Hårdhet och hårdhetstestning i jämförelse

Ett brett utbud av råvaror och tillhörande material används i industriella tillämpningar. Omfattande kunskap om deras materialegenskaper är en absolut förutsättning för att använda dessa råvaror för en definierad tillämpning i tekniska miljöer. Hårdhetstester är ett sätt att bestämma grundläggande materialegenskaper som hårdhet / seghet och styrka hos ett material, såsom stål. Hårdhet spelar en avgörande roll i karakterisering och kvalitetskontroll av material. Hårdheten hos ett stål ger information om dess mekaniska egenskaper, slitstyrka och lämplighet för specifika tillämpningar. I detta sammanhang har olika hårdhetstestmetoder och skalor utvecklats för att noggrant bestämma och klassificera stålets hårdhet. Den här artikeln ger en översikt över vanliga hårdhetstestmetoder och beskriver en möjlig hårdhetsmätningsprocedur. En jämförelsetabell för hårdhet möjliggör en jämförelse av de värden som bestäms av enskilda metoder.

Olika hårdhetstester i jämförelse

Hårdhetstestning är avgörande för karakterisering och kvalitetskontroll av stålprodukter. Det finns olika hårdhetstester, t.ex. enligt Brinell, Rockwell, Shore och Vickers. Den vanligaste metoden är hårdhetstestning enligt Rockwell.

Mätinstrument för hårdhet
Mätinstrument för hårdhet

Brinell-hårdhet

Brinell-hårdhetstestet var den första metoden som direkt kunde beräkna värden. Ytan på det material som testas komprimeras vid en specifik testkraft (F) med hjälp av en sfärisk hårdhetsprovkropp av volframkarbid. Avtryckets diameter (d) mäts sedan vanligtvis. Hårdheten beräknas enligt följande:

HBW=\frac{2F \times 0,102}{\Pi \times D \times ({D}-\sqrt{D^{2}-d^{2}})}
  • D = Bollens diameter
  • d = Avtryckets diameter
  • F = Testkraft
  • Omvandlingsfaktor 0,102 = Tidigare specificerades den gamla måttenheten kilopond (kp) för hårdhet. Detta används inte längre idag och omvandlingsfaktorn används för att bestämma ett värde i Newton (1 kp motsvarar 9,81 N)

I praktiken anges dock hårdheten i mätanordningen och behöver inte beräknas. Detta gäller alla förfaranden.

Hårdhetsprovningsmetoden enligt Brinell är standardiserad i DIN EN ISO 6506-1. Testkraften som ska användas kan läsas i tabeller. Som en allmän regel bör intrycket av testbollen vara så stort som möjligt för att upptäcka så många beståndsdelar som möjligt.

Brinell-hårdhetstestet är lämpligt för mjuka till medelhårda material vars hårdhet inte är över 650 HBW. Den är också lastoberoende.

Vickers-hårdhet

Vickers hårdhetsprovningsmetod liknar Brinell-metoden. Det utvecklades från det faktum att Brinell-testmetoden är lämplig för mjuka och medelhårda material, men inte för mycket hårda material. Istället för en hårdmetallkula används här en diamantpyramid med en fyrkantig basyta och en öppningsvinkel på 136° mellan spetsarna. Vinkeln valdes för att säkerställa jämförelser med Brinell-hårdheter.

Formen på den penetrerande kroppen gör att höga krafter kan appliceras (aluminium på stål). En minsta provtjocklek för testprovet Smin är en förutsättning för proceduren. Provet måste vara minst 1,5 x den genomsnittliga längden på avtrycksdiagonalen (1,5 x d) så att proben inte tränger igenom till provplattan. Även här ger standarder som DIN EN ISO 6507-1 minsta avstånd mellan testpunkterna eller avtrycken och till provets kant så att resultaten inte förfalskas genom deformation. Vickers hårdhet indikeras till exempel enligt följande: 210 HV 40/30 (testkraft/hålltid för testet). Den kan beräknas med hjälp av följande formel:

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

Värdet d2 beräknas från längden på den första diagonalen d1 och den andra diagonalen d2, se även det markerade området i figuren nedan. Värdet för d måste beräknas i ett första steg:

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

d2 beräknas sedan enligt följande:

d^{2}= d \times d
Hårdhetstest enligt Vickers
Hårdhetstest enligt Vickers

Rockwell-hårdhet

Rockwell-hårdhet bestäms till exempel på samma sätt som Brinell-metoden med en stålkula eller på samma sätt som Vickers-metoden med en diamantkon med 120° vinkel. Penetrationsdjupet och inte avtryckets diameter tas som parameter. Beroende på metod specificeras Rockwell-hårdheten i HRA, HRB, HRC eller HRF, där HR refererar till Rockwell-hårdhetstestet och bokstaven representerar metoden. Testprovet placeras under belastning med en kraft enligt följande:

  • Rockwell A: Fv= 98,07 N, FZ = 490,3 N
    (Diamantkon, referensdjup 0,2 mm - för mycket hårda material och hårdmetaller)
  • Rockwell B: Fv= 98,07 N, FZ = 882,6 N
    (Karbidkula, referensdjup 0,2 mm - för medelhårda material t.ex. stål och mässing)
  • Rockwell C: Fv= 98,07 N, FZ = 1373 N
    (Diamantkon, referensdjup 0,2 mm - för härdat stål)
  • Rockwell F: Fv= 98,07 N, FZ = 490,3 N
    (Karbidkula, referensdjup 0,26 mm - för tunn plåt, mjuk koppar eller mjuk mässing)

Testförfarandet kan vara följande:

Testmetod enligt Rockwell
Testmetod enligt Rockwell

I det första steget (1) laddas inspelaren med förtestkraften (Fv) och tränger in lite i provet (referensplan - - - linje). I det andra steget (2) utövas dessutom den ytterligare tilläggstestkraften (FZ) och den totala testkraften verkar nu på provet. I det sista steget (3) tas tilläggstestkraften bort igen och det permanenta penetrationsdjupet (h) kan nu mätas.

Formeln för beräkningen med diamantkon är följande:

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

S motsvarar skalklassificeringen på mätklockan (vanligtvis motsvarar 100 skalsegment 0,002 mm).

Formeln för beräkning med en hårdmetallkula är följande:

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

Vilken Rockwell-skala som väljs och beroende på: Materialhårdhet, arbetsstyckets tjocklek, alla härdade ytor (t.ex. nitrationshärdning). Diamantkonen används främst för härdat eller härdat stål och stålkulan används främst för mjukare material. Du hittar lämpliga diamantpenetrerande kroppar i MISUMI-butiken.

Shore-hårdhet

Shore-hårdhetstestning används främst för elastiska material som gummi, plast, geler eller skum. Även här pressas ett specialiserat testprov in i materialet med en definierad kraft. Penetrationsdjupet representerar skalan. Det finns sex olika skalor:

  • Shore 00: för mycket mjuka material som silikon, geler.
  • Shore 0: för mjuka men lite mer hållbara material.
  • Shore A: för medelhårda elastiska material (t.ex. naturgummi, syntetiska elastomerer, flexibel plast, mjukt gummi)
  • Shore B: för elastiska material med högre styvhet (t.ex. hårda gummikompositer)
  • Shore C: för hårdare material (t.ex. termoplastiska elastomerer, hårdplast, härdat gummi)
  • Shore D: för tuffa elastomerer och termoplaster, såsom PPOM (polyoximetylen), PE (polyetylen) och PA (polyamider)

Shore A-hårdhet och Shore D-hårdhet är relevanta för de flesta industriella användningsfall.

Shore-hårdheten kan till exempel mätas med en durometer. Den senare trycks för hand mot objektet som testas och visar sedan motsvarande värde. Observera att durometrar visar värden på endast en Shore-skala vardera, dvs. det finns Shore A-durometrar osv. Durometrar finns också i vår MISUMI-butik.

