W artykule przedstawiono podstawy pomiarów twardości metali i ich stopów metodami dynamicznymi oraz pokazano obszary zastosowania tych metod. Opisano między innymi skleroskopowe metody pomiarowe Shore’a i Leeba, a także odpowiednie skale twardości. Przeanalizowano zalety i wady poszczególnych metod, zwłaszcza w odniesieniu do zastosowań przemysłowych.

Title:

Dynamic hardness measuring methods of metals and their alloys

Słowa kluczowe:

materiały metalowe, pomiary twardości, metody dynamiczne

Keywords:

metal materials, hardness measurements, dynamic methods

Summary:

The paper presents the basis for measuring hardness of metals and their alloys using dynamic methods and shows the areas of application of these methods. Among others, Shore and Leeb scleroscopic measuring methods, as well as appropriate hardness scales, have been described. Advantages and disadvantages of individual methods were analyzed, especially in relation to industrial applications.

Twardość metali i ich stopów jest ważną właściwością, która determinuje przydatność tych materiałów do różnorodnych zastosowań [1, 2]. Najczęściej jest ona definiowana jako odporność materiału na działanie sił skupionych, powodujących odkształcenie jego powierzchni [3]. Podczas pomiarów twardości siła przykładana jest na ogół do stalowego lub diamentowego wgłębnika (indentera), którego twardość musi być znacznie większa niż twardość badanego materiału. Siła wywierana na powierzchnię przez wgłębnik w większości metod pomiaru twardości jest skierowana prostopadle do powierzchni badanej. Indenter, wnikając w powierzchnię materiału, powoduje początkowo odkształcenia sprężyste. Następnie, jeśli siła wywierana na powierzchnię przez wgłębnik jest wystarczająco duża, następują odkształcenia plastyczne, które mają postać niewielkiego trwałego miejscowego wgłębienia. Twardość wyznaczana jest najczęściej jako stosunek wartości siły obciążającej wgłębnik do pola powierzchni odcisku pozostającego na powierzchni materiału badanego po odciążeniu wgłębnika. Ponieważ odkształcenia plastyczne badanych materiałów metalowych są znikome, co w wielu przypadkach jest dopuszczalne, pomiary twardości mogą być zaliczane do badań nieniszczących.

Wśród metod pomiaru twardości, ze względu na prędkość obciążania wgłębnika, wyróżnia się metody statyczne i dynamiczne. W przemyśle najszerzej stosowane są znormalizowane statyczne metody pomiaru twardości. Polegają one na powolnym wciskaniu wgłębnika w materiał badany, przy czym obciążenie wzrasta powoli od zera aż do pełnej wartości. Do najczęściej stosowanych metod statycznych należą metody: Brinella [4], Vickersa [5], Rockwella [6] i Knoopa [7].

Są to metody stosunkowo dokładne, ale w wielu przypadkach wymagają one wykonania pomiarów za pomocą stacjonarnych twardościomierzy, a często także – odpowiedniego przygotowania próbek.

Metody dynamiczne

Metody dynamiczne pomiaru twardości są oparte na udarowym oddziaływaniu wgłębnika na powierzchnię badanego materiału [2, 8]. Prędkość obciążania wgłębnika na ogół nie przekracza wartości kilku metrów na sekundę. Wśród metod dynamicznych można wyróżnić dwie grupy: metody oparte na pomiarze deformacji powierzchni badanej oraz metody oparte na pomiarze resztkowej energii odbicia. Do pierwszej grupy można np. zaliczyć metodę młotka Poldi, a do drugiej grupy – metodę skleroskopową Shore’a oraz metodę Leeba.

Metoda młotka Poldi została opracowana w hucie Poldi w Kladnie (Czechy) na początku XX wieku. Polega ona na zastosowaniu układu, którego uproszczony schemat pokazano na rys. 1a. Indenter w postaci stalowej kulki o średnicy D, która np. wynosi 10 mm, w wyniku uderzenia młotkiem pozostawia odcisk na powierzchni badanej oraz na powierzchni wzorca. Na podstawie pomiaru średnic obu odcisków wyznaczana jest twardość w skali Brinella zgodnie z równaniem:

(1)

gdzie: HBP – twardość mierzona młotkiem Poldi wyrażona w skali twardości Brinella, HBW – twardość wzorca w skali twardości Brinella, D – średnica kulki pomiarowej, dW – średnica odcisku kulki na powierzchni wzorca, d – średnica odcisku kulki na powierzchni materiału badanego.

