Metalen hardheidsgrafiek: Mohs, HB, HV, HS, HRC

De hardheid van een metaal verwijst naar het vermogen om plaatselijke vervorming te weerstaan, vooral plastische vervorming, inkepingen of krassen. Het is een maat voor de zachtheid of hardheid van het materiaal.

Er zijn twee hoofdtypen methodes om de hardheid van metalen te testen: statisch en dynamisch. Statische testmethoden zijn Brinell, Rockwell, Vickers, Knoop, Meyer en Barcol, waarbij Brinell, Rockwell en Vickers het meest gebruikt worden. Dynamische testmethodes omvatten de dynamische en impactvolle toepassing van testkrachten.

De hardheidsmeting wordt voornamelijk bepaald door de diepte van de indrukking, het geprojecteerde oppervlak van de indrukking of de grootte van de indrukking. De Brinell hardheid (HB) wordt bijvoorbeeld berekend door een kogel van gehard staal of een harde legering met een bepaalde diameter onder een bepaalde testbelasting in het geteste metaaloppervlak te drukken, dit gedurende een bepaalde tijd vol te houden, vervolgens te ontladen en de diameter van de indrukking op het geteste oppervlak te meten.

Er zijn talloze methoden om de hardheid van metalen te verhogen, waaronder legeren met harde elementen in het materiaal, procesharden, korrelverfijning versterken, dispersie versterken, tweede fase versterken, warmtebehandeling versterken (zoals afschrikken, carboneren, nitreren, metaalinfiltratie) en oppervlakteversterking. Daarnaast kan de slijtvastheid van metaalmaterialen worden verbeterd door de structurele vorm te veranderen en de kristallijne toestand te wijzigen.

Metalen Mohs-hardheidsgrafiek

De Mohs hardheid is een standaard voor de hardheid van mineralen, voor het eerst voorgesteld in 1822 door de Duitse mineraloog Frederich Mohs. Het is een standaard die gebruikt wordt in de mineralogie of gemmologie. De hardheid van Mohs wordt bepaald door met een diamantpiramide naald over het oppervlak van het geteste mineraal te krassen en de diepte van de kras te meten. De diepte van deze kras is de Mohs hardheid, weergegeven door het symbool HM. Het wordt ook gebruikt om de hardheid van andere materialen aan te geven.

De diepte van de gemeten kras is verdeeld in tien niveaus om de hardheid weer te geven (krasmethode): talk 1 (kleinste hardheid), gips 2, calciet 3, fluoriet 4, apatiet 5, orthoklaas (veldspaat) 6, kwarts 7, topaas 8, korund 9, diamant 10. De hardheid van het geteste mineraal wordt bepaald door de krassen te vergelijken met standaardmineralen in de Mohs hardheidsmeter. De hardheid van het geteste mineraal wordt bepaald door krassen te vergelijken met de standaardmineralen in de Mohs hardheidsmeter. Hoewel de meting van deze methode ruw is, is het handig en praktisch. Het wordt vaak gebruikt om de hardheid van natuurlijke mineralen te meten.

Hardheidswaarden zijn geen absolute hardheidswaarden, maar waarden die worden weergegeven in volgorde van hardheid.

Vergelijk bij het aanbrengen de hardheid door te krassen. Als een mineraal bijvoorbeeld calciet kan krassen maar geen fluoriet, dan is de Mohs hardheid 3 tot 4, en andere mineralen worden afgeleid. De hardheid van Mohs is slechts een relatieve hardheid, die ruw is. De hardheid van talk is 1, diamant is 10 en korund is 9, maar de absolute hardheid gemeten door een microhardheidstester is 4192 keer die van talk voor diamant en 442 keer die van talk voor korund. De hardheid van Mohs is handig in gebruik en wordt vaak gebruikt in veldoperaties. De hardheid van vingernagels is bijvoorbeeld ongeveer 2,5, koperen munten zijn 3,5-4, stalen messen zijn 5,5 en glas is 6,5.

In aanvulling op de oorspronkelijke lijst van 1 tot 10 soorten mineralen worden hier ter referentie de hardheidswaarden van veelvoorkomende metalen vermeld.

