Hardenbaarheid van staal en de Jominy-eindafschrikproef

Hardbaarheid is niet hardheid

Een staal kan aan het oppervlak hard zijn zonder diepgaand te harden. Die uitspraak is de sleutel tot het correct interpreteren van een Jominy-resultaat. Hardheid is de weerstand van een materiaal tegen indrukking of een andere gespecificeerde vorm van vervorming, gemeten met een methode zoals Rockwell, Brinell of Vickers. Hardbaarheid is iets anders: zij beschrijft hoe diep en hoe gelijkmatig een staal hardheid ontwikkelt wanneer een gedefinieerde austenitiseer- en afschrikbehandeling een gedefinieerde afkoelgeschiedenis oplevert.

Het onderscheid is belangrijk omdat hardheid een gemeten toestand op een bepaalde plaats is, terwijl hardbaarheid een materiaalrespons door de doorsnede heen beschrijft. Eén Rockwell-C-waarde die aan een oppervlak is gemeten, geeft niet aan welke afkoelsnelheid die waarde heeft veroorzaakt, welke microstructuur zich eronder bevindt, of welke hardheid in het hart van een onderdeel overblijft. Een staal simpelweg “hard” noemen, laat die vragen onbeantwoord. Daarom gebruikt dit artikel de terminologie van ASTM A255 en ASM International, in plaats van hardheid en hardbaarheid als onderling uitwisselbare eigenschappen te behandelen.

Definities die door ASTM A255 en ASM International worden gebruikt

ASTM A255-20 definieert hardbaarheid als “de diepte tot waarop staal hard wordt wanneer het wordt afgeschrikt”. De definitie is kort, maar het belangrijke woord is diepte. Hardbaarheid is geen tweede naam voor het hardheidsgetal op een testcertificaat. Het begrip heeft betrekking op de penetratie van de verharding vanaf het oppervlak naar het inwendige tijdens het afschrikken.

Jominy-hardbaarheidskrommeJominy-hardbaarheidskromme Een grafiek die de gemeten hardheid weergeeft als functie van de afstand tot het met water afgeschrikte uiteinde van een gestandaardiseerd proefstuk.

Dezelfde norm specificeert de kwantitatieve eindafschriktest, of Jominy-test. Het proefstuk bestaat uit een cilindrische staaf met een diameter van 1 inch. Nadat het proefstuk tot de voorgeschreven austenitiseertoestand is verhit, wordt één uiteinde afgeschrikt met een gecontroleerde waterstraal. Vervolgens worden op toenemende afstanden vanaf het afgeschrikte uiteinde hardheidsmetingen uitgevoerd. De resulterende grafiek van hardheid tegen afstand is de Jominy-hardbaarheidscurve.

ISO 642:2024 specificeert de eindafschriktest voor de hardbaarheid van staal, met een proefstuk met een diameter van 25 mm en een lengte van ten minste 100 mm. De afmetingen liggen dicht bij die van de ASTM-specificatie, maar zijn niet simpelweg een terloopse herformulering daarvan. Een resultaat moet worden gekoppeld aan de norm en de editie waarin het proefstuk, de verhittingspraktijk, de afschikopstelling, de meetlocaties en de rapportagemethode zijn vastgelegd. Anders kan “Jominy-hardheid” een getal beschrijven zonder een reproduceerbare test te identificeren.

ASM International geeft de bredere metallurgische betekenis. In het hoofdstuk uit 1990 over koolstofstaal en laaggelegeerd staal wordt hardbaarheid beschreven als de eigenschap die de diepte en verdeling van de door afschrikken verkregen hardheid bepaalt. ASM noemt ook de chemische samenstelling van het staal en de austenietkorrelgrootte als primaire factoren die de hardbaarheid beïnvloeden. Het koolstofgehalte beïnvloedt de hardheid die door martensiet kan worden verkregen, terwijl legeringstoevoegingen transformaties kunnen vertragen die tijdens het afkoelen concurreren met de vorming van martensiet. Ook de austenietkorrelgrootte verandert het transformatiegedrag. Deze factoren werken via de thermische geschiedenis; zij maken van hardbaarheid geen vaste hardheidswaarde.

Waarom een hard staal een beperkte hardbaarheid kan hebben

Beschouw twee proefstukken waarvan de afgeschrikte oppervlakken dezelfde hoge hardheid vertonen. Die waarneming stelt alleen vast dat de oppervlaktelagen een microstructuur en toestand hebben bereikt die deze meetwaarden mogelijk maken. Zij stelt niet vast dat beide proefstukken tot dezelfde diepte zijn gehard.

Het oppervlak koelt tijdens een conventionele afschrikbehandeling het snelst af. Als het staal een beperkte hardbaarheid heeft, kan het oppervlak grotendeels in martensiet transformeren, terwijl gebieden dieper in het materiaal langzamer afkoelen en mengsels vormen zoals bainiet, perliet of andere transformatieproducten. Deze gebieden kunnen een veel lagere hardheid hebben dan het oppervlak. Een klein laboratoriumproefstuk kan daardoor volledig hard lijken, terwijl een groter onderdeel uit dezelfde smelt een zachter hart ontwikkelt, omdat de warmte uit het inwendige minder snel wordt afgevoerd.

Daarom beantwoorden hardheid en hardbaarheid verschillende technische vragen. Een hardheidstest vraagt: “Hoe groot is de weerstand van deze locatie tegen de gespecificeerde indenter?” Een hardbaarheidstest vraagt: “Hoe verandert de hardheid met de afstand vanaf een afgeschrikt oppervlak onder deze gedefinieerde afschikopstelling?” Aan de eerste vraag kan op één punt worden voldaan, terwijl de tweede respons toch slecht blijft.

De chemische samenstelling van staal illustreert het verschil. Koolstof beïnvloedt de maximale hardheid van martensiet sterk, maar een hoge potentiële oppervlaktehardheid garandeert geen diepe harding. Omgekeerd kunnen legeringselementen die diffusiegestuurde transformaties vertragen, ervoor zorgen dat een staal verder van het afgeschrikte oppervlak martensiet vormt, zelfs wanneer de hardheid op een bepaalde locatie afhangt van het koolstofgehalte en de plaatselijke microstructuur. Ook de korrelgrootte, de voorafgaande thermische behandeling, de afmetingen van het proefstuk en de afschrikintensiteit beïnvloeden het waargenomen resultaat. Hardbaarheid is dus een respons van staal onder bepaalde omstandigheden, niet een op zichzelf staand kenmerk dat aan een staalkwaliteit wordt toegekend.

Een meting van de oppervlaktehardheid kan ook een niet-uniformiteit verhullen die wordt veroorzaakt door ontkoling, walshuid, slijpschade, achtergebleven austeniet of een ongeschikte meetlocatie. Een dergelijke meting kan geldig zijn voor dat oppervlak en toch onbruikbaar zijn als bewijs voor de hardheidsverdeling door de gehele doorsnede.

Diepte en verdeling van de hardheid na het afschrikken

De Jominy-test creëert in één proefstuk een gecontroleerd bereik aan afkoelsnelheden. Volgens de procedure van de University of Illinois wordt een cilindrisch proefstuk tot zijn austenitiseertemperatuur verhit, wordt één uiteinde met een waterstraal afgeschrikt en wordt de hardheid op toenemende afstanden vanaf dat uiteinde gemeten. De University of Cambridge legt de fysische basis hiervan uit: het afgeschrikte uiteinde koelt rechtstreeks af in water, terwijl de rest in lucht afkoelt, waardoor langs de staaf een continu bereik aan afkoelsnelheden ontstaat.

Een geleidelijke afname en een steile afname vertegenwoordigen verschillende hardbaarheidsreacties, zelfs wanneer de proefstukken een vergelijkbare hardheid nabij het uiteinde hebben. Strong evidence

De afstand vanaf het afgeschrikte uiteinde fungeert daardoor als een praktische manier om verschillende afkoelgeschiedenissen te bemonsteren. Dicht bij het uiteinde is de afkoelsnelheid hoog en kan de hardheid groot zijn. Verder van het uiteinde verloopt de afkoeling langzamer en kan de curve dalen naarmate andere transformatieproducten dan martensiet belangrijker worden. De vorm en de ligging van de curve beschrijven de verdeling van de hardheid onder de testomstandigheden. Een geleidelijke daling wijst op een andere respons dan een steile daling, zelfs wanneer beide proefstukken bij het eerste meetpunt een vergelijkbare hardheid hebben.

Een Jominy-curve geeft niet rechtstreeks het hardheidsprofiel van elk willekeurig praktijkonderdeel weer. Het onderdeel kan een andere diameter, geometrie, oppervlakteconditie, austenitiseerkringloop, mate van agitatie of afschrikvloeistof hebben. De warmteafvoer uit een cilinder in een eindafschrikinrichting is niet identiek aan de warmteafvoer uit een tand van een tandwiel, een as, een plaat of een hoek. De curve is een gestandaardiseerde vergelijking en een invoergegeven voor procesontwerp, geen universele garantie voor elke doorsnedegrootte.

De curve meet bovendien niet elke mogelijke afkoelsnelheid met onbeperkte nauwkeurigheid. De betekenis ervan hangt af van de testprocedure en van nauwkeurige hardheidsmetingen op de voorgeschreven afstanden. De Materials Education Foundation beschrijft de Jominy-test daarom als een test waarbij de hardheid op toenemende afstanden vanaf een afgeschrikt uiteinde wordt gemeten om de hardbaarheid van staal te bepalen.

Hardheid en hardbaarheid zijn verschillende eigenschappen, en alleen de oppervlaktehardheid kan een hardbaarheidskromme niet vervangen. Strong evidence

[1][1] Standard Test Methods for Determining Hardenability of Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2020.

De juiste conclusie is specifiek: hardheid rapporteert de weerstand op een geteste locatie; hardbaarheid rapporteert de diepte en verdeling van de hardheid die door een gedefinieerde afschrikbehandeling wordt verkregen. ASTM A255-20, ISO 642:2024 en ASM International handhaven dat onderscheid. Oppervlaktehardheid alleen kan een hardbaarheidscurve niet vervangen.

Wat de Jominy-eindafschrikproef meet

Een Jominy-proef kent aan een staal niet één hardheidswaarde toe en noemt die waarde vervolgens de hardbaarheid. De proef meet hoe de hardheid verandert langs een proefstuk dat een gecontroleerd bereik aan afkoelcondities heeft ondergaan. Het resultaat is een hardbaarheidscurve: de hardheid uitgezet tegen de afstand vanaf het afgeschrikte uiteinde.

Dat onderscheid is belangrijk. Hardheid is de weerstand van een bepaalde locatie tegen indrukking of vervorming. Hardbaarheid is het vermogen van het staal om tijdens het afschrikken tot een bepaalde diepte hardheid te ontwikkelen. ASTM A255-20 definieert hardbaarheid als “de diepte tot waar staal hard wordt wanneer het wordt afgeschrikt” en specificeert de kwantitatieve eindafschrik- of Jominy-proef met gebruik van een cilindrisch proefstuk met een diameter van 1 inch. ISO 642:2024 specificeert een stalen eindafschrikspecimen met een diameter van 25 mm en een lengte van ten minste 100 mm. Het kleine maatverschil weerspiegelt de vastgelegde eisen van twee normen, niet twee verschillende betekenissen van hardbaarheid.

De proef creëert verschillende afkoelgeschiedenissen in één stuk staal. Het afgeschrikte uiteinde koelt het snelst af, terwijl locaties die verder weg liggen geleidelijk langzamer afkoelen. Als het staal onder die omstandigheden gemakkelijk martensiet vormt, strekt de hoge hardheid zich verder langs de staaf uit. Als de omzetting begint voordat de verder gelegen gebieden veel martensiet kunnen vormen, neemt de hardheid sneller af met de afstand. De curve laat daardoor zowel de hardheid zien die onder een snelle afschrikking wordt ontwikkeld als de afstand waarover het staal die respons kan behouden.

Austenitiseren van het cilindrische proefstuk

AustenitiserenAustenitiseren Staal verhitten tot een voorgeschreven temperatuurbereik zodat de uitgangsstructuur vóór het afschrikken austeniet wordt.

De procedure begint met een machinaal bewerkt cilindrisch proefstuk. Het Materials Technology and Innovation Laboratory van de University of Illinois beschrijft de volgorde als het verwarmen van het proefstuk tot zijn austenitiseertemperatuur, het aanbrengen van een waterstraal op één uiteinde, het meten van de hardheid op toenemende afstanden vanaf dat uiteinde en het uitzetten van de hardheid tegen de afstand. Austenitiseren verandert de uitgangsstructuur in austeniet, de hogetemperatuurfase waaruit de afschrikproducten ontstaan. De verwarmingstemperatuur en houdtijd worden afgestemd op het staal en de procedure; het zijn geen onderling uitwisselbare details.

Deze voorbereidingsfase bepaalt de toestand van waaruit de afkoelrespons wordt gemeten. Het koolstofgehalte, legeringstoevoegingen, de voorafgaande microstructuur en de austenietkorrelgrootte kunnen allemaal beïnvloeden wat er gebeurt nadat het proefstuk de oven verlaat. ASM International identificeerde de staalsamenstelling en de austenietkorrelgrootte als primaire invloeden op de hardbaarheid in zijn behandeling uit 1990 van de hardheid en hardbaarheid van staal. Een proef die na een ongeschikte austenitiseerbehandeling wordt uitgevoerd, kan een geldige hardheidsmeting van dat proefstuk opleveren, maar vertegenwoordigt niet noodzakelijk de voorgeschreven hardbaarheid van de staalsoort.

Het proefstuk moet ook zo worden behandeld dat zijn thermische geschiedenis vóór het aanbrengen van de waterstraal gecontroleerd blijft. Het doel is niet om elke industriële afschrikgeometrie te reproduceren. Het doel is een herhaalbare vergelijking te creëren waarbij het proefstuk vanuit een gedefinieerde austenitische toestand begint en vervolgens een bekende eindafschikopstelling ondergaat. Daarom hoort een Jominy-resultaat te worden vermeld samen met de proefcondities, de materiaalaanduiding en de norm. Een curve zonder die context vormt onvolledig bewijsmateriaal.

Het proefstuk is cilindrisch omdat een herhaalbare vorm het gemakkelijker maakt om de temperatuur- en omzettingsrespons van de ene proef met de andere te vergelijken. ASTM A255-20 vermeldt een proefstukdiameter van 1 inch, terwijl ISO 642:2024 een diameter van 25 mm en een lengte van ten minste 100 mm vermeldt. Die afmetingen moeten worden gerapporteerd zoals ze zijn toegepast; ze mogen niet stilzwijgend worden samengevoegd tot een generieke “standaard-Jominy-staaf”.

Eén uiteinde met water afschrikken

Zodra het geaustenitiseerde proefstuk in de apparatuur is geplaatst, treft een gecontroleerde straal één uiteinde met water. De beschrijving van de University of Illinois identificeert deze waterstraal als de kenmerkende afschrikhandeling. Het onderwijsmateriaal over materiaalkunde van Cambridge, gepubliceerd in 2012, legt het fysische resultaat uit: één uiteinde wordt met water afgeschrikt, terwijl de rest van de staaf in lucht afkoelt.

Het uiteinde onder de straal ondergaat de snelste afkoeling. De warmte verlaat dit gebied snel, waardoor er minder tijd beschikbaar is voor austeniet om in ferriet, perliet of andere langzamer vormende producten om te zetten voordat de temperatuur het martensitische bereik bereikt. Aan het afgeschrikte uiteinde kan daardoor een groter martensietpercentage ontstaan, afhankelijk van de samenstelling van het staal en de voorafgaande austenitische toestand. De gemeten hardheid kan daar hoog zijn, maar die ene waarde vertegenwoordigt alleen de respons op één locatie onder het snelste deel van deze specifieke afkoelgeschiedenis.

De rest van het proefstuk wordt niet rechtstreeks besproeid. Het verliest warmte via de blootgestelde oppervlakken en door geleiding naar het afgeschrikte uiteinde, en wisselt tegelijkertijd warmte uit met de omringende lucht. Bijgevolg is de afkoelsnelheid daar lager dan aan het uiteinde, hoewel de exacte snelheid afhankelijk is van de positie, de geometrie van het proefstuk, de watercondities, de temperatuur, de toestand van het oppervlak en de thermische eigenschappen van het staal. De proef legt niet één uniforme afkoelsnelheid op aan de gehele cilinder.

