Stal

Stal jest to stop żelaza z węglem plastycznie obrobiony i obrabialny cieplnie o zawartości węgla nieprzekraczającej 2,11%, co odpowiada granicznej rozpuszczalności węgla w żelazie (dla stali stopowych zawartość węgla może być dużo wyższa). Węgiel w stali najczęściej występuje w postaci perlitu płytkowego. Niekiedy jednak, szczególnie przy większych zawartościach węgla cementyt, występuje w postaci kulkowej w otoczeniu ziaren ferrytu.

Im większa zawartość węgla, a w konsekwencji udział twardego i kruchego cementytu, tym większa twardość stali, węgiel w stalach niskostopowych wpływa na twardość poprzez wpływ na hartowność stali, im większa zawartość węgla tym dłuższy czas jest potrzebny do przemiany perlitycznej, co w konsekwencji prowadzi do przemiany bainitycznej i martenzytycznej. W stalach stopowych wpływ węgla na twardość jest również spowodowany tendencją niektórych metali, głównie chromu, do tworzenia związków z węglem - głównie węglików o bardzo wysokiej twardości.

Badanie twardości

Badanie twardość jest jedną z tych własności, których nie można zdefiniować jednoznacznie w układzie znanych wielkości fizycznych. W praktyce za twardość przyjęto uważać własność ciała stałego (własność mechaniczną) wyrażającą się odpornością na odkształcenie plastyczne przy działaniu skupionego nacisku na powierzchnię tego ciała, powstającą np. przy wciskaniu w tę powierzchnie wgłębnika. Inaczej twardość jest miarą oporu, jaki wykazuje ciało w czasie wciskania weń drugiego ciała. Badanie i porównywanie twardości opiera się na metodach, które ze względu na charakter oporu stawianego przez materiał podczas próby, można podzielić na:

1. Pomiar poprzez wciskanie twardszego od badanego materiału wgłębnika:
a) statyczne (Brinella, Rockwella, Vickersa, Knoopa, Grodzińskiego, Chruszczowa i inne);
b) dynamiczne (Poldi).
2. Pomiar poprzez zarysowanie (Martena, Mohsa i inne).
3. Pomiar straty energii przy odbiciu się bijaka od badanej powierzchni (Shore'a i inne).

Twardość materiału mierzy się za pomocą przyrządów nazywanych twardościomierzami (mikrotwardościomierzami), skleroskopami lub durometrami. Budowane są przyrządy zarówno stacjonarne jak i przenośne. Twardość jest istotną charakterystyką materiałów konstrukcyjnych. Dla każdego typu materiałów utworzono odpowiednie metody klasyfikacji i pomiarów twardości. W zależności od rodzaju badanego materiału stosowane są różne metody pomiaru i skale pomiarowe. Wartości twardości uzyskane różnymi metodami na ogół nie są ze sobą porównywalne. Jedynie w obrębie tego samego materiału wyznaczane są doświadczalnie tablice i wzory porównawcze.

Metoda Rockwella

Polega na pomiarze głębokości wcisku dokonanego wzorcowym stożkiem diamentowym o kącie wierzchołkowym 120° i promieniu zaokrąglenia 0,2 mm dla skali C, A i N lub stalowej, hartowanej kulki o średnicy 1,5875 mm (1/16") w metodach B, F i T przy użyciu odpowiedniego nacisku. Metoda ta jest szybka i łatwa w użyciu, gdyż przyrząd jest wyposażony w czujnik wyskalowany bezpośrednio w jednostkach twardości. Próba Rockwella pozostawia na badanym przedmiocie tylko słabo widoczną skazę, dlatego może być używana do kontroli gotowych wyrobów. Twardość w skali Rockwella oznacza się HR. Stosowanych jest kilka odmiennych skal, z których każda przeznaczona jest dla odmiennych stopów metali:

• Skale C i A stosuje się dla stali hartowanych.

• Skale B i F stosuje się dla stali niehartownych i metali nieżelaznych

• Skale N i T stosuje się w przypadkach, gdy badana próbka ma niewielkie rozmiary lub jest bardzo cienka.

