Το σκληρόμετρο είναι ένα όργανο μέτρησης που χρησιμοποιείται για την εκτίμηση της ακαμψίας ή της αντοχής ενός υλικού. Σε γενικές γραμμές, η φιλοσοφία λειτουργίας είναι ο προσδιορισμός της αντίστασης ενός υλικού στην παραμόρφωση, μέσω ενός σκληρότερου εργαλείου.
Τα σκληρόμετρα μπορεί να είναι είτε φορητά είτε επιτραπέζια/σταθερά.

Υπάρχουν διαφορετικές μέθοδοι μέτρησης της σκληρότητας με φορητά όργανα. Αυτός ο οδηγός θα παρουσιάσει τις τεχνολογίες φορητών σκληρόμετρων με τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους.

Τα φορητά σκληρόμετρα είναι μικρές, συμπαγείς και εύχρηστες ηλεκτρονικές συσκευές οι οποίες έχουν την δυνατότητα να πραγματοποιούν μέτρηση της σκληρότητας σε αρκετές κλίμακες σκληρότητας. Αν συγκριθούν με τα σταθερά σκληρόμετρα τότε τα πλεονεκτήματά τους και τα  μειονεκτήματά τους θα είναι:

Πλεονεκτήματα

Τα φορητά σκληρόμετρα διαθέτουν ένα πλήθος από πλεονεκτήματά και για αυτό τον λόγο και έχουν κατακτήσει την βιομηχανία των μετάλλων:

• Οικονομικές λύσεις
• Μετρούν την σκληρότητα σε όλες τις διαδεδομένες κλίμακες (HV, HB, HS, HRC, HRB, N/mm2)
• Η ένδειξη της σκληρότητας εμφανίζεται απευθείας στην οθόνη
• Ο χειριστής μπορεί να πραγματοποιήσει επιτόπου μετρήσεις (in situ), χωρίς να χρειαστεί να μεταφερθεί το δοκίμιο στο εργαστήριο
• Υπάρχει η δυνατότητα μεταφοράς και επεξεργασίας των δεδομένων στον Η/Υ

Μειονεκτήματα

Υπάρχει ένα ουσιαστικό μειονέκτημα σε όλα τα φορητά σκληρόμετρα ανεξαρτήτως τεχνολογίας και αυτό είναι η έλλειψη ακρίβειας σε σχέση με αυτή που προσφέρουν τα σταθερά σκληρόμετρα.

Τα φορητά σκληρόμετρα κατηγοριοποιούνται αναλόγως της τεχνολογίας που φέρουν.

Έτσι, υπάρχουν πέντε (5) κατηγορίες φορητών σκληρομέτρων:

1) Φορητά Σκληρόμετρα Αναπήδησης (Leeb)

2) Φορητά Σκληρόμετρα Υπερήχων (UCI)

2.1 Φορητά Σκληρόμετρα που συνδυάζουν αμφότερες τις τεχνολογίες Leeb & UCI

3) Φορητά Σκληρόμετρα Rockwell

3.1 Φορητά Σκληρόμετρα που συνδυάζουν τις τεχνολογίες Leeb & UCI & Rockwell

4) Φορητά Σκληρόμετρα Webster

5) Φορητά Σκληρόμετρα Barcol

Τα φορητά σκληρόμετρα αναπήδησης είναι τα πιο διαδεδομένα φορητά σκληρόμετρα παγκοσμίως. Χρησιμοποιούν την μέθοδο Leeb, η οποία συμμορφώνεται με τα πρότυπα ISO 16859 και ASTM A956.

Αρχή Λειτουργίας

Η αρχή λειτουργίας των σκληρομέτρων αναπήδησης έγκειται στο ότι ένα σώμα με συγκεκριμένο βάρος, προσκρούει με συγκεκριμένη ταχύτητα πάνω στην επιφάνεια προς σκληρομέτρηση. Στην συνέχεια, ένας εσωτερικός αισθητήρας μετράει την ταχύτητα του σώματος πρόσκρουσης πριν και μετά την κρούση. Η σκληρότητα υπολογίζεται από το κλάσμα της ταχύτητας αναπήδησης (V1) προς την ταχύτητα κρούσης (V0). Το φορητό σκληρόμετρο μετατρέπει το κλάσμα της ταχύτητας σε σκληρότητα σύμφωνα με τον μαθηματικό τύπο: HL=1000* V1/V0.

Όσο σκληρότερο είναι το υλικό, τόσο μεγαλύτερη θα είναι η ταχύτητα αναπήδησης.

