Σκληρότητα Μετάλλων

Η σκληρότητα δεν αποτελεί θεμελιώδη ιδιότητα ενός υλικού αλλά είναι το μέγεθος που μας δίνει το πόσο μηχανικά ανθεκτικό είναι ένα υλικό (τεμάχιο δοκιμής) στη μηχανική διείσδυση του από ένα άλλο πιο σκληρό σώμα (διεισδυτής). Ακριβώς επειδή δεν αποτελεί θεμελιώδες μέγεθος υπάρχουν στην διάρκεια των χρόνων διαφορετικές μέθοδοι που αναπτύχθηκαν με στόχο να την προσδιορίσουν. Αρχικά η επιλογή της μεθόδου εξαρτάται από το υλικό του δοκιμίου. Στη συνέχεια πρέπει να προσδιοριστούν 1) το μέτρο της δύναμης 2) ο χρόνος που θα ασκηθεί η δύναμη στο δοκίμιο και 3) η γεωμετρία του διεισδυτή, παράμετροι που καθορίζονται από το πάχος του υλικού.

Ποιες οι μέθοδοι μέτρησης της σκληρότητας;

Οι μέθοδοι διακρίνονται με βάση το τι μετράνε κατά την διάρκεια της σκληρομέτησης ενός δοκιμίου:·
Μέτρηση του βάθους διείσδυσης (μέθοδος μέτρησης βάθους: Rockwell, Superficial Rockwell, Shore)·
Μέτρηση της επιφάνειας του αποτυπώματος (οπτική μέθοδος μέτρησης:Vickers, Brinell, Knoop) που προκαλείται από το διεισδυτή.·
Μετρηση της ταχύτητας αναπήδησης μιας σφαίρας (Leeb)·
Με υπέρυθρη ακτινοβολία (UCI μέθοδο)

Η αρχή λειτουργίας του σκληρόμετρου αναπήδησης (Leeb) και οι άλλες κλίμακες σκληρομέτρησης.

Οι μετρητές σκληρότητας με τη μέθοδο αναπήδησης λειτουργούν με ελαφρώς διαφορετικό τρόπο. Αν και το μέγεθος της εσοχής που γίνεται πάνω στο δοκίμιο συνδέεται με την σκληρότητα του υλικού ακόμα και σε αυτή την περίπτωση, μετράται έμμεσα μέσω της απώλειας ενέργειας ενός λεγόμενου σώματος πρόσκρουσης.

Μία μάζα επιταχύνεται στην επιφάνεια του δοκιμίου και προσκρούει πάνω του με μία καθορισμένη ταχύτητα. Η κρούση δημιουργεί μια πλαστική παραμόρφωση στην επιφάνεια του, δηλ. μια εσοχή, λόγω της οποίας το σώμα κρούσης χάνει μέρος της αρχικής του ταχύτητας - ή ενέργειας. Θα χάσει μεγαλύτερη ταχύτητα όταν δημιουργηθεί μια μεγαλύτερη εσοχή στο πιο μαλακό υλικό. Τεχνικά, αυτή η αρχή μέτρησης υλοποιείται μέσω ενός σώματος κρούσης που έχει μια σφαιρική κορυφή καρβιδίου βολφραμίου και η οποία επιταχύνεται πάνω στην επιφάνεια δοκιμής μέσω μιας δύναμης ελατηρίου.

Οι ταχύτητες μετά και πριν από την πρόσκρουση μετριούνται έμμεσα . Μέσα στο σώμα πρόσκρουσης υπάρχει ένας μικρός μόνιμος μαγνήτης (εικόνα 1) το οποίο παράγει μία επαγωγική τάση κατά τη διέλευσή του μέσω ενός πηνίου, η οποία είναι ανάλογη προς την ταχύτητα. Πιο συγκεκριμένα καθώς το σώμα πρόσκρουσης οδεύει προς το δοκιμαστικό τεμάχιο, ο μαγνήτης που περιέχεται μέσα στο σώμα κρούσης παράγει ένα σήμα σε ένα πηνίο που περιβάλλει τον σωλήνα καθοδήγησης. Μετά την κρούση, αλλάζει κατεύθυνση προκαλώντας ένα δεύτερο σήμα στο πηνίο. Το όργανο υπολογίζει την τιμή σκληρότητας χρησιμοποιώντας την αναλογία των τάσεων και αναλύει τις φάσεις τους για να αντισταθμίσει αυτόματα τις αλλαγές στον προσανατολισμό του σώματος πρόσκρουσης.

Εικόνα 1: Κάθετη τομή του μηχανισμού στα σκληρόμετρα αναπήδησης.

Ο εφευρέτης αυτής της μεθόδου, ο D. Leeb, όρισε τη "δική του" αξία σκληρότητας, την τιμή σκληρότητας Leeb. Η τιμή σκληρότητας Leeb, HL, υπολογίζεται από την αναλογία της ταχύτητας πρόσκρουσης και αναπήδησης και είναι ίση με τον λόγο της ταχύτητας αναπήδησης (v_R) προς την ταχύτητα πρόσκρουσης (v_I) πολλαπλασιασμένη με 1000. Τέλος, ο τρόπος υπολογισμού των ταχυτήτων δίνει την δυνατότητα στο να πάρουμε μετρήσεις σε οποιαδήποτε κατεύθυνση χωρίς να χρειάζεται να λάβουμε υπόψιν μας κάποιον συντελεστή διόρθωσης της δύναμης της βαρύτητας.

