EUInzicht in materiaalhardheid: soorten, testen en toepassingen
- Geschreven door: Gavin Leo
- Bijgewerkt door: CoCo
- Gepubliceerd:
- Bijgewerkt
De hardheid van een materiaal is een van de fundamentele eigenschappen. Het geeft aan of het materiaal bestand is tegen vervorming. Inzicht in deze eigenschap is cruciaal voor productiebedrijven zoals Proto Labs Ltd.
Het is belangrijk omdat de oppervlaktehardheid en duurzaamheid bepalen hoe goed het product zal presteren op een breed scala aan materialen.
Dit artikel gaat dieper in op de hardheid van een materiaal, samen met een aantal hardheidsmeetmethoden, hun toepassingen en hoe u de juiste hardheidsmeting voor uw materiaal kunt kiezen op basis van uw behoeften.
Materiaalhardheid: definitie
Per definitie is het het vermogen van een materiaal om vervorming, indrukking of krassen te weerstaan. Vervorming betekent hier permanente vervorming, ook wel plastische vervorming genoemd. Een materiaal keert bij plastische vervorming niet terug naar zijn oorspronkelijke vorm wanneer er een kracht op wordt uitgeoefend.
Je kunt het ook wel de hardheidswaarde van een materiaal noemen. Het meten van elk type hardheid, zoals kras-, terugslag- en indrukhardheid, vereist bovendien verschillende gereedschappen.
Hardheid is essentieel voor de structuur van een materiaal, omdat het de slijtvastheid, duurzaamheid en prestaties beïnvloedt. Harde materialen omvatten een breed scala aan materialen, zoals diamant, kwarts en beton. Materialen kunnen van nature hard zijn, zoals wolfraam, dat wordt gebruikt in gereedschapsstaal.
Gehard stalen onderdelen in de machinebouw en gereedschapsproductie behouden bijvoorbeeld hun vorm en effectiviteit langer dan zachtere materialen zoals polymeren, colloïden of oppervlakteactieve stoffen.
Of het kunnen zachte metalen zijn. Net als puur goud kun je het gemakkelijk buigen of krassen. De oppervlaktehardheid kan echter worden verbeterd door zilver of koper toe te voegen om een legering te vormen. Het mengen van zachte metalen verhoogt hun hardheid.
Je kunt de hardheid ook verhogen door verhitting, wat werkt met thermohardende kunststoffen. CNC-metaalmaterialen worden gehard. Om de hardheid en slijtvastheid van een materiaal te verbeteren, wordt het metalen onderdeel verhit in processen zoals carboneren, nitreren, carbonitreren en inductieharden.
In het huidige tijdperk bieden moderne digitale netwerken oplossingen voor carboneren die realtime hardheidsgegevens integreren voor een betere procesoptimalisatie.
Hardheid en slijtvastheid zijn cruciale factoren bij de materiaalkeuze voor gereedschap, machineonderdelen en beschermende coatings.
Verschillende hardheidseenheden
Industrieën zoals de lucht- en ruimtevaart, de automobielindustrie en de bouw testen de hardheid van materialen om er zeker van te zijn dat ze bestand zijn tegen extreme omstandigheden. Deze industrieën gebruiken verschillende schalen, zoals Rockwell HRC, Vickers HV en Brinell HB, om de hardheid van materialen te vergelijken.
De hardheidsmeting levert verschillende hardheidseenheden op.
Hardheid wordt vaak gemeten in millimeter Newton per vierkante millimeter (N/mm²) of millimeter Newton per millimeter (N/mm²), afhankelijk van de testmethode. Het is vergelijkbaar met druk. Je kunt dus ook Pascal gebruiken voor de hardheid van materialen. Enkele veelgebruikte hardheidseenheden zijn:
Brinell-hardheidsgetal (BHN): Je kunt de Brinell-hardheid berekenen door de toegepaste belasting te delen door het oppervlak van de indruk.
Rockwell-hardheidsgetal (HRA, HRB, HRC, enz.)HR bepaalt de hardheid door de netto toename in indrukdiepte te meten bij een hoofd- en een nevenbelasting.
Vickers-hardheidsgetal (HV): Maakt gebruik van een diamantvormige piramidevormige indrukstift om kleine materialen te meten. De meting wordt doorgaans uitgedrukt in kgf/mm² of N/mm².
Knoop-hardheidsgetal (HK)Vergelijkbaar met Vickers, maar ontworpen voor zeer delicate materialen en coatings.
Leeb-hardheidswaarde (HLD, HLS, HLE, enz.)Een dynamische test die de terugslagssnelheid meet om de hardheid te bepalen, handig voor het testen van grote componenten op locatie.