Metoda skleroskopowa Shore’a została zaproponowana przez amerykańskiego metalurga A.F. Shore’a. W latach 1910 i 1914 uzyskał on patenty USA na urządzenia do pomiarów twardości nazwane skleroskopami. Schemat ilustrujący zasadę pomiaru twardości skleroskopową metodą Shore’a pokazano na rys. 2. Skleroskop zawiera głowicę uderzeniową (bijak) z diamentową końcówką. Głowica opada pionowo pod wpływem siły grawitacji. Masa głowicy i wysokość początkowa głowicy H są stałe. Ruch głowicy odbywa się wewnątrz szklanej rurki z naniesioną podziałką. Zakres pomiarowy podziałki podzielony jest na 140 równych części. Wysokość pierwszego odbicia po zderzeniu bijaka z powierzchnią badanego materiału jest miarą jego twardości. Doświadczalnie zbadano, że jeśli wysokość początkowa H jest stała, to wysokość h pierwszego odbicia bijaka jest w przybliżeniu proporcjonalna do twardości statycznej danego materiału [9]. Im bardziej twardy jest materiał, tym większa wysokość odbicia h głowicy uderzeniowej.

Metoda skleroskopowa Shore’a jest znormalizowana w USA [10]. Przyrządy do jej realizacji mogą być dwóch rodzajów. Model C jest skleroskopem ze szklaną rurką, model D ma rurkę nieprzezroczystą, odczyt wysokości odbicia h jest wskazywany za pomocą czujnika połączonego z rurką. Dla każdego modelu skleroskopu stosowane są dwie skale twardości oznaczone symbolami HSc i HFRSc dla modelu C oraz HSd i HFRSd – dla modelu D, szerzej opisane w pracy [8] i normie [10]. Wybór skali twardości Shore’a powinien być ostrożny, gdyż istnieje inna, durometryczna metoda Shore’a, która ma odmienne skale twardości. Zaletami skleroskopów są ich prosta obsługa, krótki czas pomiaru i mobilność. Do wad należy zaliczyć zależność wyników pomiarów twardości od modułu Younga materiału mierzonego przedmiotu oraz wynikającą stąd trudność porównania wyników pomiarów z wynikami innych metod.
Metody młotka Poldi i skleroskopową Shore’a stosowano przez wiele lat ze względu na prostotę i mobilność sprzętu pomiarowego oraz szybkość pomiaru. W ostatnich kilkudziesięciu latach nastąpił znaczny rozwój prostych i przenośnych przyrządów do pomiaru twardości metodami statycznymi i dynamicznymi, czego przykładem są przyrządy wykorzystujące metodę Leeba.

Metoda Leeba pomiaru twardości, oznaczana w literaturze anglojęzycznej akronimem LRHT (Leeb Rebound Hardness Test), jest metodą opracowaną przez D. Leeba i M. Brandestiniego w szwajcarskiej firmie Proceq SA [11]. Opracowano ją i opatentowano w latach siedemdziesiątych XX wieku, a następnie na tej podstawie zbudowano przenośne przyrządy do pomiaru twardości metali [12, 13]. Metoda ta, podobnie jak skleroskopowa metoda Shore’a, przeznaczona jest do pomiaru twardości materiałów na podstawie oceny resztkowej energii odbicia. Jest ona udoskonaloną wersją metody skleroskopowej Shore’a. Do oceny energii resztkowej odbicia głowicy uderzeniowej zamiast pomiaru wysokości odbicia głowicy wykorzystano w niej pomiary prędkości głowicy przed jej uderzeniem i po uderzeniu w powierzchnię przedmiotu mierzonego.