Deze opstelling verklaart ook waarom de Jominy-proef niet eenvoudigweg een hardheidsproef met een speciale houder is. Een conventionele hardheidsproef kan één waarde van een geselecteerde locatie rapporteren. De eindafschrikproef creëert doelbewust een reeks locaties met verschillende thermische geschiedenissen en vergelijkt vervolgens hun hardheidsrespons. De Materials Education Foundation beschrijft de methode in die bewoordingen: de hardheid wordt gemeten op toenemende afstanden vanaf het afgeschrikte uiteinde om de hardbaarheid van het staal te bepalen.

Een gradiënt van afkoelsnelheden langs het proefstuk creëren

De belangrijkste meetgrootheid is de afstand vanaf het met water afgeschrikte uiteinde. Direct aan dat uiteinde is de afkoeling het snelst. Naarmate men zich ervan verwijdert, wordt de afkoeling geleidelijk minder snel, waardoor langs de staaf een continu bereik aan afkoelsnelheden ontstaat, zoals Cambridge uitlegt. Eén proefstuk vertegenwoordigt zo veel afschikcondities, van een snelle waterafschikrespons nabij het uiteinde tot langzamere, aan lucht gekoelde reacties verder weg.

Na het afkoelen worden hardheidsmetingen uitgevoerd op toenemende afstanden vanaf het afgeschrikte uiteinde. Deze meetwaarden worden uitgezet tegen de afstand, wat de Jominy-hardbaarheidscurve oplevert. Een langzaam dalende curve geeft aan dat een aanzienlijke hardheid verder van het uiteinde behouden blijft; een steile daling geeft aan dat de hardheid dichter bij het gebied met de snelste afkoeling is beperkt. De curve beschrijft de verdeling van de hardheid die door deze gedefinieerde afkoelopstelling wordt veroorzaakt. Dit komt overeen met de definitie van hardbaarheid in het ASM-hoofdstuk over koolstofstaal en laaggelegeerd staal als de eigenschap die de diepte en verdeling van de door afschrikken verkregen hardheid bepaalt.

De curve geeft op zichzelf niet de hardheid van elk mogelijk onderdeel weer. Een dik tandwiel, een plaat, een as of een staaf heeft zijn eigen temperatuurgradiënten van oppervlak naar kern, en het afschrikmedium en de beweging daarvan kunnen verschillen van de Jominy-opstelling. Om een Jominy-afstand om te zetten in een verwachte respons van een onderdeel zijn passende correlaties of een afzonderlijke warmtebehandelingsanalyse nodig. De curve elimineert evenmin de effecten van de samenstelling of de austenietkorrelgrootte. Deze factoren helpen de curve juist in eerste instantie te bepalen.

Een Jominy-proef kan staalsoorten of warmtebehandelingscondities met elkaar vergelijken wanneer de proefstukken en procedures gecontroleerd zijn. De proef kan laten zien hoe ver de hardheidsrespons van een staal zich onder de voorgeschreven eindafschikgeschiedenis uitstrekt. Zij kan één indrukwaarde niet omzetten in een volledige beschrijving van de hardbaarheid. Het bruikbare resultaat is de relatie tussen hardheid en afstand, gekoppeld aan de afmetingen van het proefstuk, de austenitiseerbehandeling, de waterafschikcondities, de hardheidsmethode en de toepasselijke norm.

Proefstukgeometrie en testnormen

Een Jominy-resultaat is alleen betekenisvol wanneer het proefstuk, de verwarmingscyclus, de afschikopstelling, de hardheidsmetingen en de rapportagemethode bekend zijn. De test levert geen van de testprocedure losstaande materiaaleigenschap op. De test registreert hoe een bepaald stalen proefstuk reageert op een gedefinieerde thermische geschiedenis, waarbij de gemeten hardheid verandert naarmate de afstand tot het afgeschrikte uiteinde toeneemt.

Dit onderscheid is belangrijk omdat hardheid en hardbaarheid verschillende vragen beantwoorden. Hardheid is de weerstand die op een bepaalde plaats volgens een gespecificeerde testmethode wordt gemeten. Hardbaarheid is de diepte en verdeling van de hardheid die ontstaat wanneer staal wordt afgeschrikt. ASTM A255-20 definieert dit als “de diepte tot waar staal hard wordt bij afschrikken”. Een Jominy-curve vereist daarom meer informatie dan één hardheidsgetal: de afstand tot het afgeschrikte uiteinde en de omstandigheden die de koelgradiënt hebben veroorzaakt, zijn eveneens nodig.

ASTM A255 en het proefstuk van 1 inch

ASTM A255-20, Standard Test Methods for Determining Hardenability of Steel, specificeert de kwantitatieve eindafschrikproef, of Jominy-test, met behulp van een cilindrisch proefstuk met een diameter van 1 inch. Die afmeting is geen vrijblijvende beschrijving van een teststaaf. Zij maakt deel uit van de testmethode en beïnvloedt de thermische respons van het proefstuk vóór, tijdens en na de eindafschrikking.

De gebruikelijke procedure begint met het verhitten van het cilindrische proefstuk tot de vereiste austenitiseertemperatuur. Vervolgens wordt het in de testopstelling geplaatst en komt een waterstraal in contact met één uiteinde. Het afgeschrikte uiteinde koelt het snelst; locaties die verder daarvandaan liggen, ontvangen minder directe koeling en koelen daardoor onder andere omstandigheden af. Na het afkoelen wordt de hardheid gemeten op steeds grotere afstanden van het afgeschrikte uiteinde, waarna die meetwaarden worden uitgezet om een hardbaarheidscurve te vormen. Het Materials Technology and Innovation Laboratory van de University of Illinois beschrijft deze volgorde als het verhitten van een cilindrisch proefstuk tot de austenitiseertemperatuur, het afschrikken van één uiteinde met een waterstraal en het meten van de hardheid langs het proefstuk.

De geometrie creëert een gecontroleerd bereik in plaats van één enkele afkoelsnelheid. Zoals de University of Cambridge uitlegt, wordt één uiteinde met water afgeschrikt terwijl de rest aan de lucht afkoelt, waardoor langs de staaf een continu bereik aan afkoelsnelheden ontstaat. De curve laat daardoor zien hoe ver het staal zijn vermogen behoudt om harde transformatieproducten te vormen naarmate de afschrikintensiteit met de afstand afneemt.

Een sterke daling van de hardheid kan erop wijzen dat het staal alleen dicht bij het afgeschrikte uiteinde sterk hardt. Een vlakkere curve geeft aan dat de hardheid onder de testomstandigheden verder van dat uiteinde behouden blijft. Geen van beide waarnemingen mag worden omgezet in een universele uitspraak over elk mogelijk onderdeel. Werkelijke onderdelen hebben andere diameters, vormen, ovenhistorieën, overdrachtstijden en afschrikmedia. Een Jominy-curve is een gestandaardiseerde vergelijking van de respons, geen directe hardheidskaart voor elke geometrie.

ASTM A255 is ook van belang wanneer het materiaal aan de hand van een staalaanduiding wordt geïdentificeerd. Een gerapporteerd resultaat voor koolstofstaal of laaggelegeerd staal moet de kwaliteit, de smelt- of monsteridentificatie waar van toepassing, de oriëntatie van het proefstuk indien relevant voor het testrapport, en de geldende editie van de methode vermelden. De chemische samenstelling van het staal en de austenietkorrelgrootte zijn volgens ASM International de belangrijkste invloeden op de hardbaarheid. De curve is daarom zowel gekoppeld aan het geteste materiaal als aan de voorafgaande thermische toestand ervan.

ISO 642:2024 en het proefstuk van 25 mm bij ten minste 100 mm

ISO 642:2024, Steel—Hardenability test by end quenching (Jominy test), specificeert een proefstuk met een diameter van 25 mm en een lengte van ten minste 100 mm. Deze geometrie lijkt op de ASTM-opstelling, maar “vergelijkbaar” betekent niet “identiek”. Een diameter van 25 mm is ongeveer 0,4 mm kleiner dan 1 inch, oftewel 25,4 mm. Dat verschil lijkt misschien gering, maar een test volgens een norm wordt gedefinieerd door de vermelde afmetingen en procedures, niet door visuele gelijkenis.

De ISO-aanduiding stelt ook een minimale lengte vast: het proefstuk moet ten minste 100 mm lang zijn. De diameter en lengte moeten worden beschouwd in samenhang met de eisen voor verwarming, positionering, eindafschrikking, oppervlaktevoorbereiding, hardheidsmeting en presentatie van de resultaten. Een laboratorium kan niet alleen door een willekeurige staaf onder een waterstraal te plaatsen en de hardheid uit te zetten, aantonen dat het aan ISO 642:2024 voldoet. De volledige methode bepaalt het resultaat.

Dit is met name belangrijk wanneer gegevens tussen laboratoria worden overgedragen of met gepubliceerde curves worden vergeleken. Twee registraties kunnen beide het woord “Jominy” gebruiken, terwijl de ene ISO 642:2024 vermeldt en de andere ASTM A255-20. Hun nominale testprincipe is hetzelfde: een verhit stalen proefstuk wordt aan één uiteinde afgeschrikt en de hardheid wordt gemeten op steeds grotere afstanden. De dimensionele en procedurele eisen moeten echter nog steeds worden gecontroleerd voordat de curves als rechtstreeks gelijkwaardig worden beschouwd.

De minimale lengte van het ISO-proefstuk laat ook zien waarom een afmeting van een proefstuk geen geïsoleerd getal is. Er moet voorbij het afgeschrikte uiteinde voldoende materiaal aanwezig zijn om het beoogde bereik van de koelrespons en de meetlocaties te bieden. Het wijzigen van de lengte, de toestand van het uiteinde, de opstelling, de watertoevoer of de timing kan de thermische geschiedenis veranderen. De gemeten curve beschrijft dan de gewijzigde test en niet noodzakelijk de respons die in ISO 642:2024 is gespecificeerd.

Waarom normen en proefstukafmetingen niet met elkaar mogen worden verward

ASTM A255 en ISO 642:2024 beschrijven nauw verwante eindafschrikproeven, maar de normen moeten bij naam worden vermeld in plaats van te worden samengevoegd tot een ongedefinieerde “Jominy-waarde”. De ASTM-methode specificeert een cilindrisch proefstuk met een diameter van 1 inch. ISO 642:2024 specificeert een proefstuk met een diameter van 25 mm en een lengte van ten minste 100 mm. Dit zijn onderbouwde dimensionele eisen, geen onderling uitwisselbare aanduidingen.

Een deugdelijk rapport moet daarom de norm en editie, de afmetingen van het proefstuk, de identificatie van het staal, de austenitiseervoorwaarden, de afschikdetails, de hardheidsschaal, de meetafstanden en de resulterende curve of gegevenstabel vermelden. Als een laboratorium een vereiste afmeting of procedure wijzigt, moet het rapport de test als gewijzigd identificeren en niet de indruk wekken dat exact aan de norm is voldaan.

Deze rapportagediscipline voorkomt een veelgemaakte fout: één enkele hardheidswaarde toeschrijven aan hardbaarheid. Een hardheidsmeting op 10 mm, 20 mm of een andere afstand beschrijft één punt op een responscurve. Zij stelt niet de volledige diepte of verdeling van de harding vast. De Materials Education Foundation beschrijft de Jominy-test als een meting van de hardheid op toenemende afstanden vanaf een afgeschrikt uiteinde om de hardbaarheid van staal te bepalen; de meerdere meetlocaties zijn een centraal onderdeel van de methode.

De norm maakt deel uit van het resultaat. Zonder die norm laat “Jominy-hardheid” onbeantwoord welke geometrie van het proefstuk, welke koelopstelling, welke voorbereiding en welke meetregels zijn gebruikt. Wanneer de norm wordt vermeld, heeft de curve een vastgelegde betekenis en kan zij met de nodige voorzichtigheid worden vergeleken.

Van afschrikafstand tot een hardbaarheidskromme

Een Jominy-proef zet één afgeschrikt proefstuk om in een reeks hardheidswaarnemingen. De belangrijkste variabele is niet eenvoudigweg hoe hard het staal op één plaats is. Het gaat erom hoe de gemeten hardheid verandert naarmate de lokale afkoelsnelheid afneemt bij toenemende afstand tot het afgeschrikte uiteinde.

ASTM A255-20 definieert hardbaarheid als de diepte tot waarop staal hard wordt wanneer het wordt afgeschrikt. De kwantitatieve methode met afschrikken aan één uiteinde maakt gebruik van een cilindrisch proefstuk met een diameter van 1 inch (ASTM International, 2020). ISO 642:2024 specificeert voor de proef met afschrikken aan één uiteinde een stalen proefstuk met een diameter van 25 mm en een lengte van ten minste 100 mm (International Organization for Standardization, 2024). Deze afmetingen liggen dicht bij elkaar, maar mogen niet worden opgevat als onderling uitwisselbare beschrijvingen van iedere proef. De toepasselijke norm bepaalt de eisen voor het proefstuk, de verhitting, het afschrikken, de hardheidsmethode en de rapportage.

De proef begint met het verhitten van het cilindrische proefstuk tot de voorgeschreven austenitiseertemperatuur. Vervolgens wordt één uiteinde blootgesteld aan een waterstraal, terwijl de rest van de staaf aan de lucht afkoelt. De University of Illinois beschrijft deze opeenvolging als de basis van de Jominy-procedure (University of Illinois Materials Technology and Innovation Laboratory, 2024). Omdat het afgeschrikte uiteinde de warmte het snelst verliest, ondergaat het de meest intensieve afkoeling. Verderop langs de staaf wordt de afkoeling geleidelijk minder intensief. De University of Cambridge beschrijft deze opstelling als een continu bereik van afkoelsnelheden langs het proefstuk (University of Cambridge, 2012).

De oppervlakken voor de hardheidsmeting voorbereiden

Hardheid kan niet betrouwbaar worden gemeten op een oppervlak dat bedekt is met walshuid, ontkolingsmateriaal, ruwe bewerkingssporen of een ongelijkmatige oxidelaag. Nadat het proefstuk de voorgeschreven afschrikking heeft ondergaan en voldoende is afgekoeld om het te kunnen hanteren, wordt het voor de metingen gebruikte oppervlak voorbereid, zodat de indenter in gezond staal terechtkomt en niet in veranderd of beschadigd materiaal.

Het afgeschrikte uiteinde zelf is niet de enige relevante plaats. Het meetoppervlak loopt in de lengterichting vanaf dat uiteinde, zodat hardheidsmetingen op bekende afstanden kunnen worden uitgevoerd. De oppervlaktevoorbereiding moet daarom een redelijk vlakke, schone strook langs de staaf opleveren. Slijpen of verspanen verwijdert walshuid en de door verhitting beïnvloede laag nabij het oppervlak, terwijl een gecontroleerde nabewerking fouten beperkt die worden veroorzaakt door groeven, golving of overmatige slijpwarmte. De voorbereiding mag geen nieuw thermisch effect veroorzaken en evenmin zoveel materiaal verwijderen dat de beoogde geometrie van het proefstuk en de meetlocaties veranderen.

De exacte nabewerkingsmethode, hardheidsschaal, afstand tussen de meetpunten en rapportagevorm zijn vastgelegd in de gekozen proefnorm. ASTM A255-20 en ISO 642:2024 mogen niet zonder meer worden vermengd: een laboratorium dat ASTM-eisen volgt, moet het proefstuk voorbereiden en meten volgens de specificaties van ASTM, terwijl een ISO-proef ISO 642 moet volgen. Het gaat hier om de procedure, niet om het uiterlijk. Een hardheidsindruk die op walshuid of ontkoold staal wordt gemaakt, kan de toestand van dat oppervlak weergeven in plaats van die van het afgeschrikte staal eronder.

Het oppervlak moet ook voldoende breed zijn en voldoende afstand tussen de indrukken bieden, zodat de hardheidsmetingen onafhankelijk van elkaar blijven. Indrukken die te dicht bij elkaar, te dicht bij een rand of op een zichtbaar gebrekkige zone worden geplaatst, kunnen het resultaat vertekenen. Als het oppervlak gekromd of slecht afgewerkt is, kan de indenter niet correct worden geplaatst. Daarom is een Jominy-resultaat een gecontroleerde meetreeks en geen informele hardheidscontrole die willekeurig ergens op de staaf wordt uitgevoerd.