Elk van deze modules biedt waardevolle inzichten in de mechanische eigenschappen van een materiaal, waardoor ingenieurs de meest geschikte materialen voor specifieke toepassingen kunnen bepalen.
Equivalentietabel van materiaalhardheid
Je kunt verschillende hardheidsschalen vergelijken met behulp van een equivalentietabel. Hardheidsomrekeningen tussen HB, Rockwell HRC en Vickers HV maken standaardisatie in verschillende industrieën mogelijk.
Deze tabel geeft een indicatie van de omrekening tussen de Brinell-, Rockwell-, Vickers- en Leeb-hardheidswaarden voor verschillende materialen.
| Brinell-hardheid (HB) | Rockwell C (HRC) | Vickers-hardheid (HV) | Leeb-hardheid (HL) |
| 100 | 10 | 105 | 500 |
| 150 | 15 | 160 | 550 |
| 200 | 20 | 210 | 600 |
| 300 | 30 | 310 | 700 |
| 350 | 35 | 360 | 750 |
| 250 | 25 | 260 | 650 |
Deze tabel dient als snel naslagwerk om verschillende hardheidswaarden te vergelijken en helpt bij het selecteren van de meest geschikte materialen voor industriële en technische toepassingen. Een hoger getal, ongeacht de eenheid, geeft een grotere materiaalhardheid aan.
Types van hardheidstestmethoden
Er bestaan verschillende gangbare methoden om de hardheid van materialen te testen, elk geschikt voor verschillende materialen en toepassingen. Bij al deze methoden wordt een deuk in het materiaal gemaakt en de plastische vervorming gemeten.
Als een materiaal een hoge hardheid heeft, zal het minder vervormen dan een materiaal met een lage hardheid. Een gemeenschappelijk kenmerk van al deze methoden is dat je een bepaalde indrukker gebruikt om de uiteindelijke treksterkte van een testobject te bepalen.
Brinell-hardheidstest
Een gehard stalen kogel met een indrukdiameter van ongeveer 10 mm (voor zachtere materialen) of een wolfraamcarbide kogel (voor hardere materialen) dient als indrukker. De Brinell-hardheidseenheid verandert van HB/HBN naar HBW bij gebruik van wolfraam.
De indrukstift wordt vervolgens met grote kracht gedurende ongeveer 30 seconden in het oppervlak van het materiaal gedrukt. De toegepaste kracht is afhankelijk van het te testen materiaal. De ontstane deuk wordt vervolgens onder een microscoop bekeken en de grootte wordt bepaald door de lengte van de indruk te meten als het gemiddelde van de lengtes die loodrecht op de indruk zijn genomen.
Vervolgens berekent u het Brinell-hardheidsgetal (HB) zoals eerder vermeld. De HB Brinell-hardheidswaarde in kg/mm² helpt bij het bepalen van de draagkracht voor technische toepassingen.
De Brinell-hardheidstest is geschikt voor zachtere materialen zoals gietijzer en aluminium, maar ook voor materialen met een ruw oppervlak. De test wordt veel gebruikt in industriële toepassingen waar grote componenten moeten worden gemeten.
Rockwell-hardheidstest
De Rockwell-hardheidstest is de meest gebruikte methode om de hardheid van een materiaal te meten, omdat er veel schalen beschikbaar zijn.
De Rockwell C HRC-hardheidsschaal wordt veel gebruikt voor het testen van geharde stalen componenten in industriële toepassingen. Rockwell-hardheidsschalen verwijzen naar de verschillende combinaties van indrukker en belasting die worden gebruikt.
De HRB-schaal (Rockwell B MPa) wordt gebruikt voor zachtere materialen, terwijl de HRC-schaal (Rockwell C MPa) ideaal is voor gehard staal.
Om de nauwkeurigheid van de Rockwell-hardheidstest te verbeteren, kunt u eventuele oneffenheden op het oppervlak van de indrukker verwijderen door eerst een kleine belasting aan te brengen. Deze geringe belasting zorgt ervoor dat de indrukker perfect contact maakt met het testmateriaal.
Net als bij de Rockwell-test wordt er vervolgens kracht uitgeoefend op het grootste deel van het werkstuk om de hardheid te testen en de materiaalhardheid te meten. De Rockwell-hardheidswaarden worden vervolgens direct afgelezen van een meetinstrument, een zogenaamde wijzerplaatbeitel.
De Rockwell-hardheidstest wordt veel gebruikt voor metalen en kunststoffen vanwege de snelheid, eenvoud en nauwkeurigheid.
