Badanie twardości materiałów

Twardość materiału - odporność materiału na odkształcenia trwałe pod wpływem sił skupionych działających prostopadle na małą powierzchnię.

Pomiar twardości

• jedna z podstawowych metod badania właściwości mechanicznym metali i innych materiałów inżynierskich.

• może być określona za pomocą różnych metod (różnymi sposobami w różnych warunkach).

• pomiary twardości mają duże znaczenie i powszechne zastosowanie w technice, dzięki następującym właściwościom:

• prostota konstrukcji przyrządów do pomiaru twardości oraz możliwość łatwego ich przenoszenia.

• szybki, łatwy i dokładny sposób przeprowadzania pomiaru twardości na niewielkiej próbce materiału.

• nieznaczne lub brak uszkodzenia powierzchni badanego materiału.

• możliwość oznaczenia twardości nawet bardzo cienkich warstw materiału .

• istnienie związku pomiędzy twardością, a innymi właściwościami mechanicznymi.

Metody badania/oznaczania/określania twardości:

• najczęściej stosowane są metody oparte na statycznym wciskaniu wgłębnika (penetratora np. kuli, stożka, ostrosłupa, czworokąta, piramidki) w badany materiał powyżej granicy sprężystości, aż do spowodowania odkształceń trwałych.

• penetrator powinien być znacznie twardszy od badanego materiału i nie ulegać zmianą wraz ze wzrostem obciążenia.

Podział metod:

• statyczne (Brinella, Vickersa, Rockwella) - obciążenie wzrasta w sposób powolny i ciągły od zera do żądanej wartości maksymalnej.

• dynamiczne (Poldi)- obciążenie jest wywoływane energią kinetyczną penetratora.

Wybór metody pomiaru:

• wybór metody, a więc kształtu i rozmiaru penetratora oraz obciążenia, zależy od struktury badanego materiału, jego własności, stanu powierzchni oraz rozmiarów.

- struktura niejednorodna (żeliwo, stopy łożyskowe) - penetrator o dużych wymiarach, gdyż budowa niejednorodna zawiera kryształy o różnych stopniach twardości, przez co penetrator musi opierać się na większej ich liczbie

- struktura jednorodna (stal hartowana, stal normalizowana) - penetrator o małych wymiarach

Metoda Brinella:

- polega na wciskaniu siłą F w próbkę materiału kulkę ze stali hartowanej lub z węglików spiekanych (w zależności od twardości badanego materiału) o średnicy D w płaską, dostatecznie gładką powierzchnię, oraz na zmierzeniu średnicy odcisku d pozostałego na powierzchni badanego materiału

gdzie:

F = siła obciążająca (N)

D = średnica kulki (mm)

d = średnica odcisku (mm)

Wykonanie próby:

- dobranie odpowiedniej średnicy kulki

- obliczenie siły obciążającej i nastawianie jej na twardościomierzu

- wykonywanie odcisku przez określony czas

- pomiar średnicy odcisku

- obliczanie twardości

Zalety:

- możliwość pomiaru twardości stopów niejednorodnych

- jedna skala twardości dla wszystkich rodzajów materiału

Wady:

- niemożność stosowania go do pomiaru twardości wyrobów twardych, drobnych oraz 

cienkich warstw utwardzonych i powierzchni niepłaskich

- kłopotliwość

- zależność wyniku pomiaru twardości od zastosowanego obciążenia na kulkę

- znaczne uszkodzenie powierzchni

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.

Zalety:

- mała inwazyjność

- zmiana ustawienia nie wpływa na wynik pomiaru

- najmniejsza niepewność pomiarowa

Wady:

- skomplikowana i droga aparatura pomiarowa wymagająca fachowej obsługi

- długo trwający i skomplikowany pomiar

- nie dla materiałów niejednorodnych

- konieczność stosowania bardzo dokładnie oczyszczonej powierzchni

- uszkadza powierzchnię badanych materiałów

Metoda Rockwella:

- pomiar ten polega na pomiarach głębokości odcisków trwałych uzyskiwanych w różnych materiałach za pomocą ustalonego wgłębnika (stożka diamentowego lub kulki) i ustalonego 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.

