Kovuusmittauksen perusteita



Yleistä

Kovuus on materiaalin kyky vastustaa plastista deformaatiota, tavallisesti jonkin esineen tunkeutumista kappaleen sisään. Kovuus ei kuitenkaan ole varsinaisesti materiaaliominaisuus, vaan se on riippuvainen monista tekijöistä kuten vetomurtolujuudesta, sitkeydestä ja kimmoisista ominaisuuksista. Kovuuden mittauksen helppouden, nopeuden ja toistettavuuden vuoksi, tämä on erinomainen materiaaliominaisuuksien testausmenetelmä. Termillä kovuus tarkoitetaan materiaalin kykyä vastustaa siihen tunkeutuvaa vierasta esinettä, naarmuuntumisen kestoa, kulumisen kestoa, leikkaantumista tai joskus jopa taivutusjäykkyyttä.

Materiaalitieteissä kovuuden määrittäminen jaetaan kolmeen periaatteelliseen osaan:
 

Naarmuuntumislujuus:
Kyky vastustaa murtumista tai plastista (pysyvää) deformaatiota, joka johtuu terävän objektin aiheuttamasta kitkasta pinnalla.
 

Painautumiskovuus:
Kyky vastustaa plastista (pysyvää) deformaatiota, joka johtuu terävän objektin painautumisesta kappaleen pintaan.
 

Kimmahduslujuus:
Pudotetun objektin kimmahduskorkeus tai -nopeus, suhteessa kimmoisuuteen.

 

Kovuuden mittaus

Kovuuden määrittämisessä ei ole mitään tarkkaa ja selkeää perusyksikköä, kuten paino, pituus tai aika. Kovuus on määritellyn mittausmenetelmän tulos.

Yksinkertaisin kovuuskoe on verrata toisiinsa hangattavien materiaalien kykyä naarmuttaa toisiansa. Timantti on kaikista kovin aine ja monet metallioksidit kuten alumiinioksidi ovat hyvin kovia materiaaleja, kun taas puhdas alumiini ja kipsi ovat pehmeitä materiaaleja. Tämä Mohsin menetelmä on lienee tunnetuin kovuuden mittausmenetelmä.

Tavanomaisin määritysmenetelmä saada kovuuden arvo on mitata tietyn muotoisen painimen jättämä painauman syvyys tai pinta-ala, jollain määritellyllä voimalla ja jollain määritellyllä pitoajalla. Näitä joitakin yleisimpiä standardimääritysmenetelmiä esittää kovuus tietystä materiaalista painauman koon tai kimmahdus nopeuden mukaan ovat Vickers, Rockwell, Brinell ja Leeb. Käytännön syistä näistä jokainen menetelmä on jaettu vielä sopiviin vaihteluväleihin käytetyn kuorman ja painimen geometrian mukaan. Kimmahdusmenetelmässä vaihteluvälinä on iskukappaleen paino.



Tavanomaisimmat kovuusmittausmenetelmät
 

Rockwell  (HR alueet)
Painetaan testattavaa materiaalia timanttikartio- (HRC) tai karkaistulla teräspallopainimella (HRB), käyttämällä 10 kgf esikuormaa ja tämän jälkeen testikuormana 60, 100 tai 150 kgf. Lue lisää...

Pintapuolinen / Superficial Rockwell   (HR alueet)
Painetaan testattavaa materiaalia timanttikartio- tai karkaistulla teräspallopainimella, käyttämällä pienempiä voimia ja siten pienempää painaumaa hauraille ja hyvin ohuille materiaaleille. Käytetty esikuorma on 3kgf ja pääkuormat ovat 15, 30 tai 45 kgf. Lue lisää...


Vickers  (HV)
Tutkittavaa materiaalia painetaan pyramidin muotoisella timantilla pintaan, jossa vastakkaisten sivujen kulma toisiinsa nähden on 136°, 1 – 120 kgf. Tähän tarvitaan mikroskooppia tai USB kameraa kuvaamaan ja mittaamaan painauman sivujen pituudet. Lue lisää...

