W praktyce inżynierskiej przez twardość rozumie się

odporność na odkształcanie plastyczne przy oddziaływaniu skupionego nacisku w postaci

ściśle określonego wgłębnika.

Pomiary twardości są stosowane w praktyce materiałoznawczej ze względu na prostotę i

szybkość pomiaru. Ze względu na znikome odkształcenie oraz możliwość wykonywania

pomiarów na gotowych elementach, pomiary twardości są zaliczane do badań nieniszczących.

METODY STATYCZNE

2.1. Pomiar twardości metodą Rockwella

W metodzie Rockwella miarą twardości jest różnica umownej oraz rzeczywistej

głębokości wnikania e w materiał określonego wgłębnika.

Pomiar twardości metodą Rockwella polega na dwustopniowym wciskaniu w badany materiał

wgłębnika w postaci stożka diamentowego o kącie wierzchołkowym wynoszącym 120 - lub kulki stalowej

HR diamentowy stozek, kulka hartowana stalowa lub kulka z węglików spiekanych

2.2. Pomiar twardości sposobem Brinella

W metodzie Brinella twardość jest to stosunek siły F, działającej prostopadle do

badanej próbki i obciążającej stalową lub z węglików spiekanych kulkę, do pola powierzchni

odcisku S, jaki ta kulka zostawiła w badanym materiale.

Pole powierzchni odcisku określa się mierząc średnicę czaszy kulistej trwałego odcisku

Metoda Brinella jest stosowana do określania twardości stopów żelaza i metali nieżelaznych

do twardości ok. 650 HB

HB penetrator kulka metalowa stalowa (zahartowana) lub z węglików spiekanych

Oznaczamy HBW jesli penetrator z węglikow sp.

2.3. Pomiar twardości sposobem Vickersa

W metodzie Vickersa twardość jest określana jako stosunek obciążenia F do

powierzchni S pobocznicy odcisku wgłębnika.

Wgłębnikiem jest ostrosłup diamentowy o podstawie kwadratowej i kącie  = 136 między

przeciwległymi ścianami. Nacisk wywierany, zależnie od rodzaju powierzchni badanej, może

być dobierany w zakresie od 9,8 do 981 N (od 1 do 100 kG). Po dokonaniu pomiaru mierzy

się długości przekątnych, powstającego odcisku przyjmując do dalszych obliczeń wartość

średnią Zakres pomiaru twardości metodą Vickersa jest bardzo szeroki i umożliwia pomiar twardości

zarówno metali miękkich jak i bardzo twardych. W metodzie tej stosuje się jedną skalę dla

całego zakresu twardości.

Pomiar metodą Vickersa w minimalny sposób uszkadza badany przedmiot, odcisk jest tak

nieznaczny, że można tą metodą badać cienkie warstwy utwardzane o wysokiej twardości np.

po azotowaniu lub węgloazotowaniu oraz ostrza narzędzi po szlifowaniu.

HV – ostrosłup diamentowy o podstawie kwadratu

2.4. Pomiar mikrotwardości

Bardzo często w badaniach metaloriałoznawczych zachodzi konieczność wyznaczania

twardości:

- warstw wierzchnich,

- cienkich drutów oraz blach,

- składników strukturalnych stopów,

- ostrzy.

W takim przypadku jest to możliwe poprzez stosowanie obciążeń poniżej 10 N oraz

stosowanie precyzyjnych układów do pomiaru przekątnych odcisków, otrzymane w tym

przypadku wartości twardości noszą nazwę mikrotwardości.

Urządzenia pomiarowe umożliwiające realizację tych pomiarów nazywane są

mikrotwardościomierzami.

Do pomiaru mikrotwardości zasadniczo jest stosowana metoda Vickersa. Zasada pomiaru

mikrotwardości jest identyczna jak makrotwardości opisana powyżej. Różnica polega na

precyzyjnym wykonaniu wgłębnika, z mniejszymi tolerancjami wymiarowymi.

