Cikk megosztása:

Keménységek és keménységvizsgálatok összehasonlítása

Az ipari alkalmazások a nyersanyagok és a kiegészítő anyagok széles választékát használják. Az anyagok tulajdonságainak átfogó ismerete abszolút előfeltétele annak, hogy ezeket a nyersanyagokat a meghatározott alkalmazási területeken felhasználhassák a műszaki környezetekben. A keménységi tesztek segítségével meghatározhatók az anyagok, például az acél alapvető anyagtulajdonságai, mint az anyag keménysége/vezetőképessége és erőssége. A keménység kritikus szerepet játszik az anyagok jellemzésében és minőség-ellenőrzésében. Az acél keménysége információt nyújt mechanikai tulajdonságairól, kopásállóságáról és adott alkalmazásokra való alkalmasságáról. Ebben az összefüggésben különböző keménységi tesztelési módszereket és skálákat fejlesztettek ki az acél keménységének pontos meghatározására és osztályozására. Ez a cikk áttekintést nyújt a szokásos keménységi vizsgálati módszerekről, és leírja az egyik lehetséges keménységi mérési eljárást. A keménység-összehasonlító táblázat lehetővé teszi az egyes módszerek által meghatározott értékek összehasonlítását.

A különböző keménységi tesztek összehasonlítása

A keménység tesztelése kritikus fontosságú az acéltermékek jellemzése és minőségellenőrzése szempontjából. Különböző keménységi tesztek léteznek, például a Brinell, Rockwell, Shore és Vickers szerinti tesztelés. A leggyakoribb módszer a keménység tesztelésére a Rockwell szerinti tesztelés.

Keménységvizsgáló készülék
Keménységvizsgáló készülék

Brinell-keménység

A Brinell keménységi teszt volt az első módszer, amely közvetlenül kitudta számítani az értékeket. A vizsgált anyag felszínét egy speciális vizsgálati erővel (F) összepréselik egy volfrám-karbidból készült szférikus keménységvizsgáló testtel. Ezután általában megmérik a lenyomat átmérőjét (d). A keménység kiszámításának menete:

HBW=\frac{2F \times 0,102}{\Pi \times D \times ({D}-\sqrt{D^{2}-d^{2}})}
  • D = A golyó átmérője
  • d = A lenyomat átmérője
  • F = Vizsgálathoz használt erő
  • Konverziós tényező 0,102 = Korábban a régi mértékegységet, kilofontot (kp) határozták meg a keménységekhez. Ezt ma már nem használják, és a konverziós tényezőt használják egy érték Newtonban való meghatározásához (1 kp 9,81 N-nek felel meg)

A gyakorlatban azonban a keménységet a mérőeszköz határozza meg, és nem kell kiszámítani. Ez minden eljárásra vonatkozik.

A Brinell szerinti keménységi teszteljárás szabványosított a DIN EN ISO 6506-1 szabvány szerint. Az alkalmazandó vizsgálati erőt táblázatok tartalmazzák. Általános szabály, hogy a tesztgolyó benyomásának a lehető legnagyobbnak kell lennie ahhoz, hogy a lehető legtöbb alkotóelemet észlelni lehessen.

A Brinell keménységi teszt olyan puha és közepesen kemény anyagokhoz használható, amelyek keménysége nem haladja meg a 650 HBW-t. Emellett terhelésfüggetlen is.

Vickers-keménység

A Vickers keménységi tesztmódszer hasonló a Brinell-módszerhez. A Brinell-tesztmódszer puha és közepes keménységű anyagokhoz alkalmas, de nagyon kemény anyagokhoz nem. Karbidgolyó helyett itt egy négyszögletes alapfelületű és 136°-os nyílásszögű gyémántpiramis használatos. A szöget a Brinell-keménységekkel való összehasonlításhoz választottuk ki.

