Tvrdost kovu: co to je a jak se měří

Rockwellova metoda je metoda pro testování tvrdosti materiálů. Tato metoda je pro svou jednoduchost nejrozšířenější a je založena na pronikání pevného hrotu do materiálu a měření hloubky průniku.

Rockwellovy stupnice tvrdosti

Existuje 11 Rockwellových stupnic tvrdosti (A; B; C; D; E; F; G; H; K; N; T), založených na kombinaci indentoru (hrotu) – zatížení. Dva nejběžněji používané typy indentorů jsou 1/16 palce (1,5875 mm) kulička z karbidu wolframu nebo kulička z kalené oceli a 120° kuželový diamantový hrot. Možné zatížení je 60, 100 a 150 kgf. Hodnota tvrdosti je určena jako relativní rozdíl v hloubce vniknutí indentoru při aplikaci hlavního a předběžného (10 kgf) zatížení.

Pro označení tvrdosti stanovené Rockwellovou metodou se používá symbol HR, ke kterému je přidáno písmeno označující stupnici, na které byly zkoušky provedeny (HRA, HRB, HRC).

Nejpoužívanější Rockwellovy stupnice tvrdosti

Vzorce pro stanovení tvrdosti

Čím tvrdší materiál, tím menší hloubka do něj hrot pronikne. Aby se zajistilo, že vyšší tvrdost materiálu nebude mít za následek vyšší číslo tvrdosti podle Rockwella, je zavedena konvenční hloubková stupnice, která jako jeden dílek bere hloubku rovnou 0.002 mm. Při zkoušení s diamantovým kuželem je maximální hloubka průniku 0.2 mm nebo 0.2 / 0.002 = 100 dílků, při testování s kuličkou – 0.26 mm nebo 0.26 / 0.002 = 130 dílků. Vzorce pro výpočet hodnoty tvrdosti tedy budou vypadat takto:

• při měření na stupnici A (HRA) a C (HRC):
  
  Rozdíl představuje rozdíl v hloubce ponoru indentoru (v milimetrech) po odstranění hlavního zatížení a před jeho aplikací (s předpětím).
• při měření podle stupnice B (HRB):
  

Provedení testu

• Zvolte měřítko vhodné pro testovaný materiál (A, B nebo C).
• Nainstalujte příslušnou vložku a vložte ji.
• Před zahájením testování by měly být provedeny dva nepočítané otisky, aby bylo zajištěno, že hrot a stůl jsou správně usazeny.
• Umístěte referenční blok na stůl přístroje.
• Použijte předpětí 10 kgf a resetujte váhu.
• Aplikujte hlavní zatížení a počkejte, dokud nevyvinete maximální úsilí.
• Odstraňte zátěž.
• Odečtěte hodnotu tvrdosti na číselníku pomocí vhodné stupnice (digitální zařízení zobrazuje hodnotu tvrdosti na obrazovce).
• Postup kontroly tvrdosti zkušebního vzorku je stejný jako u referenčního bloku. Při kontrole hromadných výrobků je povoleno provést jedno měření na vzorek.

Faktory ovlivňující přesnost měření

• Důležitým faktorem je tloušťka vzorku. Zkoušení vzorků s tloušťkou menší než desetinásobek hloubky vniknutí hrotu není povoleno.
• Minimální vzdálenost mezi tisky je omezena (3 průměry mezi středy nejbližších tisků).
• Zabraňuje paralaxe při čtení výsledků z číselníku.

Porovnání stupnic tvrdosti

Jednoduchost Rockwellovy metody (hlavně absence potřeby měřit průměr vtisku) vedla k jejímu širokému použití v průmyslu pro testování tvrdosti. Rovněž není vyžadována vysoká čistota měřeného povrchu (například metody Brinell a Vickers zahrnují měření tisku pomocí mikroskopu a vyžadují leštění povrchu). Nevýhodou Rockwellovy metody je nižší přesnost oproti metodám Brinell a Vickers. Mezi hodnotami tvrdosti naměřenými různými metodami existuje korelace (viz obrázek – převod jednotek tvrdosti HRB na tvrdost podle Brinella pro hliníkové slitiny). Závislost je nelineární. Existují regulační dokumenty, které poskytují srovnání hodnot tvrdosti měřených různými metodami (například ASTM).

