Sdílet článek:

Srovnání tvrdost a testování tvrdosti

V průmyslových aplikacích se používá široká škála surovin a pomocných materiálů. Komplexní znalost jejich materiálových vlastností je absolutním předpokladem pro použití těchto surovin pro definované použití v technických prostředích. Testy tvrdosti jsou způsobem, jak určit základní vlastnosti materiálu, jako je tvrdost/tažnost a pevnost materiálu, jako je ocel. Tvrdost hraje zásadní roli při charakterizaci a kontrole kvality materiálů. Tvrdost oceli poskytuje informace o jejích mechanických vlastnostech, odolnosti proti opotřebení a vhodnosti pro specifické aplikace. V tomto kontextu byly vyvinuty různé metody a stupnice testování tvrdosti, které přesně určují a klasifikují tvrdost oceli. Tento článek poskytuje přehled běžných metod měření tvrdosti a popisuje jeden možný postup měření tvrdosti. Porovnávací tabulka tvrdosti umožňuje porovnání hodnot určených jednotlivými metodami.

Různé testy tvrdosti ve srovnání

Testování tvrdosti je zásadní pro charakterizaci a kontrolu kvality ocelových produktů. Existují různé testy tvrdosti, např. podle Brinella, Rockwella, Shore a Vickerse. Nejběžnější metodou je testování tvrdosti podle Rockwella.

Zkušební zařízení pro tvrdost
Zkušební zařízení pro tvrdost

Tvrdost podle Brinella

Brinellův test tvrdosti byl první metodou, která byla schopna přímo vypočítat hodnoty. Povrch testovaného materiálu je stlačen specifickou zkušební silou (F) pomocí sférického tělesa testu tvrdosti vyrobeného z karbidu wolframu. Poté se obvykle měří průměr (d) otisku. Tvrdost se vypočítá následovně:

HBW=\frac{2F \times 0,102}{\Pi \times D \times ({D}-\sqrt{D^{2}-d^{2}})}
  • D = Průměr koule
  • d = Průměr otisku
  • F = zkušební síla
  • Převodní koeficient 0,102 =dříve byla pro tvrdost specifikována stará měřicí jednotka kilopond (kp). Ta se dnes již nepoužívá a ke stanovení hodnoty v Newtonech se používá převodní koeficient (1 kp odpovídá 9,81 N)

V praxi je však tvrdost specifikována v měřicím zařízení a nemusí být vypočítána. To platí pro všechny postupy.

Testovací metoda tvrdosti podle Brinella je standardizována v DIN EN ISO 6506-1. Testovací sílu, která má být použita, lze přečíst v tabulkách. Obecně platí, že otisk zkušební kuličky by měl být co největší, aby bylo možné detekovat co nejvíce složek.

Brinellův test tvrdosti je vhodný pro měkké až středně tvrdé materiály, jejichž tvrdost nepřesahuje 650 HBW. Je také nezávislý na zatížení.

Tvrdost podle Vickerse

Metoda Vickersova testu tvrdosti je podobná Brinellově metodě. Byl vyvinut na základě skutečnosti, že testovací metoda podle Brinella je vhodná pro měkké a středně tvrdé materiály, ale ne pro velmi tvrdé materiály. Místo karbidové kuličky se zde používá diamantová pyramida s čtvercovou základnou a úhlem otevření 136° mezi hroty. Úhel byl zvolen tak, aby bylo zajištěno srovnání s Brinellovými tvrdostmi.

