translation missing: el.general.accessibility.skip_to_content

Σκληρότητα Μετάλλων

Πως ορίζεται η σκληρότητα και ποιες παραμέτρους πρέπει να λάβουμε υπόψη σε μια μέτρηση;

Η σκληρότητα δεν αποτελεί θεμελιώδη ιδιότητα ενός υλικού αλλά είναι το μέγεθος που μας δίνει το πόσο μηχανικά ανθεκτικό είναι ένα υλικό (τεμάχιο δοκιμής) στη μηχανική διείσδυση του από ένα άλλο πιο σκληρό σώμα (διεισδυτής). Ακριβώς επειδή δεν αποτελεί θεμελιώδες μέγεθος υπάρχουν στην διάρκεια των χρόνων διαφορετικές μέθοδοι που αναπτύχθηκαν με στόχο να την προσδιορίσουν. Αρχικά η επιλογή της μεθόδου εξαρτάται από το υλικό του δοκιμίου. Στη συνέχεια πρέπει να προσδιοριστούν  1) το μέτρο της δύναμης  2) ο χρόνος που θα ασκηθεί η δύναμη στο δοκίμιο και 3) η γεωμετρία του διεισδυτή, παράμετροι που καθορίζονται από το πάχος του υλικού. 

Ποιες οι μέθοδοι μέτρησης της σκληρότητας;

Οι μέθοδοι διακρίνονται με βάση το τι μετράνε κατά την διάρκεια της σκληρομέτησης ενός δοκιμίου:·         
Μέτρηση του βάθους διείσδυσης (μέθοδος μέτρησης βάθους: Rockwell, Superficial Rockwell, Shore)·         
Μέτρηση της επιφάνειας του αποτυπώματος (οπτική μέθοδος μέτρησης:Vickers, Brinell, Knoop) που προκαλείται από το διεισδυτή.·         
Μετρηση της ταχύτητας αναπήδησης μιας σφαίρας (Leeb)·         
Με υπέρυθρη ακτινοβολία (UCI μέθοδο)

 

Η αρχή λειτουργίας του σκληρόμετρου αναπήδησης (Leeb) και οι άλλες κλίμακες σκληρομέτρησης.

Οι μετρητές σκληρότητας με τη μέθοδο αναπήδησης λειτουργούν με ελαφρώς διαφορετικό τρόπο. Αν και το μέγεθος της εσοχής που γίνεται πάνω στο δοκίμιο συνδέεται με την σκληρότητα του υλικού ακόμα και σε αυτή την περίπτωση, μετράται έμμεσα μέσω της απώλειας ενέργειας ενός λεγόμενου σώματος πρόσκρουσης.  

Μία μάζα επιταχύνεται στην επιφάνεια του δοκιμίου και προσκρούει πάνω του με μία καθορισμένη ταχύτητα. Η κρούση δημιουργεί μια πλαστική παραμόρφωση στην επιφάνεια του, δηλ. μια εσοχή, λόγω της οποίας το σώμα κρούσης χάνει μέρος της αρχικής του ταχύτητας - ή ενέργειας. Θα χάσει μεγαλύτερη ταχύτητα όταν δημιουργηθεί  μια μεγαλύτερη εσοχή στο πιο μαλακό υλικό. Τεχνικά, αυτή η αρχή μέτρησης υλοποιείται μέσω ενός σώματος κρούσης που έχει μια σφαιρική κορυφή καρβιδίου βολφραμίου και η οποία επιταχύνεται πάνω στην επιφάνεια δοκιμής μέσω μιας δύναμης ελατηρίου. 

Οι ταχύτητες μετά και πριν από την πρόσκρουση μετριούνται έμμεσα . Μέσα στο σώμα πρόσκρουσης υπάρχει ένας μικρός μόνιμος μαγνήτης (εικόνα 1) το οποίο παράγει μία επαγωγική τάση κατά τη διέλευσή του μέσω ενός πηνίου, η οποία είναι ανάλογη προς την ταχύτητα. Πιο συγκεκριμένα καθώς το σώμα πρόσκρουσης οδεύει προς το δοκιμαστικό τεμάχιο, ο μαγνήτης που περιέχεται μέσα στο σώμα κρούσης παράγει ένα σήμα σε ένα πηνίο που περιβάλλει τον σωλήνα καθοδήγησης. Μετά την κρούση, αλλάζει κατεύθυνση προκαλώντας ένα δεύτερο σήμα στο πηνίο. Το όργανο  υπολογίζει την τιμή σκληρότητας χρησιμοποιώντας την αναλογία των τάσεων και αναλύει τις φάσεις τους για να αντισταθμίσει αυτόματα τις αλλαγές στον προσανατολισμό του σώματος πρόσκρουσης.