Hardheid meten op toenemende afstanden

Zodra het meetoppervlak gereed is, wordt de hardheid geregistreerd op een reeks toenemende afstanden vanaf het met water afgeschrikte uiteinde. De eerste meting vertegenwoordigt staal dat onder de meest intensieve afkoelconditie van de proef is afgekoeld. Latere metingen vertegenwoordigen plaatsen die langzamer zijn afgekoeld. De afstand wordt langs het proefstuk gemeten vanaf het afgeschrikte uiteinde, en iedere meting wordt gekoppeld aan de exacte positie ervan.

De Materials Education Foundation beschrijft de Jominy-proef als een methode waarbij de hardheid op toenemende afstanden vanaf een afgeschrikt uiteinde wordt gemeten om de hardbaarheid van staal te bepalen (Materials Education Foundation, 2024). Deze formulering maakt het essentiële onderscheid duidelijk: de proef stelt niet alleen de vraag: „Hoe hard is dit staal?” Zij stelt de vraag: „Hoe verandert de hardheidsrespons van het staal wanneer de afkoelconditie langs een gedefinieerd proefstuk verandert?”

De hardheidsschaal moet worden vermeld. Voor veel Jominy-resultaten van staal wordt de hardheid gerapporteerd volgens Rockwell C wanneer het materiaal voldoende hard is voor deze schaal, maar de gekozen norm en het gemeten bereik bepalen welke methode is toegestaan. Een waarde zonder vermelding van de schaal is onvolledig. „52” kan HRC, een andere Rockwell-schaal of een andere hardheidsmethode aanduiden, en deze waarden kunnen niet worden vergeleken alsof zij dezelfde eigenschap beschrijven.

Een enkele meting nabij het afgeschrikte uiteinde kan de hardheid tonen die onder één intensieve afkoelconditie is bereikt. Daarmee wordt niet vastgesteld hoe ver die hardheid zich uitstrekt. Evenzo kan een hardheidsmeting verder van het uiteinde de langzamere afkoeling weerspiegelen, maar op zichzelf kan zij niet de volledige overgang van hoge naar lage hardheid beschrijven. Hardbaarheid is een verdeling van de respons, geen enkel hardheidsgetal.

Volgens ASM International (1990) zijn de chemische samenstelling van het staal en de austenietkorrelgrootte primaire invloeden op deze respons. Koolstof beïnvloedt de bereikbare hardheid van de omgezette structuur, terwijl legeringselementen en korrelgrootte de afkoelcondities beïnvloeden die nodig zijn voor concurrerende omzettingen. De Jominy-kromme registreert het gecombineerde resultaat van deze factoren onder de voorgeschreven proefgeschiedenis. Zij isoleert niet afzonderlijk de samenstelling of de korrelgrootte.

De hardheid uitzetten tegen de afstand vanaf het afgeschrikte uiteinde

De metingen vormen een hardbaarheidskromme wanneer de hardheid op de verticale as wordt uitgezet tegen de afstand vanaf het afgeschrikte uiteinde op de horizontale as. Op de verticale as moet de hardheidsschaal worden vermeld, zoals HRC waar van toepassing. Op de horizontale as moeten de afstandseenheden en het referentiepunt worden vermeld: nul is het met water afgeschrikte uiteinde en een toenemende afstand betekent een geleidelijk minder intensieve afkoeling.

De kromme begint normaal gesproken met de hardheid die het dichtst bij het afgeschrikte uiteinde is gemeten en volgt vervolgens de hardheidsrespons langs de staaf. Een sterke daling betekent dat de hardheid over een korte afstand aanzienlijk afneemt. In praktische zin behoudt het staal zijn hoge afschrikhardheid slechts over een relatief beperkt deel van dit proefstuk. Een geleidelijkere daling betekent dat de gemeten hardheid verder van het afgeschrikte uiteinde hoger blijft, wat wijst op een grotere hardingsdiepte onder de Jominy-afkoelgradiënt. De vorm is net zo belangrijk als het eerste meetpunt.

De kromme moet worden getekend op basis van de gemeten waarnemingen en niet worden vervangen door één geselecteerde waarde. Herhaalde proeven, toegestane aanpassingsmethoden, meetonzekerheid en de rapportageregels van ASTM A255-20 of ISO 642:2024 bepalen hoe het eindresultaat wordt gepresenteerd. Een vloeiende lijn kan helpen om de trend zichtbaar te maken, maar mag verspreide meetwaarden niet verhullen of een nauwkeurigheid suggereren die de metingen niet ondersteunen.

Een Jominy-kromme is een respons op een gedefinieerde afschrikgeschiedenis aan één uiteinde. Zij kan staalsoorten vergelijken die onder dezelfde eisen zijn beproefd en laten zien hoe de hardheid met de afstand verandert. Op zichzelf kan zij niet het exacte hardheidsprofiel voorspellen in een dik tandwiel, een plaat, een as of een gietstuk dat in een bepaald bad wordt afgeschrikt. De geometrie van het onderdeel, de agitatie, het afschrikmedium, de overdrachtstijd, de austenitiseerpraktijk en de aanvankelijke microstructuur veranderen de afkoelgeschiedenis. De kromme is daarom bewijs van hardbaarheid onder de gespecificeerde proefcondities en geen vervanging voor een warmtebehandelingsanalyse van een afzonderlijk onderdeel.

Koelsnelheid, transformatie en de betekenis van de curve

Continue koelcondities langs de staaf

Een Jominy-proefstuk ondergaat van het ene uiteinde tot het andere niet één enkele afschrikintensiteit. Het ondergaat een gradiënt. Bij de gestandaardiseerde proef wordt een cilindrisch stalen proefstuk eerst verhit tot zijn austenitiseertemperatuur, waarna één uiteinde aan een waterstraal wordt blootgesteld terwijl de rest van het proefstuk in lucht afkoelt. Het University of Illinois Materials Technology and Innovation Laboratory beschrijft deze volgorde als de basisprocedure van de Jominy-proef (2024). Het met water gekoelde uiteinde verliest snel warmte; posities die verder weg liggen ontvangen minder directe koeling en wisselen voornamelijk warmte uit via het proefstuk en de omringende lucht.

Deze opstelling creëert een continu bereik aan koelcondities langs de staaf, zoals de University of Cambridge uitlegt in haar beschrijving van de proef (2012). De exacte koelgeschiedenis wordt niet alleen door de afstand bepaald. Ook de geometrie van het proefstuk, de begintemperatuur, de opstelling van de waterstraal, de toestand van het afschrikmedium, de blootgestelde oppervlakken en de thermische eigenschappen van het staal spelen een rol. Afstand is daarom een gecontroleerde locatie in de proef, geen universele omzetting naar één koelsnelheid die op elk proefstuk of elk productieonderdeel van toepassing is.

De afmetingen maken deel uit van de methode en zijn geen bijkomstige details. ASTM A255-20 specificeert de kwantitatieve eindafschrikproef met een cilindrisch proefstuk met een diameter van 1 inch. ISO 642:2024 specificeert een proefstuk met een diameter van 25 mm en een lengte van ten minste 100 mm. Deze aanduidingen en afmetingen mogen bij het vergelijken van resultaten niet zonder meer door elkaar worden gebruikt, omdat een wijziging in geometrie of procedure de warmtestroom en daarmee de transformatierespons kan veranderen. Een Jominy-curve heeft alleen betekenis in relatie tot de norm en de proefcondities waaronder zij is verkregen.

De staaf is ook geen miniatuuronderdeel met een eenvoudig koelpatroon van “oppervlak versus kern”. Een onderdeel dat wordt afgeschrikt in olie, water, een polymeeroplossing of gas ontwikkelt een ruimtelijk koelveld dat wordt bepaald door zijn vorm en door de warmteoverdracht aan de oppervlakken. Het Jominy-proefstuk levert daarentegen een reproduceerbare laboratoriumgradiënt. Het bemonstert bij één proef vele afschrikintensiteiten, maar reproduceert niet elke onderdeelgeometrie.

Dit onderscheid is belangrijk omdat hardbaarheid een respons is op een gedefinieerde thermische geschiedenis. ASTM A255-20 definieert deze als de diepte tot waarop staal hard wordt bij afschrikken. Het ASM-hoofdstuk over koolstof- en laaggelegeerde staalsoorten beschrijft dezelfde eigenschap als bepalend voor de diepte en verdeling van de hardheid die door afschrikken wordt verkregen (ASM International, 1990). Geen van beide definities stelt dat hardbaarheid het hardheidsgetal van het staal vóór of na het afschrikken is.

Austeniettransformatie tijdens het afschrikken

Door verhitting wordt de uitgangsstructuur omgezet in austeniet, mits de gekozen austenitiseerbehandeling geschikt is voor de kwaliteit en toestand van het staal. Bij het afschrikken wordt vervolgens warmte zo snel — of op een bepaalde positie zo langzaam — afgevoerd dat wordt bepaald welke transformaties tijdens het afkoelen van het austeniet kunnen optreden. De cruciale vraag is niet eenvoudigweg hoe koud het proefstuk wordt. Het gaat erom hoe lang het austeniet binnen temperatuurbereiken blijft waarin diffusieproducten kunnen ontstaan voordat het materiaal omstandigheden voor transformatie bij lagere temperaturen bereikt.

Aan het met water afgeschrikte uiteinde kan de koelgeschiedenis transformaties onderdrukken die anders ferriet, perliet of bainitische bestanddelen zouden vormen. Daardoor kan een groter aandeel van het austeniet bij verdere afkoeling in martensiet transformeren. Verder van het afgeschrikte uiteinde geeft het minder intensieve thermische pad concurrerende transformaties meer gelegenheid om te beginnen. De uiteindelijke structuur kan dan een andere mix van transformatieproducten bevatten en de hardheid kan dienovereenkomstig dalen. De curve registreert deze verandering, maar identificeert niet op zichzelf elk bestanddeel en geeft evenmin een fasefractie.

Deze terughoudendheid is essentieel. Een hardheidsmeting kan geen volledig transformatiediagram vaststellen, en een Jominy-curve kan niet worden gelezen als een directe lijst van koelsnelheden, tenzij die snelheden afzonderlijk zijn bepaald voor hetzelfde apparaat en dezelfde condities. De curve is een indirecte registratie: elke afstand correspondeert in deze proef met een bepaalde thermische respons, en de gemeten hardheid weerspiegelt de microstructuur die door die respons is gevormd.

De samenstelling bepaalt in welke mate transformaties tijdens het afkoelen worden vertraagd of mogelijk worden gemaakt. Koolstof heeft een sterke invloed op de hardheid die martensiet kan bereiken, terwijl legeringselementen het transformatiegedrag kunnen verschuiven en de diepte kunnen vergroten waarover een afschrikking een harde martensitische structuur produceert. Ook de austenietkorrelgrootte is belangrijk. ASM noemt de staalsamenstelling en de austenietkorrelgrootte als primaire factoren die de hardbaarheid beïnvloeden (ASM International, 1990). Een grotere voorafgaande austenietkorrelgrootte kan de kiemvormingscondities en de transformatiek kinetiek veranderen. Daardoor kunnen twee proefstukken van nominaal dezelfde kwaliteit verschillende curves opleveren wanneer hun thermische geschiedenis of korrelstructuur verschilt.

De proef meet dus de respons van een materiaal in een specifieke toestand, niet van een abstracte kwaliteitsbenaming. De austenitiseertemperatuur, de houdtijd, de voorafgaande bewerking, de korrelgrootte, de toestand van het oppervlak en de details van het afschrikken beïnvloeden allemaal wat het austeniet wordt. Een resultaat voor één toestand mag niet worden beschouwd als bewijs dat elke warmtebehandeling van die aanduiding dezelfde curve zal opleveren.

Waarom de hardheid met de afstand verandert

De hardheid verandert met de afstand omdat de afstand de koelgeschiedenis verandert, en de koelgeschiedenis de resulterende microstructuur verandert. Nabij het afgeschrikte uiteinde verliest het proefstuk de meeste warmte. Verder weg blijft de warmte langer in de staaf en ontsnapt deze onder andere omstandigheden. De resulterende structuren kunnen daarom variëren van overwegend martensitisch materiaal nabij het uiteinde tot mengsels met zachtere transformatieproducten op locaties die minder intensief zijn afgekoeld. De precieze overgang is afhankelijk van de kwaliteit en toestand van het staal; deze moet worden gemeten en mag niet worden afgeleid uit een algemeen diagram.

Het koolstofgehalte draagt bij aan de gemeten waarde, maar verklaart niet de volledige curve. De hardheid van martensiet hangt sterk af van het koolstofgehalte. Daarom kunnen twee staalsoorten met verschillende koolstofgehalten verschillende hardheidsniveaus vertonen, zelfs als hun hardbaarheid verder vergelijkbaar is. Omgekeerd kunnen staalsoorten met een vergelijkbaar koolstofgehalte bij dezelfde Jominy-afstand een verschillende hardheid vertonen wanneer legering, korrelgrootte, zuiverheid of de austenitiseerpraktijk het transformatiegedrag verandert.

De gemeten waarde hangt ook af van de hardheidsmethode en de voorbereiding van de proef. Oppervlaktedecarburisatie, ruwheid, uitlijning, de afstand tussen indrukken, de meetschaal en plaatselijke defecten kunnen het resultaat vertekenen. De proef wordt normaal uitgevoerd op opeenvolgende afstanden vanaf het afgeschrikte uiteinde, nadat een longitudinaal vlak of een ander gespecificeerd meetoppervlak is voorbereid. Vervolgens wordt de hardheid uitgezet tegen de afstand. De Materials Education Foundation beschrijft deze basisinterpretatie: de hardheid wordt gemeten op toenemende afstanden vanaf het afgeschrikte uiteinde om de hardbaarheid te bepalen (2024).

De uitgezette lijn is dus geen directe hardheidsclassificatie voor het volledige staal. Het is een kaart van de hardheidsrespons onder de thermische Jominy-gradiënt. Een relatief hoge waarde ver van het afgeschrikte uiteinde geeft aan dat het staal zijn hardingsrespons behield onder een minder intensieve koelconditie dan aan het uiteinde. Een snelle daling geeft aan dat de microstructuur zachter wordt naarmate de koeling minder intensief wordt. Deze uitspraken hebben betrekking op de vorm en positie van de responscurve, niet op een universele rangschikking op basis van één afzonderlijk hardheidsgetal.

Een werktuigbouwkundig ontwerper kan de curve gebruiken om de koelrespons van een staal te vergelijken met de koelcondities die in een onderdeel worden verwacht, maar pas nadat rekening is gehouden met de doorsnede, geometrie, het afschrikmedium en de warmtebehandelingspraktijk. Het Jominy-resultaat bewijst niet dat een onderdeel op elke overeenkomstige locatie dezelfde hardheid zal hebben. Het levert gecontroleerd bewijs over de manier waarop het staal transformeert naarmate de afschrikintensiteit afneemt. Dat is de betekenis van de curve en de reden waarom hardbaarheid gescheiden moet blijven van hardheid.

Samenstelling en austenietkorrelgrootte

Hardbaarheid is geen synoniem voor hardheid. ASTM A255-20 definieert hardbaarheid als de diepte tot waar staal hard wordt bij afschrikken, terwijl het ASM Handbook deze beschrijft als de eigenschap die de diepte en verdeling van de door afschrikken verkregen hardheid bepaalt. Een staal kan nabij een afgeschrikt oppervlak een hoge hardheid bereiken, maar naar het inwendige toe snel hardheid verliezen. Een ander staal kan een vergelijkbare oppervlaktehardheid vertonen, maar op grotere afstand van het afgeschrikte oppervlak martensiet en daarmee een bruikbare hardheid behouden.