Tvar penetračního tělesa umožňuje působení vysokých sil (hliník na ocel). Předpokladem pro tento postup je minimální tloušťka vzorku testovacího vzorku Smin. Vzorek musí mít nejméně 1,5násobek průměrné délky otisku diagonálně (1,5 x d), aby sonda nepronikla do desky se vzorkem. I zde normy jako DIN EN ISO 6507-1 poskytují minimální vzdálenosti mezi testovacími body nebo otisky a okrajem vzorku, aby výsledky nebyly kresleny deformací. Například tvrdost podle Vickerse je uvedena následovně: 210 HV 40/30 (testovací síla / trvání pozastavení testu). Počítá se pomocí následujícího vzorce:

HV=\frac{2F \times sin \frac{136}{2}}{d^{2}} \times 0.102

Hodnota d2 je vypočtena z délky první úhlopříčky d1 a druhé úhlopříčky d2, také odkazuje na zvýrazněnou oblast na obrázku níže. Hodnota pro d musí být vypočtena v prvním kroku:

d=\frac{d_1+d_2}{2}

d2 se poté vypočítá následovně:

d^{2}= d \times d
Test tvrdosti podle Vickers
Test tvrdosti podle Vickers

Tvrdost podle Rockwella

Tvrdost podle Rockwella je například stanovena podobně jako u Brinellovy metody s ocelovou koulí nebo podobně jako u Vickersovy metody s diamantovým kuželem se 120° úhly. Jako parametr se bere hloubka průniku, nikoli průměr otisku. V závislosti na metodě je tvrdost podle Rockwella specifikována v HRA, HRB, HRC nebo HRF, kde HR odkazuje na Rockwellův test tvrdosti a písmeno představuje metodu. Testovací vzorek je umístěn pod zatížením silou následujícím způsobem:

  • Rockwell A: Fv= 98,07 N, FZ = 490,3 N
    (Diamantový kužel, referenční hloubka 0,2 mm - pro velmi tvrdé materiály a karbidy)
  • Rockwell B: Fv= 98,07 N, FZ = 882,6 N
    (Karbidová kulička, referenční hloubka 0,2 mm - pro středně tvrdé materiály, např. ocel a mosaz)
  • Rockwell C: Fv= 98,07 N, FZ = 1373 N
    (diamantový kužel, referenční hloubka 0,2 mm - pro tvrzené oceli)
  • Rockwell F: Fv= 98,07 N, FZ = 490,3 N
    (Karbidová kulička, referenční hloubka 0,26 mm - pro tenký plech, měkkou měď nebo měď)

Zkušební postup může být následující:

Testovací metoda podle Rockwella
Testovací metoda podle Rockwella

V prvním kroku (1) je indentor zatížen předtestovací silou (Fv) a trochu pronikne do vzorku (referenční rovina - - - čára). V druhém kroku (2) je navíc vyvinuta dodatečná přídavná testovací síla (FZ) a na vzorek nyní působí celková testovací síla. V posledním kroku (3) je přídavná testovací síla znovu odstraněna a nyní lze měřit trvalou hloubku penetrace (h).

Vzorec pro výpočet s diamantovým kuželem je následující:

HRC, HRA = 100 - \frac{h}{S}

S odpovídá klasifikaci stupnice na číselníku (obvykle 100 segmentů stupnice odpovídá 0,002 mm).

Vzorec pro výpočet pomocí karbidové kuličky je následující:

HRB, HRF = 130 - \frac{h}{0.002}

Která Rockwellova škála je vybrána závisí na následujících faktorech: Tvrdost materiálu, tloušťka obrobku, jakýkoli ztvrdlý povrch (jako je nitrační ztvrdnutí). Diamantový kužel se primárně používá pro tvrzenou nebo kalenou ocel a ocelová kulička se používá především pro měkčí materiály. V obchodě MISUMI najdete vhodná tělesa pronikající diamanty.

Tvrdost podle Shorea

Testování tvrdosti podle Shorea se používá zejména pro elastické materiály, jako jsou gumy, plasty, gely nebo pěny. Také zde je speciální testovací vzorek zatlačen do materiálu s definovanou silou. Hloubka průniku představuje stupnici. Existuje šest různých stupnic:

  • Shore 00: pro velmi měkké materiály, jako je silikon, gely.
  • Shore 0: pro měkké, ale o něco odolnější materiály.
  • Shore A: pro středně tvrdé elastické materiály (např. přírodní kaučuk, syntetické elastomery, pružné plasty, měkké gumy)
  • Boty B: pro elastické materiály s vyšší tuhostí (např. tvrdé gumové kompozity)
  • Shore C: pro tvrdší materiály (např. termoplastické elastomery, tvrdé plasty, kalené pryže)
  • Shore D: pro tvrdé elastomery a termoplasty, jako je PPOM (polyoxymethylen), PE (polyetylen) a PA (polyamidy)

Tvrdost podle Shorea a tvrdost Shorea D jsou relevantní pro většinu průmyslových použití.

