Alapvető keménységmérési módszerek

Éppen, mert a külső hatások igen sokfélék lehetnek, a keménység pontos meghatározását azzal a módszerrel adhatjuk meg, amivel meg is mérjük.

A karcolási keménység meghatározását ásványok keménységének a meghatározására használják. Azon alapul, hogy a Mohs-féle keménységi sorba besorolt ásványok karcolják a sorban alattuk elhelyezkedő, kisebb sorszámú ásványokat. Ugyanakkor az egyes ásványfajtákon belül szerepel még a körömmel, tűvel, reszelővel stb. való karcolhatóság is. Nem túl egzakt, nem számszerűsíthető mérési módszer. A Mohs-féle keménységi skála: talk, gipsz, kalcit, fluorit, apatit, földpát, kvarc, topáz, korund, gyémánt.

A fúrási keménység meghatározásakor adott fordulatszámmal forgó, adott terheléssel ható gyémánthegyű fúró behatolási idejét mérik. Ásványok esetén alkalmazzák.

A csiszolási keménységet jellemzően ásványok (de fémek, kerámiatermékek stb. is) koptató, csiszoló hatás ellen kifejtett ellenállásának mérésére használják. A vizsgált anyagtól függően valamilyen csiszolóporral addig csiszolják az anyag felületét, amíg a por el nem veszíti hatását (esetleg adott ideig). A minta kiinduló és kísérlet utáni tömegnek a különbsége (tömegveszteség) adja az eredményt.

A nyomási keménységet jellemzően, de nem kizárólagosan, fémek keménységének megállapítására használják. Ennél a módszernél valamilyen behatoló testet (golyót, gúlát, kúpot) nyomnak a vizsgált anyag felületébe, és a benyomódás mértékéből állapítják meg a keménységet. A leggyakrabban alkalmazott eljárások a Brinell-, a Vickers-, a Knoop– és a Rockwell-féle keménységmérő módszerek. Ezen eredményeket főleg telepített keménységmérő készülékkel határozzák meg. Hordozható berendezések: Webster fogó, Brinell szorító, Sklerográf, ultrahangos hordozható keménységmérő és Poldi kalapács.

Nyomásos elven mérő eljárások

A Brinell-féle keménységmérés

A módszer alkalmazásakor egy nagyon keményre edzett acélgolyót adott erővel (és adott ideig) nyomnak a darab felületéhez. A golyó a darab keménységétől függő mértékben behatol a darabba, és ott kör alakú nyomot (bemélyedést) hagy. A nyom átmérőjét lemérik, és a golyóátmérő, valamint a ható erő figyelembe vételével táblázatból meghatározzák a mérőszámot, amit HB-vel jelölnek (a Brinell-keménység valójában nyomást jelöl, amit az alkalmazott erő (F) és a nyom felületének (A) a hányadosaként értelmezünk: HB = F/A). A golyók a következő méretekben használatosak: ∅10, 5, 2,5 és 2,1 milliméter. A 400 HB-nél nagyobb keménységű anyagok vizsgálatakor már a golyó is benyomódik, ami meghamisítja a mérést, ezért ilyenkor más módszert kell választani.

A Vickers-féle keménységmérés

Ennél a módszernél egy 136° csúcsszögű gyémántgúlát nyomnak a vizsgált anyagba, hasonló módon, mint a Brinell-vizsgálatnál. A gúla négyzet alakú nyomot hagy a darab felületén, ennek az átlóját mérik le, és ennek falhasználásával állapítják meg a Vickers-keménységet (ami a Brinell-vizsgálathoz hasonlóan nyomás jellegű mérőszám). Jele: HV. Az eljárás előnye a Brinell-módszerhez képest, hogy keményebb anyagok is vizsgálhatók, kisebb nyomot hagy a darab felületén, ezért kész darabok esetén is használhatók, és vékonyabb darabok keménységmérésére is alkalmas.

Rockwell-féle keménységmérés

A Rockwell-módszer esetén a behatolás mélysége alapján határozzák meg a keménység mérőszámát. Általában 120° csúcsszögű gyémántkúpot (ilyenkor a keménység jele HRC vagy HRA), vagy 1,59 milliméter átmérőjű edzett acélgolyót használnak (ekkor HRB a jele). A vizsgálat úgy történik, hogy a behatoló testet először egy adott előterheléssel nyomják a felületre, itt nullázzák a mérőórát, majd ezután adják rá a módszertől függő nagyságú fő terhelőerőt. A terhelést akkor szüntetik meg, amikor az óra mozgása megállt.

Vickers-keménység

A Vickers-keménység anyagok, elsősorban fémek, ezen belül is acélok keménységének összehasonlítására szolgáló empirikus mérőszámok egyike.

A Vickers-keménység mérését az angliai Vickers Ltd-nél dolgozó két kutató, Smith és Sandland mérnökök dolgozták ki 1924-ben a Brinell-keménységmérés alternatívájaként. A Vickers-keménységmérés gyakran egyszerűbben elvégezhető, mint más keménységmérési vizsgálat, mivel a szükéges számítások függetlenek a behatoló test méretétől, továbbá a ugyanaz a behatoló test használható minden típusú anyagra, függetlenül annak keménységétől. A mérési elv, mint általában minden keménységmérés esetén, annak vizsgálata, hogy egy standard erőforrást alkalmazva hogyan áll ellen a kérdéses anyag a plasztikus deformációnak. A Vickers-keménységmérés bármilyen fémen elvégezhető, a mérési tartománya az egyik legszélesebb a keménységvizsgálati módszerek közül. A keménység egysége a Vickers piramisszám (HV).