Exempel på ett durometer
Exempel på ett durometer

Konvertering av hårdhet

Vilket hårdhetsprov som används som standard är inte obligatoriskt. Olika branscher och laboratorier använder därför olika mätmetoder. För att jämföra de olika hårdhetsgraderna tillhandahåller DIN EN ISO 18265 till exempel en hårdhetsjämförelsetabell för olegerat och låglegerat stål och gjutet stål:

Omvandlingstabell för hårdhet (SAEJ417) -1983 reviderad - Ungefärlig omräkning av Rockwells hårdhets-C-värden för stål (*1)
(HRC)
Rockwell hårdhetsskala C		 (HV)
Vickers-hårdhet		 Brinellhårdhet (HB)
10 mm kula, last 3 000 kgf		 Rockwell hårdhet (*3) Rockwell Hard Diamond Cone penetrator (Hs)
Shore-hårdhet		 Draghållfasthet (ungefärligt värde)
Mpa
(kgf/mm2)(*2)		 Rockwell-hårdhet
Skala C
(*3)
Standardsfär volframkarbidkula (HRA)
Skala A,
Last 60 kgf,
Diamantkon
Penetrator		 (HRB)
Skala B,
Last 100 kgf,
Dia, 1.6 mm
(1/16 tum) sfär		 (HRD)
Skala D,
Last 100 kgf,
Penetrator med diamantkon		 15-N
skala,
Last 15 kgf		 30-N
skala,
Last 30 kgf		 45-N
skala,
Last 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 1 000 (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)
Anmärkning
(*1) Markerade siffror: Baserat på ASTM E 140, tabell 1 (samordnas gemensamt av SAE, ASM och ASTM).
(*2) De enheter och tal som anges inom parentes är resultat av omvandlingen från psi-tal med hjälp av omvandlingstabellerna från JIS Z 8413 och Z 8438. 1 MPa = 1 N/mm2
(*3) De siffror som visas inom parentes är i intervall som inte är vanligt förekommande. De är endast avsedda för information.

Procedur för mätning av hårdhet

Proceduren för hårdhetsmätning kan vara följande: Före testning måste provet förberedas. Ytföroreningar måste avlägsnas genom slipning och provet måste rengöras. Provet placeras sedan på provplattan och flyttas tills önskad plats har nåtts. Det är viktigt att inte testa för nära kanten eftersom deformation annars kan leda till förfalskade resultat. Inspektionsoptiken kan användas för att detektera när positionen är korrekt justerad (bilden blir skarp). Testprovet är nu fastklämt parallellt med planet och testet kan starta. Den fastställda testkraften appliceras långsamt men stadigt genom att aktivera spaken. Helst uppnås det slutliga värdet mellan 2 och 8 sekunder och hålls sedan i högst 15 sekunder. Reglaget trycks nu försiktigt bakåt för att avlägsna trycket.

Klassiskt mätinstrument
Klassiskt mätinstrument

Sådana mätningar är dock mycket opraktiska i vardagen eftersom hårdheten ibland också kontrolleras på plats direkt på materialet. För detta ändamål finns det även mobila mätenheter för användning direkt på plats:

Hårdhetsmätning direkt på komponenten
Hårdhetsmätning direkt på komponenten

Tillämpning av olika hårdhetstester

Följande tabell jämför procedurerna:

Testprocedur för hårdhetstestning
Testprocedur (standard) Tillämpliga material Bestämningsvariabler Egenskaper Kommentarer
Brinell-hårdhet
(DIN EN ISO 6506-1)		 Mjuka till medelhårda material

t,ex, icke-järnmetaller, inhomogena material, mjuka metaller, mjukt glödgat stål		 Testkraft F i N
Sfärdiameter i mm
Avtrycksdiameter i mm		 - lämplig för inhomogena och porösa material som grå gjutjärn eller smidda produkter, eftersom fördjupningen är stor.
- inte lämplig för små eller tunna prover
- inte lämplig för hårda och mycket hårda material		 JIS Z 2243
Rockwell-hårdhet
(DIN EN ISO 6508-1)		 med testsfär: Plast, kol och mjuka till medelhårda metaller

med diamantkon (HRC): hårda till mycket hårda material		 Testkraft F i N
Penetrationsdjup för respektive testexempel i mm enligt metod
(HRA, HRB, HRC, HRF)		 - hårdhetsvärdet kan bestämmas snabbt.
- lämplig för en interimsinspektion av produkter som redan är klara
- olika typer av Rockwell-hårdhet måste beaktas		 JIS Z 2245
Shore-hårdhet
(DIN ISO 7619-1)		 Elastomerer eller termoplastiska elastomerer

