Pomiar twardości: Brinella, Vickersa, Poldi.

Możliwe pytania:

- pojęcie twardości

Twardość.

• Twardość jest pojęciem doświadczalnym i oznacza to odporność materiałów na odkształcenia działające pod wpływem siły oraz czasu (badanie ciał odkształcalnych).!!!

• Każdy materiał, który ma zastosowanie w przemyśle musi mieć odpowiednie właściwości mechaniczne tj. takie zdolności, które umożliwiają mu zdolność do przenoszenia różnych obciążeń mechanicznych. (Właściwości mechaniczne bada się za pomocą prób - najczęściej stosowana jest próba twardości)

• Statyczna próba pomiaru ma do spełnienia dwa podstawowe cele:
  - stwierdzenie właściwej twardość materiałów technicznych i umożliwienie oceny wytrzymałości na zużycie oraz trwałości znajdujących się w ruchu części maszyn;
  - stwierdzenie wytrzymałości materiału w sposób pośredni przez ustalenie związku między wynikami pomiarów twardości a wynikami prób innych właściwości mechanicznych;

• Pojęcie twardości - opierające się na badaniach Hertza daje dwa wnioski:
  - jedną z wielkości fizycznych, której funkcją jest twardość, jest współczynnik sprężystości przy ściskaniu E_c - im większy jest ten współczynnik, tym większa jest twardość materiału.
  - drugą wielkością, której funkcją jest twardość, jest granica sprężystości materiału przy ściskaniu R_C0,01 - im większa jest ta granica, tym większa jest twardość materiału.
  H = k E_C^m R_C0,01ⁿ, gdzie:
  k - współczynnik
  m i n - stałe materiałowe o wartościach bliskich jedności, wyznaczane doświadczalnie podczas ściskania kul

* z Brinella:

- od czego zależy średnica kulki,

- z czego wykonane są kulki,

- jakie są średnice kulek podane w normach,

- ile powinno trwać obciążenie,

- jak wyznaczyć siłę potrzebną do obciążania materiału,

- ile powinna wynosić odległość odcisku od krawędzi próbki, ile między odciskami.

Przebieg badania twardości metodą Brinella.

• Wgniatanie twardej (zahartowanej) kulki w płaską, dostatecznie gładką powierzchnię badanego przedmiotu przez określony czas, aż do spowodowania odkształceń trwałych, siłą prostopadłą do tej powierzchni.

• Zmierzenie średnicy kulki służy do wyznaczania twardości.

• Jest to statyczny pomiar twardości, ponieważ obciążenie kulki wzrasta powoli od wartości zerowej do maksymalnej.

• Miarą twardości wyznaczonej sposobem Brinella jest stosunek siły F [kg] lub [N] wgniatającej, do pola S [mm²] powierzchni czaszy kulistej powstałej w badanym materiale. HB = F/S

• Wyznaczanie siły potrzebnej do obciążenia materiału:
  F = KD² , gdzie:
  - K - współczynnik obciążania, zależy od twardości materiału i kąta wgniatania
  - D - średnica kulki.!!!

• Jednostką miary twardości Brinella jest jednostka naprężenia [Pa] - jednak w normach nie podaje się tych jednostek, są pominięte.

• Próbkę do badań należy obciążać bez wstrząsów, równomiernie do żądanej siły w ciągu od 2s do 8s. Czas całkowitej siły obciążającej powinien wynosić od 10s do 15s (w przypadku bardziej wymagających materiałów +/- 2 s.!!!

• Odciski na powierzchni badanego materiału wykonuje się wgłębnikami, czyli wypolerowanymi kulkami (stalowymi lub wykonanymi z węglików spiekanych) o średnicy D równych 10 mm; 5 mm; 2,5 mm i 1 mm. ( w obecnych normach stosuje się 30 mm; 15 mm; 10 mm; 5 mm; 2,5 mm; 1mm ).!!!

• Do pomiaru należy używać mikroskopu pomiarowego z dokładnością do 0,5%.

