Η δοκιμή της σκληρότητας οποιουδήποτε υλικού είναι υψίστης σημασίας για τις εφαρμογές του. Χωρίς τον προσδιορισμό της σκληρότητας, δεν θα ήταν συνετό να χρησιμοποιηθεί το υλικό. Η σκληρότητα ελέγχει πολλά άλλα χαρακτηριστικά των υλικών. Ωστόσο, διατίθενται διάφοροι τύποι δοκιμών σκληρότητας.
Κάθε ένα από αυτά τα τεστ σκληρότητας διαφέρει ως προς τον τρόπο μέτρησης της σκληρότητας. Αυτό καθιστά τη διαδικασία επιλογής πολύ τρομακτική και δύσκολη. Ωστόσο, η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας αυτών των δοκιμών θα κάνει τα πράγματα πολύ πιο εύκολα διαχειρίσιμα. Σωστά; Οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν μερικές από αυτές ανάλογα με τις ανάγκες τους. Ας πηδήξουμε και ας συζητήσουμε καθεμία από αυτές τις δοκιμές.
Επισκόπηση της σκληρότητας και των δοκιμών της
Πριν βουτήξουμε, δεν αναρωτιέστε γιατί πρέπει να μετρήσουμε τη σκληρότητα του υλικού; Εξάλλου, αυτή η μέτρηση μας φέρνει να συζητήσουμε αυτές τις διάφορες δοκιμές. Η μέτρηση της σκληρότητας είναι ζωτικής σημασίας κατά την επιλογή του υλικού για το έργο σας. Τι είναι όμως η ίδια η σκληρότητα;
Σκληρότητα είναι η ικανότητα οποιουδήποτε υλικού να αντιστέκεται στη δύναμη ή την παραμόρφωση. Αυτός είναι ένας τυπικός ορισμός που βασίζεται σε λεξικό. Όμως στην καθημερινή ζωή, την εκλαμβάνουμε ως την ικανότητα ενός υλικού να αντέχει στη φθορά. Καθορίζει πόσο καλό ή ισχυρό θα είναι ένα υλικό. Η σκληρότητα δείχνει την ανθεκτικότητα των υλικών.
Ας συζητήσουμε τη σημασία της μέτρησης της σκληρότητας. Η δοκιμή και η γνώση της σκληρότητας μας δίνει πολύτιμες πληροφορίες για το υλικό. Λέει αν ένα υλικό θα είναι ανθεκτικό ή κατάλληλο για οποιαδήποτε συγκεκριμένη εφαρμογή. Λάβετε υπόψη ότι αυτή η σκληρότητα επηρεάζει πολλά άλλα χαρακτηριστικά των υλικών. Για παράδειγμα, τα σκληρά ή άκαμπτα υλικά είναι ανθεκτικά στη φθορά.
Αντέχει εύκολα την πίεση και δεν σπάει εύκολα. Αντίθετα, τα υλικά με μικρότερη σκληρότητα είναι αδύναμα και επιρρεπή στη φθορά. Γι' αυτό καθίσταται απαραίτητη η μέτρηση της σκληρότητας. Δείχνει πόσο ισχυρό θα είναι ένα υλικό κατά τη χρήση. Η γνώση μιας σκληρότητας βοηθά τους μηχανικούς να εκτιμήσουν άλλα χαρακτηριστικά του υλικού.
Διαφορετικοί τύποι μετρητών σκληρότητας
Είμαι βέβαιος ότι έχετε μια καλύτερη ιδέα γιατί η δοκιμή σκληρότητας είναι κρίσιμη. Επιτρέψτε μου να σας πω και κάτι άλλο: υπάρχουν διάφορες δοκιμές σκληρότητας. Κάθε μία από αυτές χρησιμοποιεί διαφορετικά εργαλεία ή μηχανήματα για να γίνει η δοκιμή. Η χρήση τους απαιτεί να γνωρίζετε τον τρόπο λειτουργίας τους.
Ακολουθεί ο κατάλογος των πιο συνηθισμένων δοκιμών σκληρότητας:
- Δοκιμή σκληρότητας Rockwell
- Δοκιμή σκληρότητας Brinell
- Δοκιμή σκληρότητας Vickers
- Δοκιμή σκληρότητας Knoop
- Δοκιμή σκληρότητας Leeb
- Δοκιμή σκληρότητας Shore
- Δοκιμή σκληρότητας Webster
Κάθε μία από αυτές τις δοκιμές έχει συγκεκριμένες προδιαγραφές. Ας τις εξετάσουμε και ας δούμε πώς λειτουργούν.