t,ex, skum, gummi, mjuk, medelhård till hård plast

Testkraft F i N
Penetrationsdjup för respektive testexempel enligt skala
(Shore 00, Shore 0, Shore A, Shore B, Shore C, Shore D)		 - lätt att utföra
- data kan snabbt fastställas
- materialet som ska testas måste ha en jämn och slät yta
- material som ska testas måste förvaras vid standardiserad temperatur
- omgivningstemperatur och luftfuktighet måste hållas konstanta och väntetider måste beaktas
- fördjupningen är liten och lämplig för testning av produkter som redan är färdiga
- kompakt och lätt, bärbar
- skalor använder olika tryckstift och krafter		 JIS Z 2246
Vickers-hårdhet
(DIN EN ISO 6507-1)		 Mjuka, medelhårda till mycket hårda material (metaller och keramik)

t,ex, material med ett skikt som härdats genom induktionshärdning, karbonisering, nitrering, galvanisk eller keramisk beläggning osv.		 Testkraft F i N
Aritmetiskt medelvärde av de 2 avtrycksdiagonalerna i mm
- indentern är tillverkad av diamant och kan därmed testa material av vilken hårdhet som helst
- ej lämplig för poröst material
homogen mikrostruktur krävs
 JIS Z 2244

Oavsett vilken procedur du väljer: MISUMI-butiken har en rad hårdhetsmätare.

Stålets hårdhet

Stålets hårdhetsgrad indikerar hur resistent materialet är mot plastisk deformation eller penetration. Det är ett mått på hårdheten (mot en kropps penetration) eller styrkan (mot misslyckande eller irreversibel deformation) av stålet. Olika hårdhetsnivåer av stål kan uppnås genom målmedvetna värmebehandlingar. En ny struktur med önskade egenskaper skapas genom att flytta, införliva eller ta bort materialpartiklar:

  • Flytta: glödgning, anlöpning, härdning, tempering, curing
  • Införlivande: Förgasning, nitrering
  • Tar bort: Avkolning (härdning)

Effekten av olika stålhårdheter

Typen av legering i sin finaste sammansättning påverkar direkt kapaciteten hos härdning och härdningsprocesser. Användarna måste alltid väga mellan hårdhet och seghet. Respektive kapacitet att härda olika stålsorter har för- och nackdelar. För att hitta rätt stål för det avsedda ändamålet bör denna kapacitet därför vägas noggrant. Stålets hårdhet kan ha följande påverkan:

Påverkan av ökande hårdhet på seghet och maskinlighet

Stålets hårdhet påverkar seghet och maskinbarhet. Duktilitet beskriver hur väl ett material tål påfrestningar (t.ex. plötslig stöt eller slag) utan att misslyckas.

Mjukare stål är mer seg än hårdare stål. Det är därför lättare att deformera och maskinbearbeta. Hårdare stål, å andra sidan, är sprött och går snabbare under höga belastningar. Samtidigt är det dock mer motståndskraftigt mot nötning och penetration.

Följande figur ger en översikt över hårdhet, seghet och interaktionen mellan båda i olika stålsorter:

Strukturellt stål (stål för stålkonstruktioner) Hårdhet - + Tålighet Kolstål (olegerat kallt arbetsstål), maskinkonstruktionsstål, härdat stål Stål (höglegerat), verktygsstål för kallt arbete, verktygsstål för varmt arbete HSS (höghastighetsstål) + -

Interaktion mellan hårdhet och seghet

Medan hårdheten på vänster sida minskar mot konstruktionsstål ökar duktiliteten på höger sida samtidigt.

Stålets hårdhet påverkar också verktygsvalet. Hårdare stål leder till snabbare verktygsslitage. Typiska tecken på slitage är slöa eller skador på bladet. Vid bearbetning av härdat stål kan dessutom skärförhållandena behöva justeras, t.ex. reducerade skärhastigheter. Förutom att justera skärhastighet och skärförhållanden är det nödvändigt att använda specialverktyg för fräsning och skärverktyg beroende på stålets hårdhet. För detta ändamål erbjuder MISUMI-butiken ett brett utbud av verktyg för bearbetningsprocesser.