Wykonał:
wydział Mechanika i budowa maszyn	rok akademicki 2010/2011
Temat : Metody pomiaru twardości.
^data wykonania 01.06.2011	^data zaliczenia

Twardością nazywamy opór przeciw wciskaniu w badany materiał odpowiednio dobranego wgłębnika, którym może być kulka, stożek lub ostrosłup. Ponieważ w materiałach metalowych istnieje korelacja między sprężystością i twardością, wykorzystuje się również do pomiaru metodę sprężystego odbicia (Shore’a). Pomiary twardości znalazły powszechne zastosowanie w przemyśle do kontroli jakości materiału ze względu na ich prostotę, jak również na fakt, że istnieje na ogół ścisła korelacja między twardością materiału i jego wytrzymałością i na przykład dla stali węglowych konstrukcyjnych w stanie znormalizowanym R_m = (0,34-36) HB.

Poza tym pomiary twardości są nieniszczące i nie wymagają pracochłonnego przygotowania próbek. Większość metod badania twardości należy do statycznych, to znaczy następuje powolne wciskanie wgłębnika przy działaniu siły stałej lub stopniowo wzrastającej do określonej wartości, ale jest również znana metoda dynamiczna, polegająca na wciskaniu wgłębnika przez uderzenie. Do metod statycznych należą metody Brinella , Rockwella, Vickersa, a dynamiczną jest metoda Poldi.

1. Metoda Brinella

W 1910 roku została opracowana przez Brinella stosowana powszechnie do dnia dzisiejszego 

metoda pomiaru średnich twardości ( rys.1.1 ). 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 zależny od twardości, przyjmujący wartości:

K = 30 dla 96 ÷ 650 HB (stal), żeliwo >140HB, miedź i stopy >200HB,

K = 15 dla 50 ÷ 325 HB,

K = 10 dla 32 ÷ 200 HB,

K = 5 dla 16 ÷ 100 HB,

K = 2,5 dla 8 ÷ 50 HB,

K = 2 dla 4 ÷ 25 HB,

K = 1 dla 3,2 ÷ 20 HB,

Przy właściwym doborze siły średnica docisku d powinna mieścić się w zakresie

0,25D ≤ d ≤0,6D

Rys.1.1.Sposób wgniatania kulki podczas pomiaru

twardości metodą Brinella.

Liczba twardości jest określona jako stosunek siły do powierzchni czaszy odciśniętej w materiale πDh, gdzie h jest głębokością odcisku, i wynosi

$$h = \frac{1}{2}\left\lbrack D - \sqrt{\left( D^{2} - d^{2} \right)} \right\rbrack$$

Stąd

$$HB = \frac{0,102 \times 2F}{\text{πD}\left\lbrack D - \sqrt{\left( D^{2} - d^{2} \right)} \right\rbrack}$$

Gdzie: F w N, D i d w mm.

Granicą stosowalności metody Brinella jest twardość 450 HB, gdyż przy większej twardości następuje już duży błąd związany z odkształceniem kulki. Stosując kulki z węglików spiekanych, można mierzyć twardość do HBW ≈ 650. W przypadku kulki stalowej stosuje się symbol HBS, a w przypadku kulki z węglików spiekanych – symbol HBW.

Wadą metody Brinella jest konieczność pomiaru średnicy nacisku za pomocą lupy lub mikroskopu, ale zostały skonstruowane aparaty, w których obraz odcisku w dużym powiększeniu jest rzutowany na ekran z podziałką, co umożliwia bezpośredni odczyt jego średnicy. Liczbę twardości odczytuje się z odpowiednich tablic. Twardość Brinella zapisuje się następująco np. 250 HB.