Mikro-Vickers  (HV)
Tutkittavaa materiaalia painetaan pyramidin muotoisella timantilla pintaan, jossa vastakkaisten sivujen kulma toisiinsa nähden on 136°. Tässä testi kuorma ei yleensä ylitä 1 kgf. Tähän tarvitaan tarkkaa mikroskooppia tai suuren resoluution omaavaa USB kameraa kuvaamaan ja mittaamaan painauman sivujen pituudet. Näissä suurennokset ovat 600 – 1000 -kertaisia. Lue lisää...

Knoop  (HK)
Tutkittavaa materiaalia painetaan venytetyllä pyramidin muotoisella timantilla pintaan, jossa kuormitusvoima on tavallisesti 1kgf. Tähän tarvitaan tarkkaa mikroskooppia tai suuren resoluution omaavaa USB kameraa kuvaamaan ja mittaamaan painauman sivujen pituudet. Näissä suurennokset ovat jopa 600 -kertaisia.

Brinell  (HB)
Tutkittavaa materiaalia painetaan joka karkaistulla teräs pallolla tai karbidipallolla, joiden halkaisija on joko 1 mm, 2,5 mm, 5 mm, tai 10 mm. kuormittava voima vaihtelee aina 1 kg:sta 3000 kg. Tähän tarvitaan mikroskooppia tai USB kameraa kuvaamaan ja mittaamaan painauman kokoa. Lue lisää...

Leeb  (HL) (kimmahdusmenetelmä)
Kannettava kovuusmittausmenetelmä, jossa iskukappaleena on pyöreä volframikarbidi kärki, joka ammutaan tutkittavan kappaleen pintaan jousivoimalla. Kappaleen pintaan muodostuneesta painaumasta johtuen, iskukappale menettää osan alkuperäisestä nopeudestaan (liike-energiastaan). Näin ollen mitä pehmeämpää materiaali on, sitä enemmän kimmahduksessa nopeus pienenee (liike-energia pienenee). Soveltuu hyvin laajalle materiaalien tutkimusalueelle. Täytyy muistaa, että tiettyjä testausvaatimuksia täytyy noudattaa.

Ultraääni  (UCI)
Kannettava kovuusmittausmenetelmä, jossa Vickersin kokeen kaltaisen timanttipyramidin muotoinen painin on kiinnitetty värähtelevään tankoon. Kärki painetaan testattavaan pintaan sopivalla voimalla ja laite mittaa sen kovuuden käyttämällä ultraäänivärähtelyä ja analysoimalla sen vaimenemisefektin. Tavallisesti käytetty pienille ja ohuille komponenteille, joiden kovuutta ei voida mitata kimmahdusmenetelmin.

Shore  (HS alueet)
Kannettava muovien ja kumien kovuudenmääritysmenetelmä (Standardi ISO 868). Kovuusarvo määritetään painamalla painimen jalka tukevasti testattavan kappaleen pintaan. Painin on yhdistetty lineaariseen mittauslaitteeseen, joka mittaa painauman syvyyden, joka tämän jälkeen muunnetaan joko mekaanisessa tai elektronisessa järjestelmässä Shore -arvoksi. Mitä syvempi painautuma, sitä pehmeämpi materiaali.

IRHD  (International Rubber Hardness Degrees)
IRHD menetelmässä mitataan elastomeerin tai kumin kykyä vastustaa pallomaisen painimen tunkeutumista tutkittavaan materiaaliin. Tässä esikuormitettu, niin sanottu kontaktivoima, kohdistetaan halkaisijaltaan 1, 2.5 tai 5 mm pallomaiseen painimeen, jolloin tunkeutumaksi asetetaan 0. Kuormitusvoimaa aletaan tästä lisäämään tiettyyn lopulliseen kuormaan, jossa tunkeutuma mitataan. IRHD arvo on suorassa suhteessa painimen tunkeutuman syvyyteen. Menetelmä on yleisesti käytössä pienille kappaleille ja o-renkaille.

Webster
Webster on kannettava kovuusmittauslaite. Tutkittava kappale asetetaan alasimen ja painimen väliin. Kädenpitimiä puristetaan, kunnes ”pohja” tuntuu, jolloin indikaattori osoittaa kovuuslukeman. Tähän kuuluu erilaisia painimia sekä erilaisia voima-asetuksia erilaisille materiaaleille.