Twardościomierz

Stopień twardości materiału czyli jego zdolność do przeciwstawienia się odkształceniom plastycznym przy lokalnym – statycznym lub dynamicznym wywieraniu nacisku na małą powierzchnię to jedna z ważniejszych właściwości materiałowych ciał stałych. Dotyczy to nie tylko części, które muszą wytrzymać duże obciążenia. Aby móc badać twardość surowców lub części bez niszczenia badanej próbki, opracowano specjalne metody i urządzenie pomiarowe czyli twardościomierz. Niektóre modele urządzenia jakim jest twardościomierz nadają się tylko do określonego materiału lub określonej grupy materiałów, inne modele mogą być używane do badania twardości różnych materiałów. Testy twardości są zwykle przeprowadzane zgodnie ze określonymi normami po to, aby wynik testów można było porównać z odpowiednimi specyfikacjami twardości. Procedura przeprowadzenia pomiaru oraz specyfikacja wykorzystywanego miernika jakim jest twardościomierz, są dokładnie określone w wytycznych opisanych w normach.

Wybierając twardościomierz musimy pamiętać, iż urządzenie musi spełniać określone wymagania, a pomiar nim wykonywany powinien być precyzyjny i dokładny. Równie ważne jest, aby twardościomierz był łatwy w obsłudze, a sam pomiar mógł być wykonany szybko. Koniecznym jest upewnienie się, iż wybrany twardościomierz jest odpowiedni do składu materiału jaki poddawany będzie pomiarowi oraz kształtu i wymiarów testowanych części. Twardościomierz powinien mieć specyfikację zgodną z tą określoną w normach dotyczących badań materiałów. Przy wyborze urządzenia typu twardościomierz warto również zwrócić uwagę, czy wykonuje on pomiar metodą nieniszczącą NDT.

Metoda testowa do określania twardości
Jednym z pierwszych kryteriów różnicujących twardościomierz jest metoda pomiarowa, którą wykorzystuje urządzenie. Jeśli znamy materiał, który poddawać będziemy pomiarowi często wiemy już na jakiej normie badanie powinno lub musi być oparte, a tym samym wiemy jaka specyfikacje powinien mieć twardościomierz.

W przypadku badań przeprowadzanych na potrzeby wewnętrzne dla przeprowadzenia których nie jest konieczne zastosowane norm prawnych trzeba rozważyć jaką metodą wybrany przez nas twardościomierz powinien wykonywać pomiar. Wytyczne VDI/VDE 2616 opisują najważniejsze powszechnie stosowane metody badania twardości. Arkusz 1 w / wym. wytycznych porównuje metody badań materiałów metalowych, a arkusz 2 porównuje metody badań tworzyw sztucznych i elastomerów. Niektóre z urządzeń jakim jest twardościomierz cyfrowy wyposażone są w funkcję przekształcania wyniku pomiarowego na inne skale twardości. Ponieważ jednak twardość jest zwykle określana tylko za pomocą jednej metody, a przechowywany współczynnik konwersji jest zasadniczo ważny tylko dla niektórych materiałów, inne wartości można stosować tylko w ograniczonym zakresie.

Twardościomierz – budowa i funkcje
Im twardszy jest materiał, tym większemu naprężeniu może być poddany podczas pomiaru twardości. Z tego powodu twardościomierz, który mierzy według tej samej zasady, np. poprzez głębokość penetracji lub siłę odbicia, można dodatkowo rozróżnić w zależności od użytej energii i konstrukcji wgłębnika lub korpusu udarowego. Twardościomierz z zewnętrzną sondą pomiarową wykorzystujące do pomiaru metodę Leeba oferują możliwość podłączenia różnych sond. Za pomocą takiego twardościomierza można zatem przeprowadzić na przykład testy twardości według Leeb C, Leeb D i Leeb G.