Het onderscheid wordt duidelijk in de Jominy-eindafschrikproef. ASTM A255-20 schrijft een cilindrisch proefstuk met een diameter van 1 inch voor; ISO 642:2024 specificeert een proefstuk met een diameter van 25 mm en een lengte van ten minste 100 mm. Bij het vergelijken van resultaten zijn deze afmetingen geen ondergeschikte details die onderling uitwisselbaar zijn. Het proefstuk wordt verwarmd tot de gespecificeerde austenitiseertoestand, verticaal opgehangen en aan één uiteinde afgeschrikt met een waterstraal. De University of Illinois beschrijft hardheidsmetingen op toenemende afstanden vanaf dat afgeschrikte uiteinde, terwijl de University of Cambridge uitlegt dat het met water gekoelde uiteinde en het overige, aan de lucht gekoelde deel een continu bereik aan afkoelsnelheden langs de staaf creëren. Een grafiek van de hardheid als functie van de afstand is de Jominy-hardbaarheidscurve.

De curve is een respons op de samenstelling, de voorafgaande thermische geschiedenis, de geometrie van het proefstuk, de austenitiseerbehandeling en het opgelegde afkoelpatroon. Zij is geen afzonderlijke materiaalconstante die losstaat van de proefomstandigheden. ASM International identificeert de staalsamenstelling en de austenietkorrelgrootte als primaire factoren die de hardbaarheid beïnvloeden. Deze factoren werken via verschillende mechanismen en mogen niet worden gereduceerd tot de ene vraag: “Hoe hard is het staal?”

De rol van de staalsamenstelling

HardbaarheidHardbaarheid Het vermogen van staal om tijdens een gedefinieerde afschrikbehandeling tot op grotere diepte hardheid te ontwikkelen en te behouden; dit verschilt van de maximale hardheid.

De samenstelling beïnvloedt de hardbaarheid voornamelijk door de temperaturen en snelheden te veranderen waarbij austeniet tijdens het afkoelen transformeert. Legeringselementen zoals mangaan, chroom, nikkel en molybdeen kunnen transformaties van austeniet naar ferriet, perliet of bainiet vertragen. Wanneer deze transformaties naar langere tijden verschuiven, kan een groter deel van een doorsnede ze tijdens het afschrikken vermijden en in plaats daarvan martensiet vormen. Het resultaat is een dieper hardheidsprofiel, mits de afkoelsnelheid en het koolstofgehalte van het staal de vorming van martensiet mogelijk maken.

Koolstof speelt hierbij een rol, maar de verschillende functies ervan moeten van elkaar worden onderscheiden. Koolstof draagt sterk bij aan de hardheid die martensiet kan bereiken. Legeringstoevoegingen zijn daarentegen vooral belangrijk doordat zij de transformatieken kinetiek veranderen en daarmee de afkoelsnelheid die nodig is om diffusieproducten in de doorsnede te onderdrukken. Koolstof verandert ook het transformatiegedrag, dus de scheiding is niet absoluut; het gaat om een verschil in nadruk. De uitspraak dat “meer legering harder staal betekent” is te simplistisch. Een nauwkeuriger formulering is dat het legeringsgehalte een bepaalde afkoelgeschiedenis geschikter kan maken om op grotere diepte martensiet te produceren, terwijl koolstof grotendeels de haalbare hardheid van dat martensiet bepaalt, samen met factoren zoals ontlaten en microstructuur.

De samenstelling moet daarom worden vastgesteld aan de hand van de exacte kwaliteit, specificatie en toepasselijke aanduiding. “4140” verwijst bijvoorbeeld naar een aanduiding voor gelegeerd chroom-molybdeenstaal, maar voor een gerapporteerd resultaat zijn nog steeds de relevante productspecificatie, chemische grenswaarden, warmtebehandeling en beproevingsmethode nodig. Een kwaliteitsnaam maakt toegestane samenstellingsbereiken niet ongedaan. Twee smelten binnen dezelfde aanduiding kunnen verschillende posities binnen die grenswaarden innemen, en kleine veranderingen in het koolstof- of legeringsgehalte kunnen het transformatiegedrag beïnvloeden. “Laaggelegeerd staal” is een bruikbare familiebeschrijving, maar geen toereikende chemische definitie om twee Jominy-curven te vergelijken.

Dezelfde voorzichtigheid geldt voor koolstofstaal en kwaliteiten voor oppervlakteharden. Een ongelegeerd koolstofstaal en een nikkel-chroom-molybdeenstaal kunnen aan het afgeschrikte uiteinde een vergelijkbare hardheid hebben, maar verschillende hellingen en verschillende afstanden waarover de hardheid behouden blijft. Omgekeerd kan een samenstelling met een hoog koolstofgehalte een hoge hardheid nabij het oppervlak opleveren zonder in een grote doorsnede diep te harden. De curve levert het bewijs voor de geteste afkoelconditie; de nominale kwaliteit op zichzelf doet dat niet.

Het Jominy-resultaat kan ook niet rechtstreeks worden overgedragen op elke componentvorm. Een cilindrische staaf, een plaat en een complex smeedstuk voeren warmte op verschillende manieren af. De doorsnedegrootte, de oppervlakteconditie, de turbulentie van het afschrikmedium en de aanwezigheid van hoeken veranderen de plaatselijke afkoelgeschiedenis. De hardbaarheidsanalyse van Grossmann en andere technische methoden kunnen de materiaalrespons in verband brengen met de ernst van het afschrikken en de doorsnedegeometrie, maar een Jominy-curve geeft op zichzelf niet de hardheid op elke locatie in een willekeurig onderdeel aan.

Koolstofgehalte en haalbare martensitische hardheid

Martensiet vormt zich wanneer austeniet voldoende snel wordt afgekoeld om diffusietransformatie te voorkomen of te beperken, maar de hardheid van dat martensiet hangt sterk af van de hoeveelheid koolstof die vóór het afschrikken in het austeniet is opgelost. Een hoger koolstofgehalte verhoogt over het bruikbare koolstofbereik doorgaans de haalbare hardheid van ongetemperd martensiet, omdat koolstof het martensietrooster vervormt en de weerstand tegen vervorming verhoogt. Dit is een hardheidseffect en geen rechtvaardiging om het koolstofgehalte als volledige maat voor hardbaarheid te gebruiken.

Een staal met een laag koolstofgehalte kan onder een geschikte afkoelgeschiedenis door een volledige doorsnede heen harden en toch een lagere maximale hardheid vertonen dan een staal met een hoger koolstofgehalte. Het staal met het hogere koolstofgehalte kan aan het zeer harde Jominy-uiteinde een steile daling van de hardheid met de afstand vertonen als de samenstelling de vorming van perliet, ferriet of bainiet niet voldoende vertraagt. Het laagkoolstofhoudende gelegeerde staal kan een lager hardheidsplafond hebben, maar die hardheid op grotere afstand van het afgeschrikte uiteinde behouden. Dit zijn verschillende uitkomsten: haalbare martensitische hardheid tegenover hardingsdiepte.

Koolstof beïnvloedt ook de hoeveelheid en stabiliteit van austeniet tijdens het austenitiseren. Als koolstof niet voldoende wordt opgelost, verschilt de samenstelling van het austeniet van de nominale bulk­samenstelling; bij overmatige oplossing kunnen korrelgroei en andere veranderingen optreden. De gemeten curve weerspiegelt bijgevolg de gekozen austenitiseertemperatuur en houdtijd, en niet alleen de chemische samenstelling. Na het afschrikken verandert ontlaten de hardheid verder. Daarom mag een getemperd hardheidsprofiel niet worden vergeleken met een Jominy-curve in afgeschrikte toestand alsof beide dezelfde toestand weergeven.

Een hardheidswaarde aan het met water afgeschrikte uiteinde vormt daarom onvolledig bewijs. Zij kan de hardheid aangeven die uit de plaatselijke martensietsamenstelling beschikbaar is, maar laat niet zien hoe snel de hardheid afneemt, waar gemengde microstructuren beginnen of welk deel van een grotere doorsnede kan harden. De afstandsafhankelijke curve is de relevante meting.

Austenietkorrelgrootte als factor die de hardbaarheid beïnvloedt

De voorafgaande austenietkorrelgrootte beïnvloedt de hardbaarheid, omdat transformatieproducten zoals ferriet en perliet vaak aan austenietkorrelgrenzen kiemen. Grovere austenietkorrels bieden per volume-eenheid minder korrelgrensoppervlak, waardoor het aantal potentiële kiemvormingsplaatsen afneemt en diffusietransformatie tijdens het afkoelen doorgaans wordt vertraagd. Door die vertraging kan martensiet bij een lagere afkoelsnelheid vormen, zodat een grovere voorafgaande austenietkorrelgrootte de gemeten hardbaarheid kan verhogen.

Dit effect is geen kosteloze verbetering. Korrelgroei kan de taaiheid verminderen en het maatgedrag veranderen, en een overmatige korrelgrootte kan ontoelaatbaar zijn, zelfs wanneer daardoor de schijnbare hardingsdiepte toeneemt. Fijne korrels bevorderen doorgaans een vroegere diffusietransformatie, maar kunnen een betere taaiheid en stabielere mechanische prestaties opleveren. De juiste keuze hangt af van het onderdeel, de warmtebehandeling en de vereiste eigenschappen, niet van het maximaliseren van één Jominy-afstand.

De korrelgrootte verklaart ook waarom curven niet kunnen worden vergeleken zonder kennis van hun voorafgaande warmtebehandelingsgeschiedenis. Twee proefstukken die uit dezelfde specificatie zijn vervaardigd, kunnen verschillende resultaten opleveren als het ene is genormaliseerd, het andere langer bij een hogere austenitiseertemperatuur is gehouden, of de verwarmings- en afkoelpraktijk verschillende voorafgaande austenietkorrelgroottes heeft veroorzaakt. Carbiden, niet-opgeloste legeringsrijke deeltjes en segregatie kunnen bovendien de samenstelling van het austeniet tijdens het afschrikken beïnvloeden. Het beproevingsrapport moet daarom naast de chemische samenstelling ook de austenitiseertemperatuur, de houdtijd, de toestand van het proefstuk en de meetprocedure vermelden.

Een Jominy-curve is betekenisvol wanneer deze variabelen worden beheerst. De samenstelling bepaalt onder andere hoe de transformatieken op afkoeling reageren; koolstof helpt de hardheid te bepalen van het martensiet dat zich vormt; en de austenietkorrelgrootte verandert de mate waarin concurrerende transformaties kunnen beginnen. Samen verklaren zij waarom hardbaarheid een gemeten respons is en geen hardheidsaanduiding. Wanneer kwaliteit, korrelgrootte, voorafgaande behandeling, afmetingen van het proefstuk en beproevingsnorm duidelijk zijn vastgelegd, kan de curve een verdedigbare vergelijking ondersteunen. Zonder deze gegevens nodigen een hardheidswaarde of een niet-gelabelde curve precies uit tot de verwarring die de proef moet voorkomen.

Koolstofstaalsoorten, laaggelegeerde staalsoorten en vergelijking van staalsoorten

Reactie van koolstofstaal op afschrikken

Koolstofstaal heeft niet één vaste hardbaarheidsreactie. Het gedrag hangt af van het koolstofgehalte, de oorspronkelijke austenietkorrelgrootte, de doorsnede, de austenitiseerpraktijk en de intensiteit van het afschrikken. Het koolstofgehalte heeft een sterke invloed op de hardheid die martensiet kan bereiken, maar dat gegeven alleen bepaalt niet hoe diep een bepaald staal vanaf een afgeschrikt oppervlak zal harden. Een klein proefstuk kan een hoge oppervlaktehardheid ontwikkelen, terwijl een grotere doorsnede in de richting van het midden ferriet, perliet of bainiet behoudt, omdat het inwendige langzamer afkoelt.

Dit onderscheid staat centraal in het ASM-hoofdstuk Hardenability of Carbon and Low-Alloy Steels, dat in 1990 is gepubliceerd. In het hoofdstuk wordt hardbaarheid gedefinieerd als de eigenschap die de diepte en verdeling van de door afschrikken verkregen hardheid bepaalt, en niet als de maximale hardheid die op één locatie wordt gemeten. ASTM A255-20 gebruikt nauw verwante bewoordingen en definieert hardbaarheid als “de diepte tot waar staal hardt wanneer het wordt afgeschrikt” (ASTM International, 2020). Hardheid is daarom een waargenomen waarde op een gespecificeerd punt; hardbaarheid beschrijft het reactiepatroon door het materiaal heen.

Bij ongelegeerd koolstofstaal verhoogt een hoger koolstofgehalte in het algemeen de bereikbare hardheid van volledig martensitische gebieden, afhankelijk van de microstructuur en warmtebehandeling van het staal. Daaruit volgt niet dat elke staalsoort met een hoger koolstofgehalte bij elke afschrikmethode een dieper of gelijkmatiger geharde zone zal opleveren. Koolstof beïnvloedt ook het transformatiegedrag van austeniet, terwijl mangaan en restelementen de reactie kunnen verschuiven, zelfs wanneer de aanduiding globaal wordt omschreven als “koolstofstaal”. Het werkelijke chemische bereik is van belang.

De Jominy-eindafschrikproef maakt deze ruimtelijke reactie zichtbaar. Zoals beschreven door het Materials Technology and Innovation Laboratory van de University of Illinois wordt een cilindrisch proefstuk verwarmd tot de gespecificeerde austenitiseertemperatuur, waarna één uiteinde met een waterstraal wordt afgeschrikt (University of Illinois, 2024). Vervolgens wordt de hardheid gemeten op toenemende afstanden vanaf het afgeschrikte uiteinde. De resulterende grafiek van hardheid tegen afstand is de Jominy-curve.

De curve bestaat omdat het proefstuk niet overal met één uniforme snelheid afkoelt. De bron over materiaaltransformaties van de University of Cambridge legt uit dat waterkoeling aan één uiteinde en luchtkoeling over de rest een continu bereik van afkoelsnelheden langs de staaf opleveren (University of Cambridge, 2012). Nabij de straal ondergaat austeniet de meest intensieve afkoeling; verder daarvandaan neemt de afkoelsnelheid af. Een koolstofstaal waarvan de hardheid sterk afneemt met de afstand heeft een andere hardbaarheidsreactie dan een staal dat verder langs het proefstuk een vergelijkbare hardheid behoudt, zelfs als beide aan het afgeschrikte uiteinde dezelfde hardheid vertonen.

De proefgeometrie en -procedure moeten altijd aan het resultaat gekoppeld blijven. ASTM A255-20 schrijft voor de kwantitatieve eindafschrikproef een cilindrisch proefstuk met een diameter van 1 inch voor. ISO 642:2024 specificeert voor de eindafschrikproef van staal een proefstuk met een diameter van 25 mm en een lengte van ten minste 100 mm. Deze afmetingen liggen dicht bij elkaar, maar mogen niet stilzwijgend als onderling uitwisselbare specificaties worden beschouwd. De austenitiseertemperatuur, de houdtijd, de atmosfeer in de oven, de overdrachtstijd, de watertemperatuur, de toestand van de straal, de hardheidsschaal, de meetafstanden en de oppervlaktevoorbereiding kunnen allemaal invloed hebben op de gerapporteerde curve.

Invloed van laaggelegeerde toevoegingen op de doorhardingsreactie

Laaggelegeerde toevoegingen veranderen de hardbaarheid voornamelijk door transformaties te vertragen die tijdens het afkoelen concurreren met de vorming van martensiet. Mangaan, chroom, molybdeen en nikkel kunnen de temperatuur en het tijdstip van de vorming van ferriet, perliet en bainiet beïnvloeden. Wanneer deze transformaties worden uitgesteld, kan een langzamer afkoelend inwendig deel nog steeds het martensitische bereik bereiken. Dat vormt de metallurgische basis voor een grotere doorhardingsreactie bij veel gelegeerde staalsoorten.

Het effect is geen eenvoudige regel van “meer legering betekent meer hardheid”. Legeringselementen kunnen via verschillende mechanismen invloed hebben op hardbaarheid, carbidevorming, ontlaatreactie, achtergehouden austeniet en de hardheid van de uiteindelijke microstructuur. Chroom en molybdeen kunnen bijvoorbeeld deelnemen aan carbidepopulaties en de transformatiek kinetiek beïnvloeden; nikkel verandert het transformatiegedrag zonder precies hetzelfde te werken als een sterk carbidevormend element. Mangaan kan de hardbaarheid verhogen, maar het effect ervan moet worden beoordeeld in samenhang met koolstof, zwavelbeheersing, voorafgaande verwerking en de rest van de samenstelling. Kleine toevoegingen van boor kunnen een aanzienlijk effect op de hardbaarheid hebben wanneer het element in de juiste metallurgische toestand aanwezig is, maar het resultaat hangt af van koolstof, stikstof, de toepassing van titaan of aluminium en de verwerkingsgeschiedenis.

