Co je to Brinellovo číslo tvrdosti a jaký je jeho rozměr?

Tvrdost je schopnost tělesa podstoupit plastickou deformaci pod vlivem ještě tvrdšího nástroje zvaného indentor.

Existuje několik populárních metod pro testování tvrdosti materiálů a zejména kovů. Pomocí nich lze získat jak určitý číselný ekvivalent pevnosti výrobku, tak údaje o jeho odolnosti vůči střídavému zatížení.

Mezi hlavní metody stanovení patří:

1. 1. Brinellova metoda (nástroje a samotný proces budou podrobně popsány níže). Při jeho použití se tvrdost zjišťuje pomocí otisku tvrdé, nejčastěji kovové kuličky, vtlačené do rovné plochy dílu. Tvrdost se posuzuje podle průměrů značek.

Obr.1 Vzhled moderního tvrdoměru.

1. 2. Rockwellova metoda. Podle ní je hodnota tvrdosti rovna relativní hloubce vtisku obdobné kuličky nebo diamantového kužele, použitého podle Brinella, do podložky na povrchu studovaného dílu a je nejčastěji označena symboly HR. Protože hodnota je relativní, pak maximální hodnota tvrdosti podle Rockwella je HR=100. Rockwell je široce využíván při posuzování kvality pracovních jednotek zařízení na zpracování plastů a elastomerů, ale i technologických zařízení.
2. 3. Vickersova metoda. Je podobná Brinellově metodě, ale při jejím použití se používá čtyřboká diamantová pyramida a podle toho i stopa, kterou zanechává. Číselná hodnota tvrdosti (označená jako HV) se v tomto případě rovná poměru zatížení působícího na pyramidu k ploše stopy z ní.
3. 4. Tvrdost Shore (metoda vtlačení, označená Shore A, Shore D). Je nezbytný pro stanovení tvrdosti plastů, elastomerů a kompozitů. Tvrdost materiálu se podle ní rovná hloubce průniku do něj speciálně připravené ocelové jehly, kterou do tahu uvádí kalibrovaná pružina. Zařízení, které pracuje podle Shoreovy metody, je tvrdoměr. Proces regulovaný mezinárodní normou ASTM D2240 zahrnuje použití 12 stupnic, ale v praxi se převážná většina měkčích materiálů (například pryže a elastomery testuje na stupnici A) a tvrdších (plasty a kompozity) na stupnice D.
4. 5. Durometry a váhy Asker je další metoda související s vývojem Shore, podobná metodě měření jako ta předchozí. Používá se k získávání hodnot pro měkké látky, používá se hlavně v Japonsku a má drobné odlišnosti od Shore, například ve vlastnostech zařízení, vah a indentorů.
5. 6. Tvrdost Shore (metoda odrazu). Používá se k získání hodnot tvrdosti pro velmi tvrdé součásti, jako je kov. Hodnota ukazatele (označeného HSx) je určena výškou odskoku speciálního úderníku, který padá ze standardní výšky.
6. Kromě popsaných základních metod existuje i soubor vzácnějších technik, např. metoda Kuzněcov-Herbert-Rebinder, technika Poldi neboli dvojitý otisk míčku, stanovení na Mohsově stupnici, Buchholzova metoda atd. V tomto článku se jimi nebudeme podrobněji zabývat a požádáme vás o odkaz na odbornou literaturu.

Metoda měření tvrdosti podle Brinella

V souladu s uvažovanou technologií je hodnota tvrdosti materiálu definována jako poměr síly působící na míč k ploše jeho značky po dopadu na zkoumaný vzorek. Je důležité, aby se uvedená plocha počítala jako plocha kulového povrchu tisku, nikoli jako plocha kruhu.

V souladu s GOST 9012-59 je hodnota indikátoru zapsána v číslech bez uvedení jednotek měření, ačkoli skutečná jednotka je kg-s/sq.mm. Tvrdost podle Brinella se označuje jako HB a používá se především pro docela měkké slitiny kovů, neželezné kovy, litinu a nekalenou „surovou“ ocel.

Pro měření tvrdosti metodou podle Brinella se obvykle používá kulička buď z oceli nebo karbidu wolframu. Tvrdokovový indentor je určen pro zkoumání zvláště tvrdých materiálů, jako jsou nástrojové oceli a slitiny. Ocelový indentor je vhodný pro kovy s tvrdostí až po ocel pro všeobecné použití, dále nerezovou ocel, dřevo, neželezné kovy, sklo atd.

V aktuálně používaných tvrdoměrech podle Brinella je možné hladce vložit kuličku do součásti, což dává velmi nízkou chybu měření nepřesahující 1 procento. To vám umožňuje získat jej s vysokou mírou nejen přesnosti, ale také opakovatelnosti.

Indentorové kuličky, které se používají jako součást zařízení, mají průměr 1, 2,5, 5 a 10 milimetrů. Síla průniku kuličky a její velikost se volí na základě typu studovaného materiálu.

