1. Wstęp

Twardością określa się odporność materiału na odkształcenia trwałe, które powstają pod wpływem sił skupionych, działających na małą powierzchnię materiału, wywołanych przez wciskanie odpowiedniego wgłębnika. Twardość nie jest stałą materiałową, a więc porównywanie twardości jest możliwe w zakresie tylko jednej metody.

W zależności od wielkości odkształcenia spowodowanego wnikaniem wgłębnika w materiał rozróżnia się pomiary makro- i mikrotwardości. Ważne jest aby miejsce, w którym dokonywany będzie pomiar, zostało oszlifowane, ponieważ stan powierzchni metalu ma duży wpływ na wyniki uzyskane podczas badań twardości. Do pomiarów makrotwardości stosuję się metody:

• Brinella

• Vickersa

• Rockwella

Metoda Vickersa

Metoda pomiaru twardości metodą Vickersa polega na wciskaniu wgłębnika (najczęściej zrobionego ze spieków choć zdarzają się również diamentowe) o kształcie ostrosłupa prawidłowego w próbkę metalu. Twardość wyznacza się ze stosunku siły obciążającej wgłębnik F do powierzchni pobocznicy odcisku:

Gdy siłę F wyraża się w niutonach, wzór przybiera postać:

gdzie:

d - średnia pomiarów

W praktyce twardość odczytuje się z tablic po zmierzeniu przekątnej odcisku dla zastosowanego obciążenia, które może wynosić: 49, 98, 196, 249, 490 lub 981N. Wyniki pomiarów twardości metodą Vickersa są dla danego materiału jednakowe, niezależnie od użytego obciążenia. Twardość podajemy w HV np. HV 250. Metodą Vickersa łatwiej jest mierzyć twardość materiałów twardych (o twarości ok. 300-400 Hb).

Metoda Rockwella

Pomiar twardości metodą Rokwella polega na dwustopniowym wciskaniu (przy określonych warunkach) w badaną próbkę wgłębnika w kształcie kulki stalowej (skala B, T, F) lub stożka diamentowego o kącie rozwarcia 120 stopni (skala C, A). Miarą twardości w metodzie Rockwella jest różnica pomiędzy stałą wartością K a głębokością odcisku h:

HR = K - h

gdzie: h - trwały przyrost głębokości odcisku

K = 130 (0,26 mm) dla kulki;

K = 100 (0,20 mm) dla stożka

Jeśli pomiar wykonany został za pomocą kulki, wtedy twardość oznacza się symbolem HRB, gdy zastosowany został stożek - HRC. Kulka stalowa jest wykorzystywana do pomiarów twardości stali węglowej i stopowej w stanie zmiękczonym lub normalizowanym oraz stopów metali nieżelaznych o twardości od 35 do 100 HRB. Z kolei stożek diamentowy stosowany jest w pomiarach twardości stali węglowej i stopowej w stanie zahartowanym i ulepszonym cieplnie oraz innych stopów o twardości od 20 do 67 HRC.

Pomiar twardości metodą Rockwella składa się z 3 etapów:

• etap 1 polega na obciążeniu wgłębnika ciężarem wstępnym co powoduje wbicie się wgłebnika na głębokość h

• etap 2 polega na dociążeniu wgłębnika ciężarem głównym co powoduje przyrost głębokości do h >h

• etap 3 polega na odciążeniu wgłebnika ciężarem głównym co powoduje podniesienie się wgłebnika na głębokość h < h

Obciążenie wstępne zawsze wynosi 98N, a obciążenie główne jest zależne od badanego materiału. Zauważyć należy także, że twardość Rockwella w skali C nie równa się twardości Rockwella w skali B pomimo takiej samej wartości, np. HRC 25 nie jest równe HRB 25.

2. Opis przebiegu ćwiczenia

W ćwiczeniu do pomiaru twardości wykorzystujemy metodę Rockwella. Podczas wykonywania ćwiczenia korzystamy z twardościomierza. Najpierw trzeba odpowiednio ustawić twardościomierz. Na talerzyk jarzma nakładamy ciężarki odpowiadające wymaganemu naciskowi, mocujemy wgłębnik o odpowiednim kształcie (kulkę bądź stożek). Do wykonania ćwiczenia otrzymaliśmy dwie próbki (A i B). Jednak aby rozpocząc właściwy pomiar najpierw należy przeprowadzić pomiar sprawdzający prawidłowe działanie twardościomierza, który nie różni się czynnościami od pomiaru właściwego. Na początek ustawiamy próbkę na stoliku i obciążamy ja ciężarem wstępnym co uzyskujemy przez dociśnięcie probki do wgłebnika. Gdy wskazówka znajdzie się na czerwonym polu zerujemy licznik i zadajemy obciążenie główne odpowiednie dla badanego materiału. Następnie po usłyszeniu kliknięcia czekamy 10-15 sekund i po tym czasie odciążamy ciężar główny, ale zostawiamy obciążenie wstępne. Na koniec odczytujemy wynik pomiaru. Należy także pamiętać, że błąd pomiaru może maksymalnie wynosić 2 HR.

Dla próbki A czyli rolki stali szynowej perlitycznej w stanie surowym odczytalismy twardość 29 HRC przy obciążeniu 1393N i badaniu wgłebnikiem o kształcie stożka.

Dla próbki B czyli przekroju poprzecznego koła kolejowego twardość zmierzona przy zastosowaniu wgłebnika w kształcie stożka wyniosła 20,5 HRC przy obciążeniu 1393N. Natomiast dla tej samej próbki ale zmierzonej wgłebnikiem w kształcie kulki twardość wyniosłą 70 HRB przy obciążeniu 980N.

Ciekawostką był pomiar twardości uszkodzonego wałka rozrządu pochodzącego z Fiata Cinquecento. Twardość tego wałka według producenta powinna wynosić 56 HRC. Jednak podczas pomiaru doświadczalnego przy użyciu wgłębnika w kształcie stożka i obciążenia 1393N zmierzona twardość miała wartość tylko 21 HRC, a więc świadczy to że uszkodzenie wałka wynika nie z winy użytkownika tylko producenta. Uszkodzenie wałka w tym przypadku mogło być spowodowane źle dobranym materiałem lub złą obróbką cieplną.

3. Wnioski

Pomiar twardości metodą Rockwella znalazł powszechne zastosowanie w przemyśle gdyż jest metodą prostą i szybką, co potwierdza odbyte przez nas ćwiczenie laboratoryjne. Dzięki tej metodzie pomiaru w łatwy sposób można sprawdzić twardość materiału. Na przykład w przypadku uszkodzenia wałka rozrządu można dzięki pomiarowi twardości można stwierdzić czy wałek uległ uszkodzeniu z winy producenta, który mógł wyprodukować wadliwą partię przez źle dobrany materiał lub złą obróbkę cieplną.

---