Πλεονεκτήματα

• Οικονομική λύση

Τα φορητά σκληρόμετρα αναπήδησης-Leeb, συγκριτικά με τις υπόλοιπες μεθόδους σκληρομέτρησης, αποτελούν την πιο οικονομική λύση

• Μετατροπή της σκληρότητας σε άλλες κλίμακες

Τα φορητά σκληρόμετρα αναπήδησης μετράνε στην κλίμακα Leeb (HL) και έχουν την δυνατότητα αναγωγής του αποτελέσματος σε όλες τις διαδεδομένες κλίμακες ( (HV, HB, HS, HRC, HRB, N/mm2)

• Δυνατότητα σκληρομέτρησης σε κυρτές ή κοίλες επιφάνειες

Με την χρήση ειδικών συστημάτων στήριξης

• Πλήθος επιλογών αισθητηρίων

Τα φορητά σκληρόμετρα αναπήδησης συνηθέστερα φέρουν αισθητήριο τύπου D, ωστόσο αναλόγως εφαρμογής μπορούν να φέρουν και άλλους τύπους DL, DC, S, E, C, G. (υπάρχει πίνακας επιλογής αισθητηρίου αναλόγως εφαρμογής στο τέλος του οδηγού)

Μειονεκτήματα

• Περιορισμοί από το πάχος και το βάρος του δοκιμίου

Τα φορητά σκληρόμετρα αναπήδησης αδυνατούν να σκληρομετρήσουν δοκίμια μικρότερης μάζας από 5 kg και λεπτότερα από 25 mm (με μερικές εξαιρέσεις από 10 mm), λόγω της κάμψης που θα προκαλέσουν στο δοκίμιο. Υπάρχει μία μέθοδος για την επιτυχία των παραπάνω σκληρομετρήσεων που ονομάζεται μέθοδος σύζευξης ή “coupling method”, δηλαδή την τοποθέτηση του δοκιμίου πάνω σε μία στιβαρή επιφάνεια για μεγαλύτερη ακαμψία και την τοποθέτηση ενός υλικού ζεύξης ανάμεσα . Η συγκεκριμένη μέθοδος δεν συνίσταται για μετρήσεις ακριβείας

• Μειωμένη ακρίβεια μετρήσεων

Τα φορητά σκληρόμετρα αναπήδησης δεν μετράνε απευθείας στις γνωστές κλίμακες Rockwell, Brinell Vickers, αλλά στην κλίμακα HL. Στην συνέχεια, ανάγουν την ένδειξη HL, σε άλλες κλίμακες (HV, HRC κ.ά) οπότε είναι λογικό λόγω της μετατροπής, να υπάρξει μία μικρή απόκλιση των μετρήσεων από τις πραγματικές τιμές αν αυτές είχαν μετρηθεί με σταθερά σκληρόμετρα Rockwell, Brinell ή Vickers.

• Σχετικώς καταστρεπτική μέθοδος-Αποτύπωμα κατά την κρούση

Η μέθοδος της αναπήδησης αφήνει εμφανές αποτύπωμα στην επιφάνεια του δοκιμίου

• Απαίτηση μεγάλης προσοχής στον χειρισμό.

Η μέτρηση πρέπει να πραγματοποιείται πάντα με το αισθητήριο να βρίσκεται σε θέση 90⁰ σε σχέση με το δοκίμιο. Σε περίπτωση όπου ο χειριστής σκληρομετρήσει με διαφορετική γωνία θα πάρει λανθασμένα αποτελέσματα. Για να διασφαλιστεί η καθετότητα του αισθητήρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν δαχτυλίδια στήριξης.

Οι γνωστοί οίκοι PROCEQ Ελβετίας, INNOVATEST Ολλανδίας και KERN Γερμανίας προσφέρουν κορυφαίας ποιότητας κατασκευής και αξιοπιστίας, εύχρηστα φορητά σκληρόμετρα αναπήδησης για όλες τις δυνητικές εφαρμογές.

Τα φορητά σκληρόμετρα υπερήχων χρησιμοποιούνται  επιτυχώς για πάνω από 50 χρόνια για πλήθος εφαρμογών. Τα σκληρόμετρα υπερήχων χρησιμοποιούν την τεχνολογία της μεθόδου UCI (Ultrasonic Contact Impedance). Παλαιότερα, τα φορητά σκληρόμετρα υπερήχων, χρησιμοποιούνταν για βαριά ή μη κινητά δοκίμια όπου οι παραδοσιακές τεχνολογίες σκληρομέτρησης αδυνατούσαν να δώσουν λύση. Ωστόσο, πλέον, χάρις την αξιοπιστία των μετρήσεων, την ταχύτητα που προσφέρουν και την απλότητα χρήσης, καθίστανται ιδανικά για πλήθος εφαρμογών.