Idea tej metody pokazana została na rys. 3a. Układ stosowany do pomiaru twardości metodą Leeba składa się z części mechanicznej, sensora elektrycznego mierzącego prędkość ruchu głowicy, a także z zewnętrznego zespołu przetwarzania sygnału pomiarowego i sterowania przebiegiem pomiaru. Część mechaniczna zawiera głowicę uderzeniową, wprawianą w ruch mechanizmem sprężynowym. Głowica uderzeniowa, wykonana ze stali, wyposażona jest w końcówkę kulistą z węglika wolframu lub z polikrystalicznego diamentu. We wnętrzu głowicy umieszczony jest magnes trwały. Prędkości uderzenia i odbicia głowicy są mierzone, gdy znajduje się ona w niewielkiej odległości (około 1 mm) od badanej powierzchni. Odległość ta może być ustalana dla różnego rodzaju głowic za pomocą wymiennych pierścieni dystansowych. Do pomiaru prędkości głowicy służy cewka, w której indukuje się napięciowy sygnał pomiarowy proporcjonalny do prędkości ruchu głowicy. Sygnał ten, pokazany na rys. 3b, jest przesyłany do zespołu przetwarzania, który wyznacza twardość Leeba zgodnie z równaniem:

(2)

gdzie: HL – twardość w skali Leeba, vo – prędkość bijaka po odbiciu, vu – prędkość uderzenia bijaka, B – maksymalna bezwzględna wartość sygnału generowanego w cewce po odbiciu, A – maksymalna wartość sygnału powstającego w cewce przy uderzeniu bijaka.

Metoda Leeba jest metodą znormalizowaną [14, 15]. Normy przewidują stosowanie w przyrządach do realizacji tej metody pomiaru twardości sześciu typów głowic uderzeniowych. Są to głowice oznaczone symbolami: D, DC, D + 15, G, C i E. Oznaczenie wyników pomiarów twardości uzyskanych głowicą danego typu wymaga zastosowania właściwej skali twardości i podania symbolu, np.: HLD, HLDC, HLD + 15, HLG, HLC i HLE, który odpowiada danej skali.

Twardościomierze Leeba (rys. 4) wymagają przed pomiarem wzorcowania przyrządu. Sposób wzorcowania pokazano na rys. 4a. Przed rozpoczęciem pomiaru do zespołu przetwarzająco-sterującego (rys. 4b) wprowadzane są informacje o planowanym kierunku ustawienia przyrządu względem powierzchni mierzonej podczas pomiaru. Możliwe jest także, w pewnym zakresie, wprowadzenie ogólnych danych dotyczących rodzaju mierzonego materiału. Dzięki temu w przyrządzie pomiarowym w czasie pomiarów będą automatycznie wprowadzane poprawki korygujące uzyskiwane wyniki pomiarów, co sprzyjać będzie zwiększeniu dokładności pomiarów.

Wyniki pomiarów podawane są w jednostkach odpowiadających skali twardości Leeba, w zależności od typu głowicy uderzeniowej zastosowanej w czasie pomiarów. Często twardościomierze Leeba pozwalają również na automatyczną konwersję wyników pomiarów ze skali twardości Leeba na wyniki podawane w skalach: Brinella, Rockwella, Vickersa i Shore’a.

Na podstawie pomiarów twardości można także wyznaczyć, co prawda ze stosunkowo niewielką dokładnością, inne ważne właściwości mechaniczne badanego materiału. Empiryczne zależności między twardością Leeba HL a wytrzymałością na rozciąganie stali Rm zostały opracowane w rezultacie wcześniej przeprowadzonych badań. Dzięki temu zespół przetwarzająco-sterujący, pokazany na rys. 4b, umożliwia oszacowanie wartości parametru Rm na podstawie pomiarów twardości.

Do zalet pomiarów twardości metodą Leeba należą: krótki czas pomiaru, przenośność urządzenia, możliwość bezpośredniego przeliczenia uzyskanych wyników na inne skale twardości, możliwość szacowania wytrzymałości na rozciąganie stali, niewielki odcisk bijaka pozostawiony na powierzchni badanej, możliwość pomiarów twardości powierzchni o różnej orientacji w przestrzeni. Do wad tej metody można zaliczyć pewną zależność wyników pomiarów twardości, uzyskiwanych tą metodą, od modułu Younga i niejednorodności struktury materiału badanego, a także od chropowatości powierzchni.

