Twardość jest to własność wytrzymałościowa materiału czyli jedna z własności mechanicznych ( własność cech związanych ze zdolnością metali do przenoszenia obciążeń (odkształceń sprężystych i niesprężystych).
Za miarę twardości przyjmuje się opór z jakim mierzone ciało przeciwstawia się wciskaniu w nie innego ciała. Zgodnie z tym używa się w najczęściej stosowanych metodach twardego ciała (penetratora) wciskanego prostopadle w próbkę . Pod wpływem penetrowania powstaje trójosiowy stan naprężeń. Powoduje to, że np.: w hartowanej stali (materiał kruchy) powstaje trwały docisk bez pęknięć. W materiałach miękkich zaś uzyskane odkształcenie powraca do stanu poprzedniego.
Wynik pomiaru określony jest tylko przez jeden pomiar tzw. liczbę twardości. Zależna ona jest od metody pomiaru tak więc koniecznością jest podawanie nazwy metody oraz parametrów pomiaru. Wyróżniamy kilka metod pomiarowania różniących się między sobą kształtem:
-kula
-stożek
-ostrosłup,
materiałem penetratora:
-stal hartowana
-węgliki spiekane
-diament
jak również wielkością obciążenia
- 0,002—30000N
oraz charakterem pracy:
-statyczna (Brinella, Rockwella, Vickersa)
-dynamiczna (Shora)
W tym sprawozdaniu do czynienia będziemy mieli z badaniami dynamicznymi.
Metoda Brinella
Metoda ta polega na wciskaniu kulki stalowej (pomiar twardości do wartości 400HB), bądź z węglików spiekanych (twardość powyżej 400HB) o średnicy od 1 do 10mm w badany materiał siła: 30kN, 10kN, 7,5kN, 5kN, 2,5kN nacisk ten powoduje wgłębienie. Twardość Brinella jest to stosunek siły nacisku do pola powierzchni tego wgłębienia: HB = P/A, czyli jest to średnie ciśnienie na penetrator [kg/mm2]. Pole powierzchni odcisku to:
HB = [D(D – (D2 – d2)1/2] / 2, gdzie D – średnica penetratora, d – średnica odcisku.
Czyli twardość HB = 2P / [D(D – (D2 – d2)1/2]
Aby pomiar był dokładniejszy należy przyjąć penetrator taki aby stosunek średnicy wgłębienia i średnicy kulki (d / D) powinien być w granicach 0,4. Jeżeli jest 0,25 – 0,7 pomiar prawidłowy ale mniej dokładny.
Kolejnym warunkiem jaki powinien być spełniony aby pomiar był prawidłowy to odpowiednia wielkość współczynnika podobieństwa geometrycznego(n) (zmianie kulki powinna odpowiadać zmiana nacisku na odpowiedni ), czyli równanie:
P1 / (D1)2 = P2 / (D2)2=n
Nacisk F powinien być odpowiednio dobrany do średnicy kulki i twardości materiału według wzoru F=n*d2 czyli wartość współczynnika n odpowiedni dla badanego materiału:
n=30 metali p. twardości HB większej niż 100 kg/mm2
n=10 metale o twardości HB od 100 do 35 kg/mm2
Czas działania jest znormalizowany i zależy od twardości:
10 – 15s stal
30s HB od 100 do 30 kg/mm2
60s HB mniej niż 30 kg/mm2
minimum 1 dla twardości HB większej od 100 kg/mm2
minimum 2 HB od 100 do 30 kg/mm2
minimum 5 dla twardości HB mniejszej niż 30 kg/mm2
Podczas wykonywania pomiaru należy pamiętać aby proces przebiegał wolno i bez uderzeń w ciągu nie mniejszym niż 10s. Zaznaczyć także trzeba , że podczas badania tej samej próbki przy różnych obciążeniach i jednakowej średnicy kulki, jak również przy stałym obciążeniu i przy różnych średnicach kulek otrzymujemy różne twardości wg Brinella. Oznacza to że twardość wg Brinella zależy od obciążenia.