Schemat twardościomierza Brinella:
1 - manometr, 2 - zawór, 3 - cylinder roboczy, 4 - tłok,
5 - wgłębnik, 6 - próbka, 7 - stolik przedmiotowy,
8 - śruba, 9 - kółko podnoszenia, 10 - pompka, 11 - filtr,
12 - rurka, 13 - jarzmo, 14 - trzpień obciążników,
15 - sprężyna, 16 - zawór kolkowy, 17 - zawór bezpieczeństwa,
18 - zbiornik, 19 - obciążniki

2. Metoda Rockwella

W metodzie tej jako wgłębnika używa się kulki stalowej o średnicy 1/16 cala (1,588mm) lub stożka diamentowego o kącie rozwarcia 120˚ i promieniu zaokrąglenia r = 0,2mm.

W zależności od twardości materiału dobiera się rodzaj wgłębnika i twardość odczytuje się na odpowiedniej skali. Do badania stali w stanie zahartowanym ( o twardości HB>400) używa się stożka, a twardość odczytuje się na skali czarnej C. Do materiałów miękkich stosuje się kulkę i twardość odczytuje na skali B(czerwonej). Skale te są przesunięte o 30 podziałek. Obciążenie całkowite przy stożku wynosi 1471 N (150kG), a przy kulce 981 N (100kG), przy czym najpierw daje się obciążenie wstępne F₀ równe 98N (10kG), a po ustawieniu czujnika na 0 dla skali czarnej lub 30 dla skali czerwonej obciążenie dodatkowe F₁ równe 1373 N (140kG) lub 883 N (90kG). Miarą twardości jest głębokość wniknięcia wgłębnika, przy czym jednej podziałce odpowiada zagłębienie wgłębnika o 0,002mm. Aby liczba twardości rosła z twardością materiału, zmiany zagłębienia wgłębnika liczy się od hipotetycznej płaszczyzny pod powierzchnią próbki X, która dla stożka jest odległa o 0,20mm, a dla kulki o 0,26mm.

Przebieg pomiaru : faza 1 - obciążenie wstępne F0, ustawienie czujnika, faza 2 - obciążenie robocze FO+F1, powstaje trwałe odkształcenie; faza 3 - odciążenie do obciążenia wstępnego F0, odczyt twardości ze skali czujnika w jednostkach HRB

Pomiar twardości metodą Rockwella jest szybki, a poza tym wgłębnik pozostawia na powierzchni prawie niewidoczny ślad. Ostatnio wprowadzono dodatkowe kulki 2/16 cala i obciążenie 589 N (60kG). W zależności od rodzaju wgłębnika i obciążenia stosuje się skale: A, B, C, D, E, F, G, H, K.

Twardość Rockwella zapisuje się następująco:

np. 80 HRB, 45HRC

Twardościomierz Rockwella

3. Metoda Vickersa.

W metodzie wgłębnikiem jest diamentowy ostrosłup o kącie dwuściennym 136˚, który jest wciskany siłą 49, 98, 196, 294, 490, 981 (odpowiednio 5, 10, 20, 30, 50, 100 kG). Liczbę twardości obliczamy jako stosunek siły i nacisku F (w N) do pola powierzchni odcisku A (w mm²)

$$HV = \frac{F}{A} = 0,102\frac{2F\sin\frac{\pi}{2}}{d^{2}} \approx 0,1891\frac{F}{d^{2}}$$

gdzie: d — średnia arytmetyczna obu przekątnych odcisku, a — kąt dwuścienny równy 136°.

Pomiaru d dokonuje się za pomocą mikroskopu wbudowanego zwykle w aparat. Mikroskop jest wyposażony dodatkowo w licznik, zapewniający bezpośredni odczyt. Liczba twardości nie zależy od zastosowanego obciążenia, gdyż odciski wykazują podobieństwo geometryczne. Twardość Vickersa zapisu­je się następująco: np. 1100 HV.

Metoda ta nadaje się szczególnie do pomiaru bardzo twardych powierzchni np. hartowanych, nawęglanych, azotowanych lub metalizowanych 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 papierach, a nawet polerowana.

Na metodzie Vickersa są oparte niektóre systemy pomiaru mikrotwardości.

