Porównanie skal twardości Shore’a, Rockwella i Brinella oraz przewodnik po doborze

Twardość jest bardzo istotną właściwością materiału, zwłaszcza w zastosowaniach związanych z odpornością na zużycie. Na przykład w tokarkach narzędzia skrawające są wytwarzane z materiałów o twardości wystarczającej do cięcia twardszych materiałów, takich jak stale szybkotnące. Zawory silnikowe, łożyska i koła zębate w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym są wykonane z utwardzonych materiałów ze względu na duże tarcie i obciążenia, jakim są poddawane. Dzięki swojej twardości ściernice i tarcze szlifierskie skutecznie usuwają materiał, zachowując jednocześnie długotrwałą wytrzymałość. Ale czym właściwie jest twardość?

Twardość to miara odporności materiału na miejscowe odkształcenie trwałe. Podczas gdy niektóre materiały są z natury twarde, jak na przykład wolfram, inne zyskują twardość dzięki metodom obróbki, takim jak obróbka cieplna. Materiałów tych nie można bezpośrednio zastosować w projektach inżynieryjnych bez przeprowadzenia skutecznych badań. Inżynierowie mają do dyspozycji różne metody badania twardości. W niniejszym przewodniku omówiono trzy powszechnie stosowane metody badania twardości: skale twardości Shore'a, Rockwella i Brinella. Przewodnik ten pomaga również w zrozumieniu kryteriów wyboru spośród tych trzech skal twardości. Zanim zagłębimy się w omówienie tych trzech rodzajów skal twardości, należy pokrótce omówić samą twardość.

Jakie są rodzaje twardości materiałów?

Różne materiały wykazują odmienne zachowanie pod wpływem różnych obciążeń, mimo że wszystkie można zaklasyfikować jako materiały twarde. Na przykład metal może wytrzymać ogromne jednorazowe uderzenie bez uszkodzenia. Jednak ten sam materiał może nie wytrzymać ciągłego obciążenia, co prowadzi do jego uszkodzenia. Powinno to skłonić inżynierów do przeprowadzania badań twardości, aby mogli dokonać rozsądnego wyboru materiału. Trzy powszechnie stosowane w inżynierii metody badania twardości to: twardość wgłębieniowa, twardość zarysowa i twardość odbiciowa.

Twardość wgłębienia

Kiedy inżynierowie i metalurgowie mówią o twardości, mają na myśli twardość wgłębieniową. Wynika to z faktu, że większość obciążeń w inżynierii ma charakter ciągły. Twardość wgłębieniowa to odporność materiału na trwałe odkształcenie pod wpływem obciążenia ciągłego. Technicy przywiązują większą wagę do pomiaru tego rodzaju twardości, ponieważ znajduje ona szerokie zastosowanie w projektowaniu inżynierskim.

Twardość przy zarysowaniu

Niektóre materiały inżynieryjne, takie jak ceramika, nie ulegają odkształceniom plastycznym i są uznawane za kruche. Pod wpływem pewnych sił na ich powierzchniach powstają rysy. Z technicznego punktu widzenia rysy to wąskie, ciągłe wgłębienia w górnej warstwie, powstające w wyniku kontaktu materiału z ostrzejszymi i twardszymi materiałami. Zdolność materiału do przeciwstawiania się powstawaniu rys na powierzchni nazywana jest twardością na zarysowanie. Badania odporności na zarysowania mają kluczowe znaczenie, zwłaszcza przy doborze materiałów do zastosowań związanych z tarciem, takich jak tuleje cylindrowe silników. Tuleja musi charakteryzować się wyższą twardością niż materiał, z którym się styka.

Twardość odbicia lub twardość dynamiczna

Twardość odbiciowa jest rodzajem twardości sprężystej. W przypadku twardości wgłębieniowej lub zarysowej materiał reaguje poprzez opór wobec odkształcenia plastycznego. W przypadku twardości odbiciowej lub dynamicznej materiał pochłania energię uderzenia i oddaje ją do indentera. Indenter jest źródłem uderzenia.

Do pomiaru wszystkich tych rodzajów twardości potrzebne są różne przyrządy. Omówmy teraz różne skale twardości stosowane do pomiaru tych rodzajów twardości.