Testy využívající Brinellovu metodu mají následující omezení a vlastnosti, které je třeba vzít v úvahu při jejím výběru a používání:

1. Vzorky s hodnotou podle Brinella vyšší než HB450/650 kgf/sq.mm nejsou použitelné.
2. Povrch zkoušeného dílu musí být rovný a čistý ze všech stran. Jakákoli deformace může výsledek zkreslit.
3. Průměr každé značky by měl být v rozsahu od 0,2 do 0,6 průměru indentoru.
4. Kritickou velikostí vzorku materiálu odebraného k posouzení tvrdosti podle Brinella je tloušťka otisku indentoru o hloubce nejméně 10.
5. Vzdálenost od středu tisku ke středu nejbližší značky by měla být 4 nebo více průměrů tisku.
6. Doba výdrže při zatížení je 10-15 sekund pro ocel a 10-180 s pro neželezné kovy a slitiny na základě jejich tvrdosti.

Je důležité si uvědomit, že není dovoleno měřit stejné díly a porovnávat výsledky získané s různými typy tvrdoměrů. Je také nemožné získat přesnou tvrdost pomocí Brinellovy metody v místě blízko okraje vzorku.

Při použití dat po měření tvrdosti metodou Brinell musíte uvést podmínky pro získání dat.

Pokud je tvrdost vzorku vyšší než HB450, pak metoda podle Brinella není vhodná, z důvodu možné deformace povrchu koule s takovými vlastnostmi zkoumané látky.

Při zkouškách se měří velikost indentorové značky pomocí speciální lupy s roztečí stupnice 0,05 mm, která je také pojmenována po Brinellovi, podél dvou na sebe kolmých os. Pro získání přesnějších dat je také možné použít mikroskop. Aritmetický průměr těchto měření se bere jako hodnota průměru.

Význam pro recyklaci plastů

Tvrdost podle Brinella, ačkoli Rockwell je běžnější metodou, má širokou škálu aplikací při výrobě plastů a elastomerů. K posouzení kvality výroby polymerních zařízení a technologických zařízení se používají především číselné hodnoty tvrdosti.

V oblasti polymerního inženýrství nelze opomenout tvrdost součástí a sestav. Navzdory zjevné měkkosti a poddajnosti roztaveného polymeru může docela snadno poškodit a znefunkčnit zařízení, které nemá dostatečnou kvalitu kovu, ze kterého je vyroben.

Obr.2. Kontrola kvality dílů zařízení

Zejména při přebírání forem pro vstřikování plastů od nízkonákladových výrobců z Číny je mimořádně běžnou praxí hodnocení tvrdosti výlisků. Tento proces se provádí pomocí ručního tvrdoměru přímo na povrchu nástroje, mírně stranou od tvářecí plochy. Nejnáročnější zákazníci si na místo přejímky forem vozí vlastní zařízení.

Co se týče samotných polymerů a elastomerů, jak již bylo uvedeno dříve, nejrozšířenější metodou ve světě (s výjimkou Japonska a některých dalších zemí) jsou tvrdoměry pracující na stupnici Shore a A a D může být vhodná pouze metoda Brinell zvláště silně plněné polymery, ale pro standardní velkoobjemové plasty je to příliš nepřesné.

Podle metody nerestaurovaného vtisku se tvrdost určuje jako poměr aplikovaného zatížení k ploše indentorové části zapuštěné v materiálu:

kde je hloubka průniku indentoru, mm.

Jednotky měření jsou kgf/mm². Tvrdost stanovená touto metodou se značí HB, kde H = tvrdost, B – Brinell. Jedná se o některé z nejstarších metod používaných již v 19. století.

Rockwellova metoda — tvrdost je určena relativní hloubkou vtlačení kovového nebo diamantového kužele do povrchu zkoušeného materiálu. Tvrdost se označuje HR, kde H je tvrdost a R je Rockwell. Tvrdost se vypočítá podle vzorce HR = 100 − kd, kde d je hloubka vtisku hrotu po odstranění hlavního zatížení a k je koeficient. Maximální tvrdost podle Rockwella tedy odpovídá HR 100. 3. písmeno v označení je například název typu stupnice. HRA, HRB, HRC atd. U nožů se tvrdost určuje podle stupnice HRC, která ve skutečnosti končí na 70 jednotkách, protože vysoká tvrdost nože neumožňuje jejich plné využití kvůli poklesu houževnatosti, zvýšené křehkosti atd. Tento systém byl nejrozšířenější ve XNUMX. století.

Tvrdost podle Rockwella lze měřit:

1) Diamantový kužel s celkovým zatížením 150 kgf. Tvrdost se měří na stupnici C a označuje se HRC (například 62 HRC). Metoda umožňuje stanovit tvrdost kalených a popouštěných ocelí, materiálů střední tvrdosti, povrchových vrstev o tloušťce větší než 0,5 mm;

2) Diamantový kužel s celkovým zatížením 60 kgf. Tvrdost se měří na stupnici A, která je stejná jako stupnice C a označuje se HRA. Používá se k hodnocení tvrdosti velmi tvrdých materiálů, tenkých povrchových vrstev (0,3 . 0,5 mm) a tenkých plechových materiálů;

3) Ocelová koule s celkovým zatížením 100 kgf. Tvrdost se označuje HRB a měří se na stupnici B. Tímto způsobem se určuje tvrdost měkké (žíhané) oceli a neželezných slitin.

