Metoda Vickersa (HV), Metoda Rockwella (HR), Metoda Brinella (HB)

Pomiary twardości to jedno z prostszych badań materiałowych, które w krótkim czasie pozwala uzyskać informacje o stanie i właściwościach danego materiału (w szczególności materiałów metalicznych i ceramicznych). Badanie twardości polega na ustandaryzownym wciskaniu bardzo twardego, niewielkiego wgłębnika o określonej geometrii i przy konkretnie zadanym obciążeniu. Każdy materiał w odpowiedzi na wywołany nacisk, daje specyficzną reakcję, i to właśnie dzięki ustandaryzowaniu parametrów nacisku, istnieje możliwość pomiaru odpowiedzi (reakcji) materiału. Można więc powiedzieć, że twardość to miara odporności materiału na zadane skupione obciążenie punktowe. Najpopularniejszymi metodami badania twardości są metody Rockwella, Brinella i Vickersa. Różnią się one przede wszystkim zastosowanym wgłębnikiem.

W przypadku metody Vickersa (HV) wgłębnik ma kształt ostro zakończonego ostrosłupa czworobocznego o wierzchołku z kątem 136°, a pomiar realizowany jest poprzez zmierzenie przekątnych odcisku. Jest to metoda, która pozwala na precyzyjny pomiar twardości przy niewielkich naciskach – jest więc idealna do pomiaru twardości powłok lub pomiarów rozkładów twardości na przekrojach badanych detali.

W przypadku metody Rockwella (HR) stosuje się różne wgłębniki w zależności od wybranej skali (stożek o podstawie czworokątnej lub kulki o różnych średnicach), a wynik jest bezpośrednio związany z przyrostem głębokości uzyskanego odkształcenia.

W przypadku metody Brinella (HB) wgłębikiem jest zawsze kulka o zadanej średnicy (z węglików spiekanych lub dawniej hartowanej stali) a wynik otrzymuje się poprzez pomiar średnicy powstałego odcisku.

Czyli jak mierzyć twardość metalu, ceramiki czy tworzyw sztucznych?

Metoda Vickersa (HV) – jest najbardziej uniwersalną ze względu na jedną skalę pomiarową oraz szeroki zakres stosowanych obciążeń (w skali makro oraz mikro). Jest to metoda idealna do badań twardości powierzchniowej powłok, a także wyznaczania rozkładów twardości w warstwach powierzchniowych i w strefach dyfuzyjnych. Idealnie nadaje się również do badania miękkich i twardych metali oraz materiałów ceramicznych. Raczej nie jest używana w przypadku tworzyw sztucznych. Pomiar metodą Vickersa jest też bardziej pracochłonny w porównaniu z metodami Brinella i Rockwella, a w przypadku zastosowania małych obciążeń wynik zależy od zastosowanego obciążenia. Ponadto – ze względu na konieczność pomiaru przekątnych – metoda ta jest bardzo wrażliwa na chropowatość powierzchni badanego materiału.

Metoda Rockwella (HR) – jest stosowana przede wszystkim do badania twardości metali i ich stopów. W zależności od skali metodą tą możemy badać:

• skale C i A dla stali hartowanych
• skale B i F dla metali kolorowych i stali niehartowanych
• skale N i T stosuje się dla próbek cienkich i o niewielkich rozmiarach.

Metoda Brinella (HB) – podobnie jak jak Technika Rockwella, metoda Brinella (HB) jest stosowana przede wszystkim do pomiarów twardości metali, w szczególności dla stopów lekkich, metali nieżelaznych, żeliw oraz stali. Istnieje bezpośrednie powiązanie twardości Brinella z wytrzymałością na rozciąganie zgodnie ze wzorem:
Rm=kHB, gdzie k – współczynnik proporcjonalności zależny od badanego materiału.

Badanie twardości instrumentalnej w skali nano lub mikro, moduł Younga, praca plastyczna, praca sprężysta, pełzanie

Jest to metoda oparta na modelu Oliviera-Pharra, póki co jest to najdokładniejszy sposób pomiaru twardości instrumentalnej. Technika ta polega na ciągłym pomiarze siły obciążającej oraz głębokości wnikania wgłębnika w próbkę podczas obciążania, oraz odciążania. Wykonanie takiego testu daje użytkownikowi nie tylko jeden wynik twardości (instrumentalnej, podawanej w GPa lub MPa), ale również inne parametry mechaniczne, jak np.: moduł Younga badanego materiału, pracę plastyczną, sprężystą, pełzanie, relaksację naprężeń oraz moduł magazynowania i strat (w przypadku badania polimerów). Sam pomiar instrumentalny pozwala na analizę „zachowania się” materiału w skali nano i mikro w trakcie testu. Jest to metoda najbardziej pracochłonna, najtrudniejsza w analizie, ale też dająca najszersze możliwości co do badania materiałów metalicznych, ceramicznych z tworzyw sztucznych, czy powłok.