Tvrdost podle Shorea může být například měřena durometrem. Durometr se přitiskne rukou k testovanému objektu a poté se zobrazí odpovídající hodnota. Všimněte si, že durometry zobrazují hodnoty pouze jedné stupnice podle Shorea, to znamená, že existují durometry Shore A atd. Durometry jsou k dispozici také v našem obchodě MISUMI.

Příklad durometru
Příklad durometru

Převod tvrdosti

Který test tvrdosti se používá jako standard, ale není povinný. Různá odvětví a laboratoře proto používají různé metody měření. Pro porovnání různých úrovní tvrdosti například norma DIN EN ISO 18265 poskytuje tabulku pro porovnání tvrdosti nelegované a nízkolegované oceli a lité oceli:

Tabulka konverze tvrdosti (SAEJ417) – revize z roku 1983 – Přibližná konverze hodnot tvrdosti C Rockwell pro ocel (*1)
(HRC)
Stupnice tvrdosti C podle Rockwella		 (HV)
Tvrdost podle Vickerse		 Brinellova tvrdost (HB)
Kulička 10 mm, zatížení 3000 kgf		 Tvrdost Rockwell (*3) Kuželový penetrátor Rockwell Hard Diamond (Hs)
Tvrdost podle Shorea		 Pevnost v tahu (přibližná hodnota)
Mpa
(kgf/mm2)(*2)		 Tvrdost podle Rockwella
Stupnice C
(*3)
Standardní koule kulička z karbidu wolframu (HRA)
Stupnice A,
Zatížení 60 kgf,
Diamantový kužel
Penetrátor		 (HRB)
Stupnice B,
Zatížení 100 kgf,
Průměr 1.6 mm
(1/16 in.) koule		 (HRD)
Stupnice D,
Zatížení 100 kgf,
Průnikový diamantový kužel		 15-N
stupnice,
Zatížení 15 kgf		 30-N
stupnice,
Zatížení 30 kgf		 45-N
stupnice,
Zatížení 45 kgf
68 940 − − 85.6 − 76.9 93.2 84.4 75.4 97 − 68
67 900 − − 85 − 76.1 92.9 83.6 74.2 95 − 67
66 865 − − 84.5 − 75.4 92.5 82.8 73.3 92 − 66
65 832 − (739) 83.9 − 74.5 92.2 81.9 72 91 − 65
64 800 − (722) 83.4 − 73.8 91.8 81.1 71 88 − 64
63 772 − (705) 82.8 − 73 91.4 80.1 69 9 87 − 63
62 746 − (688) 82.3 − 72.2 91.1 79.3 68.8 85 − 62
61 720 − (670) 81.8 − 71.5 90.7 78.4 67.7 83 − 61
60 697 − (654) 81.2 − 70.7 90.2 77.5 66.6 81 − 60
59 674 − (634) 80.7 − 69.9 89.8 76.6 65.5 80 − 59
58 653 − 615 80.1 − 69.2 89.3 75.7 64.3 78 − 58
57 633 − 595 79.6 − 68.5 88.9 74.8 63.2 76 − 57
56 613 − 577 79 − 67.7 88.3 73.9 62 75 − 56
55 595 − 560 78.5 − 66.9 87.9 73 60.9 74 2075 (212) 55
54 577 − 543 78 − 66.1 87.4 72 59.8 72 2015 (205) 54
53 560 − 525 77.4 − 65.4 86.9 71.2 58.5 71 1950 (199) 53
52 544 (500) 512 76.8 − 64.6 86.4 70.2 57.4 69 1880 (192) 52
51 528 (487) 496 76.3 − 63.8 85.9 69.4 56.1 68 1820 (186) 51
50 513 (475) 481 75.9 − 63.1 85.5 68.5 55 67 1760 (179) 50
49 498 (464) 469 75.2 − 62.1 85 67.6 53.8 66 1695 (173) 49
48 484 451 455 74.7 − 61.4 84.5 66.7 52.5 64 1635 (167) 48