Podsumowanie

Pomiary twardości powierzchni metodami dynamicznymi w dalszym ciągu stanowią pewną alternatywę dla metod statycznych pomiaru twardości. Głównymi zaletami dynamicznych metod pomiaru twardości, w porównaniu z metodami statycznymi, przez wiele lat były: krótki czas pomiarów, łatwość pomiarów w warunkach produkcyjnych i niski koszt. Intensywny rozwój metod statycznych pomiaru twardości spowodował, że pojawiły się proste w użyciu i dokładne przyrządy mobilne do szybkich pomiarów przemysłowych, mierzące bezpośrednio twardość Brinella, Rockwella i Vickersa. Jednak koszt tych urządzeń jest większy niż podobnych przyrządów pomiarowych do badań metodami dynamicznymi. Dlatego należy oczekiwać, że rozwój dynamicznych metod pomiarów twardości będzie trwał.

Piśmiennictwo
  1. Dobrzański L.A.: Metalowe materiały inżynierskie. WNT, Warszawa 2010.
  2. Bhaduri A.: Mechanical Properties and Working of Metals and Alloys. Springer Series in Materials Science 264, Springer Nature, Singapore 2018.
  3. Tabor D.: The Hardness of Metals. Oxford University Press, London 1951.
  4. PN-EN ISO 6506-1:2014-12 Metale – Pomiar twardości sposobem Brinella – Część 1: Metoda badania.
  5. PN-EN ISO 6507-1:2018-05 Metale – Pomiar twardości sposobem Vickersa – Część 1: Metoda badania.
  6. PN-EN ISO 6508-1:2016-10 Metale – Pomiar twardości sposobem Rockwella – Część 1: Metoda badania.
  7. PN-EN ISO 4545-1:2018-04 Metale – Pomiar twardości sposobem Knoopa – Część 1: Metoda badania.
  8. Kompatscher M.: Dynamic Test Methods. In: “Hardness Testing – Principles and Applications”, Herrmann K. (Ed.), ASM International®, Materials Park, Ohio 2011.
  9. Shore A.F.: Standards Methods of Applying the Scleroscope. ”SAE Transactions”, Vol. 18, Part II, 1923, pp. 641-665. https://www.jstor.org/stable/44729632 (dostęp: 14.03.2020 r.).
  10. ASTM E448 – 82(2008): Standard Practice for Scleroscope Hardness Testing of Metallic Materials.
  11. https://www.proceq.com/product/equotip-live-leeb-d/ (dostęp: 14.03.2020 r.).
  12. Leeb D.: New dynamic method for hardness testing of metallic materials. “VDI – Report”, No. 308, 1978, pp. 123-128.
  13. Leeb D.: Definition of the Hardness Value “L” in the EQUOTIP Dynamic Measuring Method. In: “Hardness testing in theory and practice”, “VDI – Report”, No. 583, Düsseldorf 1986, 109-135.
  14. PN-EN ISO 16859-1:2015-12 Metale – Pomiar twardości sposobem Leeba – Część 1: Metoda badań.
  15. ASTM A956/A956M-17A (2017) Standard Test Method for Leeb Hardness Testing of Steel Products.
zdjęcia: autorzy
Rys. 1. Pomiar twardości metodą młotka Poldi: a) schemat układu pomiarowego, b) ilustracja zagłębiania się indentera w postaci kulki w materiał badany i w materiał wzorca
Rys. 2. Schemat pomiaru twardości metodą skleroskopową Shore’
Rys. 3. Pomiar twardości metodą Leeba: a) schemat układu pomiarowego, b) idealizowany przebieg sygnału pomiarowego w cewce jako funkcja czasu
Rys. 4. Twardościomierz Leeba: a) proces wzorcowania przyrządu, b) zespół przetwarzająco-sterujący
W związku z wejściem w dniu 25 maja 2018 roku nowych przepisów w zakresie ochrony danych osobowych (RODO), chcemy poinformować Cię o kilku ważnych kwestiach dotyczących bezpieczeństwa przetwarzania Twoich danych osobowych. Prosimy abyś zapoznał się z informacją na temat Administratora danych osobowych, celu i zakresu przetwarzania danych oraz poznał swoje uprawnienia. W tym celu przygotowaliśmy dla Ciebie szczegółową informację dotyczącą przetwarzania danych osobowych.
Wszelkie informacje znajdziesz tutaj.
Zachęcamy również do zapoznania się z naszą nową Polityką Prywatności.
W przypadku pytań zapraszamy do kontaktu z naszym Inspektorem Ochrony Danych Osobowych pod adresem iodo@elamed.pl

Zamknij