Czym jest skala twardości Shore’a?

Skala twardości Shore’a to specjalna metoda pomiaru twardości służąca do określania odporności materiałów elastomerowych, tworzyw sztucznych i innych polimerów ^[1]. Pomiar ten pozwala określić, na ile dany materiał jest elastyczny, sztywny i wytrzymały, przed wybraniem go do konkretnych zastosowań. Pomiar ten przeprowadza się za pomocą twardościomierza.

Jak działa twardomierz?

Twardościomierz Shore’a wykorzystuje sprężynowy stalowy trzpień lub stożek do wciskania w materiały. Urządzenie wskazuje wartości w zakresie od 0 do 100, które można interpretować jako twardość materiału. W przypadku twardszych materiałów odczyt jest wyższy, co oznacza, że trzpień nie jest w stanie wbić się w materiał. Jeśli skala wskazuje stosunkowo niższe wartości, oznacza to, że trzpień wbija się głębiej w materiał. Materiał jest wówczas uznawany za miękki. Pomiary dokonywane za pomocą twardościomierza mają charakter względny, a jednostki fizyczne nie są wartościami bezwzględnymi.

Rodzaje wag brzegowych

Oferujemy różne typy wag brzegowych o różnych zakresach pomiarowych dla wielu materiałów. Poniższa tabela zawiera zestawienie tych typów wag.

Shore A i Shore D to dwa powszechnie stosowane wskaźniki twardości. Typowy zakres wartości dla wskaźnika Shore A wynosi 20–95A, natomiast dla wskaźnika Shore B – 30–90B.

Na twardość materiału wpływa kilka czynników. Jednym z nich jest skład chemiczny i struktura molekularna. Elementy o silnych wiązaniach kowalencyjnych są zazwyczaj twarde. Twardość w skali Shore’a zmienia się również wraz z temperaturą. Im wyższa temperatura, tym niższy stopień twardości. 

Zalety i wady badań z wykorzystaniem skali twardości Shore’a

W poniższej tabeli podsumowano zalety i ograniczenia badań w skali twardości Shore’a.

Zalety

• Bardzo szybkie testowanie (zazwyczaj trwa mniej niż 2 sekundy)
• Sprzęt przenośny
• Minimalne przygotowanie próbki
• Idealne do materiałów elastycznych
• Niskie koszty badań

Ograniczenia

• Nie nadaje się do metali
• Wrażliwość na grubość próbki
• Technika operatora wpływa na powtarzalność
• Temperatura wpływa na wyniki

Czym jest twardość w skali Rockwella?

Twardość według Rockwella polega na wciskaniu utwardzonego indentora w próbkę badanego materiału. Badanie to obejmuje dwuetapowe obciążanie: obciążenie główne i obciążenia pomocnicze. Przebieg badania oraz wykres zależą od rodzaju zastosowanej skali.

Jak przebiega badanie twardości metodą Rockwella?

W tym badaniu wykorzystuje się stożek diamentowy lub kulkę ze stali hartowanej do wykonania wgłębienia w badanym materiale ^[2]. Przy każdym badaniu na próbkę działają dwa obciążenia. Najpierw indentor jest wciskany w materiał pod wpływem obciążenia mniejszej wielkości. Następnie rejestruje się początkową głębokość przy tym mniejszym obciążeniu. Przy nadal działającym obciążeniu mniejszej wielkości dodaje się dodatkowe obciążenie, zwane obciążeniem większej wielkości. To obciążenie większej wielkości zwiększa głębokość wgłębienia w materiale. Następnie obciążenie główne jest usuwane, co powoduje powrót działającej siły do poziomu obciążenia niewielkiego.

Wartość twardości według Rockwella oblicza się na podstawie wzrostu głębokości wgłębienia powstałego w wyniku przyłożenia i usunięcia obciążenia głównego.

Rodzaje skal Rockwella

W poniższej tabeli przedstawiono pięć najpopularniejszych skal Rockwella wraz z ich zastosowaniami. Łączna liczba skal wynosi 17, a każda z nich ma określone zastosowanie.

