Badania twardości (HT)

Są to przenośne, nieniszczące metody pomiaru twardości metali, stosowane bezpośrednio na elementach eksploatowanych, dużych konstrukcjach, rurociągach, odlewach, gdy laboratoryjne metody takie jak próba Brinella czy Vickersa są niepraktyczne lub zbyt czasochłonne.

Nie zastępuje to jednak próby rozciągania tam, gdzie wymagany jest formalny wynik wytrzymałościowy — zależność między twardością a wytrzymałością jest przybliżona i zależy od gatunku materiału.

Metoda Leeba mierzy stosunek prędkości bijaka przed i po uderzeniu w powierzchnię próbki. Im twardszy materiał, tym mniejsza utrata energii i wyższy wynik badania.

Metoda UCI wykorzystuje diamentowy wgłębnik drgający z częstotliwością ultradźwiękową. Zmiana częstotliwości przy dociśnięciu do materiału odpowiada wielkości odcisku, a tym samym wartości uzyskanej twardości.

Kluczowa różnica praktyczna wynika z charakteru obu metod. Leeba jest metodą dynamiczną — bijak uderza w powierzchnię, więc element musi mieć wystarczającą masę i sztywność, by nie ugiąć się pod wpływem uderzenia.

UCI jest metodą statyczną — wgłębnik jest dociskany, a nie uderza. Dzięki temu nadaje się do elementów cienkościennych i drobnych, gdzie metoda Leeba dawałaby wyniki zaniżone.

Badania twardości pozwalają wykryć zbyt niską lub zbyt wysoką twardość w stosunku do wymagań, niejednorodność twardości po obróbce cieplnej, lokalne odpuszczenia materiału przy spawaniu oraz różnice pomiędzy partiami materiału lub różnymi strefami elementu. Badania twardości nie wykrywają niezgodności spawalniczych oraz nieciągłości materiałowych.

Szczególnie istotnym zastosowaniem jest kontrola strefy wpływu ciepła (SWC) przy złączach spawanych. Szybkie chłodzenie po spawaniu może spowodować lokalne utwardzenie materiału, a zbyt wysoka twardość w tej strefie sprzyja pękaniu — zwłaszcza w obecności wodoru lub środowiska korozyjnego.

Wiele specyfikacji odbiorowych, szczególnie w petrochemii i energetyce, określa maksymalną dopuszczalną twardość w SWC. Pomiar HT służy wtedy do potwierdzenia, czy zastosowana obróbka cieplna po spawaniu przyniosła zamierzony efekt.

Metoda Leeba doskonale się sprawdza przy masywnych, ciężkich elementach o odpowiedniej grubości, gdzie wymagana jest szybkość i powtarzalność. Stosuje się ją do wyrobów hutniczych, odlewów, odkuwek. Metoda UCI znajduje zastosowanie w przypadku elementów cienkościennych, drobnych metali i warstw utwardzanych. Metoda ultradźwiękowa jest również wykorzystywana do pomiaru twardości złączy spawanych.

Warto dodać praktyczne kryterium rozstrzygające: przy elementach o niewystarczającej masie metoda Leeba zaniża wynik, ponieważ część energii uderzenia jest pochłaniana przez ugięcie lub drgania elementu. W takich przypadkach UCI daje wynik bardziej wiarygodny.

Jeśli nie ma pewności, którą metodę zastosować, wystarczy podać przy zapytaniu typ i przybliżone wymiary elementu — na tej podstawie dobierzemy właściwą technikę.

Powstały podczas badania odcisk jest bardzo niewielki (znacznie mniejszy niż w klasycznych badaniach Brinella lub Vickersa), dlatego badania uznaje się za praktycznie nieniszczące i dopuszczalne nawet w przypadku odpowiedzialnych elementów.

