Brinell, Vickers, Knoop og Rockwell. - Materials.dk

C3
Hårdhedsmåling
Peter H. Gundel
Bodycote Varmebehandling A/S
Hårdhed er et særligt begreb, knap nok en egenskab, hvilket også afspejler sig i de forskellige
opfattelser, der er af den ud fra den givne synsvinkel, den betragtes fra.
I metalindustrien opfattes hårdhed som evnen til at modstå plastisk deformation; for metallurgen
er hårdhed et materiales evne til at modstå indtrængning. Konstruktøren opfatter den som et udtryk
for flydespændingen, mineralogen ser den som ridsemodstand, og for den, som arbejder med
bearbejdning, er den et udtryk for bearbejdelighed.
Traditionelt tilskrives indførelsen af hårdhedsmåling en svensk jernbaneingeniør ved navn Brinell,
som havde brug for en metode til at kontrollere kvaliteten af leverede jernbaneskinner. Han fandt på
at trykke en kuglelejekugle fra et jernbanehjulleje ned i overfladen med en kendt kraft, og ved at
normere arealet af det efterladte mærke med kraften fremkom en størrelse, som toges til indtægt for
at udtrykke materialets hårdhed. Interessant nok er standardstørrelsen på kuglen på Ø10mm bevaret
frem til moderne standarder for hårdhedsmåling.
Hårdhedsmålemetoder
Statisk prøvning: En kugle, kegle eller pyramide trykkes ned i materialet, som skal prøves. Det
resulterende mærke kvantificeres enten som det projekterede areal eller ved et udtryk for dybden af
det fremkomne mærke. F.eks. Brinell-, Rockwell-, Vickers- og Knoop-metoderne.
Dynamisk prøvning: Et legeme med en standardiseret masse, form og størrelse skydes imod det
prøvede materiales overflade. Jo mere energi der kan føres tilbage til det indskudte legeme, jo større
hastighed vil det springe tilbage med, og jo mindre af energien er følgelig gået til plastisk
deformation. F. eks. Leeb og Scleroskop.
Ridseprøvning: Ideen her er, at et hårdere materiale kan ridse et mindre hårdt. Ved at have et udvalg
af materialer at ridse med kan en given prøves hårdhedsniveau fastlægges. F.eks. Mohs og
fileprøvning.
Herudover findes der et antal andre mere eller mindre fantasifulde metoder til at fastlægge en
størrelse, som kan give et udtryk for et givet materiales hårdhed.
I praksis er det kun de statiske og i nogen grad de dynamiske metoder, som er standardiserede i en
sådan grad, at de er universelle.
Brinell: Som tidligere nævnt er indtrykslegemet her kugleformet. I princippet er en Brinellhårdhedsprøver
enkel i sin opbygning. Som oftest kommer kraften fra en vægt, som via en
1

hydraulisk eller mekanisk udveksling bringes til det ønskede niveau. Normalt kan kraften varieres
ved, at man kan fjerne eller tillægge dele af vægten.
Efter at man har lavet indtrykkene med den ønskede kraft, sker opmålingen af dem normalt med
et målemikroskop med indbygget skala for at opmåle diameteren på det fremkomne indtryk.
Fig. 1. Eksempel på et Brinell-hårdhedsmåleapparat.
I praksis er der imidlertid et antal forbehold at tage ved Brinell-måling. Hvis f.eks. det målte
materiale er meget hårdt, vil kontaktoverfladen på kuglen være lille og det må påregnes, at der vil
ske en elastisk deformation af kuglen, som vil medføre, at der efterlades et større mærke, end hvis
kuglen ikke havde deformeret. Hvis det målte materiale på den anden side er meget blødt, vil
kuglen synke dybt, og ved dybder, som nærmer sig den halve diameter på kuglen, vil dybere indtryk
kun i ringe grad forøge diameteren på det fremkomne indtryk. Alt i alt kan man altså kun bruge
Brinell-målingen, når indtrykket får en ”passende” størrelse. Der er derfor i standarderne for
Brinell-måling begrænsninger for, hvilke belastninger og kuglestørrelser der passer til et givet
materiale med en given hårdhed. Som en konsekvens af dette anvendes både kugler af hærdet stål
og kugler af hårdmetal (sintret Wolframkarbid). Dette angives ved måling ved at lade enheden
efterfølges af S og W: HBS henholdsvis HBW.
Den måde, et givet materiale deformerer på ved Brinell-måling, har også indflydelse på det
fundne resultat. Som eksempler på deformationsmåder ved Brinell-hårdhedsmåling ses fig. 2.
Fig. 2. Snit i 3 typer Brinell-indtryk: a) ”krater-type”, b) ”synke-type”, c) ”flad-type”.
2

