Twardość jest własnością mechaniczną materiału określaną, jako odporność materiału na odkształcenia trwałe pod wpływem sił skupionych działających prostopadle na małą powierzchnie materiału.
Wyróżniamy następujące metody do pomiaru twardości:
- metoda Brinella
- metoda Rockwella
- metoda Vickersa
- metoda Shore’a
- metoda z zastosowaniem młotka Poldi
Najczęściej stosowane są metody Brinella, Rockwella i Vickersa.
Metoda Brinella
Metoda Brinella polega na wgniataniu pod obciążeniem F, przez określony czas, kulki o średnicy D, w płaską dostatecznie gładką powierzchnię, oraz na zmierzeniu średnicy odcisku kulki d pozostałego na powierzchni badanego przedmiotu.
Twardość wg Brinella jest to iloraz siły obciążającej przez powierzchnię boczną odcisku S, która ma kształt czaszy kulistej.
HB=$\frac{F}{S} = 0,102*\frac{2F}{\text{πD}(D - \sqrt{D^{2} - d^{2})}}$
gdzie:
F- siła w N (współczynnik 0.102 wynika z przeliczenia siły w N na siłę w kG)
S- powierzchni w mm2
Zwiększanie nacisku powinno odbywać się w sposób płynny i bez wstrząsów aż do osiągnięcia żądanej siły obciążenia. Kulki mogą być stalowe lub z węglików spiekanych. Kulki stalowe stosuje się do mierzenia twardości materiałów do 450 HB, a kulki z węglików spiekanych do mierzenia twardości materiałów do 600HB. Zależnie od rodzaju badanego materiału stosuje się kulki o średnicy 10, 5, 2.5, 2 lub 1 mm
Oznaczenie twardości.
W przypadku twardości powyżej 350HB należy w zapisie uwzględnić materiał kulki (HBS- kulka stalowa, HBW- kulka z węglika spiekanego) i o ile pomiar nie został przeprowadzony przy standardowych parametrach D=10mm, F=29420 N, i t=10s, należy określić kolejno:
- średnicę kulki ( D [mm])
- siłę obciążenia ( 0.102*F [N])
- czas działania siły obciążającej ( t [s])
Przykład:
185 HB- oznacza twardość 185 HB zmierzona kulką 10mm przy obciążeniu 29420N (3000kG) działającym 10s.
417 HBW 2.5/31.25 – twardość 417 HB zmierzona kulką węglikową 2.5mm przy obciążeniu 306.5 N (31.25 kG) działającym 10s
Pomija się podawanie tych parametrów, które mają wartości zaliczane do standardowych.
Zalety metody:
-możliwość pomiaru twardości stopów niejednorodnych np. żeliwa, stopów łożyskowych. Jedna skala twardości.
Wady:
- dosyć złożona procedura pomiaru
- mała przydatność do pomiarów warsztatowych
- nieprzydatność do pomiaru materiałów kruchych i drobnych, cienkich warstw utwardzanych oraz powierzchni niepłaskich
- duży ślad pomiaru na powierzchni badanej oraz stosunkowo duża powierzchnia potrzebna do dokonania odcisku
Metoda Rockwella
Metoda Rockwella polega na wciśnięciu wgłębnika diamentowego w postaci stożka w próbkę o twardości w zakresach przewidzianych skalami A, C, D lub wgłębnika stalowego w postaci kulki w próbkę o twardości w zakresach przewidzianych skalami B, E, F, G, H, K.
Technika pomiaru polega na dwuetapowym wciskaniu wgłębnika, najpierw pod działaniem siły wstępnej F0 , a następnie siłą główną F, w badaną próbkę przy określonych warunkach obciążenia.
Miarą twardości w tej metodzie jest głębokość trwałego odkształcenia w materiale spowodowana wgłębnikiem pod działaniem odpowiedniej siły.
Czujnik zegarowy mierzy głębokość zagłębiania z dokładnością 0.002 mm. Wskazania czujnika wyrażone w działkach , gdy głębokość e’ jest wyrażona w mm wynoszą:
e=e’/0.002
Aby uniknąć odwrotności oznaczania twardości w metodzie Rockwella (mniejsze wgłębienie oznaczało by mniejszą twardość) przyjęto umownie, że wynik pomiaru będzie wyrażony następująco:
HR=E-e, czyli HR= E- (e’/0.002)
Stałe E w przypadku stożka diamentowego wynosi 100, a w przypadku kulki stalowej 130.