Εικόνα 2: Ταχύτητα πρόσκρουσης (vA), ταχύτητα αναπήδησης (vB) σε συνάρτηση με τον χρόνο.

Μπορούμε να αναρωτηθούμε τώρα : "Ποιος θέλει να μετρήσει την αξία σκληρότητας στην κλίμακα Leeb;" Η απάντηση είναι ότι στην πραγματικότητα όποιος χρησιμοποιεί τη μέθοδο αναπήδησης για την μέτρηση της σκληρότητας το κάνει για την ευκολία και την φορητότητα της μεθόδου. Ωστόσο, σχεδόν κανένας χρήστης δεν δηλώνει την τιμή σκληρότητας Leeb HL στις προδιαγραφές ή τις αναφορές δοκιμών του. Έτσι τα όργανα αυτά είναι εξοπλισμένα με την άμεση μετατροπή της κλίμακας Leeb στις άλλες κλίμακες σκληρότητας.(HV, HB, HS, HRC, HRB, N / mm2).

Μέθοδοι μέτρησης σκληρότητας(Κλίμακες)

• Rockwell (HR)
• Vickers (HV)
• Brinell (HB)
• Shore (HS)

Η μέθοδος UCI (Ultrasonic Contact Impedance)

Όπως και στις τυπικές δοκιμές σκληρότητας Vickers ή Brinell, το ερώτημα σχετικά με το μέγεθος της εσοχής δοκιμής στο υλικό που προκύπτει από ένα συγκεκριμένο φορτίο δοκιμής, ανακύπτει και με τη δοκιμή σκληρότητας Vickers σύμφωνα με τη μέθοδο UCI (Ultrasonic Contact Impedance). Ωστόσο, οι διαγώνιοι της δοκιμαστικής εσοχής, οι οποίες πρέπει να είναι γνωστές για τον προσδιορισμό της τιμής σκληρότητας Vickers, δεν αξιολογούνται οπτικά ως συνήθως, αλλά η περιοχή εσοχής ανιχνεύεται ηλεκτρονικά με τη μέτρηση της μετατόπισης μιας υπερηχητικής συχνότητας

Ένας ανιχνευτής UCI τυπικά αποτελείται από ένα διαμάντι Vickers προσαρτημένο στο άκρο μιας μεταλλικής ράβδου (εικόνα 3). Αυτή η ράβδος διεγείρεται σε διαμήκη ταλάντωση με περίπου 70 kHz μέσω του πιεζοηλεκτρικού μετατροπέα.

Εικόνα 3: (Αριστερά) Τα μέρη από τα οποία αποτελείται η πρόμπα ενός UCΙ σκληρόμετρου. (Δεξιά) Η τομή του ελατηρίου που υπολογίζει τη διαφορά της συχνότητας κατά την διαμήκη ταλάντωση της ράβδου.

Όταν εφαρμόζεται το φορτίο δοκιμής, συμβαίνει μια μετατόπιση στη συχνότητα ταλάντωσης της ράβδου καθώς το διαμάντι εισχωρεί μέσα στο υλικό. Αυτή η αλλαγή συχνότητας θα γίνει μεγαλύτερη όταν η εσοχή δοκιμής γίνει μεγαλύτερη, δηλαδή όταν το διαμάντι εισχωρεί βαθύτερα σε "μαλακό" υλικό. Ανάλογα, η μικρότερη μετατόπιση της συχνότητας παράγεται από σκληρά υλικά δοκιμής. σε αυτή τη περίπτωση το διαμάντι διεισδύει ελαφρώς μέσα στο υλικό και αφήνει μια μικρή εσοχή.

Αυτό είναι και το μυστικό της δοκιμής σκληρότητας UCI: Ότι η μετατόπιση της συχνότητας είναι ανάλογη με το μέγεθος της εσοχής που αφήνει το διαμάντι Vickers πάνω στην επιφάνεια του δοκιμίου.

Το όργανο μέτρησης σκληρότητας UCI παρακολουθεί συνεχώς τη συχνότητα, εκτελώντας τους υπολογισμούς και εμφανίζει στιγμιαία την τιμή σκληρότητας.Η μετατόπιση της συχνότητας, ωστόσο, εξαρτάται και από το μέτρο ελαστικότητας του Young, το οποίο έχει μια συγκεκριμένη τιμή για κάθε υλικό. Για την πρακτική εφαρμογή της μεθόδου UCI, πρέπει να ληφθεί υπόψη το μέτρο της σταθεράς Young. Το όργανο πρέπει να βαθμονομείται όταν πρέπει να προσδιοριστεί η σκληρότητα διαφορετικών υλικών με διαφορετικές τιμές του συντελεστή Young.

Πίνακας αντιστοίχισης των τιμών HB, HRC, HRB και HV.