A penetráló test alakja nagy erőkifejtést tesz lehetővé (alumínium-acél). Az eljárás előfeltétele a tesztminta minimális Smin. vastagsága. A mintának legalább 1,5-szeresének kell lennie az átlós lenyomat átlagos hosszának (1,5 x d), hogy a szonda ne hatolhasson át a mintalemezre. Itt is a DIN EN ISO 6507-1 szabvány biztosítja a minimális távolságot a tesztpontok vagy benyomások és a minta széle között, hogy az eredményeket ne befolyásolja a deformáció. A Vickers-keménység például a következő: 210 HV 40/30 (teszterő/teszt tartási időtartama). A következő képlettel számítható ki:

HV=\frac{2F \times sin \frac{136}{2}}{d^{2}} \times 0.102

A d2 értéket az első diagonális d1 és a második diagonális d2 hosszából számítjuk ki. Tekintse meg az alábbi ábrán a kiemelt területet. A d értékét az első lépésben kell kiszámítani:

d=\frac{d_1+d_2}{2}

A d2 számítása a következőképpen történik:

d^{2}= d \times d
Vickers szerinti keménységvizsgálat
Vickers szerinti keménységvizsgálat

Rockwell-keménység

A Rockwell-keménységet a Brinell-módszerhez hasonlóan például acélgolyóval, vagy a Vickers-módszerhez hasonlóan 120°-os szögű gyémántkúppal határozzák meg. A benyomódási mélységet és nem a lenyomat átmérőjét vesszük paraméterként. A módszertől függően a Rockwell-keménységet HRA-, HRB-, HRC- vagy HRF-értékként határozzák meg, ahol a HR a Rockwell keménységi tesztre vonatkozik, a betű pedig a módszert jelzi. A tesztmintát terhelés alá helyezik az alábbi erővel:

  • Rockwell A: Fv= 98,07 N, FZ = 490,3 N
    (Gyémántkúp, referenciamélység 0,2 mm – nagyon kemény anyagokhoz és karbidokhoz)
  • Rockwell B: Fv= 98,07 N, FZ = 882,6 N
    (Karbidgolyó, referenciamélység 0,2 mm – közepes keménységű anyagokhoz, pl. acélhoz és sárgarézhez)
  • Rockwell C: Fv= 98,07 N, FZ = 1373 N
    (Gyémántkúp, referenciamélység 0,2 mm – edzett acélokhoz)
  • Rockwell F: Fv= 98,07 N, FZ = 490,3 N
    (Karbidgolyó, referenciamélység 0,26 mm – vékony fémlemezhez, puha rézhez vagy puha sárgarézhez)

A vizsgálati eljárás a következő lehet:

Rockwell szerinti vizsgálati eljárás
Rockwell szerinti vizsgálati eljárás

Az első lépésben (1) a benyomóeszközt betöltik a teszt előtti erővel (Fv), és az eszköz kis mértékben behatol a mintába (referenciasík - - - vonal). A második lépésben (2) további teszterőt (FZ) fejtenek ki, és most már a teljes teszterő most hat a mintára. Az utolsó lépésben (3) a további teszterőt leveszik, és a tartós benyomódási mélység (h) most mérhető.

A gyémántkúpos számítás képlete a következő:

HRC, HRA = 100 - \frac{h}{S}

Az S a mérőóra méretosztályozásának felel meg (általában 100 beosztás 0,002 mm-nek felel meg).

A karbidgolyóval történő számítás képlete a következő:

HRB, HRF = 130 - \frac{h}{0.002}

Az, hogy melyik Rockwell-skála van kiválasztva, a következőktől függ: Az anyag keménysége, a munkadarab vastagsága, bármilyen megkeményedett felület (például nitrációs keményedés). A gyémántkúpot elsősorban edzett vagy keményített acélhoz, az acélgolyót pedig puhább anyagokhoz használják. A MISUMI üzletében megtalálja az Önnek megfelelő gyémánt behatolótestet.