Hardheidsgrafiek metalen

Hardheidsgrafiek non-ferro & ferro metalen

1. Hardheidsgrafiek non-ferrometalen

2. Hardheidsgrafiek ferrometalen

De volgende gegevens zijn voornamelijk van toepassing op koolstofarme staal (zacht staal).

Gerelateerde lectuur: Vergelijkingstabel van metaalhardheid: HV, HB, HRC

Vaak gebruikte hardheid

Brinellhardheid

De Brinell-hardheidstest gebruikt een kogel van gehard staal of een harde legering met een diameter van D als indringlichaam.

Een gespecificeerde testkracht F wordt uitgeoefend op het oppervlak van het te testen materiaal en na een bepaalde wachttijd wordt de testkracht verwijderd, waardoor een inkeping met een diameter d achterblijft.

De Brinell-hardheid waarde wordt berekend door de testkracht te delen door het oppervlak van de indrukking. Het symbool voor de Brinell hardheidswaarde wordt weergegeven als HBS of HBW.

Het verschil tussen HBS en HBW zit in het type indringlichaam dat gebruikt wordt.

HBS duidt op het gebruik van een geharde stalen kogel als indringlichaam en wordt gebruikt om de Brinell-hardheid te bepalen van materialen met een waarde lager dan 450, zoals zacht staal, grijs gietijzeren non-ferrometalen.

HBW daarentegen verwijst naar het gebruik van een kogel van een harde legering als indringlichaam en wordt gebruikt om de Brinell-hardheid te meten van materialen met een waarde lager dan 650.

Zelfs als hetzelfde materiaal en dezelfde experimentele omstandigheden worden gebruikt, kunnen de resultaten van de twee testen variëren, waarbij de HBW-waarde meestal hoger is dan de HBS-waarde, en er is geen exacte kwantitatieve regel die gevolgd kan worden.

In 2003 nam China de internationale standaarden over en stopte het met het gebruik van stalen kogelpennen ten gunste van hardgelegeerde kogelkoppen.

Als gevolg daarvan werd HBS niet langer gebruikt en worden alle Brinell hardheidswaarden nu weergegeven door HBW.

Hoewel HBW vaak gewoon HB wordt genoemd, zijn er in de literatuur nog steeds verwijzingen naar HBS te vinden.

De Brinell-hardheidsmeetmethode is geschikt voor het testen van materialen zoals gietijzer, non-ferro legeringen en diverse staalsoorten die het volgende hebben ondergaan gloeien of afschrik- en ontlaatprocessen.

Het is echter niet geschikt voor het testen van monsters of werkstukken die te hard, te klein of te dun zijn, of die geen grote inkepingen op het oppervlak toelaten.

Rockwell hardheid

De Vickers hardheidstest gebruikt ofwel een diamantkegel met een kegelhoek van 120 graden of een geharde stalen kogel met een diameter van Ø1,588 mm of Ø3,176 mm als indringlichaam, samen met een gespecificeerde belasting.

Het monster wordt onderworpen aan een initiële belasting van 10 kgf en een totale belasting van 60, 100 of 150 kgf.

Nadat de totale belasting is aangebracht, wordt de hardheid bepaald door het verschil in indrukdiepte wanneer de hoofdbelasting wordt verwijderd met behoud van de initiële belasting en de indrukdiepte onder de initiële belasting.

De Rockwell hardheidsmeting gebruikt drie verschillende testkrachten en drie verschillende indrukkers, wat resulteert in een totaal van negen mogelijke combinaties en bijbehorende Rockwell hardheidsschalen.

Deze negen schalen zijn geschikt voor een groot aantal veelgebruikte metalen materialen.

De drie meest gebruikte Rockwell hardheidsschalen zijn HRA, HRB en HRC, waarbij HRC de meest gebruikte is.

Tabel met veelgebruikte Rockwell hardheidsmetingen

De Rockwell hardheidsmeting is geschikt voor hardheidswaarden van 20-70HRC. Als de hardheid van het preparaat lager is dan 20HRC, wordt aanbevolen om de HRB schaal te gebruiken omdat de gevoeligheid van het indringlichaam afneemt naarmate de druk op het conische deel toeneemt.