- technika pomiaru polega na dwuetapowym wciskaniu wgłębnika w badaną próbkę, najpierw pod działaniem siły wstępnej F0, a następnie siłą główną F, dla określonych warunków obciążeniowych.

- miara twardości jest wartość trwałego odkształcenia w próbce spowodowanego działaniem wgłębnika

Przebieg pomiaru:

faza 1 - obciążenie wstępne F0, ustawienie czujnika.

faza 2 - obciążenie robocze FO+F1, powstaje trwałe odkształcenie.

faza 3 - odciążenie do obciążenia wstępnego F0, odczyt twardości ze skali czujnika w jednostkach HRB.

Zalety:

- szybkość i łatwość pomiaru

- bardzo prosta obsługa twardościomierza

- odczytywanie twardości bezpośrednio na twardościomierzu bez konieczności stosowania tablic

- bardzo mała inwazyjność

- pomiaru można dokonywać nie tylko na płaskich powierzchniach

Wady:

- bardzo duży wpływ zanieczyszczeń na wyniki pomiaru

- niemożliwość pomiaru twardości bardzo cienkich przedmiotów i bardzo cienkich warstw nawęglonych, azotowanych itd.

- duży wpływ nieprawidłowego ustawienia przedmiotu na wyniki pomiaru

- duża liczba skal umownych (trzeba porównywać wyniki za pomocą tablic)

Metoda Poldi:

- dynamiczna metoda pomiaru twardości metali, odmiana metody Brinella.

- polega na porównaniu odcisków metalowej kulki na materiale badanym i wzorcowym w wyniku uderzenia w przyrząd młotkiem.

- metoda ta pozwala na oszacowanie czy badany materiał jest twardszy od materiału wzorcowego oraz po dokonaniu specjalnych obliczeń na określenie przybliżonej twardości materiału.

- metoda została opracowana w hucie Poldi w Czechach.

Zasada pomiaru:

- pomiar twardości za pomocą metody Poldi polega na przyłożeniu impulsowej siły za pomocą młotka o masie 0,5 kg (stąd popularna nazwa metody „młotek Poldi”) w celu wykonania odcisku w materiale badanym.

- dzięki budowie młotka możliwe jest wykonanie dwóch odcisków (na materiale badanym i wzorcowym).

- dzięki czemu siła przyłożona do obu materiałów jest taka sama.

- stosując tę metodę można oszacować twardość w stopniach Brinella na podstawie wzoru:

gdzie:

HB - twardość mierzona w stopniach Brinella

HB_W - twardość materiału wzorcowego w stopniach Brinella

D - średnica kulki pomiarowej (standardowo 10 mm)

d₁ - odcisk kulki w płytce wzorcowej

d₂ - odcisk kulki w materiale badanym

Zastosowanie:

- metoda Poldi ze względu na szybkie zużywanie się płytki wzorcowej (najdroższego elementu) oraz małej dokładności pomiaru nie znajduje zastosowania w typowych pomiarach twardości.

- jednak ze względu na małe wymiary przyrządu i krótki czas trwania pomiaru metodę tę stosuje się przy pomiarach twardości:

• elementów o dużych rozmiarach (np. śrub napędowych statków).

• elementów, które ze względów ekonomicznych, technologicznych lub innych nie mogą być zdemontowane do wykonania pomiaru.

• elementów o podwyższonej temperaturze pracy.

Wady

- mała dokładność pomiarów

- duże koszty związane ze zużywaniem się płytki wzorcowej

Zalety

- wynik porównawczy uzyskuje się zaraz po pomiarze bez żadnych obliczeń

- brak konieczności demontażu dużych elementów

- możliwość pomiaru twardości materiałów o podwyższonej temperaturze

---