ASM noemt de staalsamenstelling en de austenietkorrelgrootte als primaire factoren die de hardbaarheid beïnvloeden (ASM International, 1990). De korrelgrootte is van belang omdat grotere oorspronkelijke austenietkorrels minder korrelgrensoppervlak bieden waarop bepaalde diffusiegerelateerde transformatieproducten kunnen kiemen. Korrelgroei is echter geen kosteloze verbetering: deze kan de taaiheid en het dimensionele gedrag nadelig beïnvloeden. Een vergelijking die uitsluitend op een gemeten curve is gebaseerd, kan daarom nog steeds onvolledig zijn wanneer de beoogde warmtebehandeling verschilt.

Ook de term “doorharding” vereist dezelfde zorgvuldigheid. Dit betekent niet dat elke doorsnede van een stalen onderdeel gelijkmatig martensitisch zal worden. Een Jominy-curve geeft een gestandaardiseerde reactie op een gradiënt van afkoelsnelheden, geen rechtstreekse voorspelling voor elke diameter, geometrie, intensiteit van de agitatie of elk afschrikmiddel. Bij technische methoden kunnen Jominy-gegevens worden gebruikt in combinatie met relaties tussen doorsnedegrootte en afkoeling, maar het voorspelde resultaat blijft gebonden aan de aannamen achter die methoden. Een waterafgeschrikte staaf, een in olie afgeschrikt tandwiel en een in polymeer afgeschrikte plaat hebben niet één universele afkoelingsgeschiedenis.

Evenmin bewijst een hoge hardheidswaarde aan het Jominy-uiteinde dat sprake is van diepe harding. Het uiteinde wordt blootgesteld aan de meest intensieve afkoeling en kan martensiet vormen, zelfs in een staal waarvan de hardheid op korte afstand snel afneemt. Omgekeerd kan een lagere gemeten hardheid het gevolg zijn van het koolstofgehalte, ontlaten, achtergehouden austeniet of een fasenmengsel, en niet uitsluitend van een geringe hardbaarheid. De meting moet worden geïnterpreteerd in samenhang met de warmtebehandeling en de microstructuur.

Waarom staalsoortaanduidingen testgegevens niet vervangen

Een aanduiding identificeert een specificatie, een nominale samenstelling of een chemisch bereik; zij levert geen gemeten Jominy-curve. Een vergelijking tussen “koolstofstaal” en “laaggelegeerd staal” is te algemeen om een uitspraak over hardbaarheid te onderbouwen. Zelfs voor vergelijkingen tussen met name genoemde staalsoorten zijn de exacte aanduiding, de toepasselijke norm, de chemische samenstelling van de charge of het product en de toestand van het geteste materiaal vereist.

Een verdedigbare vergelijking moet ten minste vijf zaken vastleggen: de aanduiding van het staal en de geldende norm; het gemeten bereik van de chemische samenstelling, met inbegrip van relevante legerings- en restelementen; de austenitiseertemperatuur en de houdtijd; de afschrikinrichting en het afschrikmedium; en de meetmethode en hardheidsschaal. Ook moet worden vermeld of het resultaat afkomstig is van ASTM A255, ISO 642, een andere vastgelegde procedure of een bedrijfsspecifieke proef. Een curve van een ASTM-proefstuk van 1 inch mag niet worden gepresenteerd alsof deze automatisch een ISO 642-resultaat is, ondanks de vergelijkbare nominale afmetingen van het proefstuk.

Productievariatie beperkt bovendien wat een aanduiding kan vastleggen. Twee charges die onder dezelfde aanduiding worden verkocht, kunnen binnen het toegestane chemische bereik van elkaar verschillen. Verschillen in korrelgrootte, smeedreductie, normalisatiegeschiedenis, ontkoling en austenitiseerpraktijk kunnen de gemeten reactie veranderen. Een gepubliceerde nominale samenstelling biedt daarom context, maar geen bewijs voor een bepaalde hardbaarheidscurve.

De Materials Education Foundation beschrijft de Jominy-methode als het meten van de hardheid op toenemende afstanden vanaf een afgeschrikt uiteinde om de hardbaarheid van staal te bepalen (Materials Education Foundation, 2024). Deze formulering geeft de juiste begrenzing van de proef weer: zij meet een hardheidsreactie die door een gedefinieerde afkoelgradiënt wordt veroorzaakt. De methode maakt van een staalsoortaanduiding geen universele rangorde van prestaties en vervangt geen validatie die specifiek is voor de doorsnede wanneer de afkoelcondities of geometrie verschillen.

Een deugdelijke vergelijking van staalsoorten stelt daarom de vraag: “Welke reactie is gemeten, en onder welke omstandigheden?” De vraag moet niet uitsluitend zijn welke aanduiding naar verluidt harder is. Alleen de eerste vraag heeft betrekking op hardbaarheid.

Jominy-curven lezen en vergelijken

Een Jominy-curve is een grafiek van de gemeten hardheid tegen de afstand vanaf het afgeschrikte uiteinde van een stalen proefstuk. De horizontale as begint normaal gesproken bij het met water gekoelde uiteinde en loopt in de richting van het aan de lucht gekoelde uiteinde; de verticale as geeft de hardheid op een bepaalde schaal weer, zoals Rockwell C (HRC), Rockwell B (HRB) of Vickers-hardheid (HV). Lees de curve als een registratie van de respons van het staal op een gecontroleerd bereik van koelingscondities, en niet als één enkele hardheidswaarde.

ASTM A255-20 definieert hardbaarheid als de diepte tot waar staal hard wordt bij afschrikken en schrijft de kwantitatieve proef met afschrikken aan het uiteinde voor, met een cilindrisch proefstuk met een diameter van 1 inch. ISO 642:2024 specificeert een proefstuk met een diameter van 25 mm en een lengte van ten minste 100 mm. Deze afmetingen liggen dicht bij elkaar, maar de normen zijn niet zonder meer uitwisselbaar. Het toepasselijke document bepaalt hoe de proef wordt uitgevoerd.

Curvehoogte nabij het afgeschrikte uiteinde

Het linkerdeel van de curve, oftewel het deel bij het afgeschrikte uiteinde, toont de hardheid die wordt verkregen onder de meest intensieve koelconditie van de proef. Een hoge waarde daar geeft aan dat het geteste materiaal nabij het oppervlak onder die specifieke austenitiserings- en waterafschrikprocedure een hard transformatieproduct heeft gevormd. Op zichzelf toont dit geen hoge hardbaarheid aan.

Dit onderscheid is belangrijk, omdat het koolstofgehalte een sterk effect heeft op de hardheid van martensiet, terwijl hardbaarheid ook afhangt van de mate waarin transformaties zoals perliet- of bainietvorming tijdens het afkoelen worden onderdrukt. Twee staalsoorten kunnen dicht bij het afgeschrikte uiteinde een vergelijkbare hardheid bereiken, maar verderop in het proefstuk aanzienlijk uiteenlopen. Het staal waarvan de hardheid langzaam afneemt, heeft bij langzamer afkoelen een harde microstructuur behouden en vertoont daarom in deze proef een grotere hardingsdiepte.

De waarde bij het afgeschrikte uiteinde kan ook worden beïnvloed door omstandigheden die niet eenvoudigweg een eigenschap van de staalsoort zijn. De austenitiseertemperatuur en de houdtijd beïnvloeden de toestand van het austeniet. De austenietkorrelgrootte is een primaire factor die de hardbaarheid beïnvloedt, zoals ASM International beschreef in zijn behandeling uit 1990 van staalhardheid en hardbaarheid, en overmatige korrelgroei kan de curve veranderen. Oppervlaktedecarburisatie, oxidatie, slijpschade, een onjuiste uitlijning van de waterstraal of een hardheidsindruk die te dicht bij een rand is aangebracht, kunnen de eerste metingen vertekenen.

Daarom mag een curve die hoger begint niet automatisch worden omschreven als “beter hardbaar”. Het materiaal kan aan het uiteinde een grotere hardheid na afschrikken hebben, een grotere hardbaarheid, of beide. Het verdere verloop van het profiel levert de informatie die nodig is om deze effecten van elkaar te onderscheiden.

De curvehoogte kan nog steeds nuttig zijn wanneer het gaat om de lokale hardheidsrespons. Een specificatie kan bijvoorbeeld een minimale hardheid op een bepaalde Jominy-afstand voorschrijven. Die eis is een acceptatiecriterium en geen algemene definitie van de betekenis van de curve. Of een gemeten waarde aan de eis voldoet, moet blijken uit de toepasselijke materiaal- of productspecificatie.

Curvevorm en behoud van hardheid met de afstand

Het centrale kenmerk van een Jominy-curve is de snelheid waarmee de hardheid afneemt naarmate de afstand toeneemt. De procedure die wordt beschreven door het Materials Technology and Innovation Laboratory van de University of Illinois verhit een cilindrisch proefstuk tot de austenitiseertemperatuur, koelt één uiteinde af met een waterstraal, meet de hardheid op toenemende afstanden en zet de resultaten uit. De University of Cambridge legt uit waarom dit een profiel oplevert: het afgeschrikte uiteinde koelt snel af, terwijl plaatsen verder weg geleidelijk langzamer afkoelen in de lucht.

Een steile neerwaartse helling betekent dat de hardheid over een korte afstand verloren gaat. Dat staal reageert sterk op de overgang van snel naar langzamer afkoelen. Een vlakkere curve betekent dat de hardheid verder vanaf het afgeschrikte uiteinde behouden blijft. In praktische metallurgische termen wijst deze laatste respons erop dat een groter deel van het proefstuk bij minder intensieve koeling dan aan het uiteinde kan transformeren tot een harde structuur.

De curve hoeft geen rechte lijn te zijn. Zij kan nabij het uiteinde scherp dalen, in een middengedeelte afvlakken of een verandering in helling vertonen die samenhangt met transformaties bij verschillende afkoelsnelheden. Een kort plateau gevolgd door een daling en een tweede afvlakking moet worden gelezen als een opeenvolging van responsen en niet worden teruggebracht tot één getal voor de “gemiddelde hardbaarheid”. De vorm weerspiegelt de samenstelling, de austenietkorrelgrootte, de voorafgaande microstructuur en de thermische geschiedenis die voor de proef is gebruikt. ASM’s hoofdstuk uit 1990 over koolstofstaal en laaggelegeerd staal beschrijft hardbaarheid als bepalend voor de diepte en verdeling van de hardheid die door afschrikken wordt verkregen; daarom is het volledige profiel van belang.

Een curve die op een bepaalde afstand hoger blijft, heeft onder die testconditie meer hardheid behouden. Dit bewijst niet dat elk gedeelte van een productieonderdeel die hardheid zal hebben. Een werkelijk onderdeel heeft een andere geometrie, massa, oppervlakteconditie en afkoelroute. De omzetting van een Jominy-resultaat naar een voorspelde respons van een onderdeel vereist een gedefinieerd koelmodel of een methode zoals de Grossman-analyse; een visuele vergelijking alleen kan die omzetting niet leveren.

Een hogere curve maakt een staalsoort evenmin universeel de voorkeur waard. Een ontwerp kan een specifieke combinatie vereisen van hardheid, taaiheid, beheersing van vervorming, lasbaarheid en respons op ontlaten. De Jominy-proef behandelt één respons op één vastgelegde afkoelgeschiedenis. Zij vervangt geen mechanische proeven of een specificatie die het voltooide onderdeel beheerst.

Vergelijk bij het vergelijken van curves overeenkomstige afstanden en overeenkomstige hardheidsschalen. Een curve die in HRC is uitgezet, kan niet numeriek worden gerangschikt tegenover een curve die in HV is uitgezet zonder een passende, expliciet vermelde omzettingsmethode. Hardheidsomzettingen zijn geen exacte fysische identiteiten, vooral niet bij verschillende microstructuren. Ook de wijze van grafische rapportage is van belang: punten die met rechte lijnen zijn verbonden, een aangepaste curve en een geïnterpoleerde tabel kunnen dezelfde metingen op verschillende manieren weergeven.

Spreiding, herhaalbaarheid en vergelijkingscondities

Werkelijke Jominy-gegevens vertonen spreiding. Een deel van de variatie is afkomstig van de hardheidsmeting, maar grotere verschillen kunnen ontstaan door de voorbereiding van het proefstuk en de thermische uitvoering. Het eindvlak moet de bedoelde waterstraal ontvangen, het proefstuk moet correct worden gecentreerd en het hardheidsspoor moet worden voorbereid zonder gedecarburiseerd materiaal of een ruw oppervlak achter te laten. De metingen moeten volgens de geldende procedure op de voorgeschreven afstanden worden uitgevoerd en gerapporteerd.

Een enkel onregelmatig punt mag niet als een metallurgische ontdekking worden beschouwd. Controleer eerst of het punt buiten de verwachte meetherhaalbaarheid ligt, of de afstand tussen de indrukken toereikend was en of het oppervlak van het proefstuk en de hardheidsschaal correct waren. Herhaalde proeven die dezelfde verandering in de curvevorm laten zien, hebben meer bewijskracht dan één geïsoleerde hoge of lage meting.

Een zinvolle vergelijking vereist meer dan het beproeven van proefstukken met dezelfde nominale staalsoortaanduiding. Gebruik dezelfde norm, proefstukafmetingen, oppervlaktevoorbereiding, austenitiseertemperatuur, wijze van op temperatuur houden, overdrachtstijd, afschikinrichting, hardheidsschaal, meetlocaties en rapportageconventie. ASTM A255-20 specificeert een proefstuk met een diameter van 1 inch, terwijl ISO 642:2024 een diameter van 25 mm en een minimale lengte van 100 mm specificeert; resultaten die volgens deze normen zijn verkregen, moeten dienovereenkomstig worden gelabeld en niet stilzwijgend worden samengevoegd.

Ook de voorafgaande toestand van het staal moet in aanmerking worden genomen. De samenstelling is belangrijk, maar dat geldt ook voor de austenietkorrelgrootte die tijdens het verhitten is ontstaan. Er mag niet worden aangenomen dat een laboratoriumcurve van één warmtebehandeling representatief is voor elke charge met dezelfde aanduiding wanneer de austenitiseringsprocedure verschilt. Dit is een van de redenen waarom een curve overal waar zij wordt gereproduceerd, haar testcondities moet vermelden.

Ten slotte moet de interpretatie worden gescheiden van de conformiteitsbeoordeling. Het lezen van de curve kan aantonen dat de hardheid snel afneemt, dat de hardheid verder vanaf het afgeschrikte uiteinde behouden blijft of dat herhaalde proeven spreiding vertonen. Alleen de toepasselijke specificatie kan het toegestane bereik, de minimumwaarde, de bemonsteringsvereiste en de acceptatiebeslissing vastleggen. Een Jominy-curve is bewijs van hardbaarheid onder vastgelegde omstandigheden — geen zelfstandige productaanbeveling, rangschikking van staalsoorten of vervanging van de acceptatie-eisen die aan het materiaal zijn verbonden.

Jominy-, Grossman- en luchthardbaarheidstests

Hardbaarheid is niet dezelfde eigenschap als hardheid. ASTM A255-20 definieert hardbaarheid als “de diepte tot waar staal hard wordt bij afschrikken”, terwijl hardheid de weerstand is die op een bepaalde locatie volgens een bepaalde testmethode wordt gemeten. Een staal kan aan het oppervlak een hoge hardheid vertonen, maar slechts over een korte afstand onder het oppervlak hard worden. Een ander staal kan aan het oppervlak een vergelijkbare hardheid bereiken en die hardheid veel verder in een doorsnede behouden.

Het ASM Handbook behandelt Jominy-, Grossman- en luchthardbaarheidstests als verwante methoden om dit gedrag te onderzoeken, niet als onderling uitwisselbare tests. Elke methode legt een andere thermische geschiedenis op. De Jominy-test creëert langs één proefstuk een gecontroleerd bereik van afkoelsnelheden; de Grossman-analyse brengt de respons van een staal in verband met de ernst van het afschrikken en de afmetingen van het onderdeel; een luchthardbaarheidstest onderzoekt wat er gebeurt wanneer het gespecificeerde koelmedium lucht is. Het resultaat van de ene methode kan niet zonder een vastgelegde conversie of een model worden vervangen door het resultaat van een andere methode.