Stożek diamentowy stosowany w tej metodzie ma promień zaokrąglenia wierzchołka 0,2mm
Zalety:
- możliwość pomiaru materiałów miękkich i twardych oraz drobnych przedmiotów w przeciwieństwie do Brinella
- duża szybkość pomiarów umożliwiająca stosowanie metody do pomiarów warsztatowych
- prosta obsługa aparatu i prosty pomiar
- odciski są stosunkowo małe i w wielu przypadkach są dopuszczalne na powierzchniach pracujących
- pomiaru można dokonać nie tylko na płaskich powierzchniach
Wady:
- dużo źródeł powstania błędów przez pomiar głębokości odcisku
- duża liczba skal umownych dlatego istnieje konieczność porównywania wyników za pomocą tabel
- niemożność pomiaru twardości cienkich przedmiotów i bardzo cienkich warstw nawęglanych, azotowanych itp.
- duży wpływ nieprawidłowego ustawienia przedmiotu na wynik pomiarów.
Metoda Vickersa
Metoda Vickersa polega na wciskaniu w badany materiał regularnego czworokątnego ostrosłupa diamentowego o kącie dwusiecznym α= 136˚, wierzchołek ostrosłupa powinien być ostry, ściśle wypolerowany, bez skaz. Twardością Vickersa nazywamy stosunek siły nacisku F do pola powierzchni bocznej odcisku S.
HV= F/S
Pole powierzchni odcisku S oblicza się ze wzoru na pole powierzchni bocznej ostrosłupa czworokątnego:
S= 2 / sin 2 2 d
gdzie d- średnia arytmetyczna obu przekątnych odcisku w mm.
Standardowe parametry podczas wykonywania pomiaru to obciążenie 294N (30kG), a czas działania obciążenia powinien wynosić 10-15 s, w przypadku innych parametrów powinny być one podane przy symbolu jednostki twardości Vickersa HV:
540 HV- twardość 540, zmierzona przy obciążeniu 294 N w czasie działanie obciążenia
10-15s
540/HV20/30- twardość 540, zmierzona przy obciążeniu 196N (20kG x 9.807=196 N) w czasie działania obciążenia 30 s.
Zalety:
- zgodność liczbowa HV i HB do 250 HB
- stosuje się jedną skalę porównawczą w całym zakresie pomiarowym
- nadaje się do pomiaru zarówno twardych jak i miękkich materiałów
- można mierzyć twardość małych przedmiotów jak i warstw utwardzonych
- pomiar twardości praktycznie nie zniszczy powierzchni
Wady:
- konieczność stosowania oczyszczonej powierzchni
- nie nadaje się do pomiaru twardości materiałów niejednorodnych
- długo trwający i skomplikowany pomiar
- skomplikowana aparatura pomiarowa wymaga fachowej obsługi
- mała wydajność
Młotek Poldi
Zasada pomiaru młotkiem Poldi jest zbliżona do metody Brinella. Pomiar polega na jednoczesnym wgniataniu kulki o średnicy 10 mm w materiał badany i próbkę wzorcową. Oznaczając wskaźnikiem 1 wielkość dotyczącą próbki wzorcowej i wskaźnikiem 2 badanego przedmiotu otrzymamy:
HB2=k*HB1
Wartość współczynnika k w zależności od d1 i d2 (średnice wgłębień w materiale) odczytujemy z odpowiednich tablic.
Gdy znamy twardość HB1 płytki wzorcowej oraz zmierzymy średnice d1 i d2 możemy obliczyć twardość HB2.
Skleroskop Shore’a.
Pomiar twardości tą metodą polega na pomiarze wysokości odbicia swobodnie spadającego ciężaru (0.0257N), który spada z wysokości 257 mm. Wysokość ta jest podzielona na 100 elementarnych działek. Liczba działek, na których wysokość podskoczy ciężarek jest miarą twardości skleroskopowej. Pomiar ten jest pomiarem porównawczym, nadaje się do oceny twardości takich materiałów, w których uzyskanie odcisku jest niemożliwe (np. guma).