Při měření tvrdosti pomocí přístroje Rockwell je nutné, aby povrch vzorku byl bez okují, trhlin, rýh apod. Je nutné kontrolovat kolmost zatížení působícího na povrch vzorku a stabilitu jeho místo na přístrojovém stole. Vzdálenost vtlačení musí být minimálně 1,5 mm při lisování kužele a minimálně 4 mm při lisování kuličky. Tvrdost se měří minimálně 3x na jednom vzorku, poté se zobrazí průměrná hodnota. Výhodou Rockwellovy metody oproti metodě Brinell a Vickers je, že hodnota tvrdosti podle Rockwellovy metody je zaznamenávána přímo jehlou indikátoru, čímž odpadá nutnost optického měření rozměrů vtisku.

Vickersova metoda – nejširší rozsah, tvrdost je určena plochou otisku, kterou zanechá čtyřboká diamantová pyramida vtlačená do povrchu. Označuje se HV, kde H je tvrdost, V je Vickers. Při zkoušení tvrdosti metodou Vickers se do povrchu materiálu vtlačí diamantový čtyřstěnný jehlan s úhlem. Po odstranění zatížení vtisku se změří úhlopříčka vtisku. Číslo tvrdosti podle Vickerse je označeno symbolem HV označujícím zatížení P a dobu výdrže při zatížení a rozměr čísla tvrdosti (kgf/mm2) není uveden. Doba expozice indentoru při zatížení je 10–15 s pro oceli a 30 s pro neželezné kovy. Výhody Vickersovy metody oproti Brinellově metodě jsou v tom, že Vickersovou metodou lze testovat materiály vyšší tvrdosti díky použití diamantové pyramidy.

Tvrdost Shore (Metoda lisování) — tvrdost je určena hloubkou průniku do materiálu speciální kalené ocelové jehly (indentoru) působením kalibrované pružiny. Tato metoda měření využívá zařízení zvané tvrdoměr. Pro stanovení tvrdosti materiálů s nízkým modulem (polymerů) se obvykle používá metoda Shore. Shoreova metoda zahrnuje 12 měřících stupnic. Nejčastěji používané možnosti jsou A (pro měkké materiály) nebo D (pro tvrdší materiály). Tvrdost stanovená touto metodou je označena písmenem použité stupnice, napsaným za číslem označujícím metodu. Například guma v pneumatice osobních automobilů má tvrdost přibližně 70A a školní guma má tvrdost přibližně 50A.

Tvrdost Shore (metoda odrazu) – metoda pro stanovení tvrdosti velmi tvrdých materiálů, hlavně kovů, podle výšky, do které se po dopadu odrazí speciální úderník padající z určité výšky. Tvrdost podle této Shoreovy metody se posuzuje v konvenčních jednotkách úměrných výšce odrazu útočníka. Označuje se HSx, kde H je tvrdost, S je Shore a x je latinské písmeno označující typ stupnice použité při měření.

Libu metoda (tvrdoměry)

Toto je dnes nejpoužívanější metoda ve světě, tvrdost je definována jako poměr rychlostí před a po odrazu útočníka od povrchu. Označuje se HL, kde H je tvrdost, L je Leeb a 3. písmeno označuje například typ snímače. HLD, HLC atd. Při použití této metody se úderník padající normálně na povrch studovaného materiálu srazí s povrchem a odrazí se. Rychlost útočníka se měří před a po odrazu. Předpokládá se, že úderník nepodléhá trvalé deformaci.

Askerova metoda — tvrdost je určena hloubkou zasunutí ocelové polokoule působením pružiny. Používá se pro měkké gumy. Podle principu měření odpovídá metodě Shore, liší se však tvarem povrchu sondy. Asker používá polokouli o průměru 2.54 mm.

Kuzněcovova-Herbert-Rehbinderova metoda — tvrdost je určena dobou doznívání kmitů kyvadla, jehož oporou je zkoumaný kov.

Poldi metoda (dvojitý otisk míče) — tvrdost se posuzuje ve srovnání s tvrdostí etalonu, zkouška se provádí nárazovým vtlačením ocelové kuličky současně do vzorku i etalonu.

Tvrdost minerálů.

Mohsova stupnice minerální tvrdosti (scratch sclerometers) – metoda pro stanovení tvrdosti minerálů škrábáním jednoho minerálu druhým, pro srovnávací diagnostiku tvrdosti minerálů mezi sebou podle systému měkčí-tvrdší. Testovaný minerál buď není poškrábaný jiným minerálem (Mohsův standard nebo skleometr) a pak je jeho tvrdost podle Mohse vyšší, nebo je poškrábaný – a pak je jeho tvrdost podle Mohse nižší. Mohsova stupnice – určuje, který z deseti standardních minerálů poškrábe testovací materiál a který z deseti standardních minerálů poškrábe testovací materiál.