Αρχή Λειτουργίας

H μέθοδος UCI χρησιμοποιεί την μέτρηση της μετατόπισης της συχνότητας υπερήχων μιας δονούμενης ράβδου. Η ράβδος βρίσκεται εντός του αισθητηρίου και αποτελείται από έναν μεταλλικό άξονα στου οποίου στο άνω μέρος υπάρχει τοποθετημένο ένα ελατήριο (load spring), ενώ στο κάτω μέρος ένας διεισδυτής (indentor) από διαμάντι.

Η μέτρηση πραγματοποιείται μέσω της διείσδυσης του διαμαντιού στο δοκίμιο υπό συγκεκριμένο φορτίο που εφαρμόζει το ελατήριο. Η εφαρμογή του φορτίου στην επιφάνεια προκαλεί μεταβολή/μετατόπιση της συχνότητας της δονούμενης ράβδου. Όσο περισσότερο διεισδύει το διαμάντι στην επιφάνεια, τόσο μεταβάλλεται η συχνότητα.

Πλεονεκτήματα

• Μέτρηση σκληρότητας στην περιοχή συγκόλλησης

Τα φορητά σκληρόμετρα υπερήχων είναι τα πλέον ενδεδειγμένα για να πραγματοποιήσουν σκληρομετρήσεις συγκολλήσεων στην Ζώνη Επηρεασμού Θερμότητας ( Heat-affected Zone H.A.Z)

• Δυνατότητα μέτρησης λεπτότοιχων και ελαφριών δοκιμίων

Τα φορητά σκληρόμετρα υπερήχων είναι ικανά να μετρήσουν οτιδήποτε έχει μεγαλύτερη μάζα από 0,3 kg και είναι παχύτερο από 5 mm

• Μετρήσεις σε δυσπρόσιτα σημεία και δύσκολων γεωμετριών

Τα φορητά σκληρόμετρα υπερήχων μπορούν να πραγματοποιήσουν σκληρομετρήσεις σε δυσπρόσιτα σημεία και σε εξαρτήματα δύσκολων γεωμετριών όπως, επί παραδείγματι, στην βάση μιας οδόντωσης ενός γραναζιού

• Υψηλή ακρίβεια μετρήσεων

Μέτρηση απευθείας στην κλίμακα HV Vickers

• Υψηλή επαναληψιμότητα μετρήσεων

Η επαναληψιμότητα είναι ίσως ο πιο σημαντικός παράγοντας επιτυχών μετρήσεων. Ιδιαίτερη μνεία πρέπει να γίνει στο φορητό σκληρόμετρο «state of the art» Sonodur 3 του οίκου NEWSONIC Γερμανίας. Το συγκεκριμένο σκληρόμετρο UCI διαθέτει απαράμιλλη επαναληψιμότητα μετρήσεων, που οφείλεται στην υψηλής ακρίβειας μέτρηση του συντονισμού της παραγόμενης συχνότητας

• Δυνατότητα ενσωμάτωσης σε γραμμή παραγωγής για on-line μετρήσεις

To Sonodur 3 του οίκου NEWSONIC Γερμανίας είναι κατάλληλο για την ενσωμάτωσή του σε γραμμή παραγωγής, αφού μέσω ενός απομονωμένου, ψηφιακό I/Ο καθιστά δυνατό τον απευθείας έλεγχο των μηχανισμών ενεργοποίησης, ενώ παράλληλα υπάρχει η δυνατότητα για επεξεργασία των δεδομένων

• Λιγότερο καταστρεπτική μέθοδος

Το αποτύπωμα της διαδικασίας σκληρομέτρησης με σκληρόμετρα υπερήχων είναι το μικρότερο δυνατό εν συγκρίσει με όλες τις υπόλοιπες μεθόδους

Μειονεκτήματα

• Μη οικονομική λύση

Το κόστος κτήσης είναι μεγαλύτερο από ένα φορητό σκληρόμετρο αναπήδησης

• Ανάγκη για βαθμονόμηση του οργάνου

Στα περισσότερα σκληρόμετρα υπερήχων οι περισσότερες καμπύλες μετατόπισης συχνότητας δεν είναι προεγκατεστημένες. Αυτό πρακτικά σημαίνει, ότι ο χειριστής πρέπει να προμηθευτεί πρότυπα πλακίδια σκληρότητας, παρεμφερούς υλικού και σκληρότητας με το δοκίμιο που θέλει να μετρήσει.