Κάθετη τομή του μηχανισμού στα σκληρόμετρα αναπήδησης

Εικόνα 1: Κάθετη τομή του μηχανισμού στα σκληρόμετρα αναπήδησης.

Ο εφευρέτης αυτής της μεθόδου, ο D. Leeb, όρισε τη "δική του" αξία σκληρότητας, την τιμή σκληρότητας Leeb. Η τιμή σκληρότητας Leeb, HL, υπολογίζεται από την αναλογία της ταχύτητας πρόσκρουσης και αναπήδησης και είναι ίση με τον λόγο της ταχύτητας αναπήδησης (vR) προς την ταχύτητα πρόσκρουσης (vI) πολλαπλασιασμένη με 1000. Τέλος, ο τρόπος υπολογισμού των ταχυτήτων δίνει την δυνατότητα στο να πάρουμε μετρήσεις σε οποιαδήποτε κατεύθυνση χωρίς να χρειάζεται να λάβουμε υπόψιν μας  κάποιον συντελεστή διόρθωσης της δύναμης της βαρύτητας.

Ταχύτητα πρόσκρουσης (vA), ταχύτητα αναπήδησης (vB) σε συνάρτηση με τον χρόνο

Εικόνα 2: Ταχύτητα πρόσκρουσης (vA), ταχύτητα αναπήδησης (vB) σε συνάρτηση με τον χρόνο.  

Μπορούμε να αναρωτηθούμε τώρα : "Ποιος θέλει να μετρήσει την αξία σκληρότητας στην κλίμακα Leeb;" Η απάντηση είναι ότι στην πραγματικότητα όποιος χρησιμοποιεί τη μέθοδο αναπήδησης για την μέτρηση της σκληρότητας το κάνει για την ευκολία και την φορητότητα της μεθόδου. Ωστόσο, σχεδόν κανένας χρήστης δεν δηλώνει την τιμή σκληρότητας Leeb HL στις προδιαγραφές ή τις αναφορές δοκιμών του. Έτσι τα όργανα αυτά είναι εξοπλισμένα με την άμεση μετατροπή της κλίμακας Leeb στις άλλες κλίμακες σκληρότητας.(HV, HB, HS, HRC, HRB, N / mm2). 

Μέθοδοι μέτρησης σκληρότητας(Κλίμακες)

 

Η μέθοδος UCI (Ultrasonic Contact Impedance) 

Όπως και στις τυπικές δοκιμές σκληρότητας Vickers ή Brinell, το ερώτημα σχετικά με το μέγεθος της εσοχής δοκιμής στο υλικό που προκύπτει από ένα συγκεκριμένο φορτίο δοκιμής, ανακύπτει  και με τη δοκιμή σκληρότητας Vickers σύμφωνα με τη μέθοδο UCI (Ultrasonic Contact Impedance). Ωστόσο, οι διαγώνιοι της δοκιμαστικής εσοχής, οι οποίες πρέπει να είναι γνωστές για τον προσδιορισμό της τιμής σκληρότητας Vickers, δεν αξιολογούνται οπτικά ως συνήθως, αλλά η περιοχή εσοχής ανιχνεύεται ηλεκτρονικά με τη μέτρηση της μετατόπισης μιας υπερηχητικής συχνότητας

Ένας ανιχνευτής UCI τυπικά αποτελείται από ένα διαμάντι Vickers προσαρτημένο στο άκρο μιας μεταλλικής ράβδου (εικόνα 3). Αυτή η ράβδος διεγείρεται σε διαμήκη ταλάντωση με περίπου 70 kHz μέσω του  πιεζοηλεκτρικού μετατροπέα.

Αρχή λειτουργίας UCI

Εικόνα 3: (Αριστερά) Τα μέρη από τα οποία αποτελείται η πρόμπα ενός UCΙ σκληρόμετρου. (Δεξιά) Η τομή του ελατηρίου που υπολογίζει τη διαφορά της συχνότητας κατά την διαμήκη ταλάντωση της ράβδου.

