Împărtășiți articolul:

Duritatea și testarea durității în comparație

În aplicațiile industriale se utilizează o gamă largă de materii prime și materiale auxiliare. Cunoștințele cuprinzătoare privind proprietățile lor materiale reprezintă o condiție prealabilă absolută pentru utilizarea acestor materii prime pentru o aplicație definită în medii tehnice. Testele de duritate reprezintă o modalitate de a determina proprietățile de bază ale materialului, cum ar fi duritatea/ductilitatea și rezistența unui material, cum ar fi oțelul. Duritatea joacă un rol esențial în caracterizarea și controlul calității materialelor. Duritatea unui oțel oferă informații despre proprietățile sale mecanice, rezistența la uzură și caracterul adecvat pentru aplicații specifice. În acest context, au fost dezvoltate diverse metode și scale de testare a durității pentru a determina și a clasifica cu precizie duritatea oțelului. Acest articol oferă o prezentare generală a metodelor comune de testare a durității și descrie o procedură posibilă de măsurare a durității. Un tabel comparativ al durității permite o comparație a valorilor determinate prin metode individuale.

Diverse teste de duritate în comparație

Testarea durității este esențială pentru caracterizarea și controlul calității produselor din oțel. Există diverse teste de duritate, de ex., conform Brinell, Rockwell, Shore și Vickers. Cea mai frecventă metodă este testarea durității conform Rockwell.

Echipament de testare a durității
Echipament de testare a durității

Duritatea Brinell

Testul de duritate Brinell a fost prima metodă care a putut calcula direct valorile. Suprafața materialului supus testului este comprimată la o forță de testare specifică (F), utilizând un corp sferic de testare a durității, fabricat din carbură de tungsten. Apoi, de regulă, se măsoară diametrul (d) amprentei. Duritatea este calculată după cum urmează:

HBW=\frac{2F \times 0,102}{\Pi \times D \times ({D}-\sqrt{D^{2}-d^{2}})}
  • D = Diametrul bilei
  • d = Diametrul amprentei
  • F = Forța de testare
  • Factorul de conversie 0,102 = Anterior, kilopondul (kp), unitatea de măsură veche, era specificat pentru durități. În prezent, nu se mai utilizează acest lucru, iar factorul de conversie este utilizat pentru a determina o valoare în Newton (1 kp corespunde cu 9,81 N)

În practică, totuși, duritatea este specificată în dispozitivul de măsurare și nu trebuie calculată. Acest lucru se aplică tuturor procedurilor.

Metoda de testare a durității conform Brinell este standardizată în DIN EN ISO 6506-1. Forța de testare care trebuie aplicată poate fi citită în tabele. Ca regulă generală, amprenta bilei de testare trebuie să fie cât mai mare posibil pentru a detecta cât mai multe componente constitutive posibil.

Testul de duritate a granulelor este adecvat pentru materiale moi până la medii a căror duritate nu depășește 650 HBW. De asemenea, aceasta nu depinde de sarcină.

Duritatea Vickers

Metoda de testare a durității Vickers este similară metodei Brinell. A fost dezvoltată din faptul că metoda de testare Brinell este adecvată pentru materiale moi și medii, dar nu și pentru materiale foarte dure. În locul unei bile din carbură, aici se folosește o piramidă diamantată cu o suprafață de bază pătrată și un unghi de deschidere de 136° între vârfuri. Unghiul a fost ales pentru a asigura comparații cu duritățile Brinell.