De Jominy-methode met afschrikken aan één uiteinde

De Jominy-eindafschriktest is een gestandaardiseerde manier om met één cilindrisch proefstuk een hardbaarheidscurve te verkrijgen. ASTM A255-20 specificeert voor de kwantitatieve eindafschriktest een cilindrisch proefstuk met een diameter van 1 inch. ISO 642:2024 specificeert een stalen proefstuk met een diameter van 25 mm en een lengte van ten minste 100 mm. Deze afmetingen liggen praktisch gezien dicht bij elkaar, maar de normen blijven afzonderlijke documenten met eigen eisen voor voorbereiding, verhitting, afschrikken, hardheidsmeting en rapportage.

De basisvolgorde is eenvoudig. Een bewerkt proefstuk wordt verhit tot de gespecificeerde austenitiseertemperatuur, lang genoeg op temperatuur gehouden om de voorgeschreven thermische toestand te bereiken, en vervolgens naar een inrichting overgebracht. Een waterstraal raakt één uiteinde. Het University of Illinois Materials Technology and Innovation Laboratory beschrijft deze verhittings- en waterafschrikprocedure aan één uiteinde in zijn Jominy-procedure uit 2024. Na het afkoelen wordt gewoonlijk over de lengte van het proefstuk een vlak aangebracht en worden op toenemende afstanden van het afgeschrikte uiteinde hardheidsmetingen uitgevoerd.

De fysica geeft de test zijn waarde. Het afgeschrikte uiteinde ondergaat de snelste afkoeling, terwijl locaties verder van het uiteinde geleidelijk minder snel afkoelen, omdat zij indirect en gedeeltelijk door de lucht worden gekoeld. De University of Cambridge legt uit dat deze opstelling langs de staaf een continu bereik van afkoelsnelheden oplevert. Een grafiek van de hardheid tegen de afstand laat daardoor zien hoe de gemeten hardheidsrespons van het staal verandert naarmate de afkoelsnelheid afneemt.

Dicht bij het afgeschrikte uiteinde hangt de hardheid sterk af van het koolstofgehalte en van de vraag of het austeniet in martensiet transformeert in plaats van in zachtere producten zoals perliet of bainiet. Verder van het uiteinde worden legeringselementen en de austenietkorrelgrootte belangrijk, omdat zij diffusieve transformaties tijdens het langzamere afkoelen vertragen. ASM International wees in zijn behandeling uit 1990 van hardheid en hardbaarheid de staalsamenstelling en de austenietkorrelgrootte aan als primaire invloeden op de hardbaarheid.

De curve is het resultaat, niet één enkel hardheidsgetal. De vorm ervan kan aangeven over welke afstand een staal een bepaalde hardheidsrespons behoudt, maar geeft niet rechtstreeks de hardheidsverdeling in elk werkelijk onderdeel weer. Een staaf, tandwiel, plaat of smeedstuk heeft zijn eigen diameter, geometrie, oppervlakteconditie, austenitiseergeschiedenis en afkoeltraject. Het Jominy-proefstuk heeft bovendien een specifieke eendimensionale thermische gradiënt die niet overal in een dik onderdeel wordt gereproduceerd.

Een Jominy-curve kan op zichzelf niet aantonen dat een onderdeel in olie, water, polymeer of lucht tot in de kern volledig zal harden. Evenmin kan een hardheidswaarde die aan het afgeschrikte uiteinde is gemeten, de volledige hardbaarheid van het staal beschrijven. De curve moet worden geïnterpreteerd in het licht van de beoogde doorsnedegrootte en de afschakgeschiedenis.

Grossman-analyse van de kritische diameter

De Grossman-analyse behandelt een andere technische vraag: hoe bepalen de transformatierespons van het staal, de afmetingen van de doorsnede en de ernst van het afschrikken gezamenlijk de hardingsdiepte? De methode scheidt twee ideeën die vaak met elkaar worden verward. Het staal heeft een intrinsieke hardingsrespons, terwijl het koelmiddel en de geometrie van het onderdeel bepalen hoe snel warmte wordt afgevoerd.

Grossman-H-factorGrossman-H-factor Een parameter die wordt gebruikt om de afschrikintensiteit weer te geven en die de warmteoverdracht aan het oppervlak koppelt aan de doorsnedegrootte en de hardingsrespons van het staal.

De methode gebruikt de ernst van het afschrikken, gewoonlijk weergegeven door de Grossman-$H$-factor, om de effectiviteit van de warmteoverdracht aan het oppervlak te beschrijven. Een ernstiger afschrikking voert warmte sneller af dan een minder ernstige afschrikking, hoewel het werkelijke resultaat ook afhangt van agitatie, temperatuur, het gedrag van de dampfilm, de oppervlakteconditie en de vorm van het onderdeel. De Grossman-analyse brengt deze ernst vervolgens in verband met de doorsnedegrootte en een begrenzende hardingsconditie.

De ideale kritische diameter is de diameter van een hypothetische ronde staaf die onder een geïdealiseerde afschrikking een gespecificeerde toestand in het midden zou bereiken. De werkelijke kritische diameter past de geselecteerde afschakernst toe op het onderdeel. Deze termen zijn geen alternatieve benamingen voor de Jominy-afstand. Een Jominy-afstand is een positie langs een proefstaaf; een kritische diameter is een resultaat met betrekking tot de doorsnedegrootte, dat wordt verkregen via een analyse van de afschakernst en de staalrespons.

Jominy-gegevens kunnen de input over de staalrespons leveren voor Grossman-berekeningen of -grafieken, maar de berekening voegt aannames over geometrie en warmteoverdracht toe. Bijgevolg kunnen twee onderdelen die uit dezelfde staalcharge zijn vervaardigd tot verschillende diepten harden wanneer hun afmetingen of afschakmethoden verschillen. Hetzelfde staal kan ook verschillende kritische diameters opleveren bij verschillende $H$-waarden. De Grossman-analyse vormt zo een brug tussen de laboratoriumrespons en een welbepaalde afschaksituatie, en is geen onafhankelijke hardheidstest.

Luchthardbaarheidstests

Luchthardbaarheidstests onderzoeken een staal bij afkoeling in lucht, in plaats van een Jominy-waterstraal toe te passen of een Grossman-waarde voor de ernst van het afschrikken toe te kennen. Het proefstuk wordt volgens de gespecificeerde procedure geaustenitiseerd, uit de oven genomen en onder de testomstandigheden in lucht afgekoeld. Vervolgens worden, zoals de methode vereist, de hardheid, de microstructuur of de variatie van de hardheid door de doorsnede heen gemeten.

Dit onderscheid is belangrijk, omdat “luchtharden” niet betekent dat het staal een vaste hardheid heeft die onafhankelijk is van de afmetingen. Afkoeling in stilstaande lucht, geforceerde lucht en een gecontroleerde atmosfeer leidt tot verschillende omstandigheden voor warmteoverdracht. Een klein proefstuk kan snel genoeg afkoelen om aanzienlijke hoeveelheden martensiet te vormen, terwijl het midden van een grotere doorsnede langzamer afkoelt en een ander mengsel van transformatieproducten vormt. Oventemperatuur, afmetingen van het proefstuk, opleggingen, luchtstroming en oppervlakteconditie kunnen allemaal de gemeten respons beïnvloeden.

Een resultaat voor de luchthardbaarheid beschrijft daarom het gedrag onder de vastgelegde geschiedenis van afkoeling in lucht. Het vervangt geen Jominy-curve, omdat het niet dezelfde continue afkoelgradiënt van het ene uiteinde naar het andere creëert. Het vervangt evenmin een Grossman-analyse, omdat het op zichzelf niet de relatie weergeeft tussen de ernst van het afschrikken en een reeks doorsnedegrootten. De drie methoden beantwoorden aan elkaar verwante vragen, maar hun resultaten behouden verschillende betekenissen.

Het hoofdstuk van ASM uit 1990 over koolstofstaal en laaggelegeerd staal definieert hardbaarheid als de eigenschap die de diepte en verdeling van de door afschrikken verkregen hardheid bepaalt. Die formulering vormt de praktische toets: ga na hoe de hardheid na een gespecificeerde thermische geschiedenis is verdeeld, en niet alleen hoe hard één punt wordt.

Van een Jominy-curve naar een werkelijk onderdeel

Een Jominy-curve beschrijft de reactie van een staal op één gecontroleerde koelconfiguratie. Zonder aanvullende analyse voorspelt de curve niet de hardheid op elk punt van een afgewerkt onderdeel. Dit onderscheid is belangrijk, omdat een standaardproefstuk klein en eenvoudig is en op voorgeschreven wijze wordt gekoeld, terwijl een onderdeel dunne randen, dikke naven, gaten, hoeken, veranderende oppervlaktecondities en gebieden kan bevatten die met sterk uiteenlopende snelheden afkoelen.

ASTM A255-20 definieert hardbaarheid als de diepte tot waarop staal hardt bij afschrikken. De kwantitatieve eindafschrikprocedure maakt gebruik van een cilindrisch proefstuk met een diameter van 1 inch. ISO 642:2024 specificeert een stalen eindafschrikproefstuk met een diameter van 25 mm en een lengte van ten minste 100 mm. Deze afmetingen en de voorgeschreven proefomstandigheden zorgen voor een herhaalbare vergelijking tussen smelten, kwaliteiten of procescondities; zij maken het proefstuk echter niet tot een schaalmodel van een machineonderdeel.

In de procedure die wordt beschreven door het Materials Technology and Innovation Laboratory van de University of Illinois, wordt het proefstuk verwarmd tot zijn austenitiseertemperatuur en wordt één uiteinde met een waterstraal afgeschrikt. Vervolgens wordt de hardheid gemeten op toenemende afstanden vanaf het afgeschrikte uiteinde. De resulterende grafiek van hardheid tegen afstand is de Jominy-curve. Zoals de University of Cambridge toelicht, zorgen het watergekoelde uiteinde en het luchtgekoelde resterende deel voor een continu bereik aan afkoelsnelheden langs de staaf. Elke positie vertegenwoordigt daardoor een verschillende thermische respons binnen hetzelfde proefstuk.

Die respons is nuttig, maar moet zorgvuldig worden vertaald.

Doorsnededikte en thermische gradiënten

De doorsnededikte van een onderdeel bepaalt hoeveel warmte uit het inwendige moet worden afgevoerd voordat de transformatie begint. Een dunne wand heeft een korte weg naar het oppervlak en kan door een groot deel van de doorsnede snel afkoelen. Een dikke verdikking, as, flens of tandwielblank houdt in het midden warmte vast; het oppervlak kan het martensitische transformatiebereik doorlopen terwijl de kern langzaam genoeg afkoelt om, afhankelijk van de samenstelling en de werkelijke thermische cyclus, bainiet, perliet of ferriet te vormen.

Ook de Jominy-staaf heeft een thermische gradiënt, maar dit is een bewust aangebrachte longitudinale gradiënt. Het afgeschrikte uiteinde ontvangt de sterkste directe koeling, terwijl verder gelegen posities geleidelijk langzamer afkoelen. Een werkelijk onderdeel heeft doorgaans gradiënten in meer dan één richting. Warmte kan radiaal van een kern naar een oppervlak stromen, axiaal naar een uiteinde en door aangrenzende kenmerken. Een hoek kan via meerdere vlakken warmte verliezen. Een boring kan het koelpad van binnenuit veranderen, terwijl contact met een opspaninrichting de warmtestroom plaatselijk kan beperken of een extra warmteafvoer kan vormen.

Dit verschil maakt de doorsnedegrootte meer dan alleen een eenvoudige maatcorrectie. Twee locaties met dezelfde afstand tot een extern oppervlak kunnen verschillende afkoelgeschiedenissen ondergaan als de ene zich bij een hoek bevindt en de andere in het midden van een dikke doorsnede ligt. Het midden van een cilindrische staaf is bijvoorbeeld niet gelijkwaardig aan een punt nabij het oppervlak, alleen omdat beide zich in dezelfde staalsoort bevinden. Evenmin wordt het midden van een groot onderdeel automatisch weergegeven door het verre uiteinde van een Jominy-curve. De geometrie van het onderdeel bepaalt het warmtestroomveld, en het afschrikken bepaalt hoe snel dat veld warmte verliest.

Samenstelling en austenietkorrelgrootte blijven belangrijke uitgangsvariabelen. ASM International noemt beide primaire invloeden op de hardbaarheid. Ook de austenitiseertemperatuur, de houdtijd, de voorafgaande microstructuur en korrelgroei kunnen de transformatierespons die aan het afschrikken wordt blootgesteld veranderen. Daarom mag een Jominy-resultaat uit één warmtebehandelingsconditie niet los worden gezien van die conditie wanneer het op een onderdeel wordt toegepast.

De oppervlakteconditie voegt nog een complicatie toe. Walshuid, ontkoling, bewerkingssporen, coatings en resten kunnen het contact tussen het staal en het afschrikmiddel veranderen. Een ontkoold oppervlak kan een lagere gemeten hardheid vertonen, zelfs wanneer het onderliggende staal een aanzienlijk andere respons heeft. Een ruw of verontreinigd oppervlak kan tijdens het afschrikken damp vasthouden of het contact met de vloeistof verminderen. De hardheid die na het wegwerken van een dergelijke laag wordt gemeten, kan daarom verschillen van de hardheid die rechtstreeks op het als-afgeschrikte oppervlak wordt gemeten.

Afschrikmedium en afschrikintensiteit

Water in het Jominy-apparaat is geen algemeen symbool voor “snel afschrikken”. De stroming, temperatuur, druk, uitlijning en het blootgestelde oppervlak van de straal worden gecontroleerd, omdat zij de warmteoverdracht aan het afgeschrikte uiteinde beïnvloeden. De tegenoverliggende delen van het proefstuk koelen af in lucht. Een productieonderdeel kan daarentegen worden ondergedompeld in geroerd water, een polymeeroplossing, olie, gesmolten zout of een ander medium, waarbij elk medium een ander koelpad oplevert.

Afschrikintensiteit beschrijft het vermogen van een afschriksysteem om warmte af te voeren ten opzichte van een referentieconditie. Dit hangt af van het medium, maar ook van roering, vloeistoftemperatuur, circulatie, de oriëntatie van het onderdeel, het gedrag van de dampfilm en de verhouding tussen blootgesteld oppervlak en volume. Een stilstaande vloeistof rond een groot onderdeel kan warmte veel minder effectief afvoeren dan een bewegende vloeistof rond een klein onderdeel. Zelfs in één tank kunnen oppervlakken die aan een sterke stroming zijn blootgesteld anders afkoelen dan afgeschermde oppervlakken.

Roering is vooral belangrijk tijdens de vroege fase van het afschrikken, wanneer zich rond het hete staal een dampmantel kan vormen. Beweging kan die mantel verbreken en het contact met koelere vloeistof vernieuwen. Als het onderdeel echter langzaam uit de oven wordt overgebracht, begint het al af te koelen voordat het bedoelde afschrikken start. De overdrachtstijd maakt daarom deel uit van de thermische geschiedenis en is niet slechts een detail van de hantering. Een vertraging van onbekende duur maakt een nominaal identiek afschrikproces moeilijk vergelijkbaar met de Jominy-conditie.

Het medium kan ook binnen één onderdeel plaatselijke verschillen veroorzaken. Een verticale as kan vloeistof anders afvoeren dan een horizontale as. In een blinde boring kan damp worden opgesloten. Smalle kanalen kunnen de stroming beperken, terwijl grote vlakke vlakken hardnekkige dampfilms kunnen veroorzaken. Deze effecten kunnen hardheidsvariaties veroorzaken die één Jominy-curve niet aan het licht kan brengen.

Daarom kan aan een staal met een bepaalde Jominy-hardheid op een geselecteerde afstand niet uitsluitend op basis van die afstand een gegarandeerde onderdeelhardheid worden toegekend. De curve geeft aan hoe het materiaal reageert op een bekend bereik aan koelcondities. Zij specificeert niet de afkoelsnelheid op een locatie in het onderdeel en stelt evenmin vast dat op die locatie dezelfde microstructuur zal ontstaan als op de overeenkomstige positie van het Jominy-proefstuk.