Vickers-hardheidstest
De Vickers-test wordt voornamelijk gebruikt voor zachtere materialen omdat deze test een hogere nauwkeurigheid biedt. Het berekenen van de hardheid van materialen met de Vickers-test is eenvoudiger omdat voor alle testbelastingen dezelfde indrukstift (diamant) wordt gebruikt.
Voor gebieden met een microscopische structuur wordt een vergrootglas gebruikt. De diamantindenter is een piramide met 4 zijden die in het werkstuk wordt ingebracht, waarna de machine een vooraf bepaalde krachtwaarde bereikt. Vervolgens wordt de indringdiepte gemeten en de Vickers-hardheid berekend.
Knoop-hardheidstest
De Knoop-hardheidstest, ook wel microhardheidstest genoemd, is vergelijkbaar met de Vickers-methode, maar maakt gebruik van een langwerpige, diamantvormige indrukstift om de hardheid van materialen te bepalen.
Het is speciaal ontworpen voor het testen van zeer dunne materialen, coatings en microcomponenten. Deze materiaalhardheidstest wordt gebruikt wanneer de indrukkingen dicht bij elkaar liggen.
Het Knoop-hardheidsgetal (HK) wordt berekend door de lange diagonaal van de indruk te meten, waardoor het ideaal is voor testen met lage krachten op delicate materialen.
Leeb-hardheidstest
De Leeb-test is een dynamische hardheidstest waarbij een impactapparaat wordt gebruikt om de terugslagssnelheid van een indrukker te meten. Deze test wordt ook wel Leeb-terugslaghardheidstest genoemd. De Leeb-hardheidswaarde (HL) wordt berekend op basis van het energieverlies bij impact.
Bij de Leeb-hardheidstest duwt een impactapparaat met behulp van veerkracht een impactlichaam naar het testoppervlak. Dit proces is onderverdeeld in drie belangrijke fasen:
Aanloopfase – De veerkracht versnelt het impactlichaam in de richting van het testoppervlak.
Impactfase – Het impactlichaam komt in contact met het testobject, waardoor plastische of elastische vervorming optreedt. Het impactlichaam komt volledig tot stilstand doordat het materiaal de energie absorbeert.
Terugslagfase – De elastische eigenschappen van zowel het impactlichaam als het te testen object zorgen ervoor dat het impactlichaam terugkaatst.
Een magneet in het impactapparaat wekt een geïnduceerde spanning op wanneer deze door een spoel beweegt, waardoor een contactloze snelheidsmeting mogelijk is. Het elektronische systeem registreert de piekwaarden tijdens zowel de impact- als de terugslagfase.
Het hardheidsgetal wordt vervolgens berekend door de verhouding tussen de terugstootssnelheid (vr) en de inslagssnelheid (vi) te vermenigvuldigen met een factor van 1000. Deze meting geeft een nauwkeurige inschatting van de hardheid van een materiaal.
Deze methode is ideaal voor grote, zware componenten en hardheidstests op locatie, vooral wanneer draagbaarheid vereist is.
Scleroscopisch onderzoek
Een scelescope is een apparaat dat gebruikt wordt om de dynamische hardheid van een materiaal te meten. Bij deze test wordt een hamer op het materiaaloppervlak laten vallen en wordt de hoogte van de terugslag gemeten om de hardheid te bepalen.
Bij hardere materialen is de terugvering groter. Zachte metalen hebben een kleinere terugvering omdat er een deukje in het testoppervlak ontstaat wanneer de impactenergie afneemt.
De scleroscooptest wordt voornamelijk gebruikt voor het bepalen van de oppervlaktehardheid, met name voor materialen die niet getest kunnen worden met standaard indrukmethoden.
Elke hardheidstest heeft zijn eigen voordelen en toepassingen. De keuze voor de juiste test, of het nu Brinell, Rockwell of Vickers is, hangt af van factoren zoals het materiaalsoort, de oppervlakteconditie, de monstergrootte en de nauwkeurigheidseisen.
Belastingen voor hardheidstesten
De hoeveelheid kracht die tijdens een hardheidstest wordt uitgeoefend, wordt 'belasting' genoemd. Een hardheidstestapparaat wordt gebruikt om kracht uit te oefenen, uitgedrukt in fn/kgf. De eenheden zijn testkracht fn en kilogramkracht kgf. De uitgeoefende kracht in kilogrammen heeft een aanzienlijke invloed op de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de resultaten.
Voor verschillende hardheidstests zijn specifieke belastingniveaus nodig om nauwkeurige resultaten te verkrijgen. De Vickers-hardheidstest wordt echter zowel op macro- als microschaal gebruikt.
