

Twardość wgniecenia różni się od twardości zarysowania tym, że mierzy odporność materiału na odkształcenia, a nie tylko zarysowania. Podczas gdy twardość zarysowania sprawdza, jak dobrze materiał opiera się zarysowaniom przez twardszą substancję, twardość wgniecenia zapewnia bardziej szczegółowe informacje na temat reakcji materiału na obciążenie. Konkretnie, koncentruje się na tym, jak materiał odkształca się pod wpływem nacisku. Ponadto głębokość lub rozmiar wgniecenia oferuje dokładniejszy pomiar twardości, szczególnie gdy odporność na obciążenie jest kluczowym czynnikiem.

Rodzaje testów twardości metodą wciskania obejmują:

• Twardość Brinella: Wciśnij kulkę ze stali lub węglika wolframu w powierzchnię materiału. Zmierz rozmiar wgłębienia, aby określić twardość materiału.
• Twardość Rockwella: Użyj stożka diamentowego lub stalowej kulki, aby utworzyć wgłębienie. Przekształć głębokość wgłębienia na liczbę twardości, używając różnych skal dla różnych materiałów.
• Twardość Vickersa: Zastosuj ustaloną siłę za pomocą wgłębnika w kształcie piramidy diamentowej, aby zmierzyć rozmiar wgłębienia. Użyj tego testu do cienkich materiałów lub małych próbek.
• Twardość Knoopa: Użyj wydłużonego wgłębnika diamentowego, podobnego do Vickersa. Ta metoda jest idealna do testowania cienkich powłok lub małych obszarów.

3. Twardość odbicia

Twardość odbicia mierzy odporność materiału na odkształcenia, oceniając, jak wysoko piłka odbija się po uderzeniu w jego powierzchnię. W przeciwieństwie do twardości wgniecenia, która mierzy głębokość odkształcenia, twardość odbicia koncentruje się na elastyczności materiału. W tym teście piłka jest upuszczana na materiał, a wysokość odbicia służy do określenia jej twardości. Do powszechnych metod należą test odbicia Leeba, w którym mierzona jest prędkość odbicia piłki, oraz twardość Shore'a, zwykle stosowana w przypadku miękkich materiałów, takich jak guma. Ponadto testy twardości odbicia są szybkie, nieniszczące i idealne do testowania materiałów o różnej grubości

4. Twardość ściskana

Twardość ściskana ocenia odporność materiału na odkształcenia pod wpływem sił ściskających. W tym teście próbka jest umieszczana między dwiema równoległymi płytami i przykładana jest siła ściskająca. Odporność materiału jest określana na podstawie tego, jak bardzo się odkształca lub przemieszcza. Ta metoda jest powszechnie stosowana w przypadku materiałów takich jak guma, pianki i tworzywa sztuczne, które podlegają naprężeniom ściskającym w rzeczywistych zastosowaniach. Oceniając zdolność materiału do opierania się trwałemu odkształceniu, test dostarcza cennych informacji na temat jego trwałości. Ogólnie rzecz biorąc, twardość ściskana ma kluczowe znaczenie dla oceny, jak materiały zachowują się pod dużymi obciążeniami w różnych kontekstach przemysłowych.

RodzajeTwardośćJednostka

Oto kilka jednostek twardości powszechnie stosowanych do pomiaru twardości materiałów:

1. Twardość Brinella (BHN):Liczba Brinella jest obliczana poprzez pomiar średnicy wgłębienia pozostawionego przez kulkę wciśniętą w powierzchnię materiału. Wartość zależy od zastosowanego obciążenia i rozmiaru wgłębienia.
2. Twardość Rockwella (HR):Skala Rockwella określa twardość poprzez pomiar głębokości wgłębienia utworzonego po zastosowaniu określonego obciążenia. Różne skale Rockwella są wybierane na podstawie twardości materiału.
3. Twardość Vickersa (HV): Twardość Vickersa oblicza się, mierząc długość przekątnej wgłębienia wykonanego przez diamentowy wgłębnik piramidalny. Wartość uzyskuje się, dzieląc przyłożoną siłę przez powierzchnię wgłębienia.
4. Twardość Knoopa (HK):Twardość Knoopa mierzy się za pomocą wydłużonego wgłębnika diamentowego. Oblicza się ją, mierząc długość długiej przekątnej wgłębienia, co jest często stosowane w przypadku małych lub cienkich materiałów.
5. Twardość w skali Mohsa:Ta jakościowa skala, od 1 (najbardziej miękki) do 10 (najtwardszy), ocenia twardość na podstawie zdolności jednego materiału do zarysowania innego. Jest stosowana głównie do minerałów.
6. Twardość Shore'a:Skala Shore'a mierzy głębokość wgłębienia utworzonego przez zastosowanie określonej siły, zwykle na elastomerach i miękkich materiałach. Skala Shore'a A mierzy materiały miękkie, podczas gdy skala Shore'a D mierzy materiały twardsze.