Przy pomiarach mikrotwardości stosuje się możliwie największe obciążenia, gdyż wtedy

znacząco ograniczamy błąd przekątnej odcisku.

Dokonując pomiaru twardości składników strukturalnych stopów lub poszczególnych ziaren

wartość obciążenia winna zapewnić otrzymanie odcisku mieszczącego się wewnątrz

badanego obiektu.

Do pomiaru mikrotwardości powierzchnie badanego metalu musi być starannie

przygotowana; szlifowana na papierach o ziarnistości minimum 600, polerowana, a w

przypadku badania składników strukturalnych również wytrawiona.

3.1. Wykonanie pomiaru twardościomierzem Rockwella (Rys. 4)

1) Sprawdzić czy został zamontowany właściwy typ wgłębnika 8 oraz odpowiednie

obciążenie 2.

2) Sprawdzić czy dzwignia obciążenia głównego 5 jest w położeniu odciążenia.

3) Położyć próbkę 9 na stoliku 10 śruby, a następnie pokręcając pokrętłem 12 podnieść

próbkę aż do zetknięcia się z wgłębnikiem 8.

4) Obracając pokrętłem 12 docisnąć tak do próbki, aby sprężyna 7 oddziaływała na

wgłębnik siłą obciążająca Fo=98 N. Odpowiada to ustawieniu małej wskazówki

czujnika na wyróżnionej cyfrze (4) małej skali. Duża wskazówka powinna być

ustawiona w miarę pionowo. Niedopuszczalne jest korygowanie położenia wskazówki

przez odciążanie sprężyny (obrót pokrętła 12 w lewo).

5) Dokonać korekcji ustawienia tarczy miernika 6 przez ustawienie wskazówki dużej na

cyfrze 0. 6) Włączyć obciążenie główne F1, przyciskając przycisk 5. Duża wskazówka wykonuje

wówczas obrót przeciwnie do kierunku obrotu wskazówek zegara, zajmując

przykładowe położenie na cyfrze 30 skali C położenie II - rys. b.

7) Po upływie wymaganego czasu działania obciążenia (46s), obrócić korbkę 5a w

prawo, aż do zatrzaśnięcia. Wówczas wskazówka duża zmieni położenie względem

tarczy z położenia II na III. Wskazywana wartość 65 jest twardością na skali HRC.

8) Obrócić pokrętłem 12 w lewo celem całkowitego odciążenia próbki.

9) Wykonać co najmniej 3 pomiary

3.2. Wykonanie pomiaru twardościomierzem Brinella (Rys. 5)

1) Dokonać dobrania kulki oraz stosownego obciążenia.

2) Dobraną kulkę zamocować w oprawce 8, przez wciśnięcie przycisku 11 wybrać

stosowne obciążenie.

3) Położyć badaną próbkę na stoliku 18 umocowanym na śrubie 16.

4) Włączyć oświetlenie 19.

5) Pokrętłem 20 podnieść stolik z próbka tak, aby na matówce 7 był widoczny wyraźny

obraz powierzchni próbki.

6) Włączyć obciążenie przez przyciśnięcie przycisku zwalniającego 10, w tym

momencie nastąpi obrót przegubu i wgłębnik ustawi się w linii działania obciążenia i

obciążenie zostanie zadane.

7) Po upływie wymaganego czasu działania obciążenia przycisnąć dzwignię 15 w

położenie dolne (początkowe). Wtedy obiektyw 5 ustawi się na linii optycznej i na

matówce 7 widoczny jest obraz odcisku.

8) Zmierzyć średnicę odcisku w dwu prostopadłych kierunkach (rys. 6).

9) Odczytać wartość twardości z tablic lub obliczyć ze wzoru.

10)Wykonać co najmniej 3 pomiary.

