Pomiary twardości i mikrotwardości

Pomiary twardości i mikrotwardości
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie z metodami badania twardości metali oraz nabycie
umiejętności w określaniu twardości metodami Brinella, Rockwella i Vickersa.
Zapoznanie z budową twardościomierzy używanych do pomiaru twardości.
2. Wiadomości podstawowe
Twardość jest jedną z tych właściwości, których nie można jednoznacznie zdefiniować
w oparciu o znane wielkości fizyczne. W praktyce inżynierskiej przez twardość rozumie się
odporność na odkształcanie plastyczne przy oddziaływaniu skupionego nacisku w postaci
ściśle określonego wgłębnika.
Pomiary twardości są stosowane w praktyce materiałoznawczej ze względu na prostotę i
szybkość pomiaru. Ze względu na znikome odkształcenie oraz możliwość wykonywania
pomiarów na gotowych elementach, pomiary twardości są zaliczane do badań nieniszczących.
Pomiary twardości są wykorzystywane w:
- kontroli wyników procesów technologicznych obróbki plastycznej, obróbki cieplnej i
cieplno-chemicznej,
- kontroli jednorodności materiału,
- szybkiego sortowania gatunków lub stanu materiału,
- przybliżonej oceny wytrzymałości na rozciąganie niektórych materiałów.
Metody pomiaru twardości ze względu na charakter oporu stawianego przez materiał podczas
próby, można podzielić na:
- statyczne – oparte na statycznym wciskaniu wgłębnika (metody Rockwella, Brinella,
Vickersa, Knoopa),
- dynamiczne – oparte na udarowym działaniu wgłębnika (metoda Poldi, Shore’a),
- ryskowe – twardość jest określana w oparciu o wymiary rysy otrzymywanej w wyniku
przesuwania się po powierzchni materiału ostrego i twardego wgłębnika z ściśle
określonym dociskiem.
Najczęściej rozpowszechnionymi metodami pomiaru twardości są metody statyczne.
2.1. Pomiar twardości metodą Rockwella
W metodzie Rockwella miarą twardości jest różnica umownej oraz rzeczywistej
głębokości wnikania e w materiał określonego wgłębnika.
Pomiar twardości metodą Rockwella polega na dwustopniowym wciskaniu w badany materiał
wgłębnika w postaci stożka diamentowego o kącie wierzchołkowym wynoszącym 120 skale A i C lub kulki stalowej o średnicy 1,5875 mm (1/6”) - skale B i F. Trwały przyrost
głębokości odcisku zmierzony czujnikiem, jest miarą twardości w skali C, A - w przypadku
stosowania stożka diamentowego oraz w skali B, F – w przypadku stosowania kulki.
Wielkości obciążeń dla metody Rockwella przedstawiono w tabeli 1.
Skala
Rodzaj wgłębnika
HRC
HRA
HRB
HRF
Stożek diamentowy
120
Kulka stalowa
 1,5875 (1/6’’)
Obciążenie wstępne
[N]
98
98
Obciążenie całkowite
[N]
1471
588
980
588
Zasada pomiaru twardości
Pod wpływem obciążenia wstępnego wynoszącego dla czterech głównych skal 98 N wgłębnik
wgłębia się w badany materią na głębokość ho. Celem obciążenia wstępnego jest
wyeliminowanie błędów wynikających z przylegania nie obciążonego wgłębnika do
powierzchni metalu oraz z odkształcenia sprężystego. Po przyłożeniu obciążenia głównego
wgłębnik wciskany z siłą F0 +F1 zagłębia się na głębokość h. Po upływie określonego okresu
czasu (na ogół 26 s) następuje odciążenie obciążenia głównego i pozostawienie obciążenia
wstępnego Fo.
Po usunięciu obciążenia głównego F1, na skutek właściwości sprężystych badanego materiału
zmniejsza się trwałe zagłębienie wgłębnika osiągając wartość e.
Rys. 1. Schemat pomiaru twardości metodą Rockwella z wykorzystaniem stożka
diamentowego
Rys. 2. Schemat pomiaru twardości metodą Rockwella z wykorzystaniem kulki
Trwały przyrost głębokości odcisku e przyjmuje się do wyznaczenia twardości Rockwella wg
wzoru:
HR = (K-e)/C
gdzie:
K – wartość stała wynosząca: 0,2 mm – dla stożka diamentowego, 0,26 mm – dla kulki,
e – trwały przyrost głębokości odcisku,
C - wartość jednostki odczytowej wynosząca 0,002 mm.
Wyznaczona w ten sposób wartość twardości jest wielkością niemianowaną.
