1. Wstęp

Twardość jest miarą oporu, jaki wykazuje ciało przeciw lokalnym odkształceniom trwałym, powstałym na powierzchni badanego materiału wskutek wciskania weń drugiego twardszego ciała, zwanego wgłębnikiem lub penetratorem. Próba twardości jest jedną z bardziej rozpowszechnionych prób wytrzymałościowych, określających własności mechaniczne materiałów. Do jej rozpowszechnienia przyczyniły się nieskomplikowane urządzenia pomiarowe / twardościomierze /, prostota i szybkość pomiarów, nieniszczący charakter próby oraz możliwość orientacyjnego określenia innych własności wytrzymałościowych.
   

Próby twardości dzielimy na:
a/ statyczne / obciążenie wzrasta powoli od zera aż do pełnej wartości, do których zaliczamy metody Brinella, Rockwella, Vickersa,
b/ dynamiczne / obciążenie wywołane jest energią kinetyczną wgłębnika / - młotek Poldi, skleroskop Shore’a , wahadło Herberta, metoda zarysowania / Martensa /.

2. Opis poszczególnych metod statycznych pomiaru twardości

I. Metoda Brinella.

Pomiar polega na zagłębianiu w badany materiał penetratora w postaci. Wg. Normy PN-EN-ISO 6506:12002 stosuje się wyłącznie kulki z węglików spiekanych oraz oznaczenie HBW.
Czas działanie siły powinien wynosić od 10 do 60 sekund w zależności od rodzaju materiału i spodziewanej jego twardości.

Twardość Brinella obliczamy wg wzoru (1):

HB=$\frac{2 F}{\pi D(D\ - \sqrt{D^{2}\ \text{\ d}^{2}\ }\ )\text{\ \ \ \ }}$ (1)

gdzie: D- średnia średnica odcisku             

          d – średnica kulki

Pomiaru dokonuje się na twardościomierzu hydraulicznym. Zalety metody Brinella to: powtarzalność wyników, jedna skala twardości dla wszystkich materiałów, duża powierzchnia odcisku pozwalająca przeprowadzać pomiary stopów wielofazowych.

Wady to konieczność dokonywania pomiarów średnic odcisków i dalsze odczytywanie twardości z tablic, oraz niemożność stosowania tej metody do bardzo twardych próbek o małych wymiarach.

 

Rys. 1. Schemat obciążenia w metodzie Brinella

II. Metoda Rockwella.

 

Polega na dwustopniowym zagłębianiu penetratora w badany materiał i pomiarze głębokości trwałego odcisku przy danym obciążeniu. Parametry próby określa norma PN-EN-ISO 6508-1:2002. Jako penetratory stosuje się tu: stożek diamentowy o kącie wierzchołkowym 120^o(dla skali C i A) lub kulkę stalową o średnicy 1/16” (dla skali B i F).

Trwały przyrost głębokości mierzony jest w jednostkach e` i wyrażany w jednostkach odkształcenia trwałego równych 0,002mm zgodnie z równaniem:

e=$\frac{e1\ }{0,002\text{\ \ \ \ }}$ (2)

HR= K - $\frac{e1\ }{0,002\text{\ \ \ \ }}$ (3)

gdzie: K=100 (przy użyciu stożka), K=130 (przy użyciu kulki).

 

Twardościomierz Rockwella pozwala na bezpośredni odczyt twardości. Oznaczenie w zależności od skali np. 60HRC lub 98HRB.

Zaletą tej metody jest szybki pomiar zarówno materiałów miękkich jak i twardych, możliwość badania twardości cienkich taśm. Wadą jest nierównomierność skali twardości
i związane z tym trudności w porównaniu wyników uzyskanych w różnych skalach.

 

 

Rys. 2. Schemat obciążania w metodzie Rockwella

a) I faza pomiaru - zbliżenie próbki do wgłębnika,

b) II faza pomiaru - ustawienie obciążenia wstępnego F0,

c) III faza pomiaru - obciążenie całkowite F1+F0,

d) VI faza pomiaru - usunięcie obciążenia pomiarowego (nadal pozostaje obciążenie wstępne F0) i odczyt wyniku ze skali,

e) usunięcie obciążenia wstępnego i odsunięcie próbki od wgłębnika

III. Metoda Vickersa.

 

Pomiar twardości metodą Vickersa zawarty jest w normie PN-EN-ISO 6507-1:1999.