Hodnocení mechanických vlastností zkouškami tvrdosti

Vztah mezi výsledky zkoušek tvrdosti a pevnostními charakteristikami materiálů byl studován takovými lidmi, jako jsou atd. Pro stanovení meze kluzu se používají metody založené na výsledcích zkoušek vtiskové tvrdosti. Takový vztah byl zjištěn například u vysoce chromovaných nerezových ocelí po různých podmínkách tepelného zpracování. Průměrná odchylka pro kuželový diamantový indentor byla pouze +0,9 %. Byl proveden výzkum s cílem najít vztah mezi hodnotami tvrdosti a dalšími tahovými vlastnostmi, jako je pevnost v tahu, poměr kontrakce a skutečná lomová pevnost.

Tvrdost kovů je kvalita, která ovlivňuje vše od každodenního použití až po high-tech aplikace. Od automobilů po mosty hraje tvrdost kovů rozhodující roli v odolnosti a funkčnosti. Ale co je tvrdost ve skutečnosti a jak ji změříme?

Pojem tvrdosti

• Odolnost vůči deformaci: Tvrdost přímo souvisí s odolností materiálu vůči trvalé nebo dočasné deformaci.
• Odolnost proti opotřebení: Vysoká tvrdost často koreluje s odolností materiálu vůči oděru.
• Odolnost proti poškození: Tvrdé materiály jsou odolnější vůči vnějšímu poškození, jako jsou škrábance nebo promáčkliny.

Složení kovu a jeho tepelné zpracování může výrazně ovlivnit tvrdost. Například přidání uhlíku do železa zvyšuje tvrdost oceli a tepelné zpracování, jako je kalení, může toto číslo dále zvýšit.

Jednotky měření tvrdosti

K měření tvrdosti kovů se používají různé stupnice, z nichž každá má své vlastní charakteristiky a používá se v závislosti na druhu materiálu a zkušebních podmínkách.

Brinellova stupnice (HB)

• Popis: Používá ocelovou nebo tvrdokovovou kuličku, která je vtlačena do povrchu materiálu pod určitou zatěžovací silou.
• Použití: Široce používané pro měření tvrdosti měkkých a středně tvrdých kovů.

Vickersova stupnice (HV)

• Popis: Zahrnuje zalisování diamantového jehlanu s vrcholovým úhlem 136 stupňů do materiálu.
• Použití: Vhodné pro měření tvrdosti měkkých i velmi tvrdých materiálů včetně tenkých povlaků.

Rockwellova stupnice (HRC, HRB)

• Popis: Na základě měření hloubky průniku diamantového kužele (HRC) nebo ocelové kuličky (HRB) do materiálu.
• Použití: Používá se pro rychlé a pohodlné měření tvrdosti ve výrobě, zejména u hotových výrobků.

Tvrdost obecných kovů a slitin

Tvrdost kovů a slitin je kritickým parametrem, který ovlivňuje jejich použití v různých průmyslových oblastech. Od leteckého průmyslu po stavebnictví, od lékařských přístrojů po domácí spotřebiče závisí výběr kovu nebo slitiny do značné míry na jeho tvrdosti.

Neželezné kovy

Neželezné kovy, jako je měď, hliník, titan, nikl a zinek, mají různé úrovně tvrdosti, které lze upravit přidáním legujících prvků nebo tepelným zpracováním.

• Hliník je lehký a relativně měkký kov s tvrdostí podle Brinella (HB) obvykle v rozmezí 15-90 HB. Díky nízké hustotě a dobré plasticitě je ideální pro aplikace v leteckém, automobilovém a obalovém průmyslu. Hliník má také vynikající odolnost proti korozi a vodivost. Hliníkové slitiny lze vyrobit podstatně tvrdší než čistý kov přidáním prvků, jako je měď, hořčík nebo zinek.
• Měď je další důležitý neželezný kov s tvrdostí asi 35 HB v čisté formě. Má vynikající elektrickou a tepelnou vodivost, takže je nezbytný pro elektrotechnický průmysl. Slitiny mědi jako je mosaz (slitina mědi a zinku) a bronz (slitina mědi a cínu) mají vyšší tvrdost (až 150 HB) a používají se ve stavebnictví, hudebních nástrojích a dekoračních předmětech.
• Titan vyniká mezi neželeznými kovy vysokou tvrdostí a pevností při relativně nízké hustotě. Tvrdost titanu může dosáhnout 160 HV a vyšší v závislosti na slitině a tepelném zpracování. Tento kov má vysokou odolnost proti korozi a biokompatibilitu, takže je ideální pro použití v leteckém průmyslu, medicíně (například pro výrobu implantátů) a vojenských aplikacích.

Železné kovy

Železné kovy, včetně železa a jeho slitin, jsou obecně tvrdší než neželezné kovy.