Forma corpului penetrant permite aplicarea unor forțe ridicate (aluminiu pe oțel). O grosime minimă a probei pentru proba de testare Smin este o condiție prealabilă pentru procedură. Proba trebuie să aibă lungimea de cel puțin 1,5 ori mai mare a amprentei pe diagonală (1,5 x d), astfel încât sonda să nu penetreze până la placa de probă. Și în acest caz, standardele precum DIN EN ISO 6507-1 oferă distanțele minime între punctele de testare sau amprente și marginea probei, astfel încât rezultatele să nu fie falsificate prin deformare. De exemplu, duritatea Vickers este indicată după cum urmează: 210 HV 40/30 (forța de testare/durata de păstrare a testului). Se calculează utilizând următoarea formulă:

HV=\frac{2F \times sin \frac{136}{2}}{d^{2}} \times 0.102

Valoarea d2 este calculată din lungimea primei diagonale d1 și a celei de-a doua diagonale d2, de asemenea, se referă la zona evidențiată din figura de mai jos. Valoarea pentru d trebuie calculată într-un prim pas:

d=\frac{d_1+d_2}{2}

d2 se calculează apoi după cum urmează:

d^{2}= d \times d
Test de duritate conform Vickers
Test de duritate conform Vickers

Duritatea Rockwell

Duritatea Rockwell este, de exemplu, determinată similar metodei Brinell cu o bilă de oțel sau similară metodei Vickers cu un con de diamant cu unghiuri de 120°. Adâncimea de penetrare și nu diametrul amprentei este considerată drept parametru. În funcție de metodă, duritatea Rockwell este specificată în HRA, HRB, HRC sau HRF, unde HR se referă la testul de duritate Rockwell, iar litera reprezintă metoda. Proba de testat este pusă sub sarcină cu o forță după cum urmează:

  • Rockwell A: Fv= 98,07 N, FZ = 490,3 N
    (Con de diamant, adâncime de referință 0,2 mm - pentru materiale foarte dure și carburi)
  • Rockwell B: Fv= 98,07 N, FZ = 882,6 N
    (Bilă din carbură, adâncime de referință 0,2 mm - pentru materiale cu duritate medie, de ex., oțel și alamă)
  • Rockwell C: Fv= 98,07 N, FZ = 1373 N
    (Con de diamant, adâncime de referință 0,2 mm - pentru oțeluri călite)
  • Rockwell F: Fv= 98,07 N, FZ = 490,3 N
    (Bilă din carbură, adâncime de referință 0,26 mm - pentru tablă subțire, cupru moale sau alamă moale)

Procedura de testare poate fi următoarea:

Procedură de testare conform Rockwell
Procedură de testare conform Rockwell

La primul pas (1), punctul de intrare este încărcat cu forța de pretestare (Fv) și penetrează puțin în probă (planul de referință linia - - -). La al doilea pas (2), forța suplimentară de testare (FZ) este exercitată suplimentar, iar forța totală de testare acționează acum asupra probei. La ultimul pas (3), forța de testare suplimentară este eliminată din nou și adâncimea de penetrare permanentă (h) poate fi acum măsurată.

Formula pentru calculul cu con de diamant este următoarea:

HRC, HRA = 100 - \frac{h}{S}

S corespunde clasificării scalei pe cadran (de obicei, 100 de segmente de scală corespund cu 0,002 mm).

Formula pentru calcularea cu o bilă din carbură este următoarea:

HRB, HRF = 130 - \frac{h}{0.002}

Ce scală Rockwell se selectează și depinde de: Duritatea materialului, grosimea piesei de prelucrat, orice suprafață călită (cum ar fi călirea prin nitrurare). Conul de diamant este utilizat în principal pentru oțel temperat sau călit, iar bila de oțel este utilizată în principal pentru materiale mai moi. În magazinul MISUMI veți găsi corpuri potrivite de penetrare diamantate.

Duritatea Shore

Testarea durității Shore este utilizată în principal pentru materiale elastice precum cauciucuri, plastice, geluri sau spume. Și aici, un specimen de testare specializat este presat în material cu o forță definită. Adâncimea de penetrare reprezintă scala. Există șase scale diferite:

  • Shore 00: pentru materiale foarte moi, cum ar fi silicon, geluri.
  • Shore 0: pentru materiale moi, dar ușor mai durabile.
  • Shore A: pentru materiale elastice de duritate medie (de ex., cauciuc natural, elastomeri sintetici, materiale plastice flexibile, cauciucuri moi)
  • Shore B: pentru materiale elastice cu rigiditate mai mare (de ex., materiale compozite din cauciuc dur)
  • Shore C: pentru materiale mai dure (de ex. elastomeri termoplastici, materiale plastice dure, cauciucuri întărite)
  • Shore D: pentru elastomeri duri și materiale termoplastice dure, cum ar fi PPOM (polioximetilenă), PE (polietilenă) și PA (poliamide)

Duritatea Shore A și duritatea Shore D sunt relevante pentru majoritatea cazurilor de utilizare industrială.