Όταν εφαρμόζεται το φορτίο δοκιμής, συμβαίνει μια μετατόπιση στη συχνότητα ταλάντωσης της ράβδου καθώς το διαμάντι εισχωρεί μέσα στο υλικό. Αυτή η αλλαγή συχνότητας θα γίνει μεγαλύτερη όταν η εσοχή δοκιμής γίνει μεγαλύτερη, δηλαδή όταν το διαμάντι εισχωρεί βαθύτερα σε "μαλακό" υλικό. Ανάλογα, η μικρότερη μετατόπιση της συχνότητας παράγεται από σκληρά υλικά δοκιμής. σε αυτή τη περίπτωση το διαμάντι διεισδύει ελαφρώς μέσα στο υλικό και αφήνει μια μικρή εσοχή.

Αυτό είναι και  το μυστικό της δοκιμής σκληρότητας UCI: Ότι η μετατόπιση της συχνότητας είναι ανάλογη με το μέγεθος της εσοχής που αφήνει το διαμάντι Vickers πάνω στην επιφάνεια του δοκιμίου.

Το όργανο μέτρησης σκληρότητας UCI παρακολουθεί συνεχώς τη συχνότητα, εκτελώντας τους υπολογισμούς και εμφανίζει στιγμιαία την τιμή σκληρότητας.Η μετατόπιση της συχνότητας, ωστόσο, εξαρτάται και από το μέτρο ελαστικότητας του Young, το οποίο έχει μια συγκεκριμένη τιμή για κάθε υλικό. Για την πρακτική εφαρμογή της μεθόδου UCI, πρέπει να ληφθεί υπόψη το μέτρο της σταθεράς Young. Το όργανο πρέπει να βαθμονομείται όταν πρέπει να προσδιοριστεί η σκληρότητα διαφορετικών υλικών με διαφορετικές τιμές του συντελεστή Young.

Πίνακας αντιστοίχισης των τιμών  HB, HRC, HRB και HV.

ΠΙΝΑΚΑΣ 1: H αντιστοίχηση των τιμών HB, HRC, HRB και HV κατά ASTM E140

Brinell Hardness
HB

Rockwell
HRC

Rockwell
HRB

Vickers
HV

N/mm²

 

 

 

 

800

72

 

 

780

71

 

 

760

70

 

 

752

69

 

 

745

68

 

 

746

67

 

 

735

66

 

 

711

65

 

 

695

64

 

 

681

63

 

 

658

62

 

 

642

61

 

 

627

60

 

 

613

59

 

 

601

58

 

746

592

57

 

727

572

56

 

694

552

55

 

649

534

54

120

589

513

53

119

567

504

52

118

549

486

51

118

531

469

50

117

505

468

49

117

497

456

48

116

490

1569

445

47

115

474

1520

430

46

115

458

1471

419

45

114

448

1447

415

44

114

438

1422

402

43

114

424

1390

388

42

113

406

1363

375

41

112

393

1314

373

40

111

388

1265

360

39

111

376

1236

348

38

110

361

1187

341

37

109

351

1157

331

36

109

342

1118

322

35

108

332

1089

314

34

108

320

1049

308

33

107

311

1035

300

32

107

303

1020

290

31

106

292

990

277

30

105

285

971

271

29

104

277

941

264

28

103

271

892

262

27

103

262

880

255

26

102

258

870

250

25

101

255

853

245

24

100

252

838

240

23

100

247

824

233

22

99

241

794

229

21

98

235

775

223

20

97

227

755

216

19

96

222

716

212

18

95

218

706

208

17

95

210

696

203

16

94

201

680

199

15

93

199

667

191

14

92

197

657

190

13

92

186

648

186

12

91

184

637

183

11

90

183

617

180

10

89

180

608

175

9

88

178

685

170

7

87

175

559

167

6

86

172

555

166

5

86

168

549

163

4

85

162

539

160

3

84

160

535

156

2

83

158

530

154

1

82

152

515

149

 

81

149

500

147

 

80

147

490

143

 

79

146

482

141

 

78

144

481

139

 

77

142

480

137

 

76

140

475

135

 

75

137

467

131

 

74

134

461

127

 

72

129

451

121

 

70

127

431

116

 

68

124

422

114

 

67

121

412

111

 

66

118

402

107

 

64

115

382

105

 

62

112

378

103

 

61

108

373

95

 

56

104

90

 

52

95

81

 

41

85

76

 

37

80

Brinell
HB

Rockwell
HRC

Rockwell
HRB

Vickers
HV

N/mm²

3000kg
10mm Ball

150kg 
Brale

100kg
1/16" Ball

Diamond Pyramid 
120kg

Tensile strength (A