• Železo ve své čisté formě má relativně nízkou tvrdost, asi 80 HB (na Brinellově stupnici). Jeho největší význam však spočívá ve schopnosti tvořit slitiny, především různé druhy ocelí, což výrazně zvyšuje jeho tvrdost a mechanické vlastnosti.
• Tvrdost uhlíkové oceli závisí na obsahu uhlíku: čím vyšší obsah, tím tvrdší ocel. Například nízkouhlíkové oceli mají tvrdost kolem 120-150 HB, zatímco vysoce uhlíkové oceli mohou dosáhnout hodnot 600 HB a vyšších, zejména po tepelném zpracování, jako je kalení.
• Přidání legujících prvků, jako je chrom, nikl, molybden, vanad a další, umožňuje dodatečné zvýšení tvrdosti a dalších mechanických vlastností oceli. Například nerezové oceli obsahující chrom mají tvrdost 150 až 600 HB v závislosti na složení a zpracování. Legované oceli se používají ve vysoce zatěžovaném a agresivním prostředí, např. v energetice, chemickém průmyslu a stavebnictví.
• Litina, další důležitá slitina na bázi železa, se dodává v různých jakostech s různým stupněm tvrdosti. Bílá litina má vysokou tvrdost (až 400-450 HB), zatímco šedá litina je měkčí a odolná proti oděru.

• Inconel: Slitina na bázi niklu známá svou vysokou teplotní odolností, má tvrdost kolem 200-250 HV.
• Hastelloy: Další slitina niklu používaná v extrémních podmínkách, s tvrdostí asi 230 HV.

Význam tvrdosti v aplikacích

Tvrdost kovu přímo ovlivňuje jeho schopnost odolávat mechanickému namáhání, otěru a korozi. Vysoká tvrdost je často doprovázena nižší tažností a houževnatostí, se kterou je nutné počítat při navrhování dílů. Například tvrdé slitiny jsou ideální pro řezné nástroje, zatímco měkčí kovy jsou vhodnější pro tváření a ohýbání.

Tvrdost kovů a slitin je multifaktoriální parametr, který závisí na složení, mikrostruktuře, zpracování a provozních podmínkách. Pochopení a správné použití tohoto parametru je rozhodující pro výběr vhodného materiálu pro konkrétní aplikaci.

Vliv tepelného zpracování na tvrdost

Základní procesy tepelného zpracování jako žíhání, kalení a popouštění mají významný vliv na mikrostrukturu kovů, což má za následek změny jejich tvrdosti a dalších vlastností.

• Žíhání je proces zahřívání kovu na určitou teplotu, po kterém následuje pomalé ochlazování. Tento proces se používá ke snížení vnitřních pnutí, zlepšení tažnosti a snížení tvrdosti. Například žíhaná ocel snižuje její tvrdost a zvyšuje její plasticitu, což usnadňuje mechanické zpracování. Tvrdost žíhané uhlíkové oceli se obvykle pohybuje v rozmezí 120-150 HB.
• Kalení je proces, při kterém se kov zahřeje na vysokou teplotu a poté se rychle ochladí, obvykle ve vodě, oleji nebo jiném médiu. Tento proces má za následek tvorbu martenzitu, tvrdé a křehké fáze v oceli, která výrazně zvyšuje její tvrdost. Například tvrdost oceli s vysokým obsahem uhlíku po kalení může dosáhnout 600-700 HB.
• Temperování je proces, při kterém se kalený kov zahřeje na teplotu pod kritickou teplotou a poté se pomalu ochladí. Tento proces se používá ke snížení křehkosti kaleného kovu, zvýšení jeho houževnatosti a tažnosti při částečném zachování zvýšené tvrdosti. Například zušlechtěná ocel má tvrdost v rozmezí 200-600 HB v závislosti na teplotě popouštění a složení oceli.

Metody měření tvrdosti

Měření tvrdosti kovů je klíčovým procesem v metalurgii a nauce o materiálech, protože nám umožňuje posoudit jejich schopnost odolávat deformaci, otěru a dalším typům mechanického nárazu. Existuje několik metod měření tvrdosti, z nichž každá má své vlastní charakteristiky a používá se v závislosti na typu kovu a požadované přesnosti.

Brinellův test

Brinellova zkouška je jednou z nejstarších a nejčastěji používaných metod měření tvrdosti. Tato metoda zahrnuje vtlačení ocelové nebo karbidové kuličky standardní velikosti (obvykle o průměru 10 mm) do kovového povrchu při specifikované zatěžovací síle. Tvrdost podle Brinella (HB) se vypočítá jako poměr působícího zatížení k ploše vtisku. Tato metoda je ideální pro měkké až středně tvrdé kovy jako je surový hliník, bronz, železo.