Oznaczenie twardości w metodzie Rockwella składa się:
- z liczby określającej wartość twardości,
- znaku HR oraz symbolu skali (A, C, D, F).
Przykładowe oznaczenie twardości: 38 HRC - dla stożka lub 60 HRB dla kulki.
Skalę C i A (stożek diamentowy) stosuje się dla stali węglowych i stopowych w stanie
zahartowanym i ulepszonym cieplnie oraz dla innych stopów o twardości 20-67 HRC oraz 6090 HRA,
Skalę B i F (kulka) stosuje się dla stali węglowych i stopowych w stanie zmiękczonym lub
normalizowanym oraz dla stopów metali nieżelaznych o twardości 35-2100HRB oraz 60-100
HRF.
Zasady pomiaru twardości metodą Rockwella reguluje norma PN-EN ISO 6508-1:2002.
Metoda Rockwella jest bardzo wygodną do kontroli części hartowanych przy masowej
produkcji, ze względu na szybkość pomiaru oraz łatwość odczytu na czujniku.
Wadą metody Rockwella jest znaczna liczba skal twardości i ograniczone możliwości ich
porównywania. Metoda ta jest bardzo wrażliwa na błędy ustawienia próbki oraz właściwą
obsługę twardościomierza.
2.2. Pomiar twardości sposobem Brinella
W metodzie Brinella twardość jest to stosunek siły F, działającej prostopadle do
badanej próbki i obciążającej stalową lub z węglików spiekanych kulkę, do pola powierzchni
odcisku S, jaki ta kulka zostawiła w badanym materiale.
Pole powierzchni odcisku określa się mierząc średnicę czaszy kulistej trwałego odcisku.
Celem zapewnienia dokładności pomiarów oraz potwierdzenia, że odcisk stanowi sferę kuli,
średnicę powstałego odcisku określa się jako średnią z dwu prostopadłych kierunków.
Wartość twardości oblicza się ze wzoru:
HB = F/S = 2F/D(D-D2-d2)
Do pomiaru stosowane są kulki o średnicy D - 10, 5, 2,5, 2 i 1 mm.
Ze względu na możliwość stosowania kilku kulek oraz różnych wartości siły obciążającej, w
celu możliwości porównywalności wartości twardości należy tak dobierać warunki próby aby
była spełniona zależność:
F = 9,8 KD2
gdzie:
K – współczynnik obciążenia wynoszący 1, 2,5, 5, 10, 15, 30.
Wartość współczynnika K winna być tak dobierana aby średnica czaszy kulistej trwałego
odcisku d mieściła się w zakresie (0,250,6)D.
Metoda Brinella jest stosowana do określania twardości stopów żelaza i metali nieżelaznych
do twardości ok. 650 HB.
Oznaczenie twardości Brinella składa się z cyfrowo-literowego ciągu znaków zawierającego:
- wartość twardości (trzy cyfry znaczące),
- symbol HB lub HBW – dla kulek z węglików spiekanych,
- indeks wskazujący przyjęte warunki próby, obejmujący;
- średnicę kulki w mm,
- wartość siły obciążającej w kG,
- czas działania siły obciążającej w sekundach (jeśli jest inny niż 1015 s).
Przykładowe oznaczenie twardości:
350 HBW 10/100/30.
Wartości twardości mogą być porównywane między sobą, w przypadku stosowania tej samej
wartości współczynnika K.
Metoda Brinella znalazła szerokie zastosowanie w praktyce przemysłowej ze względu na
dobrą powtarzalność wyników. Stosuje się ją głównie do pomiaru twardości stali w stanie
normalizowanym, zmiękczonym, lub ulepszonym cieplnie.
Powierzchnia badanego przedmiotu powinna być płaska i gładka, oczyszczona ze zgorzeliny.
Zaletą tej metody jest to, że dla wielu materiałów wytrzymałość na rozciąganie jest wprost
proporcjonalna do twardości Brinella. Metody tej nie można stosować do pomiarów twardości
materiałów o niewielkich wymiarach, warstw powierzchniowych oraz materiałów twardych.
Zasady pomiaru twardości metodą Brinella określa norma PN-EN ISO 6506-1:2002.
2.3. Pomiar twardości sposobem Vickersa
W metodzie Vickersa twardość jest określana jako stosunek obciążenia F do
powierzchni S pobocznicy odcisku wgłębnika.