Shore-keménység

A Shore-keménységtesztet elsősorban rugalmas anyagokhoz, például gumikhoz, műanyagokhoz, gélekhez vagy habokhoz használják. Itt is egy speciális tesztmintát nyomnak az anyagba egy meghatározott erővel. A benyomódási mélység a skálát jelöli. Hat különböző skála létezik:

  • Shore 00: nagyon puha anyagokhoz, például szilikonhoz, gélekhez.
  • Shore 0: puha, de kissé tartósabb anyagokhoz.
  • Shore A: közepes keménységű rugalmas anyagokhoz (pl. természetes gumi, szintetikus elasztomerek, rugalmas műanyagok, puha gumik)
  • Shore B: nagyobb merevségű rugalmas anyagokhoz (pl. keménygumi kompozitok)
  • Shore C: keményebb anyagokhoz (pl. hőre lágyuló elasztomerek, kemény műanyagok, edzett gumik)
  • Shore D: kemény elasztomerekhez és termoplasztikus anyagokhoz, mint például PPOM (polioximetilén), PE (polietilén) és PA (poliamidok)

A Shore A keménység és a Shore D keménység a legtöbb ipari felhasználási esetben releváns.

A Shore-keménység például durométerrel mérhető. Ezt kézzel rányomják a vizsgált objektumra, és az eszköz megjeleníti a megfelelő értéket. Ne feledje, hogy a durométerek egy Shore-skálát mutatnak, azaz vannak Shore durométerek stb. A durométerek ugyancsak megvásárolhatók a MISUMI üzletében.

Példa egy durométerre
Példa egy durométerre

Keménységkonverzió

Nincs megszabva, hogy melyik keménységi tesztet kell használni. Ezért a különböző iparágak és laboratóriumok különböző mérési módszereket alkalmaznak. A különböző keménységi szintek összehasonlítása érdekében a DIN EN ISO 18265 például egy keménységi összehasonlító táblázatot biztosít az ötvözetlen és alacsony ötvözésű acélhoz és öntött acélhoz:

