Pomiar twardości
Klasyfikacja
- statyczne próby twardości - podczas których opór materiału spowodowany działaniem obciążenia statycznego jest związany z odkształceniem plastycznym
-dynamiczne próby twardości - podczas których opór materiału wywołany jest działaniem obciążenia udarowego jest związany z odkształceniem sprężystym lub plastycznym
- próby zarysowania - opór materiału związany z zarysowaniem
- próby twardości - o których decyduje ścieralność
Statyczne metody pomiaru twardości polegają na wciskaniu wgłębnika w materiał do powstania odkształceń trwałych :
Brinela , Vickersa , Knopa , Grodzińskiego , Rockwella
Wzór
Twardość Brinela jest proporcjonalna do stosunku obciążenia F do powierzchni czaszy kulistej trwałego odcisku . Obliczamy ze średnicy trwałego odcisku po odciążeniu
Metoda Vickersa - Na wciskaniu diamentowego ostrosłupa o podstawie kwadratu i koncie 136 twardość Vickersa jest proporcjonalna do stosunku obciążenia F i powierzchni bocznej trwałego odcisku S
Wzór
Metoda Knopa - statycznym wgniataniu wgłębnika w kształcie ostrosłupa o podstawie rombu obciążenie = 1.961 , 2.942 , 4.903 , 9.807 N . HK 0,2 , HK 0,3 HK 0,5
Twardość Knopa jest proporcjionalna do stosunku obciążenie F i Powieżchni S rzutu trwałego odcisku
Wzór
Mikrotwardość -twardość przy obciążeniach mniejszych niż 2 N
Zredukowany moduł Younga
Wzór
Próba rozciągania : na zrywarkach lub uniwersalnych maszynach wytrzymałościowych. Próby ściskania, zginania, ścinania, skręcania . statycznych , dynamicznych , zmęczeniowych. Maszyna przeprowadza pomiar obciążenia , odkształcenia lub przemieszczenia próbki , wyniki są w postaci wykresu.
Rodzaje próbek : okrągłe z główkami , okrągłe do chwytania w szczęki , okrągłe z główkami gwintowanymi , płaskie z główkami , płaskie bez główek .
Rh - Naprężenie na granicy proporcjonalności ( ważność prawa Hooke'a )
Rsp - Naprężenie na granicy na granicy sprężystości
ReH - Górna granica plastyczności
Rel - dolna granica plastyczności
Rm - wytrzymałość na rozciąganie
Ru - naprężenie przy zerwaniu próbki
Rm = Fm/s0 Mpa
Granicą plastyczności jest naprężenie rozciągające - następuje wyraźny wzrost jej wydłużenia Re = Fe/s0
Umowna granica plastyczności Rp02 - Naprężenie rozciągające wywołujące w próbce umowne wydłużenie trwałe x = 0,2 procent
Rp02 = F02 ./ S0
Wydłużenie - własności plastyczne określa się na podstawie wydłużenia i przewężenia
A=ΔL/L0 * 100 procent
Przewężenie - stosunek zmniejszenia pola powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu zerwania do pola powierzchni jej przekroju początkowego w procentach
Z=S0 - Su / S0 * 100 procent
Statyczną próbę rozciągania można przeprowadzić w zakresie 1200 st C . Temperatura jest rejestrowana w czasie badania próbki okrągłej dziesięciokrotnej o średnicy 6 lub 10 mm
Próba udarności - polega na złamaniu jednym uderzenie młota wahadłowego próbki z karbem podpartej swobodnie na końcach i pomiarze energii jej złamania . Próbkę układa się tak aby uderzenie następowało z przeciwległej strony karbu , jako wynik podaje się energię K wyrażoną w J .
Standardowo próbki mają karb V( 2mm gł 45 st ) lub U( gł 5mm ) . Szerokość próbek 10 mm Energia młota 300 J . Gdy próbka jest standardowa i energia młota wynosi 300 J podaje się tylko KU lub KV oraz energię potrzebną do złamania .