Penetratorem jest diamentowy ostrosłup o podstawie kwadratu o kącie pomiędzy przeciwległymi ścianami a=136°, przy obciążeniu z zakresu od 9,8 do 980N.

Miarą twardości w tej metodzie jest stosunek siły obciążającej F do pola powierzchni bocznej odcisku, obliczonej w funkcji średniej arytmetycznej wartości przekątnych d₁ i d₂.

Twardość Vickersa wyraża się zgodnie z równaniem:

 HV=0,189$\frac{\text{F\ }}{\ d^{2}\ }$ (4)

d=$\frac{d_{1} + d_{2}}{2}$ (5)

gdzie: d- średnia arytmetyczna przekątnych odcisku, [mm]

            F – siła obciążająca, [N]]

Odpowiednio do zastosowanego obciążenia stosuje się oznaczenia twardości od HV1 do HV100. Pomiary przeprowadza się na twardościomierzach z hydrauliczną regulacją szybkości obciążania wyposażonymi w mikroskop pomiarowy.

Zaletami tej metody są: możliwość stosowania jej zarówno do materiałów miękkich, jak i twardych, duża dokładność pomiaru, jedna skala dla całego zakresu twardości, możliwość badania zarówno cienkich warstw przypowierzchniowych, jak i dużych elementów. Metoda Vickersa, jako jedyna ze znormalizowanych metod nadaje się do pomiaru mikrotwardości.

 

Rys. 3. Schemat obciążenia w metodzie Vickersa

Zdjęcie przedstawiające próbkę po badaniu twardości

IV. Młotek Poldi.

 

Penetrator, którym jest kulka stalowa o średnicy 10mm obciążany jest dynamicznie.

Kulkę odciskamy w badanej próbce jak i w próbce wzorcowej, a następnie mierzymy średnice odcisków. Przy uwzględnieniu wielkości kulki i znanej wartości twardości próbki wzorcowej, wzór na twardość uzyskaną tą metodą ma postać:

HB=$\frac{10 - \sqrt{100 - D_{w}^{2}}}{10 - \sqrt{100 - d^{2}}}$·HB_w (5)

 

gdzie: D_w – średnica odcisku we wzorcu, d_w – średnica odcisku w badanej próbce,

           HB_w – twardość wzorca.

Twardość otrzymujemy w skali Brinella.

 

Rys. a. Schemat obciążenia w metodzie młotka Poldi

V. Metoda Shore`a.

 

Polega na pomiarze wysokości odbicia od powierzchni badanego materiału spadającego swobodnie z określonej wysokości stalowego obciążnika z diamentową końcówką.

 Metoda Shore’a (zwana często metodą skleroskopową Shore’a) jest najbardziej rozpowszechnioną dynamiczną metodą pomiaru twardości. Pomiar twardości jest oparty o zjawisko elastyczności materiału - polega na swobodnym spadaniu kulki wewnątrz szklanej rury i pomiarze wysokości, na jaką się odbije. Im wyższa wysokość odbicia tym twardszy jest materiał.
Metoda Shore'a polega na określaniu twardości próbki za pomocą pomiaru jej sprężystości, zaś odkształcenie trwałe materiału (odcisk) odgrywa tylko niewielką, pośrednią rolę. Przy pomiarze twardości skleroskopem Shore'a w nowszej konstrukcji bijak o masie m (najczęściej 20 g ), zakończony diamentowym zaokrąglonym ostrzem pomiarowym, opada pionowo, swobodnie, w prostopadle do mierzonej powierzchni ustawionej rurce, z wysokości h (najczęściej 112 mm). Przy uderzeniu bijaka w badany materiał część siły opadania, zależna od wielkości granicy sprężystości materiału, wywołuje powstanie niewielkiego trwałego odcisku. Pozostała część energii opadania zmienia się w odkształcenie sprężyste próbki i bijaka i jest po uderzeniu przyczyną odskoku bijaka od próbki w rurce. Im twardsza jest próbka, tym większa jest wysokość odskoku bijaka. W zazwyczaj stosowanych

skleroskopach Shore'a skala jest podzielona na 130 równych części (nie w mm). Do celów porównawczych stosuje się niskostopową próbkę zahartowanej stali eutektoidalnej, która ma twardość wg Shore'a 100 (jednostek skali odskoków).

Literatura

1. Ashby M. F., Jones D. R. H. – Materiały inżynierskie. WNT Warszawa 1996

2. Blicharski M. – Wstęp do inżynierii materiałowej. WNT Warszawa 2001

3. Dobrzański L. – Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach. WNT Warszawa

1998