Niektóre metody badania twardości pozwalają na przeprowadzenie pomiaru urządzeniem jakim jest twardościomierz analogowy. Twardościomierz analogowy to urządzenie niedrogie, łatwe w użyciu i nie wymagające użycia baterii czy innych źródeł zasilania. Twardościomierz ten nie jest tak wrażliwy na temperaturę i wilgotność jak urządzenie elektroniczne poza tym idealnie nadaje się do szybkich kontroli. Ponadto, w przypadku modeli analogowych wyposażonych we wskaźnik przeciągania, maksymalna wartość pomiaru pozostaje wygodna do odczytania. Cyfrowy twardościomierz zazwyczaj wyświetla maksymalną wartość pomiaru. Wiele modeli cyfrowych może również pokazywać wartość maksymalną, minimalną i średnią serii pomiarowej. Cyfrowy twardościomierz z pamięcią wewnętrzną upraszcza późniejszą dokumentację i ocenę wyników pomiarowych. Jeśli trzeba przeprowadzić i udokumentować wiele pomiarów, należy wybrać twardościomierz z pamięcią i interfejsem danych. Dane można następnie bardzo łatwo i szybko przenieść do komputera w celu dalszego przetwarzania. Modele, które mogą wyświetlać wynik w kilku skalach twardości, oferują dalsze możliwości oceny. Należy jednak zastanowić się, czy dodatkowe skale dotyczą również badanego przez nas materiału. Mobilny twardościomierz daje możliwość wykorzystania go do pomiarów dużych lub już zainstalowanych części. Z drugiej strony twardościomierz zintegrowany ze stanowiskiem testowym oferuje korzyści w utrzymaniu prawidłowego kąta i dokładnego pozycjonowania punktów pomiarowych. Próbki materiałów i części o odpowiednich wymiarach należy zatem w miarę możliwości testować na stanowisku badawczym.

Twardościomierz – akcesoria
Porównując różne twardościomierze, warto zwrócić uwagę na akcesoria zawarte w zakresie dostawy, a także na akcesoria opcjonalne. Jeśli na przykład dostarczone zostaną odpowiednie płytki kalibracyjne, użytkownik może samodzielnie skalibrować twardościomierz. Nośnik danych i kabel do transmisji danych są często objęte zakresem dostawy w tych modelach urządzenia jakim jest twardościomierz gdzie mamy do czynienia z wyjmowaną pamięcią danych i interfejsem danych. Ten rodzaj miernika jakim jest twardościomierz jest zwykle dostępny jest również z odpowiednim oprogramowaniem komputerowym. Jako opcjonalne akcesoria dla urządzenia jakim jest twardościomierz dostępne są statywy, stanowiska pomiarowe lub adaptery do ustawiania na wypukłych lub wklęsłych powierzchniach, ułatwiające centrowanie i ustawianie podczas pomiarów.

Twardościomierz jest urządzeniem, które należy regularnie kalibrować. Dzięki temu wyniki pomiarów mają oczekiwaną dokładność. W przypadku urządzenia jakim jest twardościomierz kalibrację przeprowadza się poprzez pomiar na odpowiednich płytkach kalibracyjnych o znanej twardości. Wiele laboratoriów kalibracyjnych oferuje kalibrację urządzenia jakim jest twardościomierz przeprowadzaną wg. norm ISO lub DAkkS . Po przeprowadzeniu kalibracji wystawiane jest świadectwo kalibracji dla przeprowadzonych pomiarów odnoszące się do konkretnego urządzenia.

W przypadku zapytań do usługodawców kalibracji, niezbędne jest podanie jakiej metody np. Leeb, Rockwell, Barcol oraz przy jakich wartościach liczbowych twardościomierz ma być wzorcowany. Jeśli zmierzone wartości kalibracji wykraczają poza dokładność specyficzną dla przyrządu, przyrząd należy wyregulować. Podczas regulacji twardościomierz jest ustawiany z powrotem na określoną dokładność.

Termin twardość jest używany do opisania odporności materiałów na penetrację ciał obcych. Z drugiej strony termin wytrzymałość jest używany do opisania odporności na odkształcenia i oddzielenie. W przypadku niektórych materiałów w pewnych zakresach istnieje ścisła korelacja między twardością a wytrzymałością. Twardościomierz to urządzenie, które pozwala określić wytrzymałość materiału np. metali czy betonu.

Im twardsza jest powierzchnia materiału poddawanego badaniu, tym trudniej jest go zbadać twardościomierzem. Z tego powodu metody badawcze i urządzenie jakim jest twardościomierz zostały dostosowane do różnych grup materiałów . W przypadku niektórych metod pomiarowych wystarczy mobilny, ręczny twardościomierz, aby móc zmierzyć i wyświetlić interesujące nas wartości. Bardziej złożone metody wymagają stacjonarnych stanowisk badawczych i dodatkowego wyposażenia do oceny próbek badawczych.