47 471 442 443 74.1 − 60.8 83.9 65.8 51.4 63 1580 (161) 47
46 458 432 432 73.6 − 60 83.5 64.8 50.3 62 1530 (156) 46
45 446 421 421 73.1 − 59.2 83 64 49 60 1480 (151) 45
44 434 409 409 72.5 − 58.5 82.5 63.1 47.8 58 1435 (146) 44
43 423 400 400 72 − 57.7 82 62.2 46.7 57 1385 (141) 43
42 412 390 390 71.5 − 56.9 81.5 61.3 45.5 56 1340 (136) 42
41 402 381 381 70.9 − 56.2 80.9 60.4 44.3 55 1295 (132) 41
40 392 371 371 70.4 − 55.4 80.4 59.5 43.1 54 1250 (127) 40
39 382 362 362 69.9 − 54.6 79.9 58.6 41.9 52 1215 (124) 39
38 372 353 353 69.4 − 53.8 79.4 57.7 40.8 51 1180 (120) 38
37 363 344 344 68.9 − 53.1 78.8 56.8 39.6 50 1160 (118) 37
36 354 336 336 68.4 -109 52.3 78.3 55.9 38.4 49 1115 (114) 36
35 345 327 327 67.9 -108.5 51.5 77.7 55 37.2 48 1080 (110) 35
34 336 319 319 67.4 -108 50.8 77.2 54.2 36.1 47 1055 (108) 34
33 327 311 311 66.8 -107.5 50 76.6 53.3 34.9 46 1025 (105) 33
32 318 301 301 66.3 -107 49.2 76.1 52.1 33.7 44 1000 (102) 32
31 310 294 294 65.8 -106 48.4 75.6 51.3 32.7 43 980 (100) 31
30 302 286 286 65.3 -105.5 47.7 75 50.4 31.3 42 950 (97) 30
29 294 279 279 64.7 -104.5 47 74.5 49.5 30.1 41 930 (95) 29
28 286 271 271 64.3 -104 46.1 73.9 48.6 28.9 41 910 (93) 28
27 279 264 264 63.8 -103 45.2 73.3 47.7 27.8 40 880 (90) 27
26 272 258 258 63.3 -102.5 44.6 72.8 46.8 26.7 38 860 (88) 26
25 266 253 253 62.8 -101.5 43.8 72.2 45.9 25.5 38 840 (86) 25
24 260 247 247 62.4 -101 43.1 71.6 45 24.3 37 825 (84) 24
23 254 243 243 62 100 42.1 71 44 23.1 36 805 (82) 23
22 248 237 237 61.5 99 41.6 70.5 43.2 22 35 785 (80) 22
21 243 231 231 61 98.5 40.9 69.9 42.3 20.7 35 770 (79) 21
20 238 226 226 60.5 97.8 40.1 69.4 41.5 19.6 34 760 (77) 20
(18) 230 219 219 − 96.7 − − − − 33 730 (75) (18)
(16) 222 212 212 − 95.5 − − − − 32 705 (72) (16)
(14) 213 203 203 − 93.9 − − − − 31 675 (69) (14)
(12) 204 194 194 − 92.3 − − − − 29 650 (66) (12)
(10) 196 187 187 − 90.7 − − − − 28 620 (63) (10)
(8) 188 179 179 − 89.5 − − − − 27 600 (61) (8)
(6) 180 171 171 − 87.1 − − − − 26 580 (59) (6)
(4) 173 165 165 − 85.5 − − − − 25 550 (56) (4)
(2) 166 158 158 − 83.5 − − − − 24 530 (54) (2)
(0) 160 152 152 − 81.7 − − − − 24 515 (53) (0)
Poznámka
(*1) Zvýrazněná čísla: Na základě normy ASTM E 140, tabulka 1 (společně koordinováno SAE, ASM a ASTM)
(*2) Jednotky a čísla uvedená v závorkách jsou výsledkem převodu z čísel psi podle převodních tabulek JIS Z 8413 a Z 8438. 1 MPa = 1 N/mm2
(*3) Čísla uvedená v závorkách jsou v rozmezí, které se běžně nepoužívá. Jsou pouze informativní.

