Badanie twardości stali – metody Brinella, Rockwella i Vickersa oraz normy

Twardość to jeden z podstawowych parametrów mechanicznych sprawdzanych przy odbiorze materiałów i konstrukcji stalowych – pozwala ocenić, czy element uzyskał właściwe właściwości po obróbce cieplnej, i czy będzie odpowiednio odporny na zużycie w eksploatacji. W tym artykule wyjaśniamy, czym jest twardość, jakie metody pomiaru stosuje się najczęściej i jak dobrać właściwą z nich do konkretnego zadania.

Czym jest twardość materiału

Twardość określa odporność powierzchni materiału na trwałe odkształcenie pod wpływem wciskanego wgłębnika (penetratora). W praktyce inżynieryjnej stosuje się kilka znormalizowanych metod pomiaru, różniących się kształtem wgłębnika, sposobem obciążania i zakresem zastosowań.

Metoda Brinella

W metodzie Brinella w materiał wciska się kulkę – stalową (twardość do ok. 450 HB) lub z węglików spiekanych (dla twardszych materiałów) – pod określonym obciążeniem, a następnie mierzy się średnicę powstałego odcisku. Metoda dobrze sprawdza się na odlewach, grubych elementach i tam, gdzie zależy nam na uśrednionej twardości większej powierzchni. Procedurę reguluje norma PN-EN ISO 6506.

Metoda Rockwella

Metoda Rockwella polega na dwustopniowym wciskaniu w materiał stożka diamentowego (o kącie wierzchołkowym 120°) lub kulki stalowej, a wynik odczytuje się na podstawie trwałego przyrostu głębokości odcisku po odciążeniu. W praktyce najczęściej stosuje się skalę HRC (dla materiałów hartowanych i twardszych stali) oraz HRB (dla materiałów miększych). Zaletą tej metody jest szybki, bezpośredni odczyt wyniku bez konieczności pomiaru optycznego. Reguluje ją norma PN-EN ISO 6508.

Metoda Vickersa

Metoda Vickersa wykorzystuje wgłębnik w kształcie diamentowego ostrosłupa o kącie 136° między ścianami.Twardość oblicza się na podstawie stosunku obciążenia do pola powierzchni odcisku, mierzonego pod mikroskopem.Dzięki możliwości stosowania bardzo małych obciążeń (mikro-Vickers) metoda ta dobrze sprawdza się przy cienkich próbkach, powłokach czy pomiarach lokalnej twardości w wąskiej strefie, np. wpływu ciepła przy spoinie. Reguluje ją norma PN-EN ISO 6507.

Badanie twardości w terenie

Klasyczne twardościomierze stacjonarne wymagają dostarczenia próbki do laboratorium, co nie zawsze jest możliwe – szczególnie przy dużych, zamontowanych już konstrukcjach. W takich przypadkach stosuje się przenośne twardościomierze wykorzystujące metodę UCI (Ultrasonic Contact Impedance – pomiar zmiany częstotliwości drgającego pręta z wgłębnikiem diamentowym w kontakcie z badanym materiałem) lub metodę Leeb’a (dynamiczny pomiar odbicia trzpienia od powierzchni, opisany normą ISO 16859). Pozwalają one zmierzyć twardość bezpośrednio na obiekcie, bez jego demontażu.

Do głównych zalet takiego podejścia należą:

• możliwość wykonania pomiaru bezpośrednio na hali produkcyjnej lub obiekcie w eksploatacji,
• brak konieczności demontażu badanego elementu,
• szybki, cyfrowy odczyt wyniku, ułatwiający dokumentację.

Warto pamiętać, że wyniki metod przenośnych (UCI, Leeb) są zwykle przeliczane na skale klasyczne (HB, HRC, HV) i mogą się nieznacznie różnić w zależności od chropowatości powierzchni czy grubości badanego elementu – dlatego przy odbiorach o podwyższonych wymaganiach jakościowych warto zweryfikować je metodą klasyczną.

Jak dobrać metodę do materiału

• Miękkie stopy, odlewy, elementy grubościenne – metoda Brinella.
• Stale hartowane, narzędziowe, elementy o wysokiej twardości – metoda Rockwella (HRC) lub Vickersa.
• Cienkie próbki, powłoki, badania lokalne (np. strefa wpływu ciepła spoiny) – metoda Vickersa, często w wariancie mikro.
• Pomiar na obiekcie, bez możliwości demontażu – twardościomierz przenośny (UCI lub Leeb).

Podsumowanie

Badanie twardości to szybka i stosunkowo prosta metoda kontroli, o ile dobierze się właściwą technikę do materiału i sytuacji. Metody klasyczne (Brinell, Rockwell, Vickers) dają najbardziej wiarygodny, znormalizowany wynik, natomiast metody przenośne (UCI, Leeb) sprawdzają się tam, gdzie liczy się szybkość i brak konieczności demontażu elementu.

Potrzebujesz badania twardości elementu w Twojej firmie? Skontaktuj się z naszym zespołem – dobierzemy metodę odpowiednią do materiału i warunków pomiaru.