Twardościomierz mierzący w skali Vickersa i Brinella

4. Metoda Poldi.

Należy do metod dynamicznych. Pomiaru dokonuje się za pomocą tzw. Młotka Poldi, którego schemat znajduje się poniżej.

Kulka stalowa 2 o średnicy D = 10 mm z jednej strony dotyka próbki 1, z drugiej zaś płytki wzorcowej 3 o znanej twardości HB_w. Przez uderzenie młotkiem w trzpień 4, dociskany sprężyną do płytki wzorcowej, powstają odciski zarówno na próbce, jak i płytce przy tej samej energii uderzenia.

Wtedy

HB_p = k × HB_w

Gdzie: p – próbka, w – wzorzec, k – współczynnik zależny od wielkości odcisków na próbce (d_p) i płytce wzorcowej (d_w).

$$k = \frac{D - \sqrt{D^{2} - d_{w}^{2}}}{D - \sqrt{D^{2} - d_{p}^{2}}}$$

Wartości współczynników k są obliczone i zestawione w tabelach dla różnych wartości d_w. Zaletą metody jest możliwość pomiaru twardości dużych i ciężkich elementów, jak również przy wysokich temperaturach ( ze względu na krótki czas styku wgłębnika z nagrzaną próbką). Wadą metody jest przybliżona wartość mierzonej twardości.

Przyrząd do badania twardości metodą Poldi wraz z materiałem wzorcowym

5. Skleroskop Shore’a

W niektórych przypadkach korzystnie jest stosować metodę odbiciową, gdyż nadaje się ona do pomiaru bardzo twardych powierzchni (np. walców hutniczych), a pomiar nie zostawia żadnych śladów, które mogłyby zapoczątkować pęknięcie. Miarą twardości jest wysokość odbicia bijaka spadającego ze stałej wysokości, którą odczytuje się na skali. Sprawdzenia wskazań skleroskopu Shore’a dokonuje się za pomocą płytek wzorcowych o znanej twardości.

Masa wgłębnika wynosi 2,6g.

Wysokość opuszczanie wgłębnika 270 mm.

Wgłębnik to odważnik zakończony rubinem.

6. Metoda Hanemanna

Mikrotwardością nazywamy twardość mierzoną przy bardzo małych obciążeniach (zwykle 0,01-3,43 N tzn. 1-350 G), dzięki czemu wielkość odcisku jest tak mała, iż można określać twardość poszczególnych składników strukturalnych.

Schemat twardościomierza Hanemanna

Ostrosłup diamentowy 1 jest przyklejony do soczewki obiektywu 2. Obciążenie reguluje się dociskiem obiektywu do próbki, co powoduje ugięcie sprężyn 3, które jest miarą siły działającej na wgłębnik. Wielkość ugięcia obserwuje się w okularze mikroskopu. Twardościomierz jest zakładany zamiast obiektywu. Ugięcie sprężyny powoduje przesunięcie plamki świetlnej na wewnętrznej skali 4, oświetlanej za pomocą pryzmatu 5, który jest sprzężony z obiektywem. Przed rozpoczęciem właściwych pomiarów należy najpierw wycechować przyrząd, co polega na nałożeniu na obiektyw odpowiedniego ciężarka i obserwacji wielkości ugięcia na skali. Po wykonaniu odcisku w wybranym miejscu próbki, twardościomierz wymienia się na zwykły obiektyw, a okular na okular pomiarowy i odczytuje wielkości przekątnych odcisku. Liczbę twardości odczytuje się ze wzoru:

$$HV = \frac{F}{A} = 0,102\frac{2F\sin\frac{\pi}{2}}{d^{2}} \approx 0,1891\frac{F}{d^{2}}$$

Mikrotwardość zapisuje się następująco: np. 400 HV 0,01, co oznacza liczbę twardości 400 przy obciążeniu 0,098 N (0,01kG) w czasie 10 – 15 s. Inną możliwością zapisu jest np. 300HV 0,1/30, co oznacza liczbę twardości 300 przy obciążeniu 0,98 N (0,1kG) w czasie 30 s.