Som det fremgår af fig. 2, er der udover den egentlige forskel i diameteren også en klar forskel i,
hvor let det er at bestemme diameteren af det fremkomne indtryk.
Ved anisotrope materialer vil indtrykket ofte ikke være rundt, men have et element af ovalitet.
Man kompenserer for dette ved at måle 2 eller flere diametre på det fremkomne indtryk og
bestemme en gennemsnitlig diameter, som efterfølgende anvendes til at bestemme hårdheden med.
I praksis beregner man ikke arealet af det fremkomne indtryk, men anvender en tabel, hvor man går
ind med den anvendte kuglestørrelse, belastning og fundne diameter.
Som ved andre hårdhedsmålemetoder er resultatet helt grundlæggende afhængigt af
præparationen af prøven samt af, om den foretagne måling er sket på et sted, som er repræsentativt
for det målte materiale. Man skal også være sikker på, at flydefeltet fra indtrykket kan optages
ensartet i materialet, dvs. at man ikke må være for tæt på kanter eller huller, at man skal være uden
for materiale, som er deformeret ved tidligere foretagne indtryk, samt at prøven skal være tyk nok
til, at der ikke kommer påvirkning fra, at materialet gennemdeformerer. Hvis man skal foretage en
Brinell-hårdhedsmåling af et givet emne, anbefales det stærkt at gennemlæse den relevante
standard, eller at man lader et anerkendt laboratorium foretage målingen.
Vickers: Ved Vickers-metoden anvendes en 4-sidet pyramide med en ret stump topvinkel på 136º.
Ved at fremstille indtrykslegemet af diamant undgås i videst muligt omfang, at elastisk deformation
af indtrykslegemet bidrager til unøjagtighed ved målingen.
Det indtryk, som efterlades ved en Vickers-måling, bør være et kvadrat med tydelige diagonaler.
Selvom det er det projekterede areal af indtrykket, man normerer kraften med, så er det
diagonalernes længde, man opmåler. Det skyldes, at hjørnerne er de bedst definerede målepunkter,
og da indtrykket er en kvadrat er der en enkel og entydig sammenhæng imellem diagonallængden
og arealet.
Fig. 3. Vickers-diamant og -indtryk.
Anvendes i
lodret position
Alle de forbehold, der gjaldt for Brinell-prøvning, er også aktuelle for Vickers-prøvning. Vickers er
den ”engelske metode”, da belastningerne normalt er langt mindre end ved Brinell-prøvning, og da
indtrykslegemets anlæg imod det prøvede materiale ikke ændres. Når indtrykket bliver dybere, er
det den mest universelle hårdhedsmålemetode. Belastningen bør vælges således, at den optiske
opmåling af indtrykkets diagonaler kun behæftes med en lille usikkerhed. For metaller vil en
belastning på 10 eller 30 kg ofte være passende.
3

Når de 2 diagonaler er bestemt, findes middelværdien af diagonalen, idet de 2 diagonaler kun bør
afvige lidt fra hinanden i længde. Ved hjælp af en tabel omsættes diagonallængden til Vickershårdhedstallet,
som definitionsmæssigt er en ubenævnt størrelse, der skrives HV efterfulgt af et tal,
som angiver belastningen i kg på diamanten ved den aktuelle måling. En Vickers-måling, der har
bestået af fem enkeltmålinger med en belastning på 10 kg, kan eksempelvis skrives: HV10 = 740 ±
20:
( θ/2 ) 1,18544P
HV = 2Psin ____________ = ____________
D 2
D 2
hvor P er den anvendte belastning i kg, og D er længden af diagonalen i mm. Da vinklen på
indtrykslegemet er fast (136°), kan 2sinθ/2 erstattes af en konstant.
Vickers-prøvning er som den eneste hårdhedsmålemetode tæt på at være belastningsuafhængig, dvs.
måling med belastning 10 og 30 kg vil resultere i den samme hårdhedsværdi.
Ved meget små belastninger på under 1 kg er metoden meget følsom og mikro-vickers-prøvning
bør kun udføres med stor omhu. Ved de små belastninger må man regne med, at den fundne
hårdhedsværdi bliver større ved reduktion af belastningen. I den amerikanske ASTM-standard er
der grafer for dette. Men det er generelt problematisk med generaliseringer, fordi hårdheden er en
funktion af materialets evne til at deformere, og denne er meget tilstandsafhængig for det enkelte
materiale.
Knoop-prøvning: Knoop er en variant af Vickers-prøvning, hvor der anvendes et
diamantindtrykslegeme med en anden geometri. Her er det ikke et kvadratisk indtryk, men et
indtryk med en lang og en kort diagonal. Denne metode er specielt egnet til opmåling af
hårdhedsprofiler, hvor hårdheden ændrer sig inden for korte afstande, eller til måling af hårdhed i
snit i overfladelag, når disse er tynde.
Fig. 4. Knoop-diamant og -indtryk.
Anvendes i lodret
position
Rockwell-prøvning: Disse metoder, som der er et større antal af, bygger på, at man i stedet for
diagonalen af det efterladte indtryk måler dybden af indtrykket.
Rockwell er de ”amerikanske metoder”.
4