De laboratoriumrespons in verband brengen met locaties in het onderdeel

De praktische vraag is niet: “Welke hardheid heeft deze kwaliteit?” De vraag is: “Welke afkoelgeschiedenis zal deze locatie ondergaan, en welke hardheid en microstructuur produceert het staal onder die geschiedenis?” Een Jominy-curve levert een deel van het antwoord. Een beoordeling van het onderdeel moet de rest leveren.

Ingenieurs schatten de plaatselijke koelcondities doorgaans in op basis van de doorsnedegeometrie en de afschrikpraktijk. Vervolgens vergelijken zij deze condities met gestandaardiseerde hardbaarheidsgegevens of gebruiken zij een methode op basis van de doorsnedegrootte, zoals de methode van Grossmann. Bij de vergelijking moet het onderscheid tussen materiaalrespons en procesresultaat behouden blijven. Jominy-gegevens beschrijven eerstgenoemde; het berekende of gemeten koelpad verbindt deze met laatstgenoemde.

Locaties moeten afzonderlijk worden beschouwd. Het oppervlak van een dikke as kan snel genoeg afkoelen om grotendeels martensitisch te worden, terwijl zich in het midden een gemengde structuur en een lagere hardheid ontwikkelen. Een dun lijf kan door de gehele doorsnede harden, terwijl een nabijgelegen naaf dat niet doet. Een afronding kan sneller afkoelen dan het aangrenzende lichaam, terwijl een draaduitsparing of blinde boring langzamer kan afkoelen doordat de vloeistofbeweging wordt beperkt. Hardheidsverlopen, metallografische monsters, thermokoppels of gevalideerde berekeningen van de warmteoverdracht kunnen nodig zijn om deze voorspellingen te controleren.

De relevante locatie wordt ook door de specificatie bepaald. Een tekening kan hardheid voorschrijven aan het oppervlak, op een bepaalde diepte of in het midden van een referentiedoorsnede. Dit zijn verschillende acceptatiepunten. Alleen het gemakkelijkst bereikbare blootgestelde vlak meten kan een zachte kern of een plaatselijk te harde rand over het hoofd zien.

De Jominy-curve is daarom een vergelijkend hulpmiddel voor de materiaalrespons en geen garantie dat elke locatie in een onderdeel een bepaalde hardheid bereikt. ASTM A255-20 en ISO 642:2024 maken de proef herhaalbaar door de geometrie van het proefstuk en de koelcondities te beheersen. Een verantwoorde toepassing van het resultaat vereist dat deze gegevens worden afgestemd op de doorsnededikte, geometrie, oppervlaktetoestand, overdrachtstijd, het afschrikmedium, de roering en de plaatselijke thermische geschiedenis van het onderdeel. Een hardheidsgetal krijgt pas betekenis wanneer ook het koelpad dat het heeft veroorzaakt, wordt begrepen.

Veelvoorkomende misinterpretaties en rapportagefouten

Hardbaarheid gelijkstellen aan hardheid

Hardheid en hardbaarheid houden verband met elkaar, maar zijn niet dezelfde eigenschap. Hardheid is de weerstand van een materiaal tegen indrukking en wordt doorgaans gerapporteerd op basis van een Rockwell-, Brinell- of Vickers-meting. Hardbaarheid beschrijft hoe diep en hoe uniform staal tijdens een gespecificeerde afschrikking martensitische of anderszins harde getransformeerde structuren kan ontwikkelen. ASTM A255-20 definieert hardbaarheid als “de diepte tot waar staal hard wordt bij afschrikken” (ASTM International, 2020). De definitie heeft betrekking op het gedrag door de hele doorsnede heen, niet op één hardheidsgetal dat op één locatie is gemeten.

Dit onderscheid is belangrijk omdat het koolstofgehalte sterk van invloed is op de hardheid die martensiet kan bereiken, terwijl legeringselementen en de austenietkorrelgrootte sterk bepalen welke afkoelingsintensiteit nodig is om dat martensiet te vormen. ASM International noemt de samenstelling van het staal en de austenietkorrelgrootte als primaire invloeden op de hardbaarheid (ASM International, 1990). Een staal met een hoog koolstofgehalte kan vlak bij het afgeschrikte uiteinde een zeer hoge hardheid vertonen, maar op korte afstand snel in hardheid afnemen. Een laaggelegeerd staal met een lager koolstofgehalte kan een lagere maximale hardheid vertonen, maar op grotere afstand van het afgeschrikte oppervlak een bruikbare hardheid behouden. Het eerste staal uitsluitend op grond van zijn hogere eindhardheid “beter hardbaar” noemen, verwart het hardheidspotentieel met de hardingsdiepte.

Dezelfde fout doet zich voor wanneer een rapport alleen een maximumwaarde vermeldt. “Jominy-hardheid: 62 HRC” beschrijft geen hardbaarheidsresultaat, tenzij de afstand vanaf het afgeschrikte uiteinde wordt vermeld. Zelfs dan is het getal slechts één punt op een responskromme. Bij de Jominy-proef wordt de hardheid gemeten op toenemende afstanden vanaf het afgeschrikte uiteinde; de daaruit voortvloeiende grafiek van hardheid tegen afstand is de hardbaarheidskromme, zoals beschreven door de Materials Education Foundation (2024). De kromme laat zien hoe het staal reageert naarmate de plaatselijke afkoelingssnelheid minder intensief wordt.

Bij het interpreteren van een lage waarde op grotere afstand van het uiteinde moet daarom rekening worden gehouden met het koolstofgehalte. Een afname van 60 HRC nabij het uiteinde tot 35 HRC op een bepaalde afstand heeft voor een middel-koolstofstaal niet dezelfde betekenis als voor een laag-koolstofstaal. De interpretatie hangt ook af van de vraag of het gemeten gebied martensiet, bainiet, perliet of een mengsel daarvan bevat, en van de gebruikte hardheidsschaal. Eén hardheidswaarde kan de getransformeerde microstructuur niet identificeren en kan evenmin de diepte vaststellen waarop een vereiste hardheid wordt behouden.

Aannemen dat het afgeschrikte uiteinde representatief is voor het hele staal

Het afgeschrikte uiteinde is het snelst afgekoelde deel van een Jominy-proefstuk en geen representatief gemiddelde van de gehele staaf. In de standaardopstelling wordt één uiteinde blootgesteld aan een waterstraal, terwijl de rest in lucht afkoelt. Hierdoor ontstaat langs het proefstuk een continu bereik van afkoelingssnelheden: van intensieve afkoeling aan het uiteinde tot geleidelijk langzamere afkoeling bij toenemende afstand. De University of Cambridge beschrijft deze gradiënt als de fysische basis van de proef (2012), terwijl de procedure van de University of Illinois voorschrijft dat een cilindrisch proefstuk tot zijn austenitiseertemperatuur wordt verhit, één uiteinde met een waterstraal wordt afgeschrikt en de hardheid op toenemende afstanden wordt gemeten (2024).

Deze opstelling maakt het uiteinde bruikbaar, maar ook beperkt. Het levert een referentiepunt voor de hoogste afkoelingsintensiteit in de proef en resulteert doorgaans in de hoogste hardheid langs het voorbereide meettraject. Dit bewijst niet dat een groot productieonderdeel tot dezelfde diepte hardt. Doorsnedeafmetingen, onderdeelgeometrie, toestand van het oppervlak, ovenpraktijk, overdrachtstijd, beweging van het afschrikmedium en het werkelijke afkoelingsverloop kunnen allemaal verschillen van de Jominy-opstelling. Een Jominy-kromme geeft een gecontroleerde materiaalrespons weer en is geen directe hardheidskaart voor elk mogelijk onderdeel.

Een hoge eindhardheid bewijst evenmin een diepe hardbaarheid. Het uiteinde kan snel genoeg afkoelen om een harde structuur te vormen, zelfs in een staal waarvan het inwendige bij langzamere afkoeling in zachtere producten zou transformeren. Bewijs voor diepe hardbaarheid wordt geleverd door de vorm en de bestendigheid van de kromme: de hardheid die op een bepaalde afstand behouden blijft naarmate de afkoeling minder intensief wordt. De relevante afstand moet worden aangegeven en het vereiste hardheidscriterium moet zijn gedefinieerd.

De tegenovergestelde vergissing komt eveneens vaak voor. Een lage hardheid op grotere afstand van het uiteinde is niet automatisch een aanwijzing voor een slechte staalkwaliteit of een mislukte proef. Dit kan het gevolg zijn van het koolstofgehalte van het staal, de austenietkorrelgrootte, het gehalte aan legeringselementen, de austenitiseerbehandeling of de vorming van een zachter mengsel op die locatie. In de behandeling van koolstof- en laaggelegeerde staalsoorten definieert ASM hardbaarheid als de eigenschap die de diepte en verdeling van de door afschrikken verkregen hardheid bepaalt (ASM International, 1990). “Verdeling” is het belangrijke woord: de verandering langs het proefstuk is het resultaat, geen ongewenste complicatie die kan worden genegeerd.

Een Jominy-kromme kan schattingen voor onderdelen ondersteunen, maar alleen in combinatie met een geschikt afkoelmodel, een methode op basis van de doorsnedegrootte of een gevalideerde correlatie. Limited evidence

Een Jominy-kromme kan de vergelijkende hardingsrespons onder de omstandigheden van de proef vastleggen. Zij kan op zichzelf niet het uiteindelijke hardheidsprofiel bepalen van een onderdeel dat in olie, polymeer, gas of een ander medium wordt afgeschrikt. Om een Jominy-resultaat om te zetten in een geschatte hardheid van een onderdeel zijn een vastgelegde methode en aannames over geometrie en afkoeling vereist.

Een resultaat rapporteren zonder de norm en proefomstandigheden te vermelden

Een Jominy-resultaat zonder de toegepaste norm en proefomstandigheden is onvolledig. De aanduiding “Jominy-hardheid op 10 mm” bevat onvoldoende informatie voor een betrouwbare vergelijking, tenzij het rapport ook de geometrie van het proefstuk, de austenitiseerbehandeling, de afschrikopstelling, de hardheidsmethode en de afstandsconventie vermeldt.

ASTM A255-20 specificeert de eindafschrikproef met een cilindrisch proefstuk met een diameter van 1 inch (ASTM International, 2020). ISO 642:2024 specificeert een stalen eindafschrikspecimen met een diameter van 25 mm en een lengte van ten minste 100 mm (International Organization for Standardization, 2024). Deze afmetingen liggen qua diameter dicht bij elkaar, maar zijn niet zonder meer uitwisselbaar alleen omdat beide procedures Jominy-proeven worden genoemd. Een rapport moet de toepasselijke norm vermelden, zoals ASTM A255-20 of ISO 642:2024, in plaats van “standaard-Jominy” te gebruiken alsof er maar één procedure bestaat.

Ook de warmtebehandeling moet worden gerapporteerd. Dit omvat de staalaanduiding, de toestand van het proefstuk, de austenitiseertemperatuur, de houdtijd, de atmosfeer in de oven waar relevant en de overdrachtstijd naar het afschrikmedium. De opstelling van de waterstraal, de watertemperatuur of het gespecificeerde bereik, de toestand van de spuitmond en de afschrikduur kunnen het afkoelingsverloop beïnvloeden. Als de proef afwijkt van de genoemde norm, moet die afwijking in het resultaat worden vermeld.

Hardheidsgegevens vereisen een vergelijkbare nauwkeurigheid. Vermeld of de metingen zijn uitgevoerd in HRC, HRB, HBW, HV of een andere schaal; identificeer waar vereist het instrument of de methode; en leg de afstand tussen de meetpunten en de voorbereiding van het hardheidsspoor vast. “10 mm vanaf het uiteinde” moet betekenen: de afstand gemeten vanaf het afgeschrikte oppervlak langs het voorgeschreven oppervlak, niet een niet-gespecificeerde positie op het proefstuk. Als een norm een specifieke slijptoegift, vlak of meetlijn voorschrijft, moet dat detail worden behouden.

Rapporteer ten slotte de volledige kromme of de afzonderlijke afstand-hardheidsparen, en niet alleen de hoogste meetwaarde. Vermeld, indien beschikbaar, de identificatie van het proefstuk en de chemische samenstelling of de kwaliteits- of staalaanduiding. Een verdedigbare formulering zou kunnen luiden: “De hardbaarheid volgens de Jominy-eindafschrikproef is bepaald conform ASTM A255-20 op een proefstuk met een diameter van 1 inch, dat bij de gespecificeerde temperatuur is geaustenitiseerd, aan één uiteinde met water is afgeschrikt en op de standaardafstanden in HRC is gemeten.” Zonder deze omstandigheden is het getal slechts een hardheidswaarneming die losstaat van het afkoelingsverloop waaraan hardbaarheid haar betekenis ontleent.

Hoe een hardbaarheidsresultaat moet worden gespecificeerd en gedocumenteerd

Een hardbaarheidsresultaat is alleen betekenisvol wanneer het staal, het proefstuk, de thermische cyclus, het afschrikken, de meetmethode en de rapportagevorm gezamenlijk zijn geïdentificeerd. Een hardheidsgetal zonder die informatie beschrijft één gemeten toestand; het toont niet aan hoe diep of hoe gelijkmatig het staal kan harden. ASTM A255-20 definieert hardbaarheid als de diepte tot waarop staal hardt wanneer het wordt afgeschrikt, terwijl het ASM-hoofdstuk over koolstofstaal en laaggelegeerd staal hardbaarheid beschrijft als de eigenschap die de diepte en verdeling van de door afschrikken verkregen hardheid bepaalt. Het registratiedossier moet daarom de volledige testgeschiedenis bewaren en niet alleen de hoogste waarde die nabij het afgeschrikte uiteinde is verkregen.

Vereiste identificatie van materiaal en warmtebehandeling

Begin met de materiaalaanduiding exact zoals deze op het inkoopdocument, materiaalcertificaat of de toepasselijke specificatie staat. Leg de kwaliteit, norm, charge- of gietnummer, productvorm en identificatie van het proefstuk vast. Zo kan alleen “AISI 4140” onvoldoende zijn wanneer de bindende eis is vastgelegd als ASTM A193/A193M Grade B7, EN 10083-3:2006 42CrMo4 of een andere voorgeschreven aanduiding. Vervang de formele aanduiding niet door een verkorte aanduiding uit de werkplaats. Als het materiaal vóór de test is genormaliseerd, gegloeid, gesmeed, gewalst of op een andere wijze bewerkt, vermeld dan die toestand en identificeer elke relevante voorafgaande warmtebehandeling.

Het chargenummer is bijzonder belangrijk, omdat hardbaarheid afhankelijk is van de samenstelling en de voorafgaande metallurgische geschiedenis. ASM International noemt de staalsamenstelling en de austenietkorrelgrootte als primaire factoren die de hardbaarheid beïnvloeden. Het rapport moet het Jominy-proefstuk daarom koppelen aan de chemische analyse of het gecertificeerde chargerecord, indien beschikbaar, met inbegrip van koolstof en de legeringselementen waarvoor de toepasselijke specificatie grenswaarden voorschrijft. Als de korrelgrootte is gemeten, leg dan de methode en het resultaat vast; als deze niet is gemeten, wek dan niet de indruk dat de austenietkorrelstructuur bekend is.

Identificeer de oriëntatie en de locatie van het proefstuk binnen het product wanneer die gegevens van invloed zijn op de interpretatie. Het midden van een staaf, een oppervlaktemonster, een gesmeed gedeelte en een gewalst gedeelte hoeven niet dezelfde thermische of vervormingsgeschiedenis te vertegenwoordigen. Leg vast of het proefstuk rechtstreeks uit het geleverde product is verspaand of afzonderlijk uit dezelfde charge is vervaardigd.

Het austenitiseerrecord moet de oven of verwarmingsmethode, de doeltemperatuur, het werkelijke temperatuurbereik, de houdtijd en de basis voor de houdtijd vermelden, bijvoorbeeld de tijd nadat het proefstuk de temperatuur had bereikt. Vermeld ook de ovenatmosfeer of gebruikte bescherming, omdat oxidatie, ontkoling en carburisatie het hardheidsprofiel kunnen wijzigen. Leg vast of het proefstuk in een voorverwarmde oven is geplaatst of samen met de oven is opgewarmd, en vermeld eventuele zichtbare aanslag of oppervlakteschade. Deze gegevens zijn van belang aan het afgeschrikte uiteinde, waar een kleine ontkoolde laag de eerste hardheidsmetingen kan vertekenen.