A mérés során egy 136°-os gyémántgúlát nyomnak meghatározott erővel a mérendő felületre. A kiértékeléshez megmérik a lenyomat átlóit, és a kettő átlagából kiszámítják a lenyomat felületét.

A keménység (HV):

$H_v=\frac{F}{A}\approx\frac{1.854F}{d^2}$

Ahol

F = a behatoló test által kifejtett terhelőerő

A = lenyomat felülete

d = átlók átlaga

Brinnel-keménység

A Brinell-keménység méri a fémek ellenállását egy acélgolyó bemélyedésekor, amit egy megadott erővel préselünk a vizsgálandó fém felületére. Az eljárást a svéd Johan August Brinell mérnök vezette be 1900-ban, az acél hőkezelésén dolgozva és mint szabvány 1924-ben jelent meg.

Az eljárás

Az eredeti szabvány szerint egy 10 mm átmérőjű edzett acél golyót 3000 kilogrammsúly, vagyis 29 kilonewton erővel préselnek a tárgy felületére, majd megmérik a tárgy felületén hagyott bemélyedés átmérőjét. A kapott eredménnyel kiszámítják a Brinell-keménységet:

$BHN=\frac{2F}{\pi D\left(D-\sqrt{(D^2-d^2)} \right )}$

ahol:

BHN Brinell-keménység, az angol Brinell Hardness Number rövidítése
F a golyóra ható erő kilogrammsúlyban
D a golyó átmérője milliméterben
d a golyó által hagyott nyom átmérője milliméterben

A kapott érték dimenziója nyomás (erő osztva felszínnel), amelynek a mértékegysége Pascal. Az erő ebben az esetben az, amivel a golyót préseljük (kilogrammsúly), a felület pedig az érintkezési felület a golyó bemélyedése után (mm²), így a mértékegység kgf/mm². A kémiai elemek oldalain, a táblázatban a Brinell-keménység megapascalban (MPa) van megadva (az erő newtonban, a felszín négyzetméterben kifejezve).

Jelölés

A BHN jelölés (rövidebben HB) a fent leírt körülményekre (golyó típusa, átmérője, erő nagysága) érvényes. Eredetileg az acéltípusok meghatározására volt bevezetve, de később különböző anyagoknak is mérték a Brinell-keménységét (keményebbeknek is, de sokkal puhábbaknak is). A nagyon kemény anyagoknál az edzett acél golyó helyett volfrámkarbid golyót használnak. A puhább anyagoknál az erő kisebb a standard 3000 kilogrammsúlynál. Ezért kiegészített jelöléssel találkozhatunk:

HB – standard körülmények
HBS – az S az angol steel (acél) rövidítése – edzett acél golyót használtak
HBS10/100 – 10 a golyó átmérője, milliméterben; 100 az erő kilogrammsúlyban
HBW10/3000 -W a golyó volfrámkarbid, 10 mm átmérőjű és 3000 kilogrammsúly az erő

Példák

Anyag	Brinell-keménység
Puhafa (fenyő)	1,6 HBS10/100
Keményfa	2,6 – 7,0 HBS10/100
Alumínium	15 HB
Réz	35 HB
Lágyacél	120 HB
Rozsdamentes acél	250 HB
Üveg	550 HB
Edzett szerszámacél	650 – 700 HB

Szabványok

EN ISO 6506-1
EN ISO 6506-2
EN ISO 6506-3
ASTM E10

Rockwell-keménység

A Rockwell-keménység olyan anyagtulajdonság, amely azt fejezi ki, hogy egy anyag felülete mennyire szilárd, milyen mértékben ellenálló a külső mechanikai behatásokkal szemben.

Általában anyagok kiválasztásakor, azok felhasználásának tervezésekor, kopások számítása esetén van jelentősége.

A Rockwell-keménység mérése

A mérési módszer hasonló a Brinell-keménység méréséhez. Apró kúpot sajtolnak meghatározott erővel a mintaanyag felületébe először előterhelésként, majd teljes terhelésen. A teljes terhelés és előterhelés lenyomatának mélységét mérik, és ezek hányadosa adja meg a keménység értékét.

A vizsgálat népszerűségét az egyszerűségének, gyorsaságának és megbízhatóságának köszönheti, amellett, hogy a vizsgálandó felületet csak kis mértékben és felületen roncsolja.

A mérési eljárás szabványosítva van, az ISO 6508 szabványsorozat taglalja.

Rockwell skála

Az anyagok eltérő keménységéhez alkalmazkodva a mérési módszerek is eltérnek. A puhább anyagoknál kisebb erővel nyomnak nagyobb testeket az anyagba.

Rockwell skálák
Skála	Rövidítés	Terhelés	Mérőtest	Felhasználása
A	HRA	60 kp (588,4 N)	120°-os gyémánt kúp†	wolfrámkarbid (vidia)
B	HRB	100 kp (980,7N)	1/16 hüvelyk (1,588 mm)-es acél golyó	alumínium, bronz, lágy acélok
C	HRC	150 kp (1471N)	120°-os gyémánt kúp	Kemény acélok
D	HRD	100 kp (980,7N)	120°-os gyémánt kúp
E	HRE	100 kp (980,7N)	1/8 hüvelyk (3,175 mm)-es acél golyó
F	HRF	60 kp (588,4N)	1/16 hüvelyk (1,588 mm)-es acél golyó
G	HRG	150 kp (1471N)	1/16 hüvelyk (1,588 mm)-es acél golyó
^†Más néven Brale nyomótest