Το Sonodur 3 έχει προεγκατεστημένες όλες τις μετατοπίσεις συχνοτήτων, οπότε ο χεριστής δεν χρειάζεται να προμηθευτεί κανένα πρότυπο πλακίδιο για την βαθμονόμηση του σκληρομέτρου.

Τα σκληρόμετρα υπερήχων διατίθενται με αισθητήρια που ποικίλουν από HV1-HV10 (10-100N) για την κάλυψη όλων των δυνητικών εφαρμογών.

Πίνακας επιλογής αισθητηρίου UCI αναλόγως επιθυμητής εφαρμογής

H τεχνολογία σκληρομέτρησης κατά Rockwell απαντάται κατά κύριο λόγο σε σταθερά σκληρόμετρα.

Η PROCEQ Ελβετίας είναι ο κορυφαίος και πρωτοπόρος κατασκευαστής φορητών σκληρομέτρων Rockwell και  δραστηριοποιείται στον χώρο από το 1954 και κατάφερε να μεταφέρει αυτή την τεχνολογία σε φορητά σκληρόμετρα. Η μακροχρόνια υψηλή τεχνογνωσία της Proceq την έχει οδηγήσει στο να θεωρείται ένας εκ των κορυφαίων οίκων κατασκευής φορητών σκληρομέτρων παγκοσμίως.

Η PROCEQ Ελβετίας διαθέτει στην αγορά το αισθητήριο Rockwell 50N Equostat  για την σύνδεση με Η/Υ για  αυτονομία, λειτουργώντας σαν φορητό σκληρόμετρο Rockwell.

To συγκεκριμένο φορητό σκληρόμετρο Rockwell προσφέρει:

• Μετρήσεις υψηλής ακρίβειας και επαναληψιμότητας
• Δυνατότητα επεξεργασίας δεδομένων μέσω του “friendly user” λογισμικού
• Αναγωγή των μετρήσεων και σε άλλες κλίμακες (HV, HB κ.ά)
• Το αισθητήριο μπορεί να προσαρμοστεί σε «ειδική αρπάγη» για μέγιστη σταθερότητα κατά την μέτρηση μικρών τεμαχίων όπως πίροι, κύλινδροι κ.α
• Το αισθητήριο μπορεί να προσαρμοστεί σε πλήθος βάσεων ώστε να επιτυγχάνεται η μέτρηση και σε κοίλες, κυλινδρικές κ.ά επιφάνειες

Αρχή Λειτουργίας

Η αρχή λειτουργίας των σκληρομέτρων Rockwell έγκειται στην διείσδυση της μύτης του σκληρομέτρου στο δοκίμιο. Η μύτη του σκληρομέτρου μπορεί να είναι κωνική ή σφαιρική. Μία αρχική δύναμη F₀ θα εφαρμοστεί στο δείγμα από τον διεισδυτή και στην συνέχεια μία επιπλέον δύναμη F₁. Η επονομαζόμενη αυτή κύρια δύναμη F₀+F₁ θα παραμείνει για ορισμένο χρονικό διάστημα μέχρι η F₁ να σταματήσει και να παραμείνει μόνο η αρχική F_0.

Η διαφορά του βάθους διείσδυσης Hi της κύριας δύναμης F₀+F₁ με το βάθος διείσδυσης H₀ της αρχικής F₀, δίνει το αποτέλεσμα της σκληρομέτρησης. Άρα, τα φορητά σκληρόμετρα Rockwell, όπως και τα σταθερά σκληρόμετρα Rockwell ανάγουν το βάθος διείσδυσης σε σκληρότητα.

Πλεονεκτήματα

• Δυνατότητα μέτρησης ιδιαίτερα λεπτότοιχων και ελαφριών δοκιμίων όπως και λαμαρίνων

Αναφορικά με τον περιορισμό που αντιμετωπίζουν πολλά σκληρόμετρα σχετικά με το βάρος-πάχος, τα φορητά σκληρόμετρα Rockwell μπορούν να μετρήσουν δοκίμια που έχουν πάχος από 1 mm και μάζα μικρότερη από 0,1 kg

• Μετρήσεις σκληρότητας ανεξάρτητες λάθους του χειριστή

Τα φορητά σκληρόμετρα Rockwell, διαθέτουν ένα πλήθος από παρελκόμενα που διασφαλίζουν τις τιμές της σκληρομέτρησης ανεξάρτητα από λάθη χειρισμού

