Twardość
Twardość. Metody pomiaru twardości.

Twardość - zdolność materiału do przeciwstawiania się odkształceniom plastycznym (trwałym) przy lokalnym, statycznym lub dynamicznym, wywieraniu nacisku na małą powierzchnię materiału. Miarą twardości jest stosunek obciążenia do powierzchni odcisku lub głębokości odcisku.

Większość gatunków ceramiki odznacza się dużą twardością (hardness). Na podstawie stałych stosunków wiązań chemicznych istnieje związek pomiędzy twardością i temperaturą topnienia materiałów ceramicznych. Większa temperatura topnienia warunkuje większą twardość. Przy niezbyt gruboziarnistej strukturze materiału ceramicznego jego twardość wyznacza się przez określanie mikrotwardości różnymi wgłębnikami diamentowymi. Dokonując pomiaru przekątnej odcisku, określa się twardość - w zależności od kształtu ostrosłupowego wgłębnika - sposobem Vickersa lub Knoopa.


Zasady pomiaru mikrotwardości materiałów ceramicznych metodami: a)Vickersa, b)Knoopa.



Porównanie twardości różnych materiałów pokazuje, że ceramikę specjalną pod względem tej właściwości przewyższa jedynie regularny azotek boru i diament. Twardość w połączeniu z odpornością chemiczną i cieplną stanowi ważne kryterium odporności na zużycie, która dla zdecydowanej większości materiałów ceramicznych może być oceniona jako dobra. Należy jednak podkreślić, że Zr02, pomimo relatywnie mniejszej twardości, wykazuje znakomitą odporność na zużycie.
Oprócz konwencjonalnego określania mikrotwardości materiału ceramicznego za pomocą wciskania diamentowego wgłębnika, wykorzystuje się w trakcie lub po obróbce końcowej również metodę rejestrującego pomiaru mikrotwardości. Wyróżnia się ona tym, te miarą twardości materiału nie jest powstający po całkowitym obciążeniu odcisk wgłębnika, ale jednocześnie zarejestrowana podczas całego procesu jego wnikania w badaną powierzchnię wypadkowa siła F(D) jako funkcja głębokości wnikania D. Z geometrii wgłębnika (np. diamentowej piramidy Vickersa lub czaszy kulistej), głębokości wnikania i obciążenia daje się w taki sposób ustalić dla jednorodnych i izotropowych materiałów przebieg twardości, charakteryzując proces wnikania wgłębnika w płaską i gładką powierzchnię za pomocą przebiegu siły F(D).


Istota metody rejestrującego pomiaru mikrotwardości.



Jeżeli ostry wgłębnik wciska się w zeszlifowaną powierzchnię materiału ceramicznego, przebieg siły F(D) jest określany w wysokim stopniu topografią powierzchni, obecnością porów i pęknięć oraz przez przypadkową orientację mikrokryształów w odniesieniu do kierunku działania obciążenia wgłębnika. Występujące przy tym bardzo duże rozrzuty mogą zostać częściowo przezwyciężone zastosowaniem czaszy kulistej wgłębnika. Przy zagłębianiu się czaszy kulistej (np. z promieniem r = 0,32 mm) w zeszlifowaną powierzchnię ceramiczną przebieg siły F(D) jest sukcesywnie tworzony przez początkowo punktowy styk zbioru "wzniesień" w kole opisanym miejscem odcisku. Wynika stąd, że krzywa F(D) wznosi się mniej lub bardziej stale i jednocześnie zakres (pasmo) rozrzutu krzywych jest znacznie ograniczony przez silnie zintegrowane działanie płaskiego wgłębnika. Dla jednakowej głębokości wnikania D wgłębnika jego powierzchnia jest zdecydowanie bardziej obciążona z zastosowaniem czaszy kulistej niż ostrej piramidy.

Ogólnie można stwierdzić, że im większe jest uszkodzenie powierzchni materiału, tym mniejsza jest potrzebna siła do uzyskania określonej głębokości wnikania diamentu. Tego rodzaju różne przebiegi siły (bez jednakże osiągnięcia twardości materiału podstawowego) mogą być ustalone także na różnie szlifowanych powierzchniach materiałów ceramicznych. Z przebiegu krzywych F(D) wynika, te w przypadku próbek szlifowanych prostoliniowo-zwrotnie z największym, wykrywalnym rentgenograficznie uszkodzeniem (grubość warstwy uszkodzonej) i odpowiednio także najmniejszym naprężeniem niszczącym musi być d1a określonej głębokości zastosowana mniejsza siła niż np. w przypadku próbek szlifowanych głęboko z odpowiednio małą uszkodzoną warstwą wierzchnią i większym naprężeniem niszczącym.

Inne metody pomiaru twardości
Przy badaniu materiałów stosuje się różne metody pomiaru twardości. Metoda Brinella polega na wciskaniu twardej kulki stalowej w próbkę materiału, a metoda Vickersa diamentowego ostrosłupa. W obudwu tych metodach miarą twardości (oznaczonej odpowiednio HB i HV) jest stosunek siły nacisku do pola powierzchni trwałego odcisku pozostawionego przez kulkę lub ostrosłup. W metodzie Rockwella wgłębnik (diamentowy stożek lub kulka) jest wciskany dwustopniowo (najpierw działając obciążeniem wstępnym, potem całkowitym), a miarą twardości (oznaczanej HRA, HRB, HRC lub HRF) jest różnica między pewną umowną wielkością i głębokością trwałego odcisku pozostawionego przez stożek lub kulkę. Do pomiaru twardości składników strukturalnych stosuje się pomiary mikrotwardości takim samym wgłębnikiem, jak przy metodzie Vickersa, tylko przy znacznie mniejszych obciążeniach. W dynamicznej metodzie pomiaru twardości mierzy się wysokość odbicia kulki stalowej od powierzchni badanego materiału (metoda Shora). Do pomiaru twardości minerałów stosuje się skalę Mohsa. W tej dziesięciostopniowej skali najmniejsza wartość 1 jest przypisana talkowi, a najwieksza 10 diamentowi. Porównywanie twardości jest możliwe jedynie w zakresie jednej metody pomiarowej.

Literatura:
Oczoś K.E., Kształtowanie ceramicznych materiałów technicznych. Rzeszów, Politechnika Rzeszowska,1996.