Próby udarności w temperaturach 23 st +-5 lub podwyższonych ( tempKU200 temp KV-60 )
Inkludowanie : zatapianie próbek w żywicach na zimno lub na gorąco pod ciśnieniem. Powierzchnie próbek szlifuje się na tarczach szlifierskich intensywnie chłodząc. Na papierach ściernych o grubym ziarnie 180/240 zmieniając papier obracamy próbkę o 90 stopni kończymy na papierach 1000/1200 .
Polerownie : wyróżniamy 2 rodzaje : mechaniczne i elektrolityczne na tarczach obrotowych z filcem zwilżonych wodnymi zawiesinami Al.3o2 lub Fe2o3 . Polerowanie prowadzi się aż do lustrzanej powierzchni bez rys . Próbkę myjemy alkoholem i suszymy.
Trawienie : ma na celu ujawnienie struktury lub dokonanie selektywnej identyfikacji składników strukturalnych. Stosuje się chemiczne i elektrolityczne. Trawienie polega na wykorzystaniu różnej szybkości rozpuszczania się poszczególnych faz / efektów zróżnicowania zabarwienia
Mikroskop świetlny : umożliwia określenie wielkości ziarn , orientacji oraz rozkładu dyslokacji w metalach i stopach jednofazowych. W Stopach wielofazowych możliwe określenie ilości, wielkości i kształtu składników strukturalnych i ich układu, grubości powłok.
Techniki obserwacji : w polu jasnym , w polu ciemnym , w świetle spolaryzowanym.
Obserwacje w polu jasnym - promienie po przejściu przez obiektyw padają na płaszczyznę próbki prostopadle do osi optycznej mikroskopu , a promienie odbite wpadają spowrotem do obiektywu.
Obserwacja w polu ciemnym - polega na skierowaniu promieni świetlnych na powierzchnie zgładu z pominięciem soczewki obiektywu. Promieni przechodzą prze pierścieniową przysłonę i odbijają się od pierścieniowego płaskiego zwierciadła umieszczonego na obrzeżach. Następnie omijając soczewkę obiektywu padają na zwierciadło paraboliczne które kieruje je ukośnie na powierzchnię zgładu. Promienie odbite przechodzą przez obiektyw do okularu. Kontrast odwrotny niż w polu jasnym.
Obserwacja w świetle spolaryzowanym : Ujawnia różnicę wysokości szczegółów strukturalnych próbki ukośne skierowanie promieni na zgład powoduje powstawanie cieni uwydatniając relif powierzchni. Uzyskuje się to przez przesunięcie mimośrodowe przysłony oświetlacza.
Mikroskop Skaningowy - Mikroskop elektronowy skaningowy - wiązka elektronów jest przemieszczana po badanym obszarze preparatu jak w kineskopie ( wzdłuż kolejnych równoległych linii) . W każdym punkcie elektrony oddziałują z atomami badanego preparatu ulegając częściowemu odbiciu i absorpcji powodując emisje elektronów wtórnych.
Powiększenie - zdolność rozdzielcza - w skaningowym jest równe stosunkowi wymiaru boku ekranu do boku obszaru omiatanego na próbce przez wiązkę elektronów. Powiększenia od 10 - 105 X . Zdolność rozdzielcza mikroskopów skaningowych zależy od średnicy wiązki elektronów skupionej na próbce.
Głębia ostrości - ze względu na małe kąty apretury jest wielokrotnie większa niż w mikroskopie świetlnym. Umożliwia badanie próbek o rozwiniętej nierówności powierzchni no przełomów. Elektrony wtórne są wychwytywane przez detektor.
Kontrast obrazu - wykorzystuje się wszystkie rodzaje elektronów oraz promieniowanie elektromagnetyczne emitowane z próbki.
Preparatyka i podstawowe badania - ze względu na dużą głębie ostrości jednym z podstawowych rodzajów badań są fraktograficzne czyli topografii przełomów np. ciągliwych . Wykorzystuje się obraz elektronów wtórnych lub topograficzny obraz elektronów wstecznie rozproszonych. Dużą zaletą badań topografii w skaningowym jest prostota przygotowania próbek: wykonanie próbki o wymiarach ograniczonych konstrukcją stolika , odtłuszczenie badanej powierzchni. Dla uzyskania więcej informacji można trawić.
