I praksis er det kun de statiske og i nogen grad de dynamiske metoder, som er standardiserede i en sådan grad, at de er universelle.

Transkript

1 C 3 Hårdhedsmåling Peter H. Gundel Bodycote Varmebehandling A/S Hårdhed er et særligt begreb, knap nok en egenskab, hvilket også afspejler sig i de forskellige opfattelser, der er af den ud fra den givne synsvinkel, den betragtes fra. I metalindustrien opfattes hårdhed som evnen til at modstå plastisk deformation; for metallurgen er hårdhed et materiales evne til at modstå indtrængning. Konstruktøren opfatter den som et udtryk for flydespændingen, mineralogen ser den som ridsemodstand, og for den, som arbejder med bearbejdning, er den et udtryk for bearbejdelighed. Traditionelt tilskrives indførelsen af hårdhedsmåling en svensk jernbaneingeniør ved navn Brinell, som havde brug for en metode til at kontrollere kvaliteten af leverede jernbaneskinner. Han fandt på at trykke en kuglelejekugle fra et jernbanehjulleje ned i overfladen med en kendt kraft, og ved at normere arealet af det efterladte mærke med kraften fremkom en størrelse, som toges til indtægt for at udtrykke materialets hårdhed. Interessant nok er standardstørrelsen på kuglen på Ø10mm bevaret frem til moderne standarder for hårdhedsmåling. Hårdhedsmålemetoder Statisk prøvning: En kugle, kegle eller pyramide trykkes ned i materialet, som skal prøves. Det resulterende mærke kvantificeres enten som det projekterede areal eller ved et udtryk for dybden af det fremkomne mærke. F.eks. Brinell-, Rockwell-, Vickers- og Knoop-metoderne. Dynamisk prøvning: Et legeme med en standardiseret masse, form og størrelse skydes imod det prøvede materiales overflade. Jo mere energi der kan føres tilbage til det indskudte legeme, jo større hastighed vil det springe tilbage med, og jo mindre af energien er følgelig gået til plastisk deformation. F. eks. Leeb og Scleroskop. Ridseprøvning: Ideen her er, at et hårdere materiale kan ridse et mindre hårdt. Ved at have et udvalg af materialer at ridse med kan en given prøves hårdhedsniveau fastlægges. F.eks. Mohs og fileprøvning. Herudover findes der et antal andre mere eller mindre fantasifulde metoder til at fastlægge en størrelse, som kan give et udtryk for et givet materiales hårdhed. I praksis er det kun de statiske og i nogen grad de dynamiske metoder, som er standardiserede i en sådan grad, at de er universelle. Brinell: Som tidligere nævnt er indtrykslegemet her kugleformet. I princippet er en Brinellhårdhedsprøver enkel i sin opbygning. Som oftest kommer kraften fra en vægt, som via en 1

2 hydraulisk eller mekanisk udveksling bringes til det ønskede niveau. Normalt kan kraften varieres ved, at man kan fjerne eller tillægge dele af vægten. Efter at man har lavet indtrykkene med den ønskede kraft, sker opmålingen af dem normalt med et målemikroskop med indbygget skala for at opmåle diameteren på det fremkomne indtryk. Fig. 1. Eksempel på et Brinell-hårdhedsmåleapparat. I praksis er der imidlertid et antal forbehold at tage ved Brinell-måling. Hvis f.eks. det målte materiale er meget hårdt, vil kontaktoverfladen på kuglen være lille og det må påregnes, at der vil ske en elastisk deformation af kuglen, som vil medføre, at der efterlades et større mærke, end hvis kuglen ikke havde deformeret. Hvis det målte materiale på den anden side er meget blødt, vil kuglen synke dybt, og ved dybder, som nærmer sig den halve diameter på kuglen, vil dybere indtryk kun i ringe grad forøge diameteren på det fremkomne indtryk. Alt i alt kan man altså kun bruge Brinell-målingen, når indtrykket får en passende størrelse. Der er derfor i standarderne for Brinell-måling begrænsninger for, hvilke belastninger og kuglestørrelser der passer til et givet materiale med en given hårdhed. Som en konsekvens af dette anvendes både kugler af hærdet stål og kugler af hårdmetal (sintret Wolframkarbid). Dette angives ved måling ved at lade enheden efterfølges af S og W: HBS henholdsvis HBW. Den måde, et givet materiale deformerer på ved Brinell-måling, har også indflydelse på det fundne resultat. Som eksempler på deformationsmåder ved Brinell-hårdhedsmåling ses fig. 2. Fig. 2. Snit i 3 typer Brinell-indtryk: a) krater-type, b) synke-type, c) flad-type. 2