Brinell-hardheidstest: Hierbij worden zware belastingen (500-3,000 kgf) via een geharde stalen kogel uitgeoefend om materialen zoals gietijzer en aluminiumlegeringen te testen.
Rockwell-hardheidstest: Hierbij wordt eerst een lichte belasting (15 kgf) toegepast, gevolgd door een zware belasting (60, 100 of 150 kgf), waardoor deze test ideaal is voor diverse metalen en kunststoffen.
Vickers-test: Maakt gebruik van zeer lichte belastingen (1 gf–1 kgf, 1 gf–120 kgf, 10 gf–100 kgf mm of n) om kleine materialen te meten.
Knoop-hardheidstest: Gebruik zeer lichte belastingen (van enkele grammen tot 50 kgf) om kleine of dunne materialen nauwkeurig te meten.
Leeb-hardheidstest: Hierbij wordt een slagapparaat gebruikt met een instelbare kracht, afhankelijk van het materiaal en de grootte van het te testen onderdeel.
Door de juiste testbelasting te kiezen, worden nauwkeurige en reproduceerbare hardheidswaarden gegarandeerd, waardoor ingenieurs materialen betrouwbaar met elkaar kunnen vergelijken.
Normen voor hardheidstesten
Verschillende organisaties hebben normen vastgesteld om consistentie en nauwkeurigheid bij hardheidsmetingen te garanderen. Twee algemeen aanvaarde normen zijn ASTM (American Society for Testing Materials) en ISO (International Organization for Standardization).
Deze normen helpen fabrikanten en laboratoria om uniforme procedures te volgen bij het meten van de hardheid van materialen. Enkele veelgebruikte ASTM- en ISO-normen zijn:
ASTM E10: Specificeert de methode voor de Brinell-hardheidstest, die nauwkeurige resultaten garandeert voor gegoten metalen en zware componenten.
ASTM E18: Beschrijft de procedures voor de Rockwell-hardheidstest, die veelvuldig wordt gebruikt in industriële toepassingen.
ASTM E92: Definieert richtlijnen voor de Vickers-hardheidstest, ideaal voor dunne materialen en microhardheidsmetingen.
ISO 6506: Net als ASTM E10 is dit een standaardmethode voor de Brinell-hardheidstest.
ISO 6508: Stelt internationale normen vast voor Rockwell-hardheidstesten, waardoor wereldwijde compatibiliteit wordt gewaarborgd.
ISO 6507: Stelt normen vast voor de Vickers-hardheidstest, met de nadruk op precisie en consistentie.
ISO 4545: Betreft Knoop-hardheidstesten.
Door deze testnormen te volgen, wordt gewaarborgd dat hardheidsmetingen nauwkeurig, reproduceerbaar en vergelijkbaar zijn in verschillende industrieën en testfaciliteiten.
Waarom zou u hardheidstests uitvoeren?
Het uitvoeren van hardheidstests is essentieel om te garanderen dat materialen voldoen aan de prestatie- en veiligheidsnormen. Tests vóór en na inductieharding en vlambehandelingen helpen de structurele integriteit van het materiaal te controleren. Hieronder volgen enkele belangrijke redenen waarom hardheidstests belangrijk zijn:
Kwaliteitscontrole: Hardheidstesten helpen fabrikanten ervoor te zorgen dat hun materialen aan de vereiste specificaties voldoen vóór de productie.
Materiaalselectie: Ingenieurs kunnen verschillende materialen vergelijken en het beste materiaal selecteren op basis van de hardheidswaarde.
Beoordeling van slijtvastheid: Hardheidstests geven inzicht in hoe goed een materiaal bestand is tegen wrijving en slijtage in de loop van de tijd.
Storingspreventie: Testen helpt bij het identificeren van zwakke materialen die onder belasting kunnen bezwijken, waardoor het risico op onverwachte storingen in machines en constructies wordt verminderd.
Procesoptimalisatie: Warmtebehandelingsprocessen zoals carboneren, nitreren en inductieharden kunnen worden aangepast om de gewenste hardheidsniveaus te bereiken.
Door herhaalde hardheidscontroles kunnen industriële bedrijven de duurzaamheid van materialen verhogen door procesoptimalisatie, wat leidt tot betere productprestaties.
Conclusie
Industrieën die duurzame materialen gebruiken, moeten de juiste hardheidstests uitvoeren om de materiaalweerstand te begrijpen. Deze tests helpen ingenieurs bij het selecteren van de beste materialen, het optimaliseren van productieprocessen en het voorkomen van defecten aan kritieke onderdelen.