Co to jest twardościomierz?

Odporność mechaniczna, jaką przedmiot wykazuje podczas próby penetracji innym ciałem to jego twardość. Jest to ważny parametr, który charakteryzuje odporność na odkształcenia w procesie konstruowania maszyn oraz daje wyobrażenie o potencjalnej odporności mechanicznej na ścieranie oraz na zużycie cierne. Pomiary twardości są bardzo potrzebne szczególnie w sytuacji, kiedy wyroby stalowe są poddawane procesom mającym na celu poprawienie ich parametrów wytrzymałościowych, np. hartowaniu. Wynik pomiaru odzwierciedla wówczas prawidłowość procesu obróbki cieplnej, ale to tylko jedno z wielu zastosowań twardościomierzy.

Twardościomierz – co to jest?

Twardościomierz służy do wykonywania pomiarów twardości opisywanych w międzynarodowych normach. Są one wykorzystywane nie tylko w zakładach produkcyjnych, ale również w różnego rodzaju laboratoriach badawczych. Określenie twardości najczęściej kojarzy się z metalami, stąd największa popularność metod stosowanych właśnie w badaniu tych materiałów. Warto jednak pamiętać, że te same właściwości mechaniczne mogą dotyczyć także tworzyw sztucznych, drewna, powłok ochronnych… a nawet żywności. Oznaczenie twardości metali jest ważnym uzupełnieniem badania wytrzymałości na rozciąganie oraz do oceny przydatności materiału np. do pracy pod obciążeniem. Oznaczenie twardości metali pozwala pośrednio na określenie, w jakim momencie działająca na niego siła doprowadzi do przekroczenia granicy plastyczności materiału i wywoła trwałe odkształcenie.

Twardościomierze występują w wielu formach. W przypadku metali są one często wyposażone w mikroskopy – które jednak różnią się znacznie od tych biologicznych – służące do optycznego pomiaru wielkości tzw. odcisku powstającego podczas penetracji badanego materiału znormalizowanym wgłębnikiem. Urządzenia mogą mieć formę młotka, szczypiec, niewielkiej głowicy przenośnej lub specjalnych urządzeń wykorzystujących ultradźwięki. Dostępne są zarówno modele przenośne, jak i stacjonarne. Te ostatnie zyskały największą popularność z uwagi dokładność i powtarzalność pomiaru, dzięki którym zyskały sobie zaufanie użytkowników. Na konstrukcję urządzenia niebagatelny wpływ ma materiał, jaki ma być badany. Najbardziej znane typy urządzeń, nazywane w ten sposób od stosowanej w pomiarach metody, to:

– twardościomierz Brinella – wykorzystywany jest zazwyczaj w przemyśle ciężkim do badania, żeliwa, stali i aluminium, stosowany jest także do analiz wyrobów hutniczych zarówno półproduktów, jak i gotowych wyrobów; szczególnie przydatny przy sprawdzaniu miękkich materiałów, tj. nie poddanych zabiegom prowadzącym do utwardzenia takim jak hartowanie czy azotowanie;
– twardościomierz Rockwella – można dokonywać nim pomiarów twardości rur stalowych, zbiorników ciśnieniowych, blach, a nawet konstrukcji meblarskich i budowlanych; ze względu na dostępność różnych wariantów metody Rockwella urządzenie jest szeroko stosowane, choć często kojarzone jest przede wszystkim z materiałami twardymi;
– twardościomierz Shore’a – służy do badania twardości produktów o wysokiej elastyczności, czyli takich jak kauczuk, guma, filc czy pianki, ale równie często stosowany jest przy badaniu polimerów; moteda Shore’a występuje w wielu odmianach dostosowanych do charakterystyki mechanicznej badanego materiału; dla przykładu, miękką gumę sprawdza się w skali Shore A a twardą gumę i polimery zbadamy w skali Shore D, bo wynik pomiaru twardościomierzem Shore A będzie poza jego zakresem pomiarowym.

Poza doborem odpowiedniej metody – a tym samym twardościomierza – ważnym etapem jest także kalibrowanie twardościomierzy w taki sposób, aby można było wykonać precyzyjne pomiary. Dokładność uzyskiwanych wyników jest bardzo istotna, dlatego urządzenia muszą być sprawne, a do przeprowadzenia badań twardości będą potrzebni specjaliści i wykwalifikowani pracownicy.

Twardościomierz Brinella – na czym polega badanie twardości

Działanie twardościomierza można wyjaśnić na podstawie metody Brinella. Pomiar twardości za pomocą twardościomierza Brinella polega na wciskaniu w badany metal wykonanego z węglików spiekanych, specjalnego wgłębnika w postaci kulki. W efekcie w materiale powstaje trwały odcisk, a pomiar jego średnicy służy do odczytania twardości w skali Brinella w specjalnej tabeli. Nowoczesny sprzęt zazwyczaj wyposażony jest w monitor do prezentacji wyniku oraz pokazania obrazu odcisku, a oprogramowanie samoczynnie obliczy twardość na podstawie pomiaru średnicy odcisku. Nawet przy automatycznych urządzenia trzeba pamiętać o przestrzeganiu zasad bezpieczeństwa. Badania kruchych materiałów mogą prowadzić do uszkodzenia ciała przez odłamki, badanie materiałów twardych może doprowadzić do uszkodzenia twardościomierza.

Główną zaletą twardościomierza Brinella jest łatwość obsługi oraz stosowanie dużych obciążeń, które są możliwe dzięki zastosowaniu twardościomierzy o sztywnej konstrukcji. Średnicę odcisku można zmierzyć przy pomocy mikroskopu lub specjalnie wyskalowanej lupki, jeśli pomiary są wykonywane w trudnych warunkach. Pewnym utrudnieniem może być odczyt optyczny średnicy odcisku, na co duży wpływ mają zdolności operatora, ale tutaj z pomocą przychodzą skanery odcisków, które dokonają pomiaru odcisku automatycznie. Bardzo ważne w tej metodzie jest odpowiednie przygotowanie powierzchni. Jeśli jest nieodpowiednie, wyniki mogą okazać się niewłaściwe. Metoda Brinella nie może być stosowana w przypadku szybkich testów, ale może być łączona z metodą Rockwella. Zestawienie tych dwóch twardościomierzy daje bardzo duże możliwości i zakres pomiarowy od miękkich do bardzo twardych materiałów.

Artykuł sponsorowany