MATERIAŁOZNAWSTWO - LABORATORIUM

POMIAR TWARDOŚĆI

Twardość jest jedną z tych właściwości, których nie można jednoznacznie zdefiniować w oparciu o znane wielkości fizyczne. W praktyce inżynierskiej przez twardość rozumie się odporność na odkształcanie plastyczne przy oddziaływaniu skupionego nacisku w postaci ściśle określonego wgłębnika.

Pomiary twardości są wykorzystywane w:

• kontroli wyników procesów technologicznych obróbki plastycznej, obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej,

• kontroli jednorodności materiału,

• szybkiego sortowania gatunków lub stanu materiału,

• przybliżonej oceny wytrzymałości na rozciąganie niektórych materiałów.

Metody pomiaru twardości ze względu na charakter oporu stawianego przez materiał podczas próby, można podzielić na:

• statyczne – oparte na statycznym wciskaniu wgłębnika (metody Rockwella, Brinella, Vickersa, Knoopa)

• dynamiczne – oparte na udarowym działaniu wgłębnika (metoda Poldi, Shore’a)

• ryskowe – twardość jest określana w oparciu o wymiary rysy otrzymywanej w wyniku przesuwania się po powierzchni materiału ostrego i twardego wgłębnika z ściśle określonym dociskiem.

Najczęściej rozpowszechnionymi metodami pomiaru twardości są metody statyczne.

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 - skale A i C lub kulki stalowej o średnicy 1,5875 mm (1/6”) - skale B i F. Trwały przyrost głębokości odcisku zmierzony czujnikiem, jest miarą twardości w skali C, A - w przypadku stosowania stożka diamentowego oraz w skali B, F – w przypadku stosowania kulki.

Wielkości obciążeń dla metody Rockwella przedstawiono w tabeli 1.

Zasada pomiaru twardości

Pod wpływem obciążenia wstępnego wynoszącego dla czterech głównych skal 98 N wgłębnik wgłębia się w badany materią na głębokość ho. Celem obciążenia wstępnego jest wyeliminowanie błędów wynikających z przylegania nie obciążonego wgłębnika do powierzchni metalu oraz z odkształcenia sprężystego. Po przyłożeniu obciążenia głównego wgłębnik wciskany z siłą F0 +F1 zagłębia się na głębokość h. Po upływie określonego okresu czasu (na ogół 26 s) następuje odciążenie obciążenia głównego i pozostawienie obciążenia wstępnego Fo.

Po usunięciu obciążenia głównego F1, na skutek właściwości sprężystych badanego materiału zmniejsza się trwałe zagłębienie wgłębnika osiągając wartość e

Rys. 1. Schemat pomiaru twardości metodą Rockwella z wykorzystaniem stożka diamentowego

Rys. 2. Schemat pomiaru twardości metodą Rockwella z wykorzystaniem kulki

Trwały przyrost głębokości odcisku e przyjmuje się do wyznaczenia twardości Rockwella wg wzoru:

$$\mathbf{\text{HR}}\mathbf{\ =}\frac{\mathbf{K}\mathbf{-}\mathbf{e}}{\mathbf{C}}\mathbf{\ }$$

gdzie:

K – wartość stała wynosząca: 0,2 mm – dla stożka diamentowego, 0,26 mm – dla kulki,

e – trwały przyrost głębokości odcisku,

C - wartość jednostki odczytowej wynosząca 0,002 mm.

Wyznaczona w ten sposób wartość twardości jest wielkością niemianowaną.

Oznaczenie twardości w metodzie Rockwella składa się:

• z liczby określającej wartość twardości,

• znaku HR oraz symbolu skali (A, C, D, F).

Przykładowe oznaczenie twardości: 38 HRC - dla stożka lub 60 HRB dla kulki.

Skalę C i A (stożek diamentowy) stosuje się dla stali węglowych i stopowych w stanie zahartowanym i ulepszonym cieplnie oraz dla innych stopów o twardości 20-67 HRC oraz 60-90 HRA,

Skalę B i F (kulka) stosuje się dla stali węglowych i stopowych w stanie zmiękczonym lub normalizowanym oraz dla stopów metali nieżelaznych o twardości 35-2100HRB oraz 60-100 HRF.

Zasady pomiaru twardości metodą Rockwella reguluje norma PN-EN ISO 6508-1:2002.

Zalety:

Metoda Rockwella jest bardzo wygodną do kontroli części hartowanych przy masowej produkcji, ze względu na szybkość pomiaru oraz łatwość odczytu na czujniku.

Wady:

Wadą metody Rockwella jest znaczna liczba skal twardości i ograniczone możliwości ich porównywania. Metoda ta jest bardzo wrażliwa na błędy ustawienia próbki oraz właściwą obsługę twardościomierza.