• Υψηλή ακρίβεια και επαναληψιμότητα μετρήσεων

Το σκληρόμετρο μετράει απευθείας σε κλίμακες Rockwell

• Μετρήσεις σε σημεία δύσκολων γεωμετριών

Το φορητό σκληρόμετρο Rockwell έχει την δυνατότητα να μετρήσει και σε κυλινδρικά ή άλλα δοκίμια με την χρησιμοποίηση των κατάλληλων παρελκομένων π.χ αρπάγη

• Μετατροπή της ένδειξης στις πιο διαδεδομένες κλίμακες σκληρότητας

Τα φορητά σκληρόμετρα Rockwell μπορεί να μετράνε σε HRA, HRB κ.ά αλλά μπορεί ο χρήστης να βλέπει τις ενδείξεις και σε άλλες κλίμακες (HV,HV,MPa κ.ά)

Μειονεκτήματα

• Μη οικονομική λύση

Το κόστος κτήσης είναι μεγαλύτερο από ένα φορητό σκληρόμετρο αναπήδησης

• Καταστρεπτική μέθοδος

Το αποτύπωμα που αφήνει ο διεισδυτής στο δοκίμιο είναι εμφανές

Τα φορητά σκληρόμετρα Rockwell χρησιμοποιούν τις πιο διαδεδομένες κλίμακες Rockwell και η επιλογή γίνεται αναλόγως την εφαρμογή, όπως φαίνεται στον παρακάτω πίνακα.

Πίνακας επιλογής κλίμακας Rockwell αναλόγως εφαρμογής

Τα φορητά σκληρόμετρα Webster ενδείκνυνται για μία γρήγορη μέτρηση σκληρότητας στα παρακάτω υλικά:

• Αλουμίνιο
• Ορείχαλκο
• Χαλκό
• Μαλακό Χάλυβα

Τα φορητά σκληρόμετρα Webster βρίσκουν κυρίως εφαρμογή σε δοκίμια που προέρχονται από διέλαση αλουμινίου.

Η αρχή λειτουργίας τους είναι απλή και συμμορφώνεται με το αμερικανικό πρότυπο ASTM B647. Το προς μέτρηση δοκίμιο τοποθετείται ανάμεσα στον άκμονα και τον διεισδυτή. Στην συνέχεια ασκείται πίεση στις λαβές από τον χειριστή και έτσι πραγματοποιείται η διείσδυση του διεισδυτή στο δοκίμιο. Ο χειριστής μπορεί να αναγνώσει την ένδειξη της σκληρότητας στο ρολόι του σκληρομέτρου.

Η INNOVATEST Ολλανδίας προσφέρει μία μεγάλη γκάμα από φορητά σκληρόμετρα Webster για την επιλογή του κατάλληλου μοντέλου αναλόγως  υλικού.

Πίνακας επιλογής μοντέλου Σκληρομέτρου Webster INNOVATEST Ολλανδίας

Τα σκληρόμετρα τεχνολογίας Barcol χρησιμοποιούνται για την μέτρηση της σκληρότητας σύνθετων υλικών ενισχυμένων με ίνες (FRP), όπως και σύνθετων υλικών ενισχυμένων με γυαλί (GRP). Επίσης, χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της σταδιακής σκλήρυνσης μίας ρητίνης ή ενός πλαστικού υλικού, ως έμμεσο μέτρο δηλαδή, του βαθμού σκλήρυνσης ενός σύνθετου υλικού. Ακόμα, τα φορητά σκληρόμετρα Barcol χρησιμοποιούνται για την μέτρηση της σκληρότητας μαλακών μεταλλικών υλικών όπως χαλκού, μόλυβδου, καθαρού αλουμινίου, μαλακού αλουμινίου, χυτών και σφυρηλάτων υλικών. Η τεχνολογία είναι απλή και σύμφωνα με αυτή το δείγμα τοποθετείται κάτω από τον διεισδυτή του σκλήρομέτρου Barcol και εφαρμόζεται από τον χρήστη ομοιόμορφη πίεση στο δείγμα έως ότου η ένδειξη επιλογής φτάσει στο μέγιστο. Το βάθος της διείσδυσης μετατρέπεται σε μέτρηση στην κλίμακα  Barcol.

Εκτός από τις μονάδες σκληρότητας Barcol (HBA), το σκληρόμετρο δίνει μετρήσεις σκληρότητας στις μονάδες σκληρότητας Brinell (HB), Vickers (HV), Webster (HW) και Rockwell (HRB/HRE/HRF/HRH).

Ο γερμανικός οίκος PCE διαθέτει ένα πλήθος από αξιόπιστα σκληρόμετρα Barcol.