1- Δοκιμή σκληρότητας Rockwell
Η δοκιμή σκληρότητας Rockwell είναι πιο αξιόπιστη και χρησιμοποιείται ευρέως. Μια εξειδικευμένη μηχανή δοκιμής σκληρότητας Rockwell χρησιμοποιείται στη διαδικασία δοκιμής. Το υλικό που υποβάλλεται στις δοκιμές υφίσταται τη δύναμη ή το φορτίο. Ο εγκοπτήρας είναι ένα κρίσιμο εξάρτημα της μηχανής που ασκεί φορτία στο τεμάχιο.
Η δοκιμή Rockwell περιλαμβάνει τη χρήση δύο φορτίων. Το πρώτο φορτίο είναι γενικά χαμηλότερο ή μικρότερο. Το δεύτερο είναι πιο έντονο και υψηλότερο (μείζον). Για παράδειγμα, ο χειριστής θα χρησιμοποιήσει το πρώτο φορτίο των 10 kg μέσω του εντυπώματος στο τεμάχιο. Αυτό το φορτίο θα δημιουργήσει κάποια διείσδυση στην επιφάνεια του υλικού, σωστά;
Ο χειριστής θα μετρήσει το βάθος που δημιουργείται από τη διείσδυση του βαθουλωτήρα. Μόλις γίνει αυτό, θα εφαρμοστεί το δεύτερο φορτίο στο υλικό. Αλλά αυτό το δεύτερο φορτίο θα είναι πιο έντονο και υψηλότερο από το πρώτο. Εάν το πρώτο είναι 10 Kgf, το δεύτερο θα ήταν 60 Kgf. Αυτό το φορτίο των 60 Kgf θα δημιουργήσει περισσότερο βάθος και διείσδυση.
Ο χειριστής θα μετρήσει ξανά το βάθος που δημιουργείται από το δεύτερο φορτίο. Στη συνέχεια, θα συγκρίνει το βάθος που δημιουργείται από τα δύο φορτία. Η σύγκριση αυτή θα δώσει την τιμή σκληρότητας. Αυτός ο τύπος δοκιμής είναι γενικά κατάλληλος για σκληρά μέταλλα και κράματα. Να θυμάστε ότι διατίθενται διαφορετικές κλίμακες δοκιμής Rockwell, οι οποίες είναι ιδανικές για τη δοκιμή διαφόρων υλικών.
Μπορεί να έχετε μπερδευτεί σχετικά με το φορτίο και την αξία του. Γενικά, αυτά τα πρώτα και δεύτερα φορτία εξαρτώνται από την κλίμακα Rockwell που χρησιμοποιήσαμε. Αυτή η κλίμακα είναι διαφορετική για διαφορετικά υλικά. Συνήθως, το πρώτο φορτίο (μικρό) παραμένει το ίδιο. Το δεύτερο ή σημαντικό φορτίο ποικίλλει. Εδώ είναι ο πίνακας που δείχνει τις κλίμακες με τα φορτία:
| Κλίμακα Rockwell | Μικρό φορτίο | Μεγάλο φορτίο |
| Rockwell A (HRA) | 10 Kgf | 60 Kgf |
| Rockwell B (HRB) | 10 Kgf | 100 Kgf |
| Rockwell C (HRC) | 10 Kgf | 150 Kgf |
2- Δοκιμή σκληρότητας Brinell
Η δοκιμή σκληρότητας Brinell δεν είναι καινούργια και χρησιμοποιείται εδώ και πολλές δεκαετίες. Η δοκιμή αυτή περιλαμβάνει την εφαρμογή δύναμης στο υλικό μέσω χαλύβδινων σφαιρών ή σφαιρών καρβιδίου. Αυτή η σφαίρα καρβιδίου χρησιμοποιείται στο βαθουλωτό. Στην επιφάνεια του υλικού ασκείται ισχυρή δύναμη τουλάχιστον 3000 χιλιογράμμων.
Αυτή η ακραία δύναμη δημιουργεί μια εσοχή ή ένα βάθος. Η μέτρηση αυτού του βάθους δίνει τη σκληρότητα Brinell. Δεν είναι τόσο απλό όσο ακούγεται. Πολλοί παράγοντες καθορίζουν την τελική σκληρότητα Brinell οποιουδήποτε υλικού. Σε αυτούς περιλαμβάνονται ο χρόνος παραμονής, η εφαρμοζόμενη δύναμη, το βάθος που δημιουργείται κ.λπ.