Als de hardheid van het monster echter groter is dan 67HRC, wordt geadviseerd om de HRA schaal te gebruiken omdat de druk op de punt van het indringlichaam te hoog kan worden en kan leiden tot schade aan de diamant en een verminderde levensduur van het indringlichaam.

De Rockwell hardheidstest staat bekend om zijn gemak, snelheid en minimale indrukking, waardoor hij ideaal is voor het testen van het oppervlak van afgewerkte producten en hardere, dunnere werkstukken.

Door de kleine indrukking kan de hardheidswaarde echter sterk schommelen voor materialen met ongelijke structuren en hardheid, waardoor de test minder nauwkeurig is dan de Brinell hardheidsmeting.

De Rockwell hardheidstest wordt vaak gebruikt om de hardheid van materialen zoals staal, non-ferrometalen en gecementeerde carbiden te bepalen.

Vickers hardheid

Het principe achter de Vickers hardheidsmeting is vergelijkbaar met dat van de Brinell hardheidsmeting.

Een diamanten piramidevormig indruklichaam met een hoek van 136° wordt gebruikt om een gespecificeerde testkracht, F, uit te oefenen op het oppervlak van het te testen materiaal.

Na een bepaalde wachttijd wordt de testkracht verwijderd en wordt de hardheidswaarde berekend als de gemiddelde druk op het oppervlak per eenheid van de regelmatige piramidevormige indrukking, met het symbool HV.

De Vickers hardheidsmeting heeft een groot bereik en kan materialen meten met een hardheid van 10 tot 1000 HV. De indrukking is klein.

Deze meetmethode wordt vaak gebruikt om dunne materialen en oppervlaktegeharde lagen te meten die ontstaan door carboneren en nitreren.

Leeb hardheid

De Leeb hardheidstest maakt gebruik van een apparaat dat is uitgerust met een wolfraamcarbide kogel om het oppervlak van het teststuk te raken, dat vervolgens terugkaatst. De snelheid van de terugkaatsing wordt beïnvloed door de hardheid van het geteste materiaal.

Een permanent magnetisch materiaal is geïnstalleerd op het slagapparaat, dat een elektromagnetisch signaal produceert dat evenredig is met de bewegingssnelheid van het slaglichaam. Dit signaal wordt vervolgens omgezet in een Leeb-hardheidswaarde door een elektronisch circuit, weergegeven door het symbool HL.

De Leeb hardheidsmeter is een handheld apparaat waarvoor geen werkbank nodig is. De hardheidssensor is compact en kan eenvoudig met de hand worden bediend, waardoor hij geschikt is voor het testen van grote, zware of complexe geometrieën.

Een van de belangrijkste voordelen van de Leeb hardheidstest is dat hij slechts lichte oppervlakteschade veroorzaakt, waardoor hij een ideale optie is voor niet-destructief onderzoek. Het is ook een unieke hardheidstest voor alle richtingen, smalle ruimtes en speciale onderdelen.

Hardheidstest

De Brinell hardheidsmeting meet de hardheid van een monster door een stalen kogel of diamantkegel in het oppervlak van het monster te drukken en de diepte van de indrukking te meten. Deze methode is geschikt voor het bepalen van de hardheid van materialen zoals gegloeid, genormaliseerd, uitgeblust en getemperd staal, gietijzer en non-ferrometalen.

De Rockwell hardheidstest maakt gebruik van specifieke procedures en kleinere indrukkers, zoals diamanten, om de hardheid te meten, waardoor het geschikt is voor een breed scala aan materialen.

De Vickers hardheidsmeting heeft de voordelen van zowel de Brinell als de Rockwell test en kan materialen meten die variëren van extreem zacht tot extreem hard en hun resultaten kunnen worden vergeleken.

De specifieke voor- en nadelen van de Knoop hardheidsmeting zijn niet gedetailleerd in de informatie die ik heb gevonden, maar het is een van de statische testmethodes, vergelijkbaar met Brinell, Rockwell en Vickers.

De Webster hardheidsmeter wordt voornamelijk gebruikt om de mechanische eigenschappen van profielen van aluminiumlegeringen te controleren, maar is ook geschikt voor materialen als koper, messing en zacht staal.