Postup měření tvrdosti

Postup měření tvrdosti může být následující: Před testováním musí být vzorek připraven. Povrchové nečistoty je nutné odstranit mletím a vzorek vyčistit. Testovací vzorek se poté umístí na destičku se vzorkem a posune se tak, aby bylo dosaženo požadovaného umístění. Je důležité netestovat příliš blízko okraje, protože deformace může jinak vést ke zkreslení výsledků. Kontrolní optiku lze použít k detekci správného nastavení polohy (obraz je ostrý). Testovací vzorek je nyní zasvorkován paralelně s rovinou a test může začít. Stanovená testovací síla se aplikuje pomalu, ale stabilně pohybem páčky. V ideálním případě je konečná hodnota dosažena mezi 2 a 8 sekundami a poté je udržována po dobu maximálně 15 sekund. Páka je nyní jemně zatlačena zpět, aby se odstranil tlak.

Klasické zkušební zařízení
Klasické zkušební zařízení

Tato měření jsou však v každodenním životě velmi nepraktická, protože tvrdost se někdy také kontroluje na místě přímo na materiálu. Pro tento účel jsou k dispozici také mobilní měřicí zařízení pro použití přímo na místě:

Měření tvrdosti přímo na součástce
Měření tvrdosti přímo na součástce

Použitelnost různých testů tvrdosti

Následující tabulka porovnává postupy:

Zkušební postup pro testování tvrdosti
Zkušební postup (standardní) Příslušné materiály Určující proměnné Vlastnosti Komentáře
Tvrdost podle Brinella
(DIN EN ISO 6506-1)		 Měkké až středně tvrdé materiály

např. neželezné kovy, nehomogenní materiály, měkké kovy, měkké žíhané oceli		 Testovací síla F v N
Průměr koule v mm
Průměr otisku v mm		 - vhodné pro nehomogenní a porézní materiály, jako je šedá litina nebo kované výrobky, protože otisk je velký.
- není vhodné pro malé nebo tenké vzorky
- není vhodné pro tvrdé a velmi tvrdé materiály		 JIS Z 2243
Tvrdost podle Rockwella
(DIN EN ISO 6508-1)		 s testovací sférou: Plasty, uhlík a měkké až středně tvrdé kovy

s diamantovým kuželem (HRC):tvrdé až velmi tvrdé materiály		 Testovací síla F v N
Hloubka průniku příslušného testovacího vzorku v mm podle metody
(HRA, HRB, HRC, HRF)		 - hodnotu tvrdosti lze stanovit rychle.
- vhodné pro průběžnou kontrolu již dokončených výrobků
- je třeba vzít v úvahu různé typy tvrdosti podle Rockwella		 JIS Z 2245
Tvrdost podle Shorea
(DIN ISO 7619-1)		 Elastomery nebo termoplastické elastomery

např. pěny, pryž, měkké, středně tvrdé až tvrdé plasty

Testovací síla F v N
Hloubka průniku příslušného testovacího vzorku podle stupnice
(Shore 00, Shore 0, Shore A, Shore B, Shore C, Shore D)		 - snadné provádění
- data lze rychle určit
- testovaný materiál musí mít rovný, hladký povrch
- testovaný materiál musí být skladován při standardizované teplotě
- teplota a vlhkost prostředí musí být konstantní a musí být zváženy čekací doby
- otisk je malý a vhodný pro testování již dokončených výrobků
- kompaktní a lehké, přenosné
- váhy používají různé přítlačné kolíky a síly		 JIS Z 2246
Tvrdost podle Vickerse
(DIN EN ISO 6507-1)		 Měkké, středně tvrdé až velmi tvrdé materiály (kovy a keramika)