Metody pomiaru twardości

1. Badanie twardości metodą Brinella (BHN)

Jest to szeroko stosowana metoda pomiaru twardości materiałów, szczególnie metali. Ten test ocenia odporność materiału na wgniecenia, a oto szczegółowe wyjaśnienie, jak to działa:

Procedura polega na wciśnięciu stalowej kulki, zazwyczaj o średnicy 10 mm, do materiału pod obciążeniem od 500 do 3000 kgf przez 10 do 30 sekund. Następnie średnicę wgłębienia mierzy się za pomocą mikroskopu, a BHN oblicza się na podstawie rozmiaru wgłębienia.

Formuła

Gdzie:

P = Obciążenie przyłożone (kgf)

D = Średnica kuli (mm)

d = Średnica wgłębienia (mm)

Zalety

• Jedną z głównych zalet pomiaru twardości Brinella jest jego przydatność do badania materiałów o strukturze gruboziarnistej lub nierównomiernej.
• Co więcej, jest on szczególnie skuteczny w przypadku materiałów o grubości większej niż 10 mm.
• Ponadto test jest stosunkowo prosty i szybki w wykonaniu, co czyni go wygodnym w rutynowej kontroli jakości.

Ograniczenia

• Metoda ta nie jest jednak idealna do badania bardzo cienkich materiałów lub materiałów o wyjątkowo dużej twardości, gdyż uzyskane wgłębienie może nie być dokładne.
• Ponadto na dokładność testu może mieć wpływ wykończenie powierzchni próbki, dlatego konieczne jest staranne przygotowanie powierzchni.
• Wreszcie, w porównaniu do innych testów twardości, wymaga większego i droższego sprzętu.

2. Badanie twardości metodą Rockwella

To kolejna szeroko stosowana metoda określania twardości materiałów. Ten test ocenia odporność materiału na wgniecenia poprzez pomiar głębokości wgniecenia wykonanego przez twardy wgłębnik pod określonym obciążeniem. Oto, jak dokładnie działa test:

Procedura rozpoczyna się od wybrania odpowiedniego wgłębnika, kulki stalowej lub stożka diamentowego, i zastosowania wstępnego obciążenia do materiału, aby zapewnić równomierny kontakt. Następnie stosuje się główne obciążenie testowe, zwykle przez 1-2 sekundy. Po usunięciu obciążenia mierzona jest głębokość wgłębienia, a na podstawie głębokości wgłębienia obliczana jest twardość Rockwella (HR).

Formuła

Gdzie:

N = Stała skali (130 dla Rockwella B, 100 dla Rockwella C itd.)

h = Głębokość wgłębienia (w milimetrach)

Głębokość wgłębienia h stanowi różnicę między położeniem wgłębnika pod obciążeniem wstępnym a położeniem po przyłożeniu pełnego obciążenia.

Zalety

• Prędkość:Test twardości Rockwella jest szybki i można go wykonać w ciągu kilku sekund, dzięki czemu idealnie nadaje się do badań o dużej przepustowości.
• Wszechstronność:Oferuje wiele skal (np. Rockwell B, Rockwell C), które są dostosowane do różnych typów materiałów, od miękkich do twardych.
• Minimalne przygotowanie próbek:Test wymaga minimalnego przygotowania powierzchni, dzięki czemu nadaje się do badania materiałów o nieregularnych kształtach lub małych rozmiarach.
• Nieniszczący:Badanie jest nieniszczące, więc materiał pozostaje w dużej mierze nienaruszony po badaniu.