Duritatea Shore poate fi, de exemplu, măsurată cu un durometru. Acesta din urmă este apăsat manual pe obiectul supus testului și apoi afișează valoarea corespunzătoare. Rețineți că durometrele afișează valorile unei singure scale Shore, adică există durometre Shore A etc. Durometrele sunt disponibile și în magazinul nostru MISUMI.

Exemplu de durometru
Exemplu de durometru

Conversia durității

Ce test de duritate se utilizează ca standard nu este o prevedere obligatorie. Prin urmare, diferite industrii și laboratoare utilizează diferite metode de măsurare. Pentru a compara diferitele niveluri de duritate, DIN EN ISO 18265, de exemplu, oferă un tabel de comparație a durității pentru oțelul fără aliaj și cu aliaj slab și oțelul turnat:

Tabel de conversie a rezistenței (SAEJ417) - 1983 revizuit - Conversia aproximativă a valorilor C de duritate Rockwell pentru oțel (*1)
(HRC)
Scala de duritate Rockwell C		 (HV)
Duritatea Vickers		 Duritatea Brinell (HB)
Bilă de 10 mm, sarcină 3000 kgf		 Duritate Rockwell (*3) Penetrator conic Rockwell Hard Diamond (Hs)
Duritatea Shore		 Rezistență la tracțiune (valoare aproximativă)
Mpa
(kgf/mm2)(*2)		 Duritatea Rockwell
Scala C
(*3)
Sferă standard Bilă din carbură de tungsten (HRA)
Scala A,
Sarcină 60 kgf,
Con diamantat
Penetrator		 (HRB)
Scala B,
Încărcare 100 kgf,
Dia. 1.6 mm
(1/16 in.) sferă		 (HRD)
Scala D,
Încărcare 100 kgf,
Pătrunderea conului de diamant		 15-N
scala,
Încărcare 15 kgf		 30-N
scala,
Sarcină 30 kgf		 45-N
scala,
Încărcare 45 kgf
68 940 − − 85.6 − 76.9 93.2 84.4 75.4 97 − 68
67 900 − − 85 − 76.1 92.9 83.6 74.2 95 − 67
66 865 − − 84.5 − 75.4 92.5 82.8 73.3 92 − 66
65 832 − (739) 83.9 − 74.5 92.2 81.9 72 91 − 65
64 800 − (722) 83.4 − 73.8 91.8 81.1 71 88 − 64
63 772 − (705) 82.8 − 73 91.4 80.1 69 9 87 − 63
62 746 − (688) 82.3 − 72.2 91.1 79.3 68.8 85 − 62
61 720 − (670) 81.8 − 71.5 90.7 78.4 67.7 83 − 61
60 697 − (654) 81.2 − 70.7 90.2 77.5 66.6 81 − 60
59 674 − (634) 80.7 − 69.9 89.8 76.6 65.5 80 − 59
58 653 − 615 80.1 − 69.2 89.3 75.7 64.3 78 − 58
57 633 − 595 79.6 − 68.5 88.9 74.8 63.2 76 − 57
56 613 − 577 79 − 67.7 88.3 73.9 62 75 − 56
55 595 − 560 78.5 − 66.9 87.9 73 60.9 74 2075 (212) 55
54 577 − 543 78 − 66.1 87.4 72 59.8 72 2015 (205) 54
53 560 − 525 77.4 − 65.4 86.9 71.2 58.5 71 1950 (199) 53
52 544 (500) 512 76.8 − 64.6 86.4 70.2 57.4 69 1880 (192) 52
51 528 (487) 496 76.3 − 63.8 85.9 69.4 56.1 68 1820 (186) 51
50 513 (475) 481 75.9 − 63.1 85.5 68.5 55 67 1760 (179) 50
49 498 (464) 469 75.2 − 62.1 85 67.6 53.8 66 1695 (173) 49
48 484 451 455 74.7 − 61.4 84.5 66.7 52.5 64 1635 (167) 48