Przebieg próby
Wgłębnik zostaje obciążony obciążeniem wstępnym F0 i wciśnięty na głębokość h0, która zostaje przyjęta za głębokość odniesienia. Następnie nakłada się obciążenie główne F1, które powoduje zagłębienie wgłębnika na głębokość h1. Po upływie określonego czasu usuwa się obciążenie główne, pozostawiając wstępne. Wskutek sprężystości badanego materiału wgłębnik podniesie się o wartość h2. Trwały przyrost głębokości odcisku h przyjmuje się do wyznaczania twardości Rockwella wg wzoru:

HR = (K - h)/C
Gdzie: K - wartość stała w [mm] zależna od zastosowanego wgłębnika lub skali twardości Rockwella;
h - trwały przyrost głębokości odcisku w [mm];
C - wartość jednostki odczytowej (zależna od skali twardości Rockwella) w [mm].

Metoda Brinella

W metodzie pomiaru twardości Brinella, w próbkę metalu wciska się kulkę ze stali hartowanej lub z węglików spiekanych. Kulkę stalową można używać do próbek o twardości do 450 HB. Powyżej twardości 350 HB wyniki pomiaru kulką stalową i wykonaną z węglików różnią się istotnie, dlatego rodzaj kulki należy oznaczać dodając w oznaczeniu literę S (HBS) dla stali i W dla węglików (HBW). Średnica kulki (1, 2,5, 5 i 10 mm), czas obciążenia (od 10 s dla stali do 60 s miękkich stopów) oraz siła docisku (1-3000 kgf), zależy od rodzaju materiału i grubości próbki. Metoda Brinella należy do prób niszczących z uwagi na duży rozmiar odcisku. Najczęściej stosowana jest przy odbiorze materiałów hutniczych.

Przykłady metali i ich twardości w skali Brinella
Materiał	Twardość Brinella HB
cyna, ołów, stop łożyskowy	3.5 - 20
aluminium, stop łożyskowy	8 - 50
miedź, magnez, cynk, stop łożyskowy	16 - 100
żeliwo, stopy miedzi, stopy aluminium, nikiel	32 - 200
stal, żeliwo	96 - 650

Metoda Vickersa

Pomiar twardości metodą Vickersa polega na wgnieceniu w powierzchnię badanego materiału czworobocznego foremnego ostrosłupa diamentowego o kącie wierzchołkowym 136˚ pod zadanym statycznym obciążeniem F i zmierzeniu przekątnych d powstałego odcisku w kształcie kwadratu. Wartość liczbową twardości wyrażaną w skali Vickersa HV otrzymuje się dzieląc siłę F w kilogramach siły przez pole powierzchni bocznej odcisku A w milimetrach kwadratowych:

Gdzie: A to pole powierzchni odcisku, obliczane ze wzoru:

.

• d - przekątna otrzymanego odcisku

• α - kąt wierzchołkowy ostrosłupa równy 136˚

Porównanie z innymi metodami

Metoda Vickersa łączy w sobie cechy metody Brinella i Rockwella. Używana jest jedna skala, uniwersalna dla wszystkich klas materiałów jak w metodzie Brinella, lecz możliwe jest badania próbek bardzo cienkich jak w metodzie Rockwella. Pomiar metodą Vickersa jest bardziej pracochłonny w stosunku do metody Rockwella, gdyż wymaga pomiaru przekątnych odcisku za pomocą mikroskopu (jak w metodzie Brinella) i obliczenia twardości. Pomiar metodą Vickersa jest mało inwazyjny i nadaje się do stosowania przy badaniu gotowych wyrobów (głównie pokryć metalicznych związanych z obróbką powierzchniową jak: cyjanowanie, nawęglanie, kaloryzowanie oraz cienkich powierzchni metalicznych - platerowanie). Pomiar metodą Vickersa obdarzony jest także najmniejszą niepewnością pomiarową, mimo to odciśnięty ślad jest zazwyczaj niesymetryczny, co jest związane z anizotropowymi właściwościami metali.

---