Ένα πράγμα που μου αρέσει σε αυτή τη δοκιμή σκληρότητας Brinell είναι ότι δίνει μια ενιαία τιμή σκληρότητας για τα υλικά. Σε αντίθεση με τη δοκιμή Rockwell, στη δοκιμή Brinell δεν υπάρχουν πολλαπλές κλίμακες σκληρότητας. Το μόνο που χρειάζεται να κάνετε είναι να τοποθετήσετε ένα δείγμα στην λαβή. Εφαρμόστε τη δύναμη και κάντε απλούς υπολογισμούς. Ακολουθεί ο κατάλογος με τη σκληρότητα Brinell ορισμένων υλικών.
| Υλικό | Αριθμός σκληρότητας Brinell (BHN) |
| Μαλακή ξυλεία (π.χ. πεύκο) | 1.6 HB |
| Καθαρό αλουμίνιο | 15 HB |
| Χαλκός | 35 HB |
| Ήπιος χάλυβας | 120 HB |
| Διβορίδιο του Ρένιου | 4600 HB |
Το HB στον πίνακα υποδηλώνει τη "Σκληρότητα Brinell". Το όνομα αυτής της δοκιμής είναι ένα είδος φόρου τιμής στον εφευρέτη της, τον Dr. Johan August Brinell. Μια ποικιλία από Μηχανές δοκιμών Brinell είναι διαθέσιμες και η τιμολόγησή τους ποικίλλει. Γενικά, αυτή η δοκιμή είναι κατάλληλη για παχιά και ισχυρά υλικά, καθώς εφαρμόζει ακραία δύναμη.
3- Δοκιμή σκληρότητας Vickers
Το τεστ αυτό εφευρέθηκε το 1924. Διαφέρει ελαφρώς από άλλες μεθόδους, καθώς δεν ενδιαφέρεται για το βάθος που δημιουργείται στην επιφάνεια του υλικού. Αντίθετα, σχετίζεται περισσότερο με το μέγεθος της εσοχής. Επιτρέψτε μου να εξηγήσω αυτή τη δοκιμή με περισσότερες λεπτομέρειες. Το Μηχανή σκληρότητας Vickers αποτελείται από ένα βαθούλωμα με πυραμιδοειδές σχήμα διαμαντιού.
Ο χειριστής ασκεί δύναμη στην επιφάνεια του υλικού με αυτό το πυραμιδοειδές διαμαντένιο βαθούλωμα. Η δύναμη αυτή δημιουργεί μια εγκοπή στην επιφάνεια του τεμαχίου του υλικού. Τώρα, οι κατασκευαστές μετρούν τα μεγέθη αυτής της εσοχής. Λάβετε υπόψη ότι αυτή η εσοχή θα έχει σχήμα διαμαντιού, όπως ακριβώς το σχήμα ενός βαθουλωτού.
Η δοκιμή αυτή χρησιμοποιείται επίσης για μικρά κομμάτια και εξαρτήματα, οπότε οι εσοχές μπορεί να είναι μικρές. Ως εκ τούτου, οι χειριστές χρησιμοποιούν μικροσκόπια για να αναλύσουν το μέγεθος της εσοχής. Μόλις μετρηθεί το μέγεθος της εσοχής, οι τιμές εισάγονται στον τύπο, ο οποίος περιλαμβάνει διάφορες παραμέτρους.
Αυτός ο τύπος και ο υπολογισμός δίνουν στον χειριστή την ακριβή σκληρότητα του υλικού. Όπως και η δοκιμή Brinnel, αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί μια ενιαία κλίμακα, γεγονός που καθιστά απλό για τους μη ειδικούς να κατανοήσουν το αποτέλεσμα. Καθώς περιλαμβάνει τη μέτρηση των μεγεθών των μικροσκοπικών εσοχών, ονομάζεται επίσης δοκιμαστής μικροσκληρότητας.
4- Δοκιμή σκληρότητας Knoop
Αυτή η δοκιμή είναι παρόμοια με τη σκληρότητα Vickers σε κάποιο βαθμό. Χρησιμοποιεί ένα διαμαντένιο βαθούλωμα με επίμηκες, ρομβοεδρικό σχήμα για να δημιουργήσει μια επιμήκη εγκοπή. Γενικά, η δοκιμή αυτή είναι κατάλληλη για μικρά υλικά. Ο χειριστής παρατηρεί την εγκοπή σε σχήμα διαμαντιού χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο.