Mikroanaliza rendgenowska - oznaczenie niejednorodności składu chemicznego ciał stałych. Metoda pozwala ustalić skład chemiczny jakościowy i ilościowy w obszarach o średnicy rządu 0,001mm . Ustalić można rodzaj pierwiastków , precyzyjnie określić ilość poszczególnych pierwiastków. Wynikiem badania na mikroanalizatorze rendgenowskim jest spektrogram ukazujący intensywność promieniowania odbitego od próbki konta odbłysku.
Mikroanalizator - wiązka elektronów pierwotnych jest emitowana i przyspieszana w polu wysokiego napięcia i ogniskowana na powierzchni próbki za pomocą soczewek elektromagnetycznych. Z badanej próbki jest emitowane promieniowanie rendgenowskie odpowiadające poszczególnym pierwiastką znajdującym się w próbce. Promieniowanie jest analizowane przez spektrometr.
nλ=2 d sin θ
n= 1,2,3 rząd odbicia
λ - długość fali
θ - braggowski kąt ugięcia
Znając długość fali λ mierząc kąt odbłysku θ można obliczyć odległość międzypłaszczyznową d
Transmisyjny mikroskop elektronowy wykorzystuje do tworzenia obrazu własności falowe i wiązki elektronów, która skierowana na cienki preparat ulega częściowemu rozproszeniu i dyfrakcji w obszarze przejścia przez kolejne warstwy atomów oraz w znacznym udziale przechodzi przez obszar badany. Najistotniejsza cechą mikroskopu transmisyjnego jest bardzo duża zdolność rozdzielcza i powiększenia do 106 X . Stosowany jest głównie w krystalografii, ale także w medycynie, biologii fizyce ciała stałego i wszędzie tam gdzie bada się właściwości materiałów. Działa na zasadzie emisji elektronów z katody przyspieszeniu ich w polu elektrycznym uformowaniu wiązki przez soczewki i skierowaniu jej na cienki preparat. Po przejściu wiązki przez preparat formowana jest przez kolejne soczewki powiększające oraz rzeczywisty lub dyfrakcyjny.
Preparatyka , transmisyjna - najważniejszym warunkiem jest przygotowanie małego i cienkiego preparatu. Grubość warstwy którą można prześwietlić jest zależna od składu chemicznego materiału i napięcia przyspieszającego. Grubość dla stopów żelaza nie przekracza 150 nm/100kV.
Pojęcie powłoki - Nazywa się zewnętrzną warstwę materiału uwożoną w wyniku procesów fizykomechanicznych i fizykochemicznych która wykazuje budowę i właściwości odmienne od materiału położonego głębiej nazywanego rdzeniem lub podłożem. Grubość powłoki od kilkudziesięciu angstremów do kilku dziesiątych mm.
Przyczepność powłoki to siła związania powłoki z podłożem która decyduje o właściwościach użytkowych. Określa się ją siłą potrzebną do oderwania powłoki od podłoża wyrażoną w N na cm 2
Metoda Rocwell C jest najszybszą metodą badania własności atchezyjnych powłok
Do oceny próby wgniecenia i pomiaru wykonanego wgniecenia tą metodą stosuje się mikroskop optyczny 100X ( 6 stopni HF 1 - HF 4 dobre własności HF5-HF6 słaba adhezja )
Metoda rys- w wyniku zastosowania analizatora akustycznego otrzymuje się wykresy obrazujące narastającą siłę działającą na przemieszczający się penetrator, oraz wykres efektu akustycznego świadczącego o zmianie oporu działającego na penetrator podczas badania.
Zasada pomiaru- polega na przesuwaniu ze stałą prędkością rylca z ostrzem diamentowym po powierzchni próbki na który działa prostopadła do płaszczyzny warstwy określona siła . Do pomiary adhezji metodą scratchtestu ryrec stożkowy diamentowy Rockwella C o kącie 120 st
Pomiar grubości metodą mikroskopową polega na wycięciu próbki i wykonaniu zgładu metalograficznego poprzecznie do płaszczyzny powłoki i pomiarze grubości na mikroskopie
Przygotowanie próbek wymaga dużej staranności i doświadczenia powiększenia 200 - 500X