Metody badania materiałów

Badania twardości
Twardość- nazywany opór przeciw wciskaniu w badany materiał odpowiedni dobranego wgłębnika,
którym może być kulka, stożek lub ostrosłup.
Pomiary twardości znalazły powszechne zastosowanie w przemyśle do kontroli jakości materiału ze względu na ich prostotę, jak również fakt że istnieje na ogól ścisła korelacja między twardością materiału i jego wytrzymałością i na przykład dla stali węglowych konstrukcyjnych w stanie normalizowanym Rm=(0,34- 0,36)HB.
Poza tym pomiary twardości są nie nieszczące i nie wymagają pracochłonnego przygotowania próbek. Większość metod badania twardości należy do statycznych, tzn nie występuje powolne wciskanie wgłębnika przy działaniu siły stałej lub stopniowo wzrastającej do określonej wartości, ale również znana metoda dynamiczna, polegająca na wciskaniu wgłębnika przez uderzenie.
Do metod statycznych należą metody Brinella, Rockwella, Vickersa, a dynamiczną jest metoda Poldi.

Metoda Brinella (PN-91/H-04350)
Polega na wciskaniu w materiał kulki stalowej o średnicy D=10;5;2,5;2 lub 1mm, przy zastosowaniu siły F, zależnej od średnicy kulki D i twardości materiału zgodnie ze wzorem
F=9,806KD² N
gdzie K- współczynnik zalezny od twardości
Granicą stosowania metody Brinella jest twardość 450 HB, gdyż przy większej twardości następuje już duży błąd związany z odkształceniem kulki.

Zalety metody Brinella:
a / możność uzależnienia twardości Brinella dla materiałów ciągliwych od
wytrzymałości na rozciąganie Rm.
b / możność stosowania tej metody do pomiaru twardości o strukturze
niejednorodnej.

Wady metody Brinella:
a / niemonosc stosowania go do pomiaru twardosci wyrobów twardych, drobnych
oraz cienkich warstw utwardzonych i powierzchni niepłaskich,
b / kłopotliwy pomiar twardości ( mikroskop do pomiaru srednicy odcisku ),
c / zależność wyniku pomiaru twardości od zastosowanego obciążenia na kulkę,
d / znaczne uszkodzenie powierzchni
.HB = F / Scz [MPa]

gdzie:

F - siła obciążająca

Scz - powierzchnia czaszy kulistej w [ mm2]

Scz = Dh Głębokość h pokazana na rys. 1 wynosi

h = ( D - D2 -d2 ) / 2 ( 3 )

stąd:

Scz = D ( D - D2 - d2) / 2 ( 4 )

a ostateczny wzór przedstawia się następująco:

HB = 2 F / D ( D - D2 - d2 ) [MPa]

Matoda Rockwella (PN-91/H-04355)
W metodzie tej jako wgłębnika używa się kulki stalowej o średnicy 1/16 cala (1,588mm) lub stożka diamentowego o kącie rozwarcia 120º i promienia zaokrąglenia r=0,2mm
Do badania stali w stanie zahartowanym używa się stożka, a twardość odczytuje się na skali B. Skale te są przesunięte o 30 podziałek. Obciążenia całkowite przy stożku wynosi 1471 N, a przy kulce 981 , przy czym najpierw daje się obciążenie wstępne Fo równe 98 N, a po ustawieniu czujnika na 0 dla skali czarnej lub 30 dla skali czerwonej obciążenie dodatkowe F1 równe 1373 N lub 883 N. Marą twardości jest głębokość wniknięcia wgłębnika, przy czym jednej podziałce odpowiada zagłębienie wgłębnika o 0,002mm.
Twardość Rockwell zapisuje się następująco np. 80 HRB, 45 HRC

Zalety metody Rockwella:
a / możność stosowania go do badania wyrobów twardych i niektórych warstw
utwardzonych,
b / szybkość i łatwość pomiaru,
c / bardzo prosta obsługa twardościomierza,
d / odczytywanie twardości bezpośrednio na twardościomierzu bez konieczności
stosowania tablic,
e / małe odciski pozostawione przez ten pomiar,
f / możność stosowania go do zautomatyzowania pomiarów.

Wady metody Rockwella:
a / bardzo duy wpływ niepoprawnego ustawienia przedmiotu na wynik pomiarów,
b / bardzo duy wpływ zanieczyszczeń śruby podnośnej i podstawek, stolika
przedmiotowego i kształtu na samego wyrobu na wynik pomiaru,
c / niemożliwość pomiaru twardości bardzo cienkich przedmiotów i cienkich warstw
nawęglonych, azotowanych itp.,
d / niemoność dotrzymania duej dokładności pomiaru wskutek niekorzystnych
warunków metrologicznych
e / znaczna ilość skal twardości i kłopotliwe ich porównanie ze sobą, jak równie z
wynikami innych sposobów,
f / nierównomierność poszczególnych skal, np.: przy porównywaniu twardosci stali
węglowej

HR = K – h

gdzie: h – trwały przyrost głębokości odcisku
K = 130 (0,26 mm) dla kulki;
K = 100 (0,20 mm) dla stożka

Metoda Vickersa (PN-91/H-04360)
W metodzie tej wgłębnikiem jest diamentowy ostrosłup o kącie dwuściennym 136º, który jest wciskany siłą 49,98,196,294,490,981 N. Liczbę twardości obliczamy jako stosunek siły nacisku F do pola powierzchni odcisku A (w mm²)

WZÓR
Pomiaru d dokonuje się za pomocą mikroskopu obudowanego zwykle w aparat. Twardość Vickersa zapisuje się następująco: np. 1100HV
Metoda ta nadaje się szczególnie do pomiaru bardzo twardych powierzchni np. harowanych, nawęglanych, azotowanych lub matalizowanych dyfuzyjnie. Jej zaletą jest możliwość pomiaru twardości przedmiotów cienkich, pod małymi obciążeniami, jednak w tym przypadku błąd jest większy. Powierzchnia do pomiaru powinna być przygotowana bardzo dokładnie, szlifowana na najdrobniejszych papierkach, a nawet polerowania.

Zalety:
a / duża porównywalność tej metody z metoda Brinella ( a do 300 jednostek
twardości HB sa ze soba zgodne; powyżej stosuje się zależność HB = 0,95 HV ),
b / możność uzależnienia twardosci HV od wytrzymałości na rozciąganie Rm,
c / możność stosowania tej metody zarówno do materiałów miękkich, jak i bardzo
twardych,
d / małe głębokości odcisków,
e / zmiana ustawienia nie wpływa na wynik pomiaru,
f / dua dokładność odczytu przekątnych,
g / wynik pomiaru twardości przy zastosowaniu większych obciążeń nie zależy od
zastosowanego obciążenia.

Wady metody Vickersa:
a / skomplikowana konstrukcja twardościomierza wymagającego bardzo fachowej
obsługi,
b / mała wydajność pomiaru,
c / niemożność pomiaru niektórych materiałów niejednorodnych,
d / dość znaczny wpływ chropowatości na wynik pomiaru,
e / większy koszt twardościomierza.