47 471 442 443 74.1 − 60.8 83.9 65.8 51.4 63 1580 (161) 47
46 458 432 432 73.6 − 60 83.5 64.8 50.3 62 1530 (156) 46
45 446 421 421 73.1 − 59.2 83 64 49 60 1480 (151) 45
44 434 409 409 72.5 − 58.5 82.5 63.1 47.8 58 1435 (146) 44
43 423 400 400 72 − 57.7 82 62.2 46.7 57 1385 (141) 43
42 412 390 390 71.5 − 56.9 81.5 61.3 45.5 56 1340 (136) 42
41 402 381 381 70.9 − 56.2 80.9 60.4 44.3 55 1295 (132) 41
40 392 371 371 70.4 − 55.4 80.4 59.5 43.1 54 1250 (127) 40
39 382 362 362 69.9 − 54.6 79.9 58.6 41.9 52 1215 (124) 39
38 372 353 353 69.4 − 53.8 79.4 57.7 40.8 51 1180 (120) 38
37 363 344 344 68.9 − 53.1 78.8 56.8 39.6 50 1160 (118) 37
36 354 336 336 68.4 -109 52.3 78.3 55.9 38.4 49 1115 (114) 36
35 345 327 327 67.9 -108.5 51.5 77.7 55 37.2 48 1080 (110) 35
34 336 319 319 67.4 -108 50.8 77.2 54.2 36.1 47 1055 (108) 34
33 327 311 311 66.8 -107.5 50 76.6 53.3 34.9 46 1025 (105) 33
32 318 301 301 66.3 -107 49.2 76.1 52.1 33.7 44 1000 (102) 32
31 310 294 294 65.8 -106 48.4 75.6 51.3 32.7 43 980 (100) 31
30 302 286 286 65.3 -105.5 47.7 75 50.4 31.3 42 950 (97) 30
29 294 279 279 64.7 -104.5 47 74.5 49.5 30.1 41 930 (95) 29
28 286 271 271 64.3 -104 46.1 73.9 48.6 28.9 41 910 (93) 28
27 279 264 264 63.8 -103 45.2 73.3 47.7 27.8 40 880 (90) 27
26 272 258 258 63.3 -102.5 44.6 72.8 46.8 26.7 38 860 (88) 26
25 266 253 253 62.8 -101.5 43.8 72.2 45.9 25.5 38 840 (86) 25
24 260 247 247 62.4 -101 43.1 71.6 45 24.3 37 825 (84) 24
23 254 243 243 62 100 42.1 71 44 23.1 36 805 (82) 23
22 248 237 237 61.5 99 41.6 70.5 43.2 22 35 785 (80) 22
21 243 231 231 61 98.5 40.9 69.9 42.3 20.7 35 770 (79) 21
20 238 226 226 60.5 97.8 40.1 69.4 41.5 19.6 34 760 (77) 20
(18) 230 219 219 − 96.7 − − − − 33 730 (75) (18)
(16) 222 212 212 − 95.5 − − − − 32 705 (72) (16)
(14) 213 203 203 − 93.9 − − − − 31 675 (69) (14)
(12) 204 194 194 − 92.3 − − − − 29 650 (66) (12)
(10) 196 187 187 − 90.7 − − − − 28 620 (63) (10)
(8) 188 179 179 − 89.5 − − − − 27 600 (61) (8)
(6) 180 171 171 − 87.1 − − − − 26 580 (59) (6)
(4) 173 165 165 − 85.5 − − − − 25 550 (56) (4)
(2) 166 158 158 − 83.5 − − − − 24 530 (54) (2)
(0) 160 152 152 − 81.7 − − − − 24 515 (53) (0)
Notă:
(*1) Numere evidențiate: Pe baza ASTM E 140, Tabelul 1 (coordonate împreună de SAE, ASM și ASTM.)
(*2) Unitățile și numerele indicate în paranteze sunt rezultatele conversiei din numerele psi utilizând tabelele de conversie din JIS Z 8413 și Z 8438. 1 MPa = 1 N/mm2
(*3) Numerele indicate în paranteze sunt în intervale care nu sunt utilizate în mod obișnuit. Acestea sunt doar cu titlu informativ.

