Materiaalhardheid begrijpen: Een gids voor het vergelijken van ingenieursmaterialen

Het productontwikkelingsproces omvat diverse kleinere processen, en materiaalkeuze is de meest essentiële onder hen.

Elk materiaal heeft verschillende mechanische eigenschappen en mogelijkheden. En om de juiste materiaalkeuze te maken, moet u het type belastingstoestanden bepalen die uw onderdeel zal ervaren. Bijvoorbeeld, als u op zoek bent naar het ontwerpen van een onderdeel (of samenstel) dat contact zal maken met andere componenten of impactbelasting zal ervaren, dan wilt u een materiaal kiezen met voldoende materiaalhardheid.

Maar wat is materiaalhardheid precies, en hoe meet u het? Dit artikel beantwoordt deze vragen en meer.

Wat is materiaalhardheid?

Materiaalhardheid is de capaciteit van een materiaal om lokale plastische vervorming te weerstaan door geconcentreerde toegepaste belasting.

Bekijk het zo. Wanneer we zeggen dat een materiaal een hoge graad van hardheid heeft, betekent dit simpelweg dat het materiaal zijn vorm kan behouden in de aanwezigheid van externe krachten zoals schuren, indrukken en slijtage. Dus materialen zoals titanium en diamant zouden een hogere graad van hardheid hebben dan plastic.

Wanneer u diamant en kunststoffen vergelijkt, weet u waarschijnlijk intuïtief welk materiaal grotere hardheid heeft. Maar wanneer u wilt kiezen tussen nauw verwante metalen (of legeringen), is het bijna altijd onmogelijk om een correcte gok te maken tenzij u een hardheidstest op ze uitvoert.

Er zijn verschillende methoden om materiaalhardheid te testen. Maar voordat we deze methoden bespreken, is het essentieel dat u eerst de typen materiaalhardheid begrijpt.

Typen materiaalhardheid

Hier zijn de drie typen materiaalhardheid:

1. Indrukhardheid
2. Schuurhardheid
3. Terughardheid

Indrukhardheid verwijst naar de weerstand van een materiaal tegen permanente vervorming wanneer het aan continue belasting wordt blootgesteld. In tegenstelling, beschrijft schuurhardheid de capaciteit van een materiaal om schuren van zijn oppervlak te weerstaan door contact met een ander metaal. Ten slotte, is terughardheid gerelateerd aan de elasticiteit van het materiaal; het beschrijft de capaciteit van een materiaal om impactenergie te absorberen.

Eenmaal u het type belasting (of omgevings)condities kent die uw onderdeel zal ervaren, kunt u dan een van de volgende hardheidstestmethoden overwegen om uw materiaalopties te vergelijken. Als u de benodigde apparatuur heeft, kunt u deze tests voltooien. Of u kunt vertrouwen op informatie van uw leveranciers en online bronnen zoals Matweb die de eigenschappen van diverse materialen opnoemen.

Hoe de hardheid van materialen te testen: 4 testmethoden

Methode #1 De Brinell-test

Een Brinell-hardheidstester van Wikimedia Commons.

De Brinell-test meet de indrukhardheid van een materiaal. Deze testmethode gebruikt een indenter (meestal een gehardde staalbal) om een indruk te maken op een teststuk. In deze testmethode houdt u de indenter op zijn plaats voordat u een vooraf gedefinieerde kracht in de bal (en het oppervlak van het materiaal) toepast voor een gespecificeerde periode.

Vervolgens wijst u een Brinell-hardheidsnummer toe aan het materiaal, afhankelijk van de grootte van de op het materiaal gevormde indruk. U kunt de indruk meten met een microscoop en het Brinell-hardheidsnummer berekenen met:

Waar:
HB = Brinell-hardheid (kg/mm2)
P = Kracht (gemeten in Newton)
D = Indenter-diameter (gemeten in millimeters)
d = indrukdiameter (gemeten in millimeters)

Houd er echter rekening mee dat de vooraf gedefinieerde kracht die u op de indenter toepast, afhangt van het materiaal dat u wilt testen. Bijvoorbeeld, kwaliteitscontrole-experts gebruiken doorgaans een standaardbelasting van 3000 kg (of 30.000 N) voor harde metalen zoals ijzer en staal. In tegenstelling, moet u een belasting van 500 kg (of 5000 N) toepassen voor zachtere materialen zoals koper en messing.