3 Som det fremgår af fig. 2, er der udover den egentlige forskel i diameteren også en klar forskel i, hvor let det er at bestemme diameteren af det fremkomne indtryk. Ved anisotrope materialer vil indtrykket ofte ikke være rundt, men have et element af ovalitet. Man kompenserer for dette ved at måle 2 eller flere diametre på det fremkomne indtryk og bestemme en gennemsnitlig diameter, som efterfølgende anvendes til at bestemme hårdheden med. I praksis beregner man ikke arealet af det fremkomne indtryk, men anvender en tabel, hvor man går ind med den anvendte kuglestørrelse, belastning og fundne diameter. Som ved andre hårdhedsmålemetoder er resultatet helt grundlæggende afhængigt af præparationen af prøven samt af, om den foretagne måling er sket på et sted, som er repræsentativt for det målte materiale. Man skal også være sikker på, at flydefeltet fra indtrykket kan optages ensartet i materialet, dvs. at man ikke må være for tæt på kanter eller huller, at man skal være uden for materiale, som er deformeret ved tidligere foretagne indtryk, samt at prøven skal være tyk nok til, at der ikke kommer påvirkning fra, at materialet gennemdeformerer. Hvis man skal foretage en Brinell-hårdhedsmåling af et givet emne, anbefales det stærkt at gennemlæse den relevante standard, eller at man lader et anerkendt laboratorium foretage målingen. Vickers: Ved Vickers-metoden anvendes en 4-sidet pyramide med en ret stump topvinkel på 136º. Ved at fremstille indtrykslegemet af diamant undgås i videst muligt omfang, at elastisk deformation af indtrykslegemet bidrager til unøjagtighed ved målingen. Det indtryk, som efterlades ved en Vickers-måling, bør være et kvadrat med tydelige diagonaler. Selvom det er det projekterede areal af indtrykket, man normerer kraften med, så er det diagonalernes længde, man opmåler. Det skyldes, at hjørnerne er de bedst definerede målepunkter, og da indtrykket er en kvadrat er der en enkel og entydig sammenhæng imellem diagonallængden og arealet. Anvendes i lodret position Fig. 3. Vickers-diamant og -indtryk. Alle de forbehold, der gjaldt for Brinell-prøvning, er også aktuelle for Vickers-prøvning. Vickers er den engelske metode, da belastningerne normalt er langt mindre end ved Brinell-prøvning, og da indtrykslegemets anlæg imod det prøvede materiale ikke ændres. Når indtrykket bliver dybere, er det den mest universelle hårdhedsmålemetode. Belastningen bør vælges således, at den optiske opmåling af indtrykkets diagonaler kun behæftes med en lille usikkerhed. For metaller vil en belastning på 10 eller 30 kg ofte være passende. 3

4 Når de 2 diagonaler er bestemt, findes middelværdien af diagonalen, idet de 2 diagonaler kun bør afvige lidt fra hinanden i længde. Ved hjælp af en tabel omsættes diagonallængden til Vickershårdhedstallet, som definitionsmæssigt er en ubenævnt størrelse, der skrives HV efterfulgt af et tal, som angiver belastningen i kg på diamanten ved den aktuelle måling. En Vickers-måling, der har bestået af fem enkeltmålinger med en belastning på 10 kg, kan eksempelvis skrives: HV10 = 740 ± 20: ( θ /2 ) 1,18544P HV = 2Psin = D 2 D 2 hvor P er den anvendte belastning i kg, og D er længden af diagonalen i mm. Da vinklen på indtrykslegemet er fast (136 ), kan 2sinθ/2 erstattes af en konstant. Vickers-prøvning er som den eneste hårdhedsmålemetode tæt på at være belastningsuafhængig, dvs. måling med belastning 10 og 30 kg vil resultere i den samme hårdhedsværdi. Ved meget små belastninger på under 1 kg er metoden meget følsom og mikro-vickers-prøvning bør kun udføres med stor omhu. Ved de små belastninger må man regne med, at den fundne hårdhedsværdi bliver større ved reduktion af belastningen. I den amerikanske ASTM-standard er der grafer for dette. Men det er generelt problematisk med generaliseringer, fordi hårdheden er en funktion af materialets evne til at deformere, og denne er meget tilstandsafhængig for det enkelte materiale. Knoop-prøvning: Knoop er en variant af Vickers-prøvning, hvor der anvendes et diamantindtrykslegeme med en anden geometri. Her er det ikke et kvadratisk indtryk, men et indtryk med en lang og en kort diagonal. Denne metode er specielt egnet til opmåling af hårdhedsprofiler, hvor hårdheden ændrer sig inden for korte afstande, eller til måling af hårdhed i snit i overfladelag, når disse er tynde. Anvendes i lodret position Fig. 4. Knoop-diamant og -indtryk. Rockwell-prøvning: Disse metoder, som der er et større antal af, bygger på, at man i stedet for diagonalen af det efterladte indtryk måler dybden af indtrykket. Rockwell er de amerikanske metoder. 4