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. Celem zapewnienia dokładności pomiarów oraz potwierdzenia, że odcisk stanowi sferę kuli, średnicę powstałego odcisku określa się jako średnią z dwu prostopadłych kierunków.

Wartość twardości oblicza się ze wzoru:

$$\mathbf{\text{HB}}\mathbf{\ =}\frac{\mathbf{F}}{\mathbf{S}}\mathbf{\ =}\frac{\mathbf{2}\mathbf{F}}{\mathbf{D}\mathbf{(}\mathbf{D}\mathbf{-}\mathbf{D}\mathbf{2}\mathbf{-}\mathbf{d}\mathbf{2}\mathbf{)}}\mathbf{\ }$$

Do pomiaru stosowane są kulki o średnicy D - 10, 5, 2,5, 2 i 1 mm.

Ze względu na możliwość stosowania kilku kulek oraz różnych wartości siły obciążającej, w celu możliwości porównywalności wartości twardości należy tak dobierać warunki próby aby była spełniona zależność:

 F  =  9,8 KD₂

gdzie:

K – współczynnik obciążenia wynoszący 1, 2,5, 5, 10, 15, 30.

Wartość współczynnika K winna być tak dobierana aby średnica czaszy kulistej trwałego odcisku d mieściła się w zakresie (0,250,6)D.

Metoda Brinella jest stosowana do określania twardości stopów żelaza i metali nieżelaznych do twardości ok. 650 HB.

Oznaczenie twardości Brinella składa się z cyfrowo-literowego ciągu znaków zawierającego:

• wartość twardości (trzy cyfry znaczące),

• symbol HB lub HBW – dla kulek z węglików spiekanych,

• indeks wskazujący przyjęte warunki próby, obejmujący;

• średnicę kulki w mm,

• wartość siły obciążającej w kG,

• czas działania siły obciążającej w sekundach (jeśli jest inny niż 10 ÷ 15s).

Przykładowe oznaczenie twardości: 350 HBW 10/100/30.

Wartości twardości mogą być porównywane między sobą, w przypadku stosowania tej samej wartości współczynnika K.

Metoda Brinella znalazła szerokie zastosowanie w praktyce przemysłowej ze względu na dobrą powtarzalność wyników. Stosuje się ją głównie do pomiaru twardości stali w stanie normalizowanym, zmiękczonym, lub ulepszonym cieplnie.

Zalety:

Powierzchnia badanego przedmiotu powinna być płaska i gładka, oczyszczona ze zgorzeliny.

Zaletą tej metody jest to, że dla wielu materiałów wytrzymałość na rozciąganie jest wprost proporcjonalna do twardości Brinella. Metody tej nie można stosować do pomiarów twardości materiałów o niewielkich wymiarach, warstw powierzchniowych oraz materiałów twardych.

Zasady pomiaru twardości metodą Brinella określa norma PN-EN ISO 6506

Przykłady metali i ich twardości w skali Brinella
Materiał
cyna, ołów, stop łożyskowy
aluminium, stop łożyskowy
miedź, magnez, cynk, stop łożyskowy
żeliwo, stopy miedzi, stopy aluminium, nikiel
stal, żeliwo

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 α =  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 (rys. 3).

Rys. 3. Schemat pomiaru twardości metodą Vickersa

Twardość w metodzie Vickersa określana jest ze wzoru :

$$\mathbf{\text{HV}}\mathbf{\ =}\frac{\mathbf{F}}{\mathbf{S}}\mathbf{\ = \ }\mathbf{1}\mathbf{,}\mathbf{854}\frac{\mathbf{F}}{\mathbf{d}\mathbf{2}}\mathbf{\ }$$

Zapis twardości obejmuje:

• wartość liczbową określającą twardość,

• symbol HV,

• liczbę określającą siłą obciążającą (w kG) oraz czas działania siły jeśli jest inny niż 10 ÷ 15s

Przykładowe oznaczenie twardości: 780 HV10/20.

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. W metodzie tej podobnie jak w metodzie Brinella wartość twardości można powiązać z wytrzymałością na rozciąganie.

Zasady pomiaru twardości metodą Vickersa określa norma PN-EN ISO 6507

Zalety:

Jednoznaczność oznaczeń z metoda Brinella do 300dN/mm². Stosuje się jedna skale porównywalna w całym mierzonym zakresie makrotwardości bez względu na wielkość obciążenia. Nadaje się do pomiarów twardości bardzo małych przedmiotów, jak również cienkich warstw utwardzonych. Nadaje się do pomiarów zarówno metali miękkich jak i twardych. Duża dokładność pomiarów

Wady:

Konieczność starannego oczyszczenia badanej powierzchni. Nie nadaje się do pomiarów twardości materiałów o strukturze gruboziarnistej i niejednorodnej.