Procedura de măsurare a durității

Procedura de măsurare a durității poate fi următoarea: Înainte de testare, proba trebuie pregătită. Contaminanții de suprafață trebuie îndepărtați prin măcinare, iar proba trebuie curățată. Specimenul de testare este apoi așezat pe placa de probe și mutat până când ajunge în locația dorită. Este important să nu testați prea aproape de margine, deoarece deformarea poate duce altfel la rezultate false. Elementele optice de inspecție pot fi utilizate pentru a detecta momentul în care poziția este ajustată corect (imaginea devine clară). Specimenul de testat este acum prins în cleme, paralel cu planul și testul poate începe. Forța de testare determinată este aplicată lent, dar constant, prin acționarea manetei. În mod ideal, valoarea finală este atinsă între 2 și 8 secunde și apoi este menținută timp de maximum 15 secunde. Maneta este acum împinsă ușor înapoi pentru a elimina presiunea.

Echipament de testare clasic
Echipament de testare clasic

Totuși, astfel de măsurători sunt extrem de lipsit de caracter practic în viața de zi cu zi, deoarece duritatea este uneori verificată și direct pe material. În acest scop, există, de asemenea, dispozitive mobile de măsurare pentru utilizare directă în locație:

Măsurare a durității direct pe componentă
Măsurare a durității direct pe componentă

Aplicabilitatea diverselor teste de duritate

Tabelul următor compară procedurile:

Procedura de testare pentru testarea durității
Procedura de testare (standard) Materiale aplicabile Variabile de determinare Proprietăți Comentarii
Duritatea Brinell
(DIN EN ISO 6506-1)		 Duritate redusă până la medie

de exemplu metale neferoase, materiale neomogene, metale moi, oțeluri decălite		 Forță de testare F în N
Diametrul sferei în mm
Diametru ștanțare în mm		 - adecvat pentru materiale neomogene și poroase, cum ar fi fonta cenușie sau produsele forjate, deoarece amprenta este mare.
- nu este adecvat pentru eșantioane mici sau subțiri
- nu este adecvat pentru materiale dure și foarte dure		 JIS Z 2243
Duritatea Rockwell
(DIN EN ISO 6508-1)		 cu sferă de testare: Materiale plastice, carbon și metale cu duritate redusă până la medie

cu con diamantat (HRC): materiale dure până la foarte dure		 Forță de testare F în N
Adâncime de penetrare a eșantionului de testare respectiv în mm, conform scalei
(HRA, HRB, HRC, HRF)		 - valoarea durității poate fi determinată rapid.
- adecvat pentru o inspecție intermediară a produselor deja finalizate
- trebuie luate în considerare diferite tipuri de duritate Rockwell		 JIS Z 2245
Duritatea Shore
(DIN ISO 7619-1)		 Elastomeri sau elastomeri termoplastici

de exemplu spume, cauciuc, materiale plastice moi, cu duritate medie până la dure

