Przez długi czas metodą oceny twardości metali - w tym stopów, takich jak brąz czy stal - była metoda porównawcza, np. zarysowanie powierzchni materiałem o znanych parametrach. Obarczona ona jednak była sporym ryzykiem błędów. Obecnie wykonanie precyzyjnych pomiarów umożliwia twardościomierz do stali.
Stal to stop żelaza z węglem (jego zawartość nie może przekraczać 2,11 proc., co odpowiada granicznej wartości rozpuszczalności węgla w żelazie) i innym pierwiastkiem, obrobiony plastycznie i obrabialny termicznie. Ma ona liczne zastosowania w niemal każdym sektorze gospodarki oraz życiu codziennym. Jej twardość uzależniona jest od składu stopu i stanowi ogromnie istotny czynnik z użytkowego punktu widzenia. Do wykonania jej precyzyjnego pomiaru służy twardościomierz do stali.
Brak ryzyka błędu
Twardość metali zalicza się do najdawniej weryfikowanych parametrów stopów, takich jak: stal, mosiądz czy brąz, lub materiału poddanego obróbce mającej na celu modyfikację cech materiału bazowego (tu wymienić można powierzchniowe utwardzanie czy napawanie). Jednakże przez tysiące lat nie istniała metoda pomiaru twardości metalu, w tym stali, która nie byłaby obarczona ryzykiem błędu. Zastosowanie jej umożliwił rozwój technologiczny i pojawienie się na rynku dokładnych urządzeń pomiarowych, czyli twardościomierzy. Ich użycie pozwala dokonywać pomiarów w sposób powtarzalny i niezależny od operatora.
Twardościomierz do stali - zastosowania i ewolucja
Pomiar twardości stali (a także innych stopów) pozwala określić jakość i wytrzymałość wykonanych z niej elementów. Dzięki zastosowaniu twardościomierza można zatem zachować narzucone standardy i wyrabiać produkty według określonej dokumentacji. Urządzenie to stosowane jest zatem w produkcji przemysłowej, budownictwie i innych sektorach.
Co istotne, poszczególne typy twardościomierzy na przestrzeni lat ewoluowały, ulegając licznym modyfikacjom. Zmiany te zależne były od tego, jaki był materiał badany, jakiego pomiaru twardości (spodziewany zakres, dokładność) zamierzano dokonać, a także, czy możliwy do zastosowania był przenośny przyrząd pomiarowy, czy też metoda dopuszczała tylko stosowanie stacjonarnego narzędzia do pomiaru twardości. Łatwość odczytania wyników pomiaru była kolejnym czynnikiem, do którego dążono, wprowadzając na rynek kolejne generacje twardościomierzy.
Twardościomierze - najpopularniejsze typy
Na rynku dostępne są liczne typy twardościomierzy do metali. Spośród nich najczęściej stosowane są:
1) Twardościomierz Brinella - pomiar polega na wciskaniu w próbkę stalową stempla wyposażonego w kulkę ze stali hartowanej bądź węglików spiekanych pod zadanym obciążeniem w określonym czasie w zależności od rodzaju oraz grubości badanego materiału. Powstałe w ten sposób wgłębienie mierzone jest przy użyciu mikroskopu optycznego. Po wprowadzeniu danych do wzoru uzyskany zostaje wynik w skali: HBS dla kulki ze stali hartowanej oraz HBW dla kulki z węglików spiekanych.
2) Twardościomierz Rockwella - pomiar głębokości wcisku stożka diamentowego o kącie wierzchołkowym 120 stopni i promieniu zaokrąglenia wynoszącym 0,2 mm. Możliwe jest też zastosowanie kulki węglowej o średnicy wyrażonej w calach: 1/16”, 1/8”, itp. Metoda ta polega na dwustopniowym zadaniu obciążenia wstępnego oraz głównego w badany materiał przy określonych warunkach i pomiarze przyrostu głębokości odcisku za pomocą czujnika zegarowego, z którego wynik odczytany jest na podziałce i wyrażony w HRC lub w HRB. Twardościomierz Rockwella może być stacjonarny lub przenośny; ten drugi ma postać specjalnych kleszczy.
3) Twardościomierz Vickersa - pomiar przeprowadzany jest za pomocą stempla zakończonego foremnym czworobocznym ostrosłupem wykonanym z diamentu o kącie wierzchołkowym 136 stopni. Badany obiekt obciążany jest statyczną siłą znormalizowaną dla tej metody. Twardość HV oblicza się jako stosunek siły wgłębnika do pola powierzchni bocznej odcisku.
4) Młotek Poldiego - pomiar polega na umieszczeniu hartowanej kuli stalowej o średnicy 10 mm między badanym elementem, a kalibrowaną płytką stalową o określonej wytrzymałości na rozciąganie. Pojedyncze silne uderzenie młotkiem powinno spowodować odciśnięcie kuli jednocześnie w próbce kontrolnej oraz badanej próbce, przy czym średnice obu odcisków muszą być dokładnie zmierzone przy użyciu lupy stanowiącej komplet z przyrządem. Na podstawie zmierzonych wartości można odczytać z tabeli twardość Brinella i wytrzymałość na rozciąganie badanego elementu.
5) Metoda UCI - do wykonania pomiaru służy przenośny przyrząd, wyposażony w sondę z wbudowanym prętem i zakończony diamentem tak jak w metodzie Vickersa. W momencie wcisku w badany materiał dochodzi do zmiany częstotliwości oscylacji rdzenia. W celu oceny wartość twardości, porównuje się różnicę pomiędzy częstotliwością, gdy wgłębnik znajduje się w powietrzu, a częstotliwością pod obciążeniem testowym. Ta zmiana częstotliwości zależy od twardości i właściwości sprężystych badanego materiału. Oprogramowanie twardościomierza porównuje dwie częstotliwości, po czym przelicza wynik na wartość wyrażoną w skali twardości Vickersa.
6) Twardościomierz Leeba - to z kolei dynamiczna próba twardości oparta na pomiarze sprężystości materiału. Polega ona na wypchnięciu masy udarowej przez siłę sprężyny w kierunku badanej powierzchni i na jej odbiciu się. Twardość Leeba (HL) to stosunek prędkości odbicia do prędkości uderzenia pomnożony przez 1000. Pomiar prędkości uderzenia oraz odbicia umożliwia zjawisko indukcji elektromagnetycznej, w jakim masa udarowa, w której jest zamontowany stały magnes, przechodzi przez uzwojenie tulei bijaka. Pomiary przechowywane są w rejestratorze, który pozwala na oczytanie wyniku uśrednionego dla każdej serii. Urządzenie pomiarowe zawiera ponadto w pamięci krzywe konwersyjne skali Leeba na pozostałe, powszechnie stosowane skale twardości.
Wybór konkretnego modelu twardościomierza powinien oczywiście być uzależniony od potrzeb.