Ograniczenia

• Jakość powierzchniDokładność testu może zostać zakłócona przez chropowatość lub nierówność powierzchni, dlatego w celu uzyskania wiarygodnych wyników konieczne jest posiadanie gładkich, jednolitych powierzchni.
• Typ materiału: Może nie nadawać się do bardzo twardych materiałów, ponieważ stożek diamentowy może spowodować zbyt duże uszkodzenia. Inne testy, takie jak Vickers lub Knoop, mogą być w takich przypadkach bardziej odpowiednie.
• Materiały cienkie lub powlekane:W przypadku cienkich materiałów lub powłok głębokość wgniecenia może nie odzwierciedlać rzeczywistej twardości całego materiału.

3. Badanie twardości metodą Vickersa (HV)

Procedura polega na wciśnięciu diamentowego wgłębnika piramidalnego o kwadratowej podstawie i kącie wierzchołkowym 136° w powierzchnię materiału pod znanym obciążeniem. Obciążenie zwykle waha się od 1 do 100 kgf (kilogram-siła). Wgłębnik jest stosowany przez określony czas (zwykle 10-15 sekund). Po usunięciu obciążenia przekątne wgłębienia pozostawionego w materiale są mierzone za pomocą mikroskopu. Te pomiary przekątne służą do obliczenia liczby twardości Vickersa (HV).

Formuła

Gdzie:

F = Obciążenie przyłożone (kgf lub N)

θ = Kąt piramidy diamentowej (136°)

d = Średnia długość przekątnych wgłębienia (w milimetrach)

W praktyce, dla wgłębnika o kącie 136°, wzór upraszcza się do postaci:

Gdzie:

F to siła obciążenia przyłożona w kilogramach

d to średnia długość przekątnej wgłębienia w milimetrach.

Zalety

•  
• Wysoka precyzja:Test Vickersa pozwala uzyskać bardzo precyzyjną wartość twardości, zwłaszcza w przypadku małych i cienkich próbek.
• Uniwersalny:Test twardości Vickersa można stosować do szerokiej gamy materiałów, od bardzo miękkich do bardzo twardych.
• Małe wcięcia:Ze względu na niewielki rozmiar wgłębień, test ten idealnie nadaje się do badania mikrotwardości, cienkich powłok lub małych elementów.
• JednolitośćTest Vickersa zapewnia spójne wyniki dla różnych materiałów, ponieważ wykorzystuje jedną geometrię wgłębnika i jedno obciążenie.

Ograniczenia

• Wykończenie powierzchni: Podobnie jak w przypadku wielu testów twardości, wykończenie powierzchni materiału może mieć wpływ na dokładność wyników. Zaleca się gładką, polerowaną powierzchnię.
• Rozmiar wcięcia:W przypadku bardzo miękkich materiałów wgniecenie może być stosunkowo duże, co może nie dać miarodajnych wyników w przypadku bardzo cienkich lub małych próbek.
• Zajmujące dużo czasu:Proces pomiaru może być wolniejszy niż w przypadku innych metod Rockwella, ponieważ wymaga precyzyjnego pomiaru przekątnych wgłębienia pod mikroskopem.

Tabela twardości materiałów

Tabela twardości materiału to szybkie odniesienie do określania twardości różnych materiałów. Poniższa tabela zawiera różne materiały, stopy i hartowania wraz z ich wartościami twardości Rockwella, co pomaga w łatwej ocenie ich przydatności do konkretnych zastosowań.

Wniosek

Huayi International Industry Group Limited niedawno opublikowała obszerny artykuł na temat znaczenia twardości materiału w różnych branżach, w tym w produkcji i nauce o materiałach. Artykuł definiuje twardość materiału i jej znaczenie w określaniu odporności na odkształcenia, zarysowania i wgniecenia. Analizuje różne rodzaje twardości i metody pomiaru, zapewniając czytelnikom tabelę twardości materiału do szybkiego odniesienia. Niniejszy przewodnik ma na celu edukowanie zarówno nowicjuszy, jak i tych, którzy chcą poszerzyć swoją wiedzę na temat twardości materiału, podkreślając jej kluczową rolę w doborze odpowiednich materiałów do konkretnych zastosowań. Spostrzeżenia Huayi International pozycjonują firmę jako cenne źródło dla profesjonalistów poruszających się po wyzwaniach związanych z doborem materiałów.

Często zadawane pytania