Norm, geometrie en gegevens over het afschrikken

Vermeld op elk rapport de testnorm en de editie daarvan. ASTM A255-20 specificeert de kwantitatieve eindafschrikproef, of Jominy-proef, met gebruik van een cilindrisch proefstuk met een diameter van 1 inch. ISO 642:2024 specificeert een stalen eindafschrikproefstuk met een diameter van 25 mm en een lengte van ten minste 100 mm. Deze afmetingen liggen praktisch dicht bij elkaar, maar de aanduidingen zijn geen onderling uitwisselbare instructies. Een rapport moet vermelden of de werkzaamheden zijn uitgevoerd volgens ASTM A255-20, ISO 642:2024 of een klant- of nationale procedure die daarvan is afgeleid.

Leg de werkelijk gemeten afmetingen van het proefstuk vast, met inbegrip van diameter, lengte, voorbereiding van het uiteinde, afschuiningen en de toestand van het afgeschrikte oppervlak. Als de afmetingen afwijken van de genoemde norm, documenteer dan de afwijking voordat het resultaat als normconform wordt gepresenteerd. Het rapport moet ook het nummer van het proefstuk vermelden en, wanneer meerdere stukken zijn getest, elke curve onderscheiden in plaats van ze stilzwijgend te middelen.

De afschikopstelling moet voldoende worden beschreven om de afkoelgeschiedenis te kunnen reconstrueren. Volgens de procedure van de University of Illinois wordt een cilindrisch proefstuk tot de austenitiseertemperatuur verwarmd en wordt één uiteinde met een waterstraal afgeschrikt. De University of Cambridge legt uit waarom deze opstelling een bruikbaar profiel oplevert: het afgeschrikte uiteinde koelt snel af, terwijl de rest aan de lucht afkoelt, waardoor langs de staaf een doorlopend bereik aan afkoelsnelheden ontstaat. Vermeld welk uiteinde werd afgeschrikt, hoe het proefstuk werd ondersteund en wat de bron en toestand van het water waren. Leg de temperatuur van de straal, informatie over de sproeier of opening, de waterdruk of het debiet indien voorgeschreven, de uitlijning van de straal en de afstand tussen de sproeier en het uiteinde van het proefstuk vast. Noteer ook de tijd tussen het uitnemen uit de oven en het begin van het afschrikken met water.

Beschrijf het resultaat niet uitsluitend als “afgeschrikt in water”. De watertemperatuur, stabiliteit van het debiet, vorm van de straal, positie van het proefstuk en overdrachtstijd kunnen de afkoelrespons wijzigen. Het rapport moet aangeven of de opstelling vóór de test is gecontroleerd en of zich een onderbreking, spatwater, verkeerde uitlijning of abnormale afkoeling heeft voorgedaan. Een afwijking betekent niet automatisch dat de test is mislukt, maar zij moet zichtbaar zijn voor iedereen die het resultaat beoordeelt.

De thermische cyclus en het afschrikrecord moeten via een uniek testnummer aan de materiaalidentificatie worden gekoppeld. Deze koppeling voorkomt dat een curve wordt losgemaakt van de bijbehorende warmtebehandelingscondities wanneer resultaten naar een spreadsheet of certificaat worden overgenomen.

Hardheidsgegevens, presentatie van de curve en traceerbaarheid

Identificeer na het afschrikken de hardheidsmethode, schaal, het instrument, de indenter, de belasting, de kalibratiestatus en de voorbereiding van het testoppervlak. Het rapport moet vermelden of de metingen zijn uitgevoerd volgens Rockwell C, Rockwell B, Vickers of een andere toegestane schaal; alleen “hardheid” vermelden is onvolledig. Leg de identificatie van het instrument en de verificatiestatus vast, vooral wanneer de resultaten voor acceptatie worden gebruikt.

Bij de Jominy-methode wordt de hardheid gemeten op toenemende afstanden vanaf het afgeschrikte uiteinde. De Materials Education Foundation beschrijft deze afstandsafhankelijke respons als de basis voor het bepalen van de hardbaarheid van staal. Vermeld het referentiepunt voor afstand nul, de voorbereiding van de meetzijde en elke meetlocatie. Afstanden moeten eenheidvermeldingen bevatten en als gemeten worden gerapporteerd, niet worden afgeleid uit een generiek sjabloon. Als het oppervlak vóór de test is geslepen of verspaand, leg dan de verwijderde hoeveelheid en de voorbereidingsrichting vast.

Presenteer de ruwe meetwaarden in een tabel voordat een afgevlakte of aangepaste curve wordt weergegeven. Een bruikbare tabel bevat het nummer van het proefstuk, de afstand vanaf het afgeschrikte uiteinde, de hardheidswaarde, de hardheidsschaal, eventuele herhaalde metingen, het gemiddelde indien berekend en opmerkingen. Als aan tegenoverliggende zijden of op meerdere meetbanen is gemeten, identificeer dan elke meetbaan. Verberg spreiding niet door uitsluitend een gemiddelde te rapporteren. In een curve moet de hardheid op de verticale as en de afstand vanaf het afgeschrikte uiteinde op de horizontale as worden weergegeven, met eenheden, schaal, identificatie van het proefstuk, testnorm en hardheidsschaal in het bijschrift. Als interpolatie, curve-fitting of omzetting tussen hardheidsschalen is toegepast, vermeld dan de methode en bewaar de oorspronkelijke meetwaarden.

De curve toont de hardheidsrespons die door de gedocumenteerde eindafschrikgeschiedenis is veroorzaakt. Zij stelt op zichzelf niet de hardheid in een specifiek productieonderdeel vast, garandeert geen bepaalde microstructuur en voorspelt niet de prestaties na een andere afschrikmethode, doorsnedeafmeting of ontlaatbehandeling. Samenstelling, austenietkorrelgrootte, geometrie van het proefstuk, overdrachtstijd en afschikcondities zijn allemaal van invloed op de interpretatie. Eén hardheidswaarde, zelfs wanneer die aan het afgeschrikte uiteinde is gemeten, kan het afstand-tegen-hardheidsrecord niet vervangen.

Identificeer ten slotte het acceptatiecriterium afzonderlijk van het meetresultaat. ASTM A255-20 en ISO 642:2024 bieden testkaders; de toepasselijke materiaalspecificatie, tekening, inkoopeis of het klantdocument bepaalt of een curve of tabelwaarde voldoet. Het rapport moet die eis en, indien van toepassing, de revisie ervan citeren. Als geen acceptatiegrens is voorgeschreven, vermeld dan dat het resultaat beschrijvend is en verzin geen minimale hardheid, maximale afstand, rangorde van kwaliteiten of goedkeurings-/afkeuringsconclusie. Bewaar het oorspronkelijke instrumentbestand, het kalibratierecord, het warmtebehandelingslogboek, foto’s van het proefstuk indien relevant, de ruwe tabel, de geplotte curve, de identiteit van de uitvoerder, de testdatum en de afwijkingen onder hetzelfde traceerbare testnummer.

Beperkingen van de Jominy-methode

De Jominy-eindafschrikproef is een gecontroleerde vergelijking, geen verkleinde versie van elke afschrikbewerking. ASTM A255-20 definieert hardbaarheid als “de diepte tot waar staal hard wordt wanneer het wordt afgeschrikt” en schrijft voor de kwantitatieve eindafschrikproef een cilindrisch proefstuk met een diameter van 1 inch voor (ASTM International, 2020). ISO 642:2024 specificeert een proefstuk met een diameter van 25 mm en een lengte van ten minste 100 mm (International Organization for Standardization, 2024). Deze afmetingen, de austenitise erbehandeling, de opstelling van de waterstraal en de procedure voor de hardheidsmeting maken deel uit van het resultaat. Als deze worden gewijzigd, kan ook de respons veranderen.

Een Jominy-curve beantwoordt daarom een welomschreven vraag: hoe varieert de hardheid met de afstand vanaf één uiteinde van een standaardproefstuk na een gespecificeerde thermische voorgeschiedenis? De curve levert geen enkel, van de geometrie onafhankelijk getal voor de vraag “hoe hard” een staal is. Evenmin garandeert zij dat een productieonderdeel hetzelfde hardheidsprofiel zal ontwikkelen.

Wat eendimensionale afkoeling kan weergeven

De proef begint met het verhitten van het cilindrische proefstuk tot de gespecificeerde austenitiseertemperatuur. Vervolgens wordt één uiteinde met een waterstraal afgeschrikt, terwijl de rest van de staaf in lucht afkoelt. De University of Illinois beschrijft deze volgorde als de basis van de proef (University of Illinois Materials Technology and Innovation Laboratory, 2024); de University of Cambridge legt uit dat hierdoor langs de staaf een continu bereik van afkoelsnelheden ontstaat (University of Cambridge, 2012). Dicht bij het afgeschrikte uiteinde wordt warmte snel afgevoerd. Verder daarvan vandaan moet warmte naar het gekoelde uiteinde worden geleid en via het blootgestelde oppervlak ontsnappen, waardoor de afkoelsnelheid geleidelijk afneemt.

Deze opstelling is nuttig omdat één proefstuk veel verschillende afschrikintensiteiten bemonstert. De resulterende curve van hardheid tegen afstand kan laten zien of een kwaliteit martensitische hardheid behoudt op grotere afstand van het afgeschrikte uiteinde, waar transformatieproducten zoals bainiet of ferriet en perliet waarschijnlijker worden. De curve toont ook de verdeling van de respons in plaats van slechts één hardheidswaarde. Daarom kan een lage hardheid op een verafgelegen positie niet worden geïnterpreteerd als bewijs dat het staal vóór het afschrikken “zacht” was; dit kan erop wijzen dat de lokale afkoelsnelheid onvoldoende was om diffusieve transformatie te onderdrukken.

Het eendimensionale thermische veld is een benadering. Een werkelijk onderdeel koelt via meerdere oppervlakken af, kan hoeken, gaten, schouders, spiebanen of contactvlakken bevatten en kan te maken hebben met een roering die varieert met de oriëntatie. De kern kan warm blijven terwijl het oppervlak al transformeert. De warmtestroom kan radiaal, axiaal of sterk driedimensionaal zijn. Een Jominy-staaf heeft geen van deze onderdeelspecifieke randvoorwaarden.

De proef reproduceert evenmin de exacte afkoelgeschiedenis van een olie-, polymeer-, pekel-, gas- of onderbroken afschrikproces. Een op één uiteinde gerichte waterstraal legt een specifieke randvoorwaarde op; zij is geen universele vervanging voor een bad, sproeisysteem, gas onder druk of gefaseerd afschrikproces. De curve kan charges, samenstellingen en austenietkorreltoestanden vergelijken wanneer de procedure constant wordt gehouden, maar het rechtstreeks omrekenen van de afstand langs de staaf naar een positie in een onderdeel vereist een thermische analyse of een gevalideerde correlatie.

De samenstelling en de austenietkorrelgrootte zijn van groot belang. ASM noemt beide primaire invloeden op de hardbaarheid (ASM International, 1990). Bijgevolg is een Jominy-resultaat ook gevoelig voor de voorafgaande bewerking van het proefstuk, korrelgroei tijdens het austenitiseren en de werkelijke chemische samenstelling van het staal. Alleen een kwaliteits- of staalaanduiding maakt deze variabelen niet ongedaan.

Gevoeligheid voor voorbereiding en meting

De Jominy-methode brengt veel metallurgische beslissingen samen in een proef die eenvoudig lijkt. Het proefstuk moet de voorgeschreven afmetingen en oppervlakteconditie hebben, gelijkmatig worden verhit, de beoogde austenitische toestand bereiken en snel naar de afschrikinrichting worden overgebracht. Vertragingen, ontkoling, oxidatie, een onjuiste oventemperatuur of een gewijzigde houdtijd kunnen de transformatierespons al beïnvloeden voordat de waterstraal begint.

De oppervlaktevoorbereiding na het afschrikken is even belangrijk. Hardheidsmetingen worden normaal uitgevoerd op toenemende afstanden vanaf het afgeschrikte uiteinde, op een voorbereid vlak of een bewerkte meetbaan. Als het slijpen het oppervlak oververhit, als walshuid achterblijft of als de indruk te dicht bij een eerdere indruk of een rand wordt geplaatst, vertegenwoordigt de gemeten waarde mogelijk niet het onderliggende staal. Ook de meetmethode is van belang: Rockwell, Vickers of een andere schaal kan niet zonder meer worden vervangen zonder rekening te houden met de eisen van de norm en de toepasselijke omrekeningslimieten.

Kleine fouten worden vooral zichtbaar in de buurt van een steil gedeelte van de curve. Een geringe afstandsfout kan een hardheidswaarde aan de verkeerde afkoelpositie koppelen, terwijl spreiding in de indrukmetingen een vrijwel vlak gebied hellend kan doen lijken. Door alleen de hoogste hardheid te rapporteren, of alleen de waarde op één afstand, gaat de verdeling verloren die de methode juist nuttig maakt. De Materials Education Foundation beschrijft de proef als een meting van de hardheid op toenemende afstanden vanaf het afgeschrikte uiteinde om de hardbaarheid te bepalen (Materials Education Foundation, 2024). De reeks metingen is geen facultatieve versiering; zij vormt het bewijs.

Een curve heeft bovendien context nodig. Het rapport moet de gebruikte norm, de afmetingen van het proefstuk, de austenitiseercondities, het afschrikmedium en de opstelling, de hardheidsschaal, de meetposities en eventuele afwijkingen van de procedure vermelden. Het vergelijken van een curve die volgens ASTM A255-20 is geproduceerd met een curve die volgens ISO 642:2024 is geproduceerd, is alleen redelijk nadat is bevestigd dat de relevante omstandigheden en rapportageconventies gelijkwaardig zijn. “Jominy-waarde” zonder deze informatie is onvolledig.

Wanneer een andere evaluatiemethode nodig is

Grossman-analyse is geschikt wanneer de technische vraag betrekking heeft op de wisselwerking tussen de hardbaarheid van het staal en de afschrikintensiteit. Deze analyse combineert de intrinsieke respons van een staal met de afkoelintensiteit van een gespecificeerde afschikomgeving, vaak uitgedrukt met een $H$-factor, om de hardheid of de getransformeerde diepte in een bepaalde geometrie te schatten. Een Jominy-curve beschrijft de respons langs het eigen proefstuk; Grossman-analyse voegt een model van het afschrikproces en de geometrie toe. Zij maakt van het Jominy-resultaat geen rechtstreekse meting van een productieonderdeel.

Proeven voor luchtverhardbaarheid behandelen een ander probleem. Voor staalsoorten die bedoeld zijn om in stilstaande of geforceerde lucht hard te worden, kan een luchtkoelproef de hardheid en microstructuur tonen die door dat afkoeltraject worden geproduceerd. Het resultaat daarvan is niet uitwisselbaar met een water-eindafschrikcurve, omdat het proefstuk een andere thermische voorgeschiedenis en andere warmteoverdrachtscondities aan het oppervlak ondervindt. De keuze moet aansluiten bij het werkelijke proces.

Procesproeven worden noodzakelijk wanneer ovenbelading, overdrachtstijd, roering, afscherming, opspanningen, vervormingsbeheersing of onderbreking van het afschrikproces het resultaat kunnen beïnvloeden. Een proef met representatieve onderdelen kan effecten aan het licht brengen die een standaardstaaf niet kan tonen. Ook dan moet de hardheid worden gemeten op posities die verband houden met de ontwerpeis, en kan metallografisch onderzoek nodig zijn om martensiet te onderscheiden van bainiet, ferriet, perliet of ontlaten structuren.

Voor kritische onderdelen moet de kwalificatie onderdeelspecifiek zijn. Voor een krukas, tandwiel, as of dikke plaat kunnen thermokoppels, hardheidsprofielen, microstructuurcontroles, metingen van restspanningen of vervorming en herhaalde, productierepresentatieve afschrikproeven nodig zijn. De Jominy-proef blijft waardevol voor het vergelijken van staalsoorten volgens een gemeenschappelijke procedure, maar zij levert bewijs over een gestandaardiseerde respons — geen vrijstelling van validatie.

Bronnen

1. [1]ASTM International. Standard Test Methods for Determining Hardenability of Steel. ASTM International standard, 2020. https://store.astm.org/a0255-20.html