Metoda Rockwella
Ta metoda również polega na prostopadłym wciskaniu penetratora w badany materiał. Jednak jako penetrator stosuje się w zależności od skali stożek diamentowy (120) lub kulkę stalową ( 1/16, 1/8, 1/4, ˝ cala) Twardość materiału jest badana na podstawie głębokości na jaką penetrator wejdzie w materiał. Nie jest jednak konieczne ręczne mierzenie głębokości gdyż aparat służący do pomiaru wyposażony jest w zegar (manometr), który od razu pokazuje twardość (działka zegara to 0,002mm). Przy tym badaniu stosujemy obciążenie wstępne (100N = 10kG) dopiero po tym dodajemy obciążenie zasadnicze - stosowane obciążenia to 600N, 1000N, 1500N. Odległość środka odcisku kulki lub stożka od środka sąsiedniego odcisku powinna wynosić minimum 3 mm. Dużym plusem tej metody jest możliwość badania małych przedmiotów oraz stosunkowo prosta metoda. Uniedogodnieniem natomiast jest to, iż tą metodą nie można badać próbek bardzo cienkich lub warstw oraz wpływ niedokładnego ustawienia przedmiotu i jego zanieczyszczenie. W celu uniknięcia niektórych wyróżniamy:
-skala C ; w której jako penetratora używa się stożka diamentowego zaokrąglonego promieniem 0,2 mm. Wartość tego promienia określona została jako wartość graniczna zagłębienia, zaś odległość od 0,2 od 0 odpowiada 100 jednostkom HRC. Tak więc jeżeli stożek wnika głębiej niż 0,2 mm to dla takiej próbki nie można odczytać twardości HRC (dla materiałów o twardości mniejszej niż 160 HB ).Normy zalecają stosować skalę C tylko w zakresie 20—67 HRC (stosujemy do badania stali zahartowanych),
-skala B ; stosuje się wyłącznie wtedy gdy twardość jest mniejsza niż 160 HRC (zmieniamy skalę na B-HRB). Penetratorem tu natomiast jest hartowana kulka stalowa o średnicy 1/16 cala. Przebieg pomiaru przeprowadzany jest zasadniczo tak samo jak wg skali C, przyjęto inną natomiast graniczną wartość HRB która wynosi 0.Głębokość zagłębiania się 0,26 mm , a odległość między 0,26 a 0 odpowiada 130 jednostek HRB.W tym przypadku normy zalecają stosować tą skale w zakresie 35—100 HRB.
-skala A dla cienkich, bardzo twardych taśm stalowych i spieków
-skala F dla miękkich metali i stopów o twardości mniejszej niż 35 HRB
-skala D, E, G, H, K
Grubość próbki nie może być mniejsza niż ośmiokrotność zagłębienia.
Metoda Vickersa
Tej metody używamy przy badaniu materiałów bardzo twardych (powyżej 400HB).Polega ona na prostopadłym wciskaniu diamentowej piramidki o kącie rozwarcia przeciwległych ścian 136. Stosuje się następujące obciążenia: 5 kg, 10 kg, 20 kg, 30 kg, 50 kg, 100 kg, 120 kg, przy czym dla materiałów bardzo twardych HV>500 kg/ mm2 obciążenie nie powinno być większe niż 50 kg. Nacisk dla tych materiałałów powinien wynosić około 15s. Pomiar twardości przeprowadzany jest jednak bardzo podobnie do próby Brinella. Wartość liczbową twardości Vickersa to stosunek siły do pola odcisku:
HV = [2P sin(136/2)] / d2 = 1,854 P/d,
Gdzie: d – przekątna odcisku (odczyt z mikroskopu), P – siła nacisku.
Należy pamiętać, że wynik bliższy jest rzeczywistości gdy odległość od środka odcisku do krawędzi wynosić minimum 2,5 d.
Czas działania powinien wynosić:
10 – 15s dla stali i żeliwa,
30 – 35s dla innych