Ved Rockwell-hårdhedsmåling bringes indtrykslegemet i kontakt med prøven med en forbelastning.
Her nulstilles dybdemålingen, belastningen ændres til hovedlasten, og efter en måletid skiftes
tilbage til forbelastningen, og den blivende forøgelse af dybden opmåles ved hjælp af et måleur,
som måler ensrettet med belastningsretningen.
Fig. 5. Rockwell-indtrykslegeme.
Hårdhedstallet i Rockwell findes så ved at trække den blivende dybdeforøgelse, målt i en passende
enhed, fra et arbitrært tal.
For eksempel er værdierne for den mest anvendte metode til metaller, Hardness Rockwell C;
HRC:
Forlast 10 kg
Hovedlast 150kg
Indtrykslegeme Diamantkegle med topvinkel 120°
Enhed 2μm
Basetal 100.
hvilket resulterer i, at hvis et givet materiale under prøvning med HRC får en forøgelse af
indtryksdybden på 80 μm, er hårdheden i HRC: 100 - 80μm/2μm = 60.
Som det fremgår er Rockwell-skalaerne enhedsløse. Metodernes store fordel er, at man ved
passende skala på måleuret direkte får hårdhedstallet, hvorfor Rockwell-måling er den hurtigste
metode.
Rockwell-metoderne har generelt en stor udbredelse og er de industrielt mest anvendte.
I tabel 1 ses en oversigt over de forskellige indtrykslegemer og hovedlast for Rockwell-metoderne.
Som det fremgår, er der tale om en del forskellige.
Når man måler Rockwell, er det vigtigt, at det målte legeme ligger absolut fast, og at den
overflade, man måler på, er meget veldefineret, dvs. vinkelret på måleretningen, repræsentativ for
emnet, glat nok til, at det ikke får indflydelse på måleresultatet, samt at såvel apparat som
indtrykslegeme er 100 % i orden.
5

Fig .6. Rockwell-hårdhedsmåler.
Rockwell metoder
Tabel 1. Oversigt over Rockwell-hårdhedsmålemetoder, indtrykslegeme og for- og hovedlast.
Samt definitionsområde for de enkelte skalaer.
Dynamiske metoder
Disse metoder udmærker sig ved at være lette at anvende og ved typisk at være portable apparater,
hvilket gør dem bredt anvendelige. Der kan imidlertid ikke advares tilstrækkeligt imod at
konvertere værdier fra bærbare dynamiske apparater af for eksempel typen Equtip til værdier fra de
statiske metoder (Vickers, Brinell og Rockwell). Dette er i bedste fald behæftet med en usikkerhed
på adskillige enheder. Anvender man disse apparater, bør de opgivne værdier være i den målte
enhed, f.eks LD, da denne er sammenlignelig. Skal der omsættes, må man selv fremstille
prøveblokke af det aktuelle materiale, bringe disse i den tilstand, man ønsker at måle på, og få deres
hårdhed opmålt på et laboratorium i den enhed, man ønsker at omsætte til. Disse klodser kan så
danne basis for en konverteringstabel, som kan anvendes med rimelig sikkerhed, men som kun er
gyldig for det aktuelle materiale.
6

Vedligehold og kalibrering
Da alle hårdhedsmålemetoder baserer sig på måling af små værdier, er omhu i betjeningen og
vedligehold af det anvendte udstyr af allerstørste vigtighed. Man bør dagligt kontrollere sit udstyrs
måleevne ved at måle hårdheden af en referenceblok med en kendt hårdhed og stor ensartethed.
Sådanne referenceblokke kan købes med certifikat, og de overholder således standardiserede
værdier med hensyn til ensartethed, geometri og overfladekvalitet.
Apparaterne bør kun betjenes af uddannede personer, som har en forståelse for måleopgaven og
vigtigheden af omhu i såvel præparation af emner som betjening af udstyret.
Praktisk måling
Når man har forstået betjeningen og funktionen af et hårdhedsmåleapparat, kan de fleste uden
problemer måle på enkle emner som for eksempel en referenceblok.
Man må imidlertid være meget opmærksom på, at der ofte er store udfordringer i at bestemme
praktiske emners hårdhed med en tilstrækkelig præcision, hvilket skyldes, at praktiske emner ofte
har ikke-parallelle flader og fintslebne overflader, samt at overfladen ofte ikke repræsenterer
kernematerialet på grund af påvirkninger under fremstillingen af det aktuelle emne.
For at kunne måle den rette hårdhed med tilstrækkelig sikkerhed kræves altså et indgående
kendskab til fremstillingsmetoder og materialer, og her begås ofte fejltagelser, som kan resultere i
større eller mindre målefejl.
Standarder for hårdhedsmåling af metaller
Brinell DS/EN ISO 6506-1;-2;-3 ASTM E 10
Vickers DS/EN ISO 6507-1;-2;-3 ASTM E 92 / ASTM E 384
Rockwell DS/EN ISO 6508-1;-2;-3 ASTM E 18
Knoop ISO 4545-1;-2;-3 ASTM E 384
Rockwell-hårdmetal Din 30999 ISO 3738
7