WPŁYW Cr, Mn, Si, Ni, Mo, W, Co - na własności stali:

a). Cr: w stalach niskostopowych i niskowęglowych wpływa na wzrost wytrzymałości i twardości oraz podwyższa udarność. Stanowi zasadniczy dodatek stali do ulepszania cieplnego i narzędziowych, gdzie zwiększa hartowność, głębokość hartowania i powoduje otrzymanie wysokiej twardości. zastosowanie: do budowy stali kwasoodpornych i żaroodpornych. ; Chrom poza tym przechodzi do węglików, zwiększając ich twardość i odporność na ścieranie.

większą odporność na korozję 

b). Mn: zwiększa twardość i wytrzymałość, obniża natomiast własności plastyczne. Stale manganowe cechuje podwyższona granica sprężystości i większa odporność na ścieranie. W stalach narzędziowych mangan zwiększa hartowność ale jednocześnie wpływa na większą skłonność stali na przegrzewanie. W stalach odpornych na korozje może częściowo zastępować nikiel.

c). Si: zawartość krzemu podwyższa wytrzymałość i twardość stali. Stale zawierające krzem po ulepszeniu mają podwyższoną granicę plastyczności i sprężystości oraz większą odporność na działanie sił dynamicznych, dlatego ma szerokie zastosowanie w stalach sprężynowych i resorowych.

d). Ni: wpływa na jednoczesne podwyższenie wytrzymałości i twardości przy zachowaniu wysokiej udarności. Nie tworzy węglików. Znacznie obniża temperaturę progu kruchości stali. Wpływa na dobrą hartowność stali a zwłaszcza w obecności chromu i molibdenu. W stalach narzędziowych do pracy na gorąco nikiel zwiększa ciągliwość i hartowność.

e). Mo: intensywnie zwiększa hartowność stali dużo bardziej niż chrom czy wolfram. Znacznie zmniejsza kruchość stali występującą przy wysokim odpuszczaniu, zwiększa odporność stali na ścieranie. W stalach martenzytycznych, ferrytycznych i austenitycznych zwiększa odporność na korozje.

f). W: Pierwiastek węglikotwórczy. Dodatek wolframu czyni stal bardzo odporną na odpuszczanie co powoduje że zachowuje ona własności mechaniczne. Zawartość bardzo twardych i trwałych węglików wolframu uodparnia stal na ścieranie i zużycie, nadając stalom narzędziowym wysoką zdolność skrawania i odporność ostrza na ścieranie. 

g). Co: pierwiastek austenitotwórczy, nie tworzy węglików, zmniejsza hartowność stali. Podwyższa odporność na odpuszczające działanie wysokich temperatur. Narzędzia wykonane ze stali zawierających kobalt są bardzo trwałe i odporne na ścieranie

• granica plastyczności R_e - to naprężenie, po osiągnięciu którego występuje wyraźny wzrost wydłużenia rozciąganej próbki bez wzrostu lub nawet przy spadku obciążenia.

• wytrzymałość na rozciąganie R_m – jest to stosunek największej siły F_m przenoszonej przez próbkę do początkowego pola S_o przekroju próbki. Dla stali zwykłej jakości wynosi ok. 400 Mpa.

• naprężenie rozrywające Ru – jest to stosunek siły F_u, przy której następuje zerwanie próbki, do pola S_uprzekroju próbki w miejscu zerwania.

 

 

•  umowna granica sprężystości R_0,05 – jest to naprężenie wywołujące w próbce wydłużenie trwałe równe 0,05% początkowej długości pomiarowej l.

• umowna granica plastyczności R_0,2 – to naprężenie wywołujące w próbce wydłużenie trwałe równe 0,2% początkowej długości pomiarowej l.

• wydłużenie jednostkowe – zależy od kształtu próbki, a szczególnie od stosunku jej długości do przekroju poprzecznego. Dla stali niskowęglowych wydłużenie wynosi ok. 25%

• przewężenie względne – im większa jego wartość tym bardziej odkształcony jest materiał. Dla stali o małej zawartości węgla przewężenie wynosi ok. 65%.