Nie – twardość jest jednym z kluczowych parametrów, ale nie ujawnia pęknięć czy innych niezgodności materiału. Dlatego w większości przypadków konieczne jest zastosowanie badań NDT z wykorzystaniem metod objętościowych (UT, RT, PAUT, TOFD) oraz powierzchniowych (PT, MT), dobierając odpowiedni typ inspekcji do specyfiki projektu i wymagań jakościowych.

Przenośne twardościomierze mierzą twardość we własnych skalach — metoda Leeba w skali HL, metoda UCI we własnej wielkości pomiarowej. Wyniki te są następnie przeliczane na skale klasyczne: HB (Brinell), HV (Vickers) lub HRC (Rockwell C), zgodnie z tablicami przeliczeniowymi.

Ma to dwie ważne konsekwencje.

Po pierwsze, przeliczenie zależy od materiału. Ta sama wartość zmierzona na stali węglowej i na stopie aluminium odpowiada innej twardości HB. Dlatego przed pomiarem konieczne jest wskazanie właściwej grupy materiałowej w przyrządzie — pominięcie tego kroku daje wynik systematycznie błędny.

Po drugie, przeliczenia mają charakter przybliżony. Norma PN-EN ISO 18265, opisująca zasady konwersji, zawiera to zastrzeżenie wprost. Przy odbiorach, w których wartość graniczna wypada blisko wyniku pomiaru, warto rozważyć potwierdzenie metodą klasyczną.

Tak — i jest to główne ograniczenie metody Leeba.

Bijak uderza w powierzchnię z określoną energią. Jeśli element jest zbyt lekki lub zbyt cienki, część tej energii zostanie pochłonięta przez jego ugięcie albo drgania, zamiast na odkształcenie materiału w punkcie uderzenia. Wynik będzie wtedy zaniżony — i to bez żadnego widocznego sygnału błędu.

Rozwiązaniem przy elementach lekkich jest sprzężenie badanego przedmiotu z masywną podstawą — na przykład przez dociśnięcie do stołu z warstwą pasty sprzęgającej. W praktyce prościej jednak sięgnąć po metodę UCI, która jako metoda statyczna nie ma tego ograniczenia i sprawdza się na elementach cienkościennych.

Przy zapytaniu warto podać przybliżone wymiary i masę badanych elementów — na tej podstawie dobierzemy właściwą metodę jeszcze przed przyjazdem na obiekt.

Powierzchnia musi być czysta, sucha i gładka. Zgorzelina, rdza, farba i zanieczyszczenia uniemożliwiają prawidłowy pomiar — bijak lub wgłębnik nie trafi bezpośrednio w materiał rodzimy.

Wymagana gładkość różni się między metodami. Metoda UCI stawia wyższe wymagania niż Leeba, ponieważ jej odcisk jest znacznie mniejszy — chropowatość powierzchni wpływa więc na wynik silniej. W praktyce oznacza to zwykle konieczność miejscowego oszlifowania punktu pomiarowego.

Ważne zastrzeżenie: szlifowanie nie może zmienić właściwości materiału. Zbyt agresywna obróbka powoduje lokalne nagrzanie i może wpłynąć na twardość w badanym punkcie — czyli zniekształcić dokładnie to, co mierzymy. Dlatego przygotowanie prowadzi się ostrożnie, z zachowaniem chłodzenia.

Typ i wymiary elementów. Decydują o wyborze metody — Leeba przy masywnych, UCI przy cienkościennych i drobnych.

Wymagana skala i wartość graniczna. Warto podać, w jakiej skali ma być wyrażony wynik i jaka jest wartość dopuszczalna według specyfikacji.

Materiał elementu. Niezbędny do prawidłowego przeliczenia skal — bez tej informacji wynik może być obarczony błędem systematycznym.

Liczba i lokalizacja punktów pomiarowych. Zwłaszcza przy badaniu strefy wpływu ciepła, gdzie istotne jest, w jakiej odległości od spoiny prowadzony jest pomiar.

Zakres przygotowania powierzchni. Kto odpowiada za oczyszczenie i oszlifowanie punktów pomiarowych — przy elementach malowanych bywa to istotna pozycja czasowa.