Tvrdost podle Knoopa
Tvrdost podle Knoopa se označuje značkou HK. Patří mezi metody mikrotvrdosti, protože pracuje s malým zatížením a velmi malým vtiskem. Používá se hlavně tam, kde je potřeba měřit tvrdost tenké vrstvy, povlaku, malé oblasti mikrostruktury, skla, keramiky nebo jiného křehkého materiálu.
Do povrchu zkušebního vzorku se vtlačuje asymetrický diamantový jehlan s kosočtvercovou základnou. Jeho vtisk je dlouhý a mělký. Díky tomu zasahuje do menší hloubky než běžný Vickersův vtisk, a je proto vhodný pro tenké vrstvy nebo křehké materiály, u nichž by hlubší vtisk mohl vyvolat praskliny.
Princip Knoopovy zkoušky
- Tvrdost podle Knoopa (HK)
- Do povrchu materiálu se kolmo k povrchu vtlačuje diamantový jehlan zatěžující silou F. Po odlehčení se opticky změří délka delší úhlopříčky vtisku l. Knoopova tvrdost se vypočítá ze zatížení a z promítnuté plochy vtisku.
- Knoopův vtiskovač má podélný tvar s poměrem úhlopříček přibližně 7 : 1. Úhly mezi protilehlými hranami jsou přibližně 172,5° a 130°.
Podle ISO 4545‑1:2023 se Knoopova zkouška kovových materiálů používá pro zkušební síly od 0,009807 N do 19,613 N a pro délku delší úhlopříčky nejméně 0,020 mm. U mikroindentačních zkoušek podle ASTM E384 se běžně pracuje také s rozsahem 1 gf až 1000 gf.
Zkouška tvrdosti podle Knoopa
Výpočet tvrdosti podle Knoopa
Tvrdost podle Knoopa se vyjadřuje číslem HK. Při zápisu se vždy musí uvést také zkušební zatížení, protože mikrotvrdost může být na velikosti zatížení citlivá.
HK = 1,451 · F / l2
F – zkušební síla v newtonech,
l – délka delší úhlopříčky vtisku v milimetrech.
Kdy použít Knoopovu zkoušku
Knoopova zkouška se používá hlavně tam, kde je potřeba malý a mělký vtisk. Je vhodná pro tenké vrstvy, povlaky, sklo, keramiku, křehké materiály, malé součásti a jednotlivé oblasti mikrostruktury. U kovů se hodí například pro zkoumání cementovaných, nitridovaných nebo jinak povrchově upravených vrstev.
Výsledek silně závisí na přípravě povrchu. Vzorek musí být rovný, hladký a dobře vyleštěný. Hrubý povrch, nečistoty, špatné zaostření optiky nebo poškozený diamantový hrot mohou způsobit výraznou chybu měření.
Knoop vs. Vickers
| Vlastnost | Knoop (HK) | Vickers (HV) |
|---|---|---|
| Tvar vtisku | podlouhlý kosočtverec | čtvercový vtisk |
| Hloubka vtisku | menší, vhodná pro tenké vrstvy | větší, univerzálnější pro běžné materiály |
| Měřený rozměr | delší úhlopříčka | střední hodnota obou úhlopříček |
| Typické použití | mikrotvrdost, povlaky, keramika, sklo | kovy, tvrdokovy, mikrotvrdost i makrotvrdost |
Orientační hodnoty tvrdosti podle Knoopa
Následující tabulka slouží pouze pro přibližnou představu. Skutečná hodnota HK závisí na složení materiálu, tepelném zpracování, tloušťce vrstvy, zatížení, přípravě povrchu a konkrétním postupu zkoušky.
| Materiál nebo vrstva | Orientační tvrdost HK | Poznámka |
|---|---|---|
| měkké kovy | desítky až nízké stovky HK | například hliník, měď nebo měkké slitiny |
| konstrukční oceli | přibližně 150 – 300 HK | podle složení a stavu materiálu |
| kalené oceli | přibližně 500 – 900 HK | podle tepelného zpracování |
| sklo | přibližně 500 – 700 HK | křehký materiál, citlivý na vznik trhlin |
| technická keramika | přibližně 1000 – 2000 HK | široké rozpětí podle druhu keramiky |
| tvrdé povlaky | přibližně 1000 – 3000 HK | například nitridy, karbidy a PVD/CVD vrstvy |
| diamant a diamantové vrstvy | nad 7000 HK | speciální měření extrémně tvrdých materiálů |
Jak číst označení HK
U Knoopovy zkoušky nestačí uvést jen samotné číslo tvrdosti. Výsledek má být doplněn údajem o zkušební síle a případně o době působení zatížení. Zápis se proto může objevit například ve tvaru 720 HK 0,1, kde číslo 0,1 vyjadřuje zatížení 0,1 kgf.
Při porovnávání hodnot z různých zdrojů je nutné ověřit, zda byly měřeny stejnou metodou, stejným zatížením a na srovnatelně připraveném povrchu.
Normy
- ČSN ISO 4545‑1 – Kovové materiály. Zkouška tvrdosti podle Knoopa. Část 1: Zkušební metoda.
- ČSN ISO 4545‑2 – Kovové materiály. Zkouška tvrdosti podle Knoopa. Část 2: Ověřování a kalibrace zkušebních zařízení.
- ČSN ISO 4545‑3 – Kovové materiály. Zkouška tvrdosti podle Knoopa. Část 3: Kalibrace referenčních destiček.
- ČSN ISO 4545‑4 – Kovové materiály. Zkouška tvrdosti podle Knoopa. Část 4: Tabulky hodnot tvrdosti.
- ISO 4545‑1 – Metallic materials. Knoop hardness test. Part 1: Test method.
- ASTM E384 – Standard Test Method for Microindentation Hardness of Materials.
Časté otázky
Proč se u Knoopa měří jen delší úhlopříčka?
Knoopův vtisk je výrazně protáhlý. Delší úhlopříčka se měří přesněji než krátká a zároveň lépe vystihuje promítnutou plochu vtisku.
Je HK převoditelné na HV, HB nebo HRC?
Převody mezi tvrdostními stupnicemi jsou pouze orientační. Závisí na materiálu, jeho struktuře, zatížení i metodě zkoušky. Pro technické rozhodování je vhodné vycházet z konkrétní normy nebo z měření stejnou metodou.
Proč je Knoop vhodný pro povlaky?
Podlouhlý a mělký vtisk zasahuje do menší hloubky než běžný Vickersův vtisk. U tenkých vrstev se tak snižuje riziko, že výsledek výrazně ovlivní podkladový materiál.