Αρχικά, το υλικό τοποθετείται στη βάση της μηχανής. Εφαρμόζεται μια μικρή δύναμη περίπου 1 kg ή και λιγότερο. Αυτή η δύναμη δημιουργεί μια πιο επιμήκη εσοχή. Έτσι, ο χειριστής δεν μετρά ολόκληρο το μέγεθος της εσοχής. Αντίθετα, μετράει το μεγάλο διαγώνιο μήκος και αναλύει και υπολογίζει.
Λάβετε υπόψη ότι αυτή η δοκιμή Knoop περιλαμβάνει τον υπολογισμό της σκληρότητας μέσω ενός τύπου. Αυτό που μου αρέσει σε αυτή τη δοκιμή είναι ότι μπορεί να ελέγξει τη σκληρότητα λεπτών, μικρών και εύθραυστων υλικών. Γενικά, όλες οι άλλες δοκιμές σκληρότητας εφαρμόζουν υψηλή δύναμη που καθιστά το υλικό επιρρεπές στο σπάσιμο. Αλλά αυτή η δοκιμή Knoop λειτουργεί εφαρμόζοντας ήπια δύναμη.
Γρήγορη επισήμανση: Η διαφορά μεταξύ της δοκιμής Knoop και της δοκιμής Vickers έγκειται στο σχήμα του εντυπώματος. Η δοκιμή Vicker χρησιμοποιεί ένα πυραμιδοειδές διαμαντένιο ενθέτη. Από την άλλη πλευρά, η δοκιμή Knoob χρησιμοποιεί έναν επιμήκη ενθέτη. Σε αντίθεση με τη δοκιμή Vickers, ο χειριστής μετρά μόνο το μεγάλο διαγώνιο μήκος.
5- Δοκιμή σκληρότητας Leeb
Η δοκιμή Leeb ξεχωρίζει από όλες τις άλλες δοκιμές σκληρότητας. Ο λόγος είναι ότι στηρίζεται στην ταχύτητα αναπήδησης της σφαίρας (βαθουλωτή). Χρησιμοποιεί μια σκληρή σφαίρα από καρβίδιο βολφραμίου ως ενθέτη. Το μηχάνημα που χρησιμοποιείται για τη δοκιμή αυτή είναι συμπαγές και φορητό.
Το μηχάνημα εκτοξεύει ή προωθεί τη σκληρή σφαίρα ή το βαθούλωμα στην επιφάνεια του υλικού κατά τη διάρκεια της δοκιμής. Οι βαθουλώματα χτυπούν στην επιφάνεια και επιστρέφουν. Τα μηχανήματα μετρούν την ταχύτητα αναπήδησης της σφαίρας μετά την κρούση. Αφού συγκρουστούν με την επιφάνεια, ελέγχουν επίσης πόσο γρήγορα και πόσο μακριά πήγε η σφαίρα (εγκοπή).
Ο υπολογισμός και η ανάλυση αυτής της μέτρησης δίνει ακριβή σκληρότητα του υλικού. Έτσι, η δοκιμή αυτή βασίζεται στην ταχύτητα αναπήδησης της μπάλας μετά την πρόσκρουσή της στο υλικό. Όσο πιο άκαμπτη είναι η επιφάνεια, τόσο πιο γρήγορα θα αναπηδήσει η μπάλα και το αντίστροφο. Αυτή η δοκιμή σκληρότητας Leeb είναι κατάλληλη για βαρέα μέταλλα που ζυγίζουν πάνω από 5 kg. Η ακρίβειά της δεν θα είναι αξιόπιστη εάν χρησιμοποιείτε ένα μικρό τεμάχιο.
6- Δοκιμή σκληρότητας Shore
Αυτή η δοκιμή είναι απλή στη διεξαγωγή της. Το όνομά της αποτίει φόρο τιμής στον Albert Shore, ο οποίος κατασκεύασε πρώτος τη συσκευή του σκληρομέτρου. Αυτό το σκληρόμετρο αποτελείται από στρογγυλές εγκοπές και χρησιμοποιείται για την εκτέλεση της δοκιμής. Σε αντίθεση με άλλες δοκιμές, αυτή η δοκιμή Shore ταιριάζει σε μαλακά υλικά, όπως πλαστικά και ελαστικά.