Wgłębnikiem jest ostrosłup diamentowy o podstawie kwadratowej i kącie  = 136 między
przeciwległymi ścianami. Nacisk wywierany, zależnie od rodzaju powierzchni badanej, może
być dobierany w zakresie od 9,8 do 981 N (od 1 do 100 kG). Po dokonaniu pomiaru mierzy
się długości przekątnych, powstającego odcisku przyjmując do dalszych obliczeń wartość
średnią (rys. 3).
Rys. 3. Schemat pomiaru twardości metodą Vickersa
Twardość w metodzie Vickersa określana jest ze wzoru
HV = F/S = 1,854 F/d2
Zapis twardości obejmuje:
- wartość liczbową określającą twardość,
- symbol HV,
- liczbę określającą siłą obciążającą (w kG) oraz czas działania siły jeśli jest inny niż
1015 s.
Przykładowe oznaczenie twardości: 780 HV10/20.
Zakres pomiaru twardości metodą Vickersa jest bardzo szeroki i umożliwia pomiar twardości
zarówno metali miękkich jak i bardzo twardych. W metodzie tej stosuje się jedną skalę dla
całego zakresu twardości.
Pomiar metodą Vickersa w minimalny sposób uszkadza badany przedmiot, odcisk jest tak
nieznaczny, że można tą metodą badać cienkie warstwy utwardzane o wysokiej twardości np.
po azotowaniu lub węgloazotowaniu oraz ostrza narzędzi po szlifowaniu.
W metodzie tej podobnie jak w metodzie Brinella wartość twardości można powiązać z
wytrzymałością na rozciąganie.
Zasady pomiaru twardości metodą Vickersa określa norma PN-EN ISO 6507-1:1999
2.4. Pomiar mikrotwardości
Bardzo często w badaniach metaloriałoznawczych zachodzi konieczność wyznaczania
twardości:
- warstw wierzchnich,
- cienkich drutów oraz blach,
- składników strukturalnych stopów,
- ostrzy.
W takim przypadku jest to możliwe poprzez stosowanie obciążeń poniżej 10 N oraz
stosowanie precyzyjnych układów do pomiaru przekątnych odcisków, otrzymane w tym
przypadku wartości twardości noszą nazwę mikrotwardości.
Urządzenia pomiarowe umożliwiające realizację tych pomiarów nazywane są
mikrotwardościomierzami.
Do pomiaru mikrotwardości zasadniczo jest stosowana metoda Vickersa. Zasada pomiaru
mikrotwardości jest identyczna jak makrotwardości opisana powyżej. Różnica polega na
precyzyjnym wykonaniu wgłębnika, z mniejszymi tolerancjami wymiarowymi.
Przy pomiarach mikrotwardości stosuje się możliwie największe obciążenia, gdyż wtedy
znacząco ograniczamy błąd przekątnej odcisku.
Dokonując pomiaru twardości składników strukturalnych stopów lub poszczególnych ziaren
wartość obciążenia winna zapewnić otrzymanie odcisku mieszczącego się wewnątrz
badanego obiektu.
Do pomiaru mikrotwardości powierzchnie badanego metalu musi być starannie
przygotowana; szlifowana na papierach o ziarnistości minimum 600, polerowana, a w
przypadku badania składników strukturalnych również wytrawiona.
3. Przebieg ćwiczenia
Zapoznać się z budową i zasadą działania twardościomierzy. Pod nadzorem
prowadzącego wykonać po 3 pomiary twardości wskazanych materiałów. Pomiary twardości
poszczególnych materiałów wykonać co najmniej dwoma metodami.
3.1. Wykonanie pomiaru twardościomierzem Rockwella (Rys. 4)
1) Sprawdzić czy został zamontowany właściwy typ wgłębnika 8 oraz odpowiednie
obciążenie 2.
2) Sprawdzić czy dzwignia obciążenia głównego 5 jest w położeniu odciążenia.
3) Położyć próbkę 9 na stoliku 10 śruby, a następnie pokręcając pokrętłem 12 podnieść
próbkę aż do zetknięcia się z wgłębnikiem 8.
4) Obracając pokrętłem 12 docisnąć tak do próbki, aby sprężyna 7 oddziaływała na
wgłębnik siłą obciążająca Fo=98 N. Odpowiada to ustawieniu małej wskazówki
czujnika na wyróżnionej cyfrze (4) małej skali. Duża wskazówka powinna być
ustawiona w miarę pionowo. Niedopuszczalne jest korygowanie położenia wskazówki
przez odciążanie sprężyny (obrót pokrętła 12 w lewo).
5) Dokonać korekcji ustawienia tarczy miernika 6 przez ustawienie wskazówki dużej na
cyfrze 0.
