Twardość określa odporność materiału na miejscowe odkształcenie, powstawanie trwałego wgłębienia lub zarysowanie pod wpływem oddziaływania innego ciała. Jest ona istotnym parametrem podczas kontroli jakości materiałów, ponieważ pozwala ocenić ich zachowanie w określonych warunkach użytkowania. Sposób badania dobiera się przede wszystkim do rodzaju materiału, jego grubości, kształtu oraz oczekiwanej dokładności wyniku. Odmienne rozwiązania stosuje się w przypadku metali, inne podczas analizy polimerów, powłok czy elementów o niewielkiej grubości.
Metody badania twardości można podzielić na kilka grup. Różnią się one sposobem oddziaływania na próbkę oraz tym, jaki parametr jest podstawą do określenia wyniku. Najczęściej stosowane są metody wgłębnikowe, w których określa się rozmiar lub głębokość trwałego odkształcenia powstałego pod wpływem określonego obciążenia.
| Metoda | Na czym polega? | Typowe zastosowanie |
|---|---|---|
| Brinella | Pomiar średnicy odcisku po wciśnięciu kulki | Metale, szczególnie materiały o niejednorodnej strukturze |
| Rockwella | Pomiar głębokości penetracji wgłębnika | Szybka kontrola twardości metali |
| Vickersa | Pomiar przekątnych odcisku wykonanego diamentowym wgłębnikiem | Metale, cienkie warstwy, małe elementy |
| Shore'a | Pomiar głębokości penetracji wgłębnika | Tworzywa sztuczne, elastomery i materiały gumowe |
| Metody dynamiczne | Ocena reakcji materiału na uderzenie lub odbicie wgłębnika | Pomiary mobilne i kontrola dużych elementów |
Dobór metody nie powinien wynikać wyłącznie z rodzaju materiału. Znaczenie ma również jego geometria, stan powierzchni, grubość oraz zakres spodziewanej twardości.
Pomiar twardości sposobem Brinella polega na wciskaniu w badaną powierzchnię kulki wykonanej z węglików spiekanych. Po przyłożeniu określonej siły powstaje trwały odcisk, którego średnica jest następnie mierzona. Na tej podstawie wyznacza się wartość twardości Brinella, oznaczaną symbolem HBW.
Metoda ta jest szczególnie przydatna przy materiałach metalowych o niejednorodnej strukturze. Duży odcisk pozwala objąć pomiarem większy obszar materiału, dzięki czemu lokalne różnice w jego budowie mają mniejsze znaczenie dla wyniku. Do zalet metody Brinella należą:
W metodzie Rockwella twardość określa się na podstawie głębokości penetracji wgłębnika w badaną powierzchnię. W zależności od wybranej skali stosuje się odpowiedni wgłębnik oraz obciążenie. Wynik jest odczytywany bezpośrednio z przyrządu, bez konieczności mierzenia wymiarów odcisku pod mikroskopem.
Pomiar twardości sposobem Rockwella jest często wykorzystywany w kontroli jakości elementów metalowych, szczególnie tam, gdzie istotne są szybkość i powtarzalność badań. Zalety tej metody to m.in.:
W badaniu Vickersa wykorzystuje się diamentowy wgłębnik w kształcie ostrosłupa o podstawie kwadratowej. Po przyłożeniu określonego obciążenia na powierzchni próbki pozostaje niewielki odcisk. Jego przekątne są następnie mierzone, a na tej podstawie wyznacza się wartość twardości Vickersa, oznaczaną symbolem HV.
Metoda może być stosowana zarówno przy większych obciążeniach, jak i w badaniach mikrotwardości. Dzięki niewielkim rozmiarom odcisku sprawdza się również w przypadku małych elementów oraz cienkich warstw. Do jej zalet zalicza się:
Badanie twardości tworzyw sztucznych wymaga zastosowania metody odpowiedniej dla właściwości konkretnego polimeru. W praktyce stosuje się między innymi metody Shore'a, Rockwella czy inne procedury określone w odpowiednich normach. Wybór zależy m.in. od rodzaju tworzywa, jego twardości, geometrii próbki oraz celu badania.
W przypadku materiałów polimerowych istotne znaczenie mogą mieć również warunki wykonywania pomiaru. Temperatura, przygotowanie powierzchni, grubość próbki czy czas oddziaływania wgłębnika mogą wpływać na uzyskany wynik. Dlatego wiarygodne porównanie rezultatów wymaga zachowania takich samych, określonych warunków badania.
Nie istnieje jedna metoda, która sprawdzi się przy każdym materiale. Przed rozpoczęciem badania należy określić przede wszystkim:
W przypadku seryjnej kontroli jakości szczególnie ważne jest zachowanie powtarzalnych warunków pomiaru. Dzięki temu wyniki można ze sobą porównywać i wykorzystać do oceny stabilności procesu produkcyjnego.
Warto pamiętać, że wynik badania twardości nie opisuje wszystkich właściwości mechanicznych materiału. Nie można na jego podstawie bezpośrednio określić np. jego sprężystości, ciągliwości czy odporności na każde obciążenie. Twardość jest jednym z parametrów charakteryzujących materiał i powinna być interpretowana w odniesieniu do celu badania oraz pozostałych właściwości próbki. Właściwie dobrana metoda pozwala natomiast uzyskać powtarzalne dane potrzebne m.in. do kontroli jakości, porównywania materiałów oraz weryfikacji zmian zachodzących podczas procesów technologicznych.
Dobór odpowiedniej metody badania powinien wynikać ze specyfiki materiału oraz warunków, w jakich wykonywana jest kontrola. Znaczenie mają między innymi wymagania normowe, konstrukcja próbki i oczekiwany sposób wykorzystania wyników.
Właściwie dobrane urządzenie pozwala zachować powtarzalność pomiarów i sprawnie kontrolować parametry materiałów na różnych etapach pracy. DPIdea oferuje twardościomierze przeznaczone do różnych zastosowań pomiarowych. Sprawdź dostępne modele i dobierz rozwiązanie odpowiadające wymaganiom swoich badań!