Ας συζητήσουμε πώς λειτουργεί αυτή η δοκιμή σκληρότητας Shore. Κατ' αρχάς, το σκληρόμετρο εκτοξεύει ή προωθεί τον ενθέτη, ο οποίος χτυπά την επιφάνεια του υλικού και εισέρχεται στο εσωτερικό του. Τώρα, η συσκευή ελέγχει πόσο βαθιά βυθίζονται οι εσοχές (στρογγυλού σχήματος) μέσα στο υλικό. Το βάθος στο οποίο βυθίζονται οι εσοχές χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της σκληρότητας.
Όταν η εγκοπή δεν εισχωρεί βαθιά, είναι ένας σαφής δείκτης σκληρότητας. Αντίθετα, αν ο ενθέτης εισχωρήσει βαθιά μέσα στο υλικό, σημαίνει ότι το υλικό είναι μαλακό. Υπάρχει μια κλίμακα Shore που ελέγχει την ακριβή σκληρότητα του υλικού. Λάβετε υπόψη ότι υπάρχουν δύο κλίμακες shore και τα ονόματά τους είναι τα εξής
- Shore A
- Shore D
Η κλίμακα Shore A χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της σκληρότητας μαλακών, εύκαμπτων υλικών. Από την άλλη πλευρά, η κλίμακα Shore D είναι κατάλληλη για σκληρά υλικά. Να θυμάστε, αυτό το σκληρό δεν σημαίνει οποιοδήποτε μέταλλο. Αντίθετα, υποδεικνύει σκληρυμένο καουτσούκ ή πλαστικά. Αυτή η δοκιμή δεν λειτουργεί σε σύνθετα, άκαμπτα υλικά όπως το μέταλλο και τα κράματα.
7- Δοκιμή σκληρότητας Webster
Όπως είπα και προηγουμένως, η δοκιμή αντοχής είναι κατάλληλη μόνο για μαλακά υλικά. Αλλά έφερα αυτό το τεστ καλωδίωσης Webster αν θέλετε να ελέγξετε τη σκληρότητα των άκαμπτων υλικών. Αυτά μπορεί να είναι αλουμίνιο, ορείχαλκος ή άλλα μέταλλα. Ο δοκιμαστής Webster μοιάζει με πένσα και σφίγγει το υλικό που υποβάλλεται στη δοκιμή.
Μόλις το υλικό στερεωθεί, ο χειριστής πιέζει τη λαβή της συσκευής Webster. Η συμπίεση παράγει μια δύναμη που σπρώχνει τον εντέρνα στην επιφάνεια του υλικού. Λόγω αυτής της ώθησης, ο εγκοπτήρας δημιουργεί μια εγκοπή στην επιφάνεια του υλικού. Οι χειριστές ελέγχουν και αναλύουν αυτή την εσοχή, η οποία υποδεικνύει τη σκληρότητα του υλικού.
Αυτός ο δοκιμαστής Webster είναι φορητός και ο χειριστής τον κρατάει στο χέρι κατά τη διάρκεια της δοκιμής του υλικού. Αυτό που μου αρέσει σε αυτή τη δοκιμή είναι ότι είναι γρήγορη και εύκολη. Κάποιος με ήπια εμπειρία και ελάχιστες τεχνικές γνώσεις μπορεί να το διεξάγει. Επιπλέον, αυτό το μηχάνημα Webster tester είναι σχετικά φθηνό, ένα μεγάλο πλεονέκτημα.
Συμπέρασμα
Όπως ανέφερα παραπάνω, η γνώση της σκληρότητας του υλικού είναι απαραίτητη. Βοηθά στη σωστή χρήση των διαφόρων υλικών για την κατασκευή προϊόντων. Ωστόσο, διατίθενται διάφορα μηχανήματα δοκιμής σκληρότητας. Η λειτουργία, η χρήση και τα εξέχοντα χαρακτηριστικά τους διαφέρουν μεταξύ τους.
Οι μηχανικοί και οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν έναν τύπο υλικού ανάλογα με το υλικό που θέλουν να δοκιμάσουν. Για παράδειγμα, η δοκιμή shore θα ήταν η καλύτερη αν πρέπει να ελέγξουν μαλακό υλικό. Ομοίως, οι δοκιμές Rockwell ή Brinell είναι κατάλληλες για τον έλεγχο άκαμπτων υλικών.