De Barcol hardheidsmeter is een soort indrukkingstester. De specifieke voor- en nadelen worden niet expliciet genoemd in de informatie die ik heb gevonden.

Elke hardheidsmeting heeft zijn eigen kenmerken en toepassingsmogelijkheden:

• De Brinell hardheidstest is geschikt voor verschillende materialen, vooral voor gegloeid, genormaliseerd, uitgeblust en ontlaten staal, gietijzer en non-ferrometalen.
• De Rockwell hardheidstest is geschikt voor een groot aantal materialen, waarbij een kleiner indringlichaam wordt gebruikt voor de metingen.
• De Vickers hardheidsmeting combineert de voordelen van zowel de Brinell als de Rockwell test en is geschikt voor materialen van extreem zacht tot extreem hard en de resultaten kunnen met elkaar vergeleken worden.
• De Knoop hardheidsmeting, als een van de statische testmethodes, is geschikt voor verschillende materialen, maar er is meer inzicht nodig in de specifieke eigenschappen.
• De Webster hardheidsmeter is vooral geschikt voor het controleren van de mechanische eigenschappen van profielen van aluminiumlegeringen, maar kan ook voor andere materialen gebruikt worden.
• De Barcol hardheidsmeter, als hardheidsmeter met indrukking, neemt een belangrijke plaats in bij het testen van de hardheid van materialen.

Hardheidsmeters

• Micro Vickers hardheidsmeter

HM-serie:

• Vickers hardheidsmeter
  HV-serie:

• Rockwell hardheidsmeter
  HR-serie:

• Draagbare Leeb hardheidsmeter
  HH-serie:

Hoe kan de hardheid van metalen worden verbeterd door warmtebehandeling?

De hardheid van metalen materialen kan worden verhoogd door middel van warmtebehandeling op verschillende manieren, waaronder:

Carboneren en nitreren: Bij deze chemische warmtebehandelingsmethoden worden koolstofatomen (carboneren) of actieve stikstofatomen (nitreren) in de oppervlaktelaag van het metaal gebracht. Dit verhoogt het koolstofgehalte of de slijtvastheid van de metalen oppervlaktelaag, waardoor de hardheid en slijtvastheid toenemen. Een veelgebruikt carboneermedium is houtskool, terwijl nitreren actieve stikstofatomen gebruikt die bij verhitting worden afgebroken uit ammoniakgas.

Afkoeling: Voor staal met een gemiddeld koolstofgehalte en staal met een hoog koolstofgehalte kan de hardheid worden verbeterd door middel van afschrikken. Quenchen is een veelgebruikte warmtebehandelingsmethode waarbij het staal tot een geschikte temperatuur wordt verhit en vervolgens snel wordt afgekoeld om een hogere hardheid te bereiken.

Korrelgrootte en fasesamenstelling veranderen: Warmtebehandeling beïnvloedt de hardheid door de korrelgrootte en fasesamenstelling van het metaalmateriaal te veranderen. Dit kan worden bereikt door mechanismen zoals korrelgrensoplossingversterking, kristaloplossingversterking en fasetransformatieversterking.

Coatingtechnologie: Het gebruik van coatingtechnologie tijdens het warmtebehandelingsproces van metalen materialen kan aanzienlijke schade aan de metaalstructuur voorkomen terwijl een optimale hardheid wordt bereikt, wat zorgt voor een aanzienlijke verbetering van de toepassingsresultaten.

De organisatiestructuur reorganiseren: Warmtebehandeling kan de uniformiteit en hardheid van het materiaal verbeteren door de organisatiestructuur te reorganiseren en niet-uniformiteit te verminderen of te elimineren. Deze methode kan op verschillende manieren worden geïmplementeerd, afhankelijk van de specifieke behoeften.

Een beschermende laag vormen: Door een dunne beschermlaag op het oppervlak van metaalmaterialen aan te brengen, verandert de oorspronkelijke structuur van het metaal. Vergeleken met traditionele afschrikmethoden verhoogt deze aanpak effectief de oppervlaktehardheid van het metaal en biedt het het voordeel van eenvoudige bediening.