Keménységi konverziós táblázat (SAEJ417) – 1983 felülvizsgálva – A Rockwell-keménységi C értékeinek hozzávetőleges konverziója acélra (*1)
(HRC)
Rockwell-keménységi skála C		 (HV)
Vickers-keménység		 Brinell-keménység (HB)
10 mm-es golyó, terhelés 3000 kgf		 Rockwell-keménység (*3) Rockwell kemény gyémántkúp-penetrátor (Hs)
Shore-keménység		 Szakítószilárdság (körülbelüli érték)
Mpa
(kgf/mm2)(*2)		 Rockwell-keménység
C skála
(*3)
Standard gömb volfrám-karbid golyó (HRA)
A skála,
Terhelés: 60 kgf,
Gyémántkúp
Penetrátor		 (HRB)
B skála,
Terhelés: 100 kgf,
Átm. 1.6 mm
(1/16 in.) gömb		 (HRD)
D skála,
Terhelés: 100 kgf,
Gyémántkúp-penetrátor		 15-N
skála,
Terhelés 15 kgf		 30-N
skála,
Terhelés 30 kgf		 45-N
skála,
Terhelés 45 kgf
68 940 − − 85.6 − 76.9 93.2 84.4 75.4 97 − 68
67 900 − − 85 − 76.1 92.9 83.6 74.2 95 − 67
66 865 − − 84.5 − 75.4 92.5 82.8 73.3 92 − 66
65 832 − (739) 83.9 − 74.5 92.2 81.9 72 91 − 65
64 800 − (722) 83.4 − 73.8 91.8 81.1 71 88 − 64
63 772 − (705) 82.8 − 73 91.4 80.1 69 9 87 − 63
62 746 − (688) 82.3 − 72.2 91.1 79.3 68.8 85 − 62
61 720 − (670) 81.8 − 71.5 90.7 78.4 67.7 83 − 61
60 697 − (654) 81.2 − 70.7 90.2 77.5 66.6 81 − 60
59 674 − (634) 80.7 − 69.9 89.8 76.6 65.5 80 − 59
58 653 − 615 80.1 − 69.2 89.3 75.7 64.3 78 − 58
57 633 − 595 79.6 − 68.5 88.9 74.8 63.2 76 − 57
56 613 − 577 79 − 67.7 88.3 73.9 62 75 − 56
55 595 − 560 78.5 − 66.9 87.9 73 60.9 74 2075 (212) 55
54 577 − 543 78 − 66.1 87.4 72 59.8 72 2015 (205) 54
53 560 − 525 77.4 − 65.4 86.9 71.2 58.5 71 1950 (199) 53
52 544 (500) 512 76.8 − 64.6 86.4 70.2 57.4 69 1880 (192) 52
51 528 (487) 496 76.3 − 63.8 85.9 69.4 56.1 68 1820 (186) 51
50 513 (475) 481 75.9 − 63.1 85.5 68.5 55 67 1760 (179) 50
49 498 (464) 469 75.2 − 62.1 85 67.6 53.8 66 1695 (173) 49
48 484 451 455 74.7 − 61.4 84.5 66.7 52.5 64 1635 (167) 48
47 471 442 443 74.1 − 60.8 83.9 65.8 51.4 63 1580 (161) 47
46 458 432 432 73.6 − 60 83.5 64.8 50.3 62 1530 (156) 46
45 446 421 421 73.1 − 59.2 83 64 49 60 1480 (151) 45
44 434 409 409 72.5 − 58.5 82.5 63.1 47.8 58 1435 (146) 44
43 423 400 400 72 − 57.7 82 62.2 46.7 57 1385 (141) 43
42 412 390 390 71.5 − 56.9 81.5 61.3 45.5 56 1340 (136) 42
41 402 381 381 70.9 − 56.2 80.9 60.4 44.3 55 1295 (132) 41
40 392 371 371 70.4 − 55.4 80.4 59.5 43.1 54 1250 (127) 40
39 382 362 362 69.9 − 54.6 79.9 58.6 41.9 52 1215 (124) 39
38 372 353 353 69.4 − 53.8 79.4 57.7 40.8 51 1180 (120) 38
37 363 344 344 68.9 − 53.1 78.8 56.8 39.6 50 1160 (118) 37
36 354 336 336 68.4 -109 52.3 78.3 55.9 38.4 49 1115 (114) 36
35 345 327 327 67.9 -108.5 51.5 77.7 55 37.2 48 1080 (110) 35
34 336 319 319 67.4 -108 50.8 77.2 54.2 36.1 47 1055 (108) 34
33 327 311 311 66.8 -107.5 50 76.6 53.3 34.9 46 1025 (105) 33
32 318 301 301 66.3 -107 49.2 76.1 52.1 33.7 44 1000 (102) 32
31 310 294 294 65.8 -106 48.4 75.6 51.3 32.7 43 980 (100) 31
30 302 286 286 65.3 -105.5 47.7 75 50.4 31.3 42 950 (97) 30
29 294 279 279 64.7 -104.5 47 74.5 49.5 30.1 41 930 (95) 29
28 286 271 271 64.3 -104 46.1 73.9 48.6 28.9 41 910 (93) 28
27 279 264 264 63.8 -103 45.2 73.3 47.7 27.8 40 880 (90) 27
26 272 258 258 63.3 -102.5 44.6 72.8 46.8 26.7 38 860 (88) 26
25 266 253 253 62.8 -101.5 43.8 72.2 45.9 25.5 38 840 (86) 25
24 260 247 247 62.4 -101 43.1 71.6 45 24.3 37 825 (84) 24
23 254 243 243 62 100 42.1 71 44 23.1 36 805 (82) 23
22 248 237 237 61.5 99 41.6 70.5 43.2 22 35 785 (80) 22
21 243 231 231 61 98.5 40.9 69.9 42.3 20.7 35 770 (79) 21
20 238 226 226 60.5 97.8 40.1 69.4 41.5 19.6 34 760 (77) 20
(18) 230 219 219 − 96.7 − − − − 33 730 (75) (18)
(16) 222 212 212 − 95.5 − − − − 32 705 (72) (16)
(14) 213 203 203 − 93.9 − − − − 31 675 (69) (14)
(12) 204 194 194 − 92.3 − − − − 29 650 (66) (12)
(10) 196 187 187 − 90.7 − − − − 28 620 (63) (10)
(8) 188 179 179 − 89.5 − − − − 27 600 (61) (8)
(6) 180 171 171 − 87.1 − − − − 26 580 (59) (6)
(4) 173 165 165 − 85.5 − − − − 25 550 (56) (4)
(2) 166 158 158 − 83.5 − − − − 24 530 (54) (2)
(0) 160 152 152 − 81.7 − − − − 24 515 (53) (0)
Megjegyzés
(*1) Kiemelt számok: Az ASTM E 140, 1. táblázat alapján (a SAE, ASM és ASTM közös koordinálása mellett).
(*2) A zárójelben látható mértékegységek és számok a psi számokból való átváltás eredményei a JIS Z 8413 és Z 8438 átváltási táblázatainak felhasználásával. 1 MPa = 1 N/mm2
(*3) A zárójelben látható számok nem gyakran használt tartományokban vannak. Ezek csak tájékoztató jellegűek.

