Pomiar twardości ciał stałych należy w branży obróbki metali do szczególnie ważnych procesów analitycznych. Na czym polega tego typu weryfikacja? Analiza twardości z technologicznego i konstrukcyjnego punktu widzenia przekłada się na dobór właściwych narzędzi obróbki czy też ocenę trwałości danej konstrukcji. Kluczowa w tym kontekście jest analiza oparta na skali opracowanej w ramach metody Rockwella.

pomiar twardości metodą rockwela

Twardość metalu to właściwość, która polega na stawianiu oporu dla odkształceń plastycznych, które powstają na skutek nacisku generowanego lokalnie na dany sektor elementu. Wywierany jest on przez inny – cechujący się większą twardością. W ten sposób możliwe jest sprawne porównanie obrabianych materiałów pod kątem ich odporności na uszkodzenia powierzchni. To szczególnie istotne wobec wszelkich porównań wytrzymałości poszczególnych stopów pod kątem obciążeń czy specyficznych zadań konstrukcyjnych. 

Analizowanie metali pod kątem ich twardości i wytrzymałości na uszkodzenia opiera się na kilku metodach – za podstawową w tym względzie uznaje się sposób Rockwella. Czym różni się ona od innych dróg, jakimi są pomiar twardości metodą Brinella oraz Vickersa?

Czytaj także: Jak wycenić obróbkę skrawaniem

Analiza wytrzymałości według Rockwella

Pomiar realizowany sposobem opracowanym przez Hugh Rockwella oraz Stanley’a Rockwella polega na dwustopniowym wcisku w analizowany materiał diamentowego stożka lub hartowanej kulki stalowej. Mają one konkretne parametry. W przypadku stożka, kąt wierzchołkowy sięgać ma 120 stopni. Z kolei kula powinna mieć średnicę 1/16”. 

Kluczowa w metodzie Rockwella jest dwustopniowość procesu. W ten sposób wykorzystywane są dwie wartości obciążeniowe:

W pierwszym etapie dochodzi do zagłębienia elementu analitycznego na tzw. głębokość wstępną F0. W kolejnym etapie dochodzi do uruchomienia obciążenia głównego wyrażanego jako F, co prowadzi do połączenia sił obu czynników. W ostatniej części tego procesu, już o uruchomieniu sił plastycznych dochodzi do usunięcia obciążenia F i pozostawienia wyłącznie F0. Efektem jest unoszenie się elementu badającego wyłącznie na podstawie odkształcenia sprężystego i plastycznego. W ten sposób możliwa jest ocena głębokości pomiarowej wyrażanej w formie wartości określanej w milimetrach. Stanowi ona odległość, którą wytworzono na skutek przyłożenia głównego obciążenia (F+F0) po wstępnym obciążeniu (F0). 

Twardość obrazowana według skali Rockwella przedstawiana jest w jednostkach twardości określanych w układzie HR. Co ważne, w zależności od przyjętej metody badawczej i zastosowania danego elementu analitycznego, wynik prezentowany może być jako:

W pierwszym przypadku rezultat dotyczy badania pomiarowego wykonanego w oparciu o stalową kulę; w opcji drugiej analiza oparta została na działaniu stożka. 

W ten sposób skala Rockwella pozwala precyzyjnie zweryfikować twardość stopów – dotyczy to głównie stali, które przechodziły proces cieplnego ulepszania.

Skala twardości w zależności od parametrów

Metoda Rockwella stanowi zestawienie danych pokazujących stopień oddziaływania wgłębnika – stożka lub stalowej kulki – i obciążenia. 

W ten sposób wyróżnia się siedem poziomów skali:

Znajomość twardości metali według skali Rockwella pozwala na dostosowanie metody obróbki oraz innych prac w zależności od cech charakterystycznych dla danego stopu. 

W efekcie każda ze skal przeznaczona jest do innych metali:

Podczas podawania twardości ujętej w ramach skali Rockwella symbolika powinna uwzględniać daną metodę badania. W ten sposób zakres obejmuje 20 wariantów dla stopów miękkich oraz 100 w przypadku stali hartowanej.

Zalety metody badania metali metodą Rockwella

Podstawową korzyścią, jaką zapewnia metoda Rockwella jest możliwość sprawnego i wygodnego pomiaru twardości materiałów o zróżnicowanym stopniu twardości – zarówno miękkich jak i o podwyższonej gęstości. Doceniana jest też szybkość otrzymania wyników. Pomiar może mieć w efekcie charakter masowy i obejmować dużą liczbę stopów. 

Ważnymi zaletami takiego rozwiązania są również relatywnie mały wpływ zewnętrznej siły nacisku na analizowane tworzywo, a także możliwość szybkiego odczytania danych podczas pomiaru. Decydując się na metodę badania metali sposobem Rockwella trzeba mieć jednak na uwadze możliwe błędy przy generowaniu ostatecznych danych – wynik pomiarowy może okazać się zachwiany na skutek warunków środowiska.

Autor: Michał Kuźlik