Zalety i ograniczenia skali twardości Rockwella

W poniższej tabeli podsumowano zalety i ograniczenia skali Rockwella.

Zalety

• Wysoka powtarzalność
• Przyjazne dla produkcji
• Minimalny wpływ operatora
• Doskonałe do metali poddanych obróbce cieplnej
• Krótkie czasy cyklu

Ograniczenia

• Wykończenie powierzchni wpływa na wyniki
• Cienkie materiały wymagają specjalnych wag
• Nie nadaje się do bardzo miękkiej gumy

Czym jest twardość Brinella?

Twardość Brinella to miara odporności materiału na odciski, określana za pomocą próby twardości Brinella. W tej próbie kulkę z twardej stali lub węglików metali wciska się w powierzchnię materiału pod określonym obciążeniem, a następnie mierzy się średnicę powstałego wgłębienia ^[3]. Wskaźnik twardości Brinella (BHN) oblicza się poprzez podzielenie przyłożonej siły przez pole powierzchni wgłębienia. Metoda ta jest powszechnie stosowana do badania metali i dostarcza cennych informacji na temat wytrzymałości materiału oraz jego przydatności do różnych zastosowań.

Rodzaje skal twardości Brinella

W badaniu twardości metodą Brinella stosuje się jedną ciągłą skalę oznaczoną symbolem HB lub HBW dla kulek z węglika wolframu. Wykorzystuje się w nim około 25 standardowych kombinacji średnic kulek, w tym 1, 2,5, 5 lub 10 mm. W badaniu stosuje się siłę próbną od 1 kgf do 3000 kgf, pogrupowaną według stosunku siły do średnicy F/D².

Wartość F/D² określa się po prostu jako współczynnik. Na przykład współczynnik 30 oznacza, że F/D² = 30 mm, natomiast współczynnik 2,5 oznacza, że F/D² = 2,5 mm. Poniższa tabela przedstawia typowe współczynniki stosowane w twardości Brinella oraz ich zastosowania.

Zalety i ograniczenia twardości Brinella

Zalety

• Doskonale nadaje się do materiałów o zróżnicowanym składzie
• Dobry efekt uśredniania dzięki dużemu wgłębieniu
• Idealne do odlewów
• Powszechnie stosowane w przemyśle ciężkim

Ograniczenia

• Duże wgniecenia powodują uszkodzenia wykończonych powierzchni
• Powolny proces testowania
• Wymaga pomiaru optycznego
• Nie nadaje się do cienkich przekrojów

Jak porównać różne skale twardości i wybrać odpowiednią?

Wszystkie trzy metody są odpowiednie i nie ma jednej, która byłaby lepsza od pozostałych. Jeśli jednak wszystkie metody mają zastosowanie w oparciu o dostępny materiał przeznaczony do badania, można wybrać metodę, która jest szybka i opłacalna. Twardość w skali Shore'a charakteryzuje się najkrótszym czasem badania wynoszącym 1–2 sekundy, a tuż za nią plasuje się twardość w skali Rockwella, której pomiar trwa 5–15 sekund. Badanie twardości w skali Brinella zajmuje 30–60 sekund. Jeśli chodzi o zastosowania produkcyjne, zarówno twardość w skali Shore'a, jak i Rockwella zapewniają doskonałe wyniki, podczas gdy twardość w skali Brinella zapewnia umiarkowaną ochronę. Twardość Shore'a nadaje się do gum, elastomerów i materiałów z tworzyw sztucznych. Twardość Rockwella wybiera się w przypadku tworzyw konstrukcyjnych. Z kolei twardość Brinella można wybrać w przypadku odlewów, odkuwek i metali o gruboziarnistej strukturze.

Referencje

[1] TWI Global. (b.d.). Czym są badania mechaniczne? (Kompletny przewodnik). Często zadawane pytania dotyczące wiedzy technicznej TWI Global. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/what-is-mechanical-testing

[2] ASTM International. (2024). ASTM E18-22: Normatywne metody badania twardości metodą Rockwella materiałów metalowych. Normy ASTM. https://www.astm.org/e0018-22.html

[3] TWI Global. (b.d.). Badanie twardości – część 1. TWI Global – Wiedza o pracy. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/hardness-testing-part-1-074