• Jako średnią arytmetyczną przyjmuje się średnią z dwu wzajemnie prostopadłych odcisków.

• Siła obciążająca powinna być dobrana tak, aby średnica odcisku d znajdowała się między 0,24 D a 0,6 D!!!

• Powierzchnia badanego materiału powinna być płaska, równa i oczyszczona ze zgorzeliny, smaru itp. (przy wygładzaniu należy wystrzegać się zmiany twardości przez nagrzanie lub zgniot)!!!

• Dopuszcza się ślady obróbki mechanicznej, jeżeli umożliwia to dokładny pomiar twardości. Powierzchnię badanej próbki można wyszlifować. Przy badaniu kulką o D = 1 mm należy ją jeszcze wypolerować!!!

• Temperatura otoczenia musi być zawarta między 10^oC a 35^oC ( w badaniach kontrolnych pomiary powinny być wykonywane w temperaturze23^oC - 25^oC.!!!

• Dokładność pomiaru twardości jest tym większa, im większą kulkę zastosujemy w próbie. Zaleca się stosowanie kulki o średnicy 10 mm, jeśli jednak wymiary próbki na to nie pozwalają, należy zastosować kulkę o mniejszej średnicy, jednak największej z możliwych!!!
  - stosowanie dużych kulek nie jest wskazana do badania twardości materiałów kruchych ponieważ przy dużych i głębokich odciskach pojawiają się drobne pęknięcia, które mogą doprowadzić do uszkodzenia przedmiotu.
  - małych kulek nie należy stosować do badania materiałów niejednorodnych ( porowatych, gruboziarnistych) ze względu na duży rozrzut wyników!!!

• Grubość badanego przedmiotu powinna być co najmniej 8 razy większa od głębokości odcisku h!!!

• Odległość między środkami dwóch sąsiednich odcisków powinna być co najmniej 3 razy większa od średniej średnicy odcisku d!!!

• Odległość od środka odcisku do krawędzi badanej próbki powinna być co najmniej 2,5 razy większa od średnicy odcisku d!!!

* z Vickersa:

- z czego wykonany jest wgłębnik (określić poprawnie jego kształt - facet jest matematykiem z wykształcenia i się czepia xD),

- ile wynosi siła przy standardowym pomiarze HV 30,

- ile powinno trwać obciążenie,

- ile powinna wynosić odległość odcisku od krawędzi próbki, ile między odciskami.

- wady i zalety metody Vickersa (bardzo ważne, najlepiej wymienić wszystkie).

• Wgniatanie w płaską, odpowiednio gładką powierzchnię badanego przedmiotu diamentowego wgłębnika o kształcie ostrosłupa prawidłowego z czworokątem foremnym w podstawie oraz kątem wierzchołkowym 136^o.

• Miarą twardości przy odpowiednio dobranym obciążeniu F jest długość przekątnej powstałego w badanej powierzchni odcisku.

• Kąt wierzchołkowy 136^o został tak dobrany, aby zapewnić porównywalność pomiarów Vickersa i Brinella. (Przy pomiarze twardości sposobem Brinella średnia odcisku d w optymalnym zakresie obciążeń zawarta jest w zakresie od 0,25 D do 0,50 D. Średnia wartość to 0,375D, która po podstawieniu do wzoru (jakiegoś, nie trzeba pamiętać) daje kąt φ = 44^o (180^o - 44^o = 136^o )

• Twardością Vickersa nazywa się stosunek obciążenia F do pola powierzchni bocznej odcisku S. HV = F/S

• Obciążenie wstępne powinno zachodzić bez wstrząsów oraz drgań w czasie od 2s do 8s. Standardowy, ogólny czas obciążenia powinien wynosić od 10s do 15s.

• Kształt próbki może być dowolny pod warunkiem zastosowania w pomiarach odpowiedniego stolika zapewniającego prostopadłość powierzchni pomiarowej do kierunku działania wgłębnika i uniemożliwiającego przesunięcia próbki.