např. materiály s vrstvou zpevněnou indukčním kalením, karbonizací, nitrací, galvanickým nebo keramickým povlakem atd.		 Testovací síla F v N
Aritmetický průměr 2 úhlopříček otisku v mm
- indentor je vyroben z diamantu, a může tak testovat tvrdost materiálů
- není vhodné pro porézní materiál
je požadována homogenní mikrostruktura
 JIS Z 2244

Nezáleží na tom, jaký postup si zvolíte: MISUMI nabízí celou řadu měřičů tvrdosti.

Tvrdost oceli

Stupeň tvrdosti oceli udává, jak odolný je materiál vůči plastické deformaci nebo penetraci. Jedná se o měřítko tvrdosti (proti průniku těla) nebo pevnosti (proti selhání nebo nevratné deformaci) oceli. Pomocí účelných tepelných úprav lze dosáhnout různých úrovní tvrdosti oceli. Nová struktura s požadovanými vlastnostmi se vytváří přemístěním, začleněním nebo odstraněním částic materiálu:

  • Přemístění: žíhání, temperování, ztvrdnutí, tempering, vytvrzení
  • Začlenění: Karburování, nitridování
  • Odstranění: Dekarbonizace (temperování)

Dopad různých tvrdostí oceli

Typ slitiny v jejím nejjemnějším složení přímo ovlivňuje schopnosti procesů tvrzení a tvrdnutí. Uživatelé musí vždy vyvažovat mezi tvrdostí a poddajností. Příslušná kapacita ke ztvrdnutí různých ocelí má výhody a nevýhody. Aby bylo možné najít správnou ocel pro zamýšlený účel, je proto třeba tyto kapacity pečlivě zvážit. Tvrdost oceli může mít následující vlivy:

Vliv zvyšující se tvrdosti na poddajnost a obrobitelnost

Tvrdost oceli ovlivňuje poddajnost a obrobitelnost. Odolnost popisuje, jak dobře materiál vydrží namáhání (např. náhlý náraz nebo ráz) bez poruchy.

Měkčí ocel je tažnější než tvrdší ocel. Proto je snazší jí deformovat a obrábět. Tvrdší ocel je naopak při vysokém zatížení křehká a láme se rychleji. Zároveň je však odolnější vůči oděru a pronikání.

Následující obrázek poskytuje přehled tvrdosti, poddajnosti a interakce obou v různých třídách oceli:

Konstrukční ocel (ocel pro ocelové konstrukce) Tvrdost - + Odolnost Uhlíková ocel (nelegovaná studená pracovní ocel), ocel pro konstrukci strojů, tvrzená ocel Ocel (vysokolegovaná), nástrojová ocel pro práci za studena, nástrojová ocel pro práci za horka HSS (vysokorychlostní ocel) + -

Interakce tvrdosti a tažnosti

Zatímco tvrdost na levé straně klesá směrem ke konstrukční oceli, poddajnost na pravé straně se současně zvyšuje.

Tvrdost oceli také ovlivňuje výběr nástroje. Tvrdší ocel vede k rychlejšímu opotřebení nástroje. Typickými známkami opotřebení jsou tupé nebo poškozené nože. Navíc při obrábění tvrzené oceli může být nutné upravit podmínky obrábění, např. snížené řezné rychlosti. Kromě nastavení rychlosti obrábění a podmínek obrábění je nutné v závislosti na tvrdosti oceli používat speciální frézovací a řezné nástroje. Za tímto účelem dílna MISUMI nabízí širokou škálu nástrojů pro obráběcí procesy.