Vickersův test

Vickersův test používá diamantovou pyramidu s vrcholovým úhlem 136 stupňů. Při zatížení je tato pyramida vtlačena do povrchu kovu. Tvrdost podle Vickerse (HV) je definována jako poměr aplikovaného zatížení k ploše prohlubně zanechané pyramidou. Tato metoda je vhodná pro měření tvrdosti jak velmi měkkých, tak velmi tvrdých materiálů, včetně tenkých povlaků a povrchů s vysokou přesností.

Rockwellův test

Rockwellova metoda je rychlejší a méně destruktivní způsob měření tvrdosti. Jedná se o použití diamantového kužele (pro tvrdé materiály stupnice HRC) nebo ocelové kuličky (u měkčích materiálů stupnice HRB). Tvrdost podle Rockwella se určuje na základě hloubky vniknutí indentoru (hrotu) při dané zatěžovací síle. Tato metoda je preferována pro hotové výrobky a součásti, protože má minimální dopad na zkušební vzorek.

Výběr metody měření tvrdosti kovů a slitin

Volba metody měření tvrdosti kovů a slitin je klíčovým krokem k zajištění přesnosti a spolehlivosti výsledků. Závisí na řadě faktorů včetně vlastností materiálu, jeho stavu, tloušťky vzorku a požadované přesnosti měření.

Typ kovu nebo slitiny

• Měkké kovy (např. hliník, měď): Pro tyto kovy jsou vhodné metody testování s nižší zátěží a větší plochy, jako je Brinellův test.
• Tvrdé slitiny (např. kalená ocel, slinuté karbidy): Zde je vhodné použít metody schopné měřit vysokou tvrdost, jako je Rockwellův nebo Vickersův test.

• Lité materiály: Mají nestejnoměrnou strukturu, což může vyžadovat metody schopné kompenzovat tuto nerovnoměrnost, jako je Brinellovo testování.
• Kované nebo obráběné materiály: Jednotnější, což umožňuje použití přesnějších metod, jako je testování podle Vickerse nebo Rockwella.

• Tenké vzorky a povrchové nátěry: Vyžadujte metody s nízkým nárazem, aby nedošlo k poškození materiálu. Vickersův test může být v tomto případě nejvhodnější.
• Tlusté, masivní vzorky: Mohou být testovány jakoukoli metodou včetně Rockwell a Brinell, protože hloubka vniknutí indentoru nebude mít významný vliv na materiál.

Požadovaná přesnost měření

• Vysoká přesnost: Vickersův test zajišťuje vysokou přesnost měření i na malých plochách a je vhodný pro výzkum a laboratorní testování.
• Standardní průmyslová přesnost: Metody Rockwell a Brinell jsou vhodné pro rychlá, méně přesná měření často používaná ve výrobních prostředích.

• Nehomogenita materiálu: Některé metody se lépe vyrovnávají s nehomogenitou materiálu, zatímco jiné mohou poskytovat nepřesné výsledky.
• Destruktivní nebo nedestruktivní povaha testování: Například Rockwellův test je považován za méně destruktivní než Brinellův test.

Při výběru metody zkoušení tvrdosti je důležité zvážit všechny tyto faktory, aby bylo zajištěno co nejpřesnější a nejspolehlivější měření, které bude vyhovovat potřebám konkrétní aplikace.

Zveřejněno 03.11.2023
Máte nějaké dotazy? Rádi na ně odpovíme!

Vaše přihláška byla úspěšně odeslána.
Brzy vás budeme kontaktovat

Něco se pokazilo. Zkus to znovu

• I-nosník: výroba, klasifikace a výhody 30 I-nosník je klíčovým prvkem v moderním stavebnictví a strojírenství. Díky své všestrannosti a odolnosti se používá v různých projektech, od mostů až po výškové budovy.
• Profilová trubka: typy, klasifikace a výhody 19 Plech PVL není jen kov, je to příležitost, jak dodat vašim projektům jedinečnost a spolehlivost. Zjistěte, jak může tento materiál změnit vaše nápady a proč je tak populární po celém světě.
• Co je tahokov (PVL) 11. 07. 2024 Plech PVL není jen kov, je to příležitost, jak dodat vašim projektům jedinečnost a spolehlivost. Zjistěte, jak může tento materiál změnit vaše nápady a proč je tak populární po celém světě.

© 2009 — 2025 Metallinvest — válcování kovů v Petrohradu

196084, Petrohrad, Ligovský pr. 254 lit. V úřadu. 300