5 Ved Rockwell-hårdhedsmåling bringes indtrykslegemet i kontakt med prøven med en forbelastning. Her nulstilles dybdemålingen, belastningen ændres til hovedlasten, og efter en måletid skiftes tilbage til forbelastningen, og den blivende forøgelse af dybden opmåles ved hjælp af et måleur, som måler ensrettet med belastningsretningen. Fig. 5. Rockwell-indtrykslegeme. Hårdhedstallet i Rockwell findes så ved at trække den blivende dybdeforøgelse, målt i en passende enhed, fra et arbitrært tal. For eksempel er værdierne for den mest anvendte metode til metaller, Hardness Rockwell C; HRC: Forlast 10 kg Hovedlast 150kg Indtrykslegeme Diamantkegle med topvinkel 120 Enhed 2μm Basetal 100. hvilket resulterer i, at hvis et givet materiale under prøvning med HRC får en forøgelse af indtryksdybden på 80 μm, er hårdheden i HRC: μm/2μm = 60. Som det fremgår er Rockwell-skalaerne enhedsløse. Metodernes store fordel er, at man ved passende skala på måleuret direkte får hårdhedstallet, hvorfor Rockwell-måling er den hurtigste metode. Rockwell-metoderne har generelt en stor udbredelse og er de industrielt mest anvendte. I tabel 1 ses en oversigt over de forskellige indtrykslegemer og hovedlast for Rockwell-metoderne. Som det fremgår, er der tale om en del forskellige. Når man måler Rockwell, er det vigtigt, at det målte legeme ligger absolut fast, og at den overflade, man måler på, er meget veldefineret, dvs. vinkelret på måleretningen, repræsentativ for emnet, glat nok til, at det ikke får indflydelse på måleresultatet, samt at såvel apparat som indtrykslegeme er 100 % i orden. 5

6 Fig.6. Rockwell-hårdhedsmåler. Rockwell metoder Tabel 1. Oversigt over Rockwell-hårdhedsmålemetoder, indtrykslegeme og for- og hovedlast. Samt definitionsområde for de enkelte skalaer. Dynamiske metoder Disse metoder udmærker sig ved at være lette at anvende og ved typisk at være portable apparater, hvilket gør dem bredt anvendelige. Der kan imidlertid ikke advares tilstrækkeligt imod at konvertere værdier fra bærbare dynamiske apparater af for eksempel typen Equtip til værdier fra de statiske metoder (Vickers, Brinell og Rockwell). Dette er i bedste fald behæftet med en usikkerhed på adskillige enheder. Anvender man disse apparater, bør de opgivne værdier være i den målte enhed, f.eks L D, da denne er sammenlignelig. Skal der omsættes, må man selv fremstille prøveblokke af det aktuelle materiale, bringe disse i den tilstand, man ønsker at måle på, og få deres hårdhed opmålt på et laboratorium i den enhed, man ønsker at omsætte til. Disse klodser kan så danne basis for en konverteringstabel, som kan anvendes med rimelig sikkerhed, men som kun er gyldig for det aktuelle materiale. 6

7 Vedligehold og kalibrering Da alle hårdhedsmålemetoder baserer sig på måling af små værdier, er omhu i betjeningen og vedligehold af det anvendte udstyr af allerstørste vigtighed. Man bør dagligt kontrollere sit udstyrs måleevne ved at måle hårdheden af en referenceblok med en kendt hårdhed og stor ensartethed. Sådanne referenceblokke kan købes med certifikat, og de overholder således standardiserede værdier med hensyn til ensartethed, geometri og overfladekvalitet. Apparaterne bør kun betjenes af uddannede personer, som har en forståelse for måleopgaven og vigtigheden af omhu i såvel præparation af emner som betjening af udstyret. Praktisk måling Når man har forstået betjeningen og funktionen af et hårdhedsmåleapparat, kan de fleste uden problemer måle på enkle emner som for eksempel en referenceblok. Man må imidlertid være meget opmærksom på, at der ofte er store udfordringer i at bestemme praktiske emners hårdhed med en tilstrækkelig præcision, hvilket skyldes, at praktiske emner ofte har ikke-parallelle flader og fintslebne overflader, samt at overfladen ofte ikke repræsenterer kernematerialet på grund af påvirkninger under fremstillingen af det aktuelle emne. For at kunne måle den rette hårdhed med tilstrækkelig sikkerhed kræves altså et indgående kendskab til fremstillingsmetoder og materialer, og her begås ofte fejltagelser, som kan resultere i større eller mindre målefejl. Standarder for hårdhedsmåling af metaller Brinell DS/EN ISO ;-2;-3 ASTM E 10 Vickers DS/EN ISO ;-2;-3 ASTM E 92 / ASTM E 384 Rockwell DS/EN ISO ;-2;-3 ASTM E 18 Knoop ISO ;-2;-3 ASTM E 384 Rockwell-hårdmetal Din ISO