Forță de testare F în N
Adâncime de penetrare a eșantionului de testare respectiv în mm, conform scalei
(Shore 00, Shore 0, Shore A, Shore B, Shore C, Shore D)		 - ușor de realizat
- datele pot fi determinate rapid
- materialul care urmează a fi testat trebuie să prezinte o suprafață netedă, plană
- materialele care trebuie testate trebuie depozitate la temperatură standardizată
- temperatura și umiditatea mediului trebuie menținute constante și trebuie luate în considerare duratele de așteptare
- adâncitura este mică și adecvată pentru testarea produselor deja finalizate
- compact și ușor, portabil
- scalele utilizează știfturi și forțe de presiune diferite		 JIS Z 2246
Duritatea Vickers
(DIN EN ISO 6507-1)		 Materiale moi, cu duritate medie și foarte dure (metale și ceramică)

de exemplu materiale cu un strat ranforsat prin călire prin inducție, carbonizare, nitrare, acoperire galvanică sau ceramică etc.		 Forță de testare F în N
Medie aritmetică a celor 2 diagonale de ștanțare în mm
- amprentarea este realizată din diamant și poate astfel testa materiale de orice duritate
- nu este adecvat pentru materiale poroase
este necesară o microstructură omogenă
 JIS Z 2244

Indiferent de procedura pe care o alegeți: Magazinul MISUMI are o gamă de durometre.

Duritatea oțelului

Gradul de duritate al oțelului indică cât de rezistent este materialul la deformarea sau penetrarea plastică. Este o măsură a durității (împotriva penetrării unui corp) sau a rezistenței (împotriva defectării sau a deformării ireversibile) oțelului. Diferite niveluri de duritate ale oțelului pot fi obținute prin tratamente termice intenționate. O structură nouă cu proprietățile dorite este creată prin relocarea, încorporarea sau îndepărtarea particulelor de material:

  • Relocare: decălire, temperare, călire, tratare
  • Încorporare: Carburizare, nitrurare
  • Îndepărtare: Decarburare (temperare)

Impactul diferitelor durități ale oțelului

Tipul de aliaj din cea mai bună compoziție influențează direct capacitățile călirii și ale proceselor de călire. Utilizatorii trebuie să pondereze întotdeauna între duritate și ductilitate. Capacitatea respectivă de a căli diferite clase de oțel are avantaje și dezavantaje. Pentru a găsi oțelul potrivit pentru scopul propus, aceste capacități trebuie ponderate cu atenție. Duritatea oțelului poate avea următoarele influențe:

Impactul creșterii durității asupra ductilității și prelucrabilității

Duritatea oțelului afectează ductilitatea și capacitatea de prelucrare. Ductilitatea descrie cât de bine poate rezista un material la tensiuni (de ex., șoc brusc sau impact) fără defecțiuni.

Oțelul mai moale este mai ductil decât oțelul mai dur. Prin urmare, este mai ușor de deformat și de prelucrat. Oțelul mai dur, pe de altă parte, este fragil și se rupe mai rapid la sarcini mari. În același timp, este mai rezistent la abraziune și penetrare.

Următoarea figură oferă o prezentare generală a durității, a ductilității și a interacțiunii ambelor categorii de oțel:

Oțel structural (oțel pentru structuri din oțel) Duritate - + Rezistență Oțel carbon (oțel nealiat pentru prelucrarea la rece), oțel pentru construirea mașinii, oțel călit Oțel (aliaj cu conținut ridicat), oțel de scule pentru lucrul la rece, oțel de scule pentru lucrul la cald HSS (oțel de mare viteză) + -

Interacțiunea dintre duritate și ductilitate

În timp ce duritatea din partea stângă scade spre oțelul structural, ductilitatea din partea dreaptă crește în același timp.

Duritatea oțelului influențează, de asemenea, selectarea uneltei. Oțelul mai dur duce la o uzură mai rapidă a uneltei. Semnele tipice de uzură sunt tocirea sau deteriorarea lamei. În plus, atunci când prelucrați oțel călit, este posibil să fie necesară reglarea condițiilor de tăiere, de ex., viteze de tăiere reduse. Pe lângă reglarea vitezei de tăiere și a condițiilor de tăiere, trebuie să utilizați instrumente de frezare și de tăiere de uz special, în funcție de duritatea oțelului. În acest scop, magazinul MISUMI oferă o gamă largă de instrumente pentru procesele de prelucrare.