Keménységmérési eljárás

A keménységmérési eljárás a következő lehet: A tesztelés előtt a mintát elő kell készíteni. A felületi szennyeződéseket csiszolással el kell távolítani, és a mintát meg kell tisztítani. A tesztmintát ezután a mintalemezre helyezik, és addig mozgatják, amíg el nem éri a kívánt helyet. Fontos, hogy ne tesztelje túl közel a szélekhez, mivel a deformáció hamis eredményekhez vezethet. Az ellenőrzőoptika használható annak észlelésére, hogy a pozíció mikor van megfelelően beállítva (a kép élessé válik). A tesztminta most a síkkal párhuzamosan van befogva, és a teszt elkezdhető. A meghatározott vizsgálati erő lassan, de egyenletesen kerül alkalmazásra a kar működtetésével. Ideális esetben a végső értéket 2 és 8 másodperc között éri el, majd legfeljebb 15 másodpercig kell tartani. A kart most óvatosan visszatolják a nyomás megszüntetéséhez.

Hagyományos vizsgáló készülék
Hagyományos vizsgáló készülék

Az ilyen mérések azonban a mindennapi életben nem nagyon praktikusak, mivel a keménységet néha közvetlenül az anyagon is ellenőrzik. Ebből a célból mobil mérőeszközök is rendelkezésre állnak, amelyek közvetlenül a helyszínen használhatók:

Keménységmérés közvetlenül az alkatrészen
Keménységmérés közvetlenül az alkatrészen

A különböző keménységi tesztek alkalmazhatósága

A következő táblázat összehasonlítja az eljárásokat:

A keménység vizsgálati eljárása
Vizsgálati eljárás (standard) Alkalmazandó anyagok Meghatározó változók Tulajdonságok Megjegyzések
Brinell-keménység
(DIN EN ISO 6506-1)		 Puha vagy közepes keménységű anyagok

pl. nem vastartalmú fémek, inhomogén anyagok, lágy fémek, lágyacélok		 F vizsgálati erő N-ban
Gömbátmérő mm-ben
Benyomódás átmérője mm-ben		 – inhomogén és porózus anyagokhoz, például szürkeöntvényhez vagy kovácsolt termékekhez alkalmas, mivel a mélyedés nagy.
– nem alkalmas kis vagy vékony mintákhoz
– nem alkalmas kemény és nagyon kemény anyagokhoz		 JIS Z 2243
Rockwell-keménység
(DIN EN ISO 6508-1)		 vizsgálati gömbbel: Műanyagok, szén és puha-közepes keményfémek

gyémántkúppal (HRC): kemény vagy nagyon kemény anyagok		 F vizsgálati erő N-ban
Az adott vizsgálati minta behatolási mélysége mm-ben a módszer szerint
(HRA, HRB, HRC, HRF)		 – a keménység értéke gyorsan meghatározható.
– alkalmas a már elkészített termékek időközi vizsgálatára
– a Rockwell-keménység különböző típusait kell figyelembe venni		 JIS Z 2245
Shore-keménység
(DIN ISO 7619-1)		 Elasztomerek vagy hőre lágyuló elasztomerek

pl. habok, gumi, puha, közepes vagy kemény műanyagok

F vizsgálati erő N-ban
Az adott tesztminta behatolási mélysége a skála szerint
(Shore 00, Shore 0, Shore A, Shore B, Shore C, Shore D)		 – könnyen kivitelezhető
– az adatok gyorsan meghatározhatók
– a vizsgálandó anyagnak vízszintes, sima felülettel kell rendelkeznie
– a vizsgálandó anyagot standardizált hőmérsékleten kell tárolni
– a környezeti hőmérsékletnek és páratartalomnak állandónak kell lennie, és figyelembe kell venni a várakozási időt is
– a mélyedés kicsi és alkalmas a már elkészült termékek vizsgálatára
– kompakt és könnyű, hordozható
– a mérlegek különböző nyomáscsapokat és erőket alkalmaznak		 JIS Z 2246
Vickers-keménység
(DIN EN ISO 6507-1)		 Puha, közepes keménységű vagy nagyon kemény anyagok (fémek és kerámia)