• Powierzchnia próbki w miejscu pomiaru twardości powinna być płaska i gładka, wolna od zanieczyszczeń, takich jak warstwy tlenków i śladów obcych ciał oraz dokładnie odtłuszczona.

• Przy standardowym pomiarze twardości Vickersa HV 30 nominalna siła całkowita powinna wynosić 294,3 N ( można dobrać siłę F wg. norm dla warstw cienkich lub wyrobów w zależności od jej grubości i twardości.)

• W celu określenie średniej arytmetycznej należy wykonać co najmniej trzy pomiary wartości twardości.

• Przeprowadzenie przekątnych odcisku należy przeprowadzić z pomocą mikroskopu warsztatowego.

• Temperatura powinna wynosić od 10^oC do 35^oC.

• Grubość próbki lub badanej warstwy powinna wynosić co najmniej 1,5 wartości przekątnej odcisku d.

• Odległość między środkiem odcisku a krawędzią próbki powinna być nie mniejsza nić:
  - 2,5d dla: stali, miedzi i stopów miedzi;
  - 3d dla : metali lekkich, ołowiu, cyny i ich stopów.

• Odległość między środkami odcisków nie powinna być mniejsza niż:
  - 3d dla: stali, miedzi i stopów miedzi;
  - 6d dla : metali lekkich, ołowiu, cyny i ich stopów.

• Możliwe jest wykonanie pomiaru na próbkach o powierzchniach zakrzywionych sferycznych i walcowych.

• Dla próbek o bardzo małym przekroju poprzecznym lub o nieregularnym kształcie można stosować dodatkowe podparcie (wtopienie próbki w żywicę utwardzalną w temperaturze pokojowej).

Zalety

Wady

Porównywalność twardości Vickersa z twardością Brinella. Możliwość pomiaru twardości metali zarówno miękkich, jak i bardzo twardych (10 - 1000Hv) Niezależność wyniku pomiaru od zastosowania obciążenia. Możliwość pomiaru twardości przedmiotów bardzo małych, jak również cienkich warstw utwardzonych. Duża dokładność pomiaru, uzależniona od dokładności mikroskopu warsztatowego Niewielki stopień zniszczenia badanej próbki.

Konieczność odpowiedniego przygotowania powierzchni (gładkość i czystość) Konieczność dokładnego pomiaru przekątnych odcisku, wymagającego stosowania mikroskopu warsztatowego, wydłużającego czas pomiaru i obniżającego wydajność, Niemożliwość badania twardości materiałów niejednorodnych (np. żeliwa) ze względu na małe rozmiary odcisku, Stosunkowo wysoka cena twardościomierza (diamentowe wgłębniki), konieczność zapewnienia starannej obsługi serwisu.

* z Poldiego (pyta tylko jeśli chce coś jeszcze z nas wyciągnąć):

- jak wykonuje się odcisk,

- ile waży młotek,

• Sposób Poldi należy do dynamiczno - plastycznego pomiaru twardości.

• W obudowę wkręcona jest oprawka kulki stalowej o średnicy D = 10 mm. W oprawce tej znajduje się otwór, w który wkłada się pręt wzorcowy o znanej twardości. Sworzeń dociskany jest sprężyną do pręta wzorcowego, który opiera się o kulkę. W celu wykonania pomiaru przyrząd Poldi przykłada się prostopadle do powierzchni badanej i następnie uderza się jednorazowo młotkiem o masie 0,5 kg w sworzeń. W wyniku uderzenia powstają jednocześnie dwa odciski: na badanej powierzchni i na wzorcu.

• Jest to metoda mało dokładna i nie zapewnia wiarygodnych wyników. Dokładność pomiaru tym sposobem zależy w znacznym stopniu od różnicy twardości materiału badanego i pręta wzorcowego. Im mniejsza jest ta różnica, tym większa jest dokładność pomiaru.

HB = kHB_w