Methode #2 Rockwell-hardheidstest

Operator die een Rockwell-hardheidstest uitvoert

Net als de Brinell-hardheidstest, wordt de Rockwell-hardheidstest ook gebruikt voor indrukhardheid meting en omvat doorgaans het gebruik van een indenter (meestal staalbal of een spherische diamant-getopte kegel).

Echter, in de Brinell-hardheidstest houdt u de indenter op zijn plaats door een kleine belasting toe te passen (doorgaans 10 kg of 100 N) voordat u de grote testbelasting toepast. Vervolgens, na het verwijderen van de grote belasting, meet u de indrukdiepte terwijl de kleine belasting nog steeds aanstaat.

Het hardheidsnummer kan vervolgens worden afgelezen met behulp van verschillende Rockwell-hardheidsschalen (A, B, C, etc.). De ideale schaal hangt af van het type indenter dat gebruikt wordt en de testbelasting die op het materiaal wordt toegepast. Stel, u wilt de hardheid van staallegeringen meten; u zou dan een diamantkegelindenter met maximaal 140 kg grote belasting moeten gebruiken. In zo'n scenario leest u het hardheidsnummer op de "C"-schaal.

Voor zachtere metalen zoals koperlegeringen gebruiken kwaliteitscontrole-experts een diamantstaalbal (met maximaal 100 kg grote belasting) en lezen het hardheidsnummer op de "B"-schaal.

Methode #3 Mohs-hardheidstest

De Mohs-hardheidstest is ideaal voor het meten van de schuurweerstand van een materiaal. In deze testmethode schuurt u het oppervlak van het te testen materiaal met een referentiemateriaal met vooraf gedefinieerde hardheid. De hardheidswaarde wordt uitgedrukt met de Mohs-schaal, die samengesteld is uit 10 mineralen waaraan willekeurige hardheidswaarden zijn toegewezen.

Zie het volledige Mohs-hardheidschart op Alan's Factory Outlet

Alan's Factory Outlet heeft een Mohs-hardheidschart (screenshot hierboven) waarop u voorbeelden van de schuurweerstand van diverse metalen kunt zien.

Methode #4 Shore Scleroscoop-hardheidstest

De shore scleroscoop is een apparaat dat gebruikt wordt om de terughardheid van een materiaal te meten. Het apparaat heeft een gegraveerde glasbuis gemonteerd op een staandere. Om de terughardheid van uw materiaal te bepalen, laat u een diamant-getopte hamer door de glasbuis op het materiaal vallen.

Schematische voorstelling van Shore Scleroscoop gemonteerd op een driepoot. Van Wikimedia Commons.

De hardheidswaarde is evenredig met de hoogte waar de hamer terugkaatst na het raken van het teststuk. Bijvoorbeeld, een materiaal met een grotere hardheid veroorzaakt een grotere terugkaatshoogte dan een materiaal met een mindere graad van hardheid.

Materiaalhardheidstest en productontwikkeling: Gensun Precision Machining Services

Zonder twijfel is het essentieel om de hardheid van verschillende materialen te kennen om het ideale materiaal voor uw productontwerp te bepalen. Maar zelfs nadat u een geschikt materiaal voor uw product kiest, moet u nog een geschikte machinefabriek en freeswerker vinden die in staat is om uw onderdelen accurate en nauwkeurig te maken.

Gensun Precision Machining is een toonaangevende leverancier van bewerkingsservices in Azië. Niet alleen hebben we een team van kwaliteitscontrole-experts die in staat zijn materiaalhardheid te testen, maar we hebben ook een team van hooggekwalificeerde ingenieurs en freeswerkers. Ons team van experts werkt samen om uw product accurate en nauwkeurig te maken met state-of-the-art bewerkingstechnologieën.

Lees meer over onze bewerkingsservices.