pl. olyan anyagok, amelyek rétegkeményítettek indukciós keményítéssel, karbonizációval, nitrálással, galvanikus vagy kerámiabevonattal stb.		 F vizsgálati erő N-ban
A két benyomódási átló számtani átlaga mm-ben
– a benyomóeszköz gyémántból készült, így bármilyen keménységű anyag vizsgálható
– porózus anyagokhoz nem alkalmas
homogén mikroszerkezet szükséges
 JIS Z 2244

Függetlenül attól, hogy melyik eljárást választja: A MISUMI üzletében számos keménységmérőt talál.

Az acél keménysége

Az acél keménységi foka azt jelzi, hogy az anyag mennyire ellenálló az anyagdeformációval vagy -penetrációval szemben. Ez az acél keménységének (a test penetrációja ellen) vagy erősségének (meghibásodás vagy visszafordíthatatlan deformáció ellen) mérése. Az acél különböző keménységi szintjei célzott hőkezeléssel érhetők el. A kívánt tulajdonságokkal rendelkező új struktúra az anyagrészecskék áthelyezésével, beépítésével vagy eltávolításával jön létre:

  • Áthelyezés: izzítás, edzés, keményítés, edzés, polimerizáció
  • Beépítés: Porlasztás, nitridálás
  • Eltávolítás: Széntelenítés (edzés)

A különböző acélkeménységek hatása

A legfinomabb összetételű ötvözetek közvetlenül befolyásolják a keményedés és keményedési folyamatok lehetőségeit. A felhasználóknak mindig mérlegelniük kell a keménységet és a képlékenységet. A különböző acélminőségek megfelelő edzési képességének vannak előnyei és hátrányai is. Ahhoz, hogy megtalálja a rendeltetésének megfelelő acélt, ezeket a képességeket gondosan mérlegelni kell. Az acél keménysége a következő hatással lehet:

A keménység növekedésének hatása a képlékenységre és a megmunkálhatóságra

Az acél keménysége befolyásolja a képlékenységet és a megmunkálhatóságot. A képlékenység azt írja le, hogy egy anyag mennyire képes meghibásodás nélkül ellenállni a feszültségnek (pl. hirtelen ütés vagy ütés).

A lágyabb acél képlékenyebb, mint a keményebb acél. Ezért könnyebb deformálni és megmunkálni. A keményebb acél viszont törékeny, és nagy terhelés esetén gyorsabban törik. Ugyanakkor jobban ellenáll a kopásnak és a behatolásnak.

Az alábbi ábra áttekintést nyújt a keménységről, a képlékenységről és mindkettő interakciójáról a különböző acélminőségek esetén:

Szerkezeti acél (acélszerkezetekhez használt acél) Keménység - + Tartósság Szénacél (ötvözetlen hidegen munkált acél), gépi szerkezeti acél, edzett acél Acél (erős ötvözet), szerszámacél hidegalakításhoz, szerszámacél melegalakításhoz HSS (nagy sebességű acél) + -

A keménység és a képlékenység kölcsönhatása

Míg a bal oldali keménység a szerkezeti acél felé csökken, a jobb oldali képlékenység egyszerre növekszik.

Az acél keménysége a szerszámválasztást is befolyásolja. A keményebb acél gyorsabb szerszámkopást eredményez. A kopás tipikus jelei a penge tompulása vagy károsodása. Ezenkívül az edzett acél megmunkálásakor a vágási feltételeket esetleg módosítani kell, pl. alacsonyabb vágási sebességek. A vágási sebesség és a vágási feltételek módosítása mellett speciális célú maró- és vágóeszközöket kell használni az acél keménységétől függően. Ebből a célból a MISUMI üzlete számos szerszámot kínál a megmunkálási folyamatokhoz.