Część badań twardości odbywa się w warunkach laboratoryjnych na precyzyjnie dostosowanych do urządzenia jakim jest twardościomierz stanowiskach pomiarowych. Jednak ugruntowały się również metody pomiaru, w których mobilny twardościomierz może szybko i łatwo wykonać pomiar bezpośrednio w dziale towarów przychodzących, podczas pracy na konkretnym produkcie. Twardościomierz ten może być także stosowany do wyrywkowych kontroli podczas procesu produkcji. Wiele mobilnych twardościomierzy jest zaprojektowanych w taki sposób, że twardość można badać również na bardzo dużych lub trwale zainstalowanych częściach.

Twardościomierz wykorzystywany do pomiarów na miejscu zwykle określa twardość na podstawie głębokości penetracji lub wysokości odbicia. Twardościomierz to urządzenia, które różnią się przede wszystkim rozmiarem i kształtem wgłębnika oraz wielkością przyłożonej siły. Jest to zależne od tego jaką metodę pomiaru dany twardościomierz stosuje. W przypadku niektórych metod odcisk powstały w wyniku wciśnięcia wgłębnika musi zostać zmierzony pod mikroskopem. W przypadku innych metod badawczych twardościomierz używany do wgniatania może bezpośrednio oceniać głębokość wgłębienia lub energię odbicia i wyświetlać je jako wartości liczbowe.

Otrzymane dane dotyczące twardości muszą być oznaczone skrótem konkretnej metody badawczej i, w razie potrzeby, dalszymi informacjami dotyczącymi warunków badania. Jeśli nie zostanie to zrobione, wartości liczbowe można wykorzystać tylko do wewnętrznych porównań, w których zawsze używane są te same twardościomierze.

Metodę prądów wirowych można również stosować do maszynowego rozróżniania części hartowanych i niehartowanych. Powierzchnia materiału jest skanowana bezdotykowo za pomocą sondy testowej, która indukuje prądy wirowe na badanej części. Powstałe pola elektromagnetyczne są następnie oceniane.

Ponieważ istnieje wiele metod pozwalających przeprowadzić badanie twardości, konieczne jest upewnienie się, że metoda stosowana przez określony twardościomierz jest metoda odpowiadającą naszemu materiałowi. Z wyjątkiem pomiarów kontroli wewnętrznej, gdzie zawsze używany jest ten sam twardościomierz, zawsze musi być jasne przy użyciu której metody zostało wykonane badanie ponieważ istnieją znaczne różnice w wartościach, gdy mierzona jest twardość np. metodą Shore D, a nie Shore A.

Zmierzone wartości niektórych często stosowanych metod można również podać jako wartość twardości według innych metod lub jako wytrzymałość na rozciąganie, jeśli istnieje wystarczająca liczba potwierdzonych wartości porównawczych. Dotyczy to jednak tylko materiałów, dla których dostępne są sprawdzone wartości porównawcze. Wartości są odczytywane z tabel specyficznych dla materiału.

Na przykład norma EN ISO 18265 zawiera tabele konwersji między twardością Vickersa, Brinella, Rockwella i wytrzymałością na rozciąganie dla sześciu różnych materiałów metalicznych. Zbadane wartości są zatem dostępne dla stali niestopowych i niskostopowych oraz staliwa, stali do ulepszania cieplnego, stali do pracy na zimno, stali szybkotnących, metali twardych i metali nieżelaznych oraz stopów metali nieżelaznych.

Istnieje również bezpośrednie powiązanie z testami Shore'a A i Shore'a D, często stosowanymi dla tworzyw sztucznych i elastomerów. Dlatego w pewnych warunkach zmierzone wartości można również przeliczyć na wartości drugiej zmiennej.

Niektóre modele twardościomierzy cyfrowych oferują wybór wielu jednostek do wyświetlania wyników. Podczas jego użytkowania należy koniecznie zwrócić uwagę na metodę badawczą zastosowaną przez twardościomierz oraz na to, czy dla badanego materiału zapisane są prawidłowe wartości porównawcze.