6) Włączyć obciążenie główne F1, przyciskając przycisk 5. Duża wskazówka wykonuje
wówczas obrót przeciwnie do kierunku obrotu wskazówek zegara, zajmując
przykładowe położenie na cyfrze 30 skali C położenie II - rys. b.
7) Po upływie wymaganego czasu działania obciążenia (46s), obrócić korbkę 5a w
prawo, aż do zatrzaśnięcia. Wówczas wskazówka duża zmieni położenie względem
tarczy z położenia II na III. Wskazywana wartość 65 jest twardością na skali HRC.
8) Obrócić pokrętłem 12 w lewo celem całkowitego odciążenia próbki.
9) Wykonać co najmniej 3 pomiary.
10) Otrzymane wyniki zapisać w sprawozdaniu.
Rys. 4. Schemat twardościomierza Rockwella
3.2. Wykonanie pomiaru twardościomierzem Brinella (Rys. 5)
1) Dokonać dobrania kulki oraz stosownego obciążenia.
2) Dobraną kulkę zamocować w oprawce 8, przez wciśnięcie przycisku 11 wybrać
stosowne obciążenie.
3) Położyć badaną próbkę na stoliku 18 umocowanym na śrubie 16.
4) Włączyć oświetlenie 19.
5) Pokrętłem 20 podnieść stolik z próbka tak, aby na matówce 7 był widoczny wyraźny
obraz powierzchni próbki.
6) Włączyć obciążenie przez przyciśnięcie przycisku zwalniającego 10, w tym
momencie nastąpi obrót przegubu i wgłębnik ustawi się w linii działania obciążenia i
obciążenie zostanie zadane.
7) Po upływie wymaganego czasu działania obciążenia przycisnąć dzwignię 15 w
położenie dolne (początkowe). Wtedy obiektyw 5 ustawi się na linii optycznej i na
matówce 7 widoczny jest obraz odcisku.
8) Zmierzyć średnicę odcisku w dwu prostopadłych kierunkach (rys. 6).
9) Odczytać wartość twardości z tablic lub obliczyć ze wzoru.
10) Wykonać co najmniej 3 pomiary.
W dysponowanym twardościomierzu układ optyczny do pomiaru odcisku stanowi integralną
część twardościomierza. W położeniu odciążonym ślad odcisku jest przenoszony przez układ
optyczny na ekran (matówkę), z zaznaczoną podziałką umożliwiającą odczytanie średnicy
odcisku. Ruchome poziome skale; dziesiętnych, setnych wraz ze sprzężona z nimi śrubą
mikrometryczną umożliwiają precyzyjny odczyt średnicy odcisku z dokładnością 0,001 mm.
Rys. 5. Schemat twardościomierza Brinella
Rys. 6. Pomiar średnicy odcisku
Na przedstawionym rys. 6, ślad odcisku obejmuje:
- 12 dużych kresek, między którymi odległość wynosi 0,1 mm, a więc łącznie 1,2 mm,
- kreska zerowa znajduje się za czwartą kreską skali wyznaczającej setne części
milimetra - 0,04,
- wskazania śruby mikrometru wynoszą 3 co daje 0,003 mm,
- łącznie średnica odcisku wynosi 1,243 mm.
3.3. Wykonanie pomiaru twardościomierzem Vickersa
Pomiar twardości metodą Vickersa realizowany jest w identyczny sposób co pomiar
twardości metodą Brinella. W tym przypadku dokonujemy pomiaru przekątnej odcisku.
4. Wytyczne do opracowania sprawozdania
W oparciu o przeprowadzone pomiary twardości sporządzić sprawozdanie, w którym
należy zawrzeć:
- opis stosowanych metod pomiaru twardości,
- nazwy oraz dane stosowanych twardościomierzy,
- warunki dokonywania pomiarów,
- wyniki pomiarów,
- wnioski.
5. Przykładowe pytania kontrolne
1. Wymienić statyczne oraz dynamiczne metody pomiaru twardości.
2. Omówić pomiar twardości metodą Rockwella oraz podać warunki wykonywania
pomiaru.
3. Omówić pomiar twardości metodą Brinella oraz podać warunki wykonywania
pomiaru.
4. Omówić pomiar twardości metodą Vickersa oraz podać warunki wykonywania
pomiaru.
5. Omówić zalety oraz wady metod pomiaru twardości.
6. Literatura
1.
2.
3.
4.
Błażewski S., Mikoszewski J.; Pomiary twardości metali. WNT. Warszawa 1981.
PN-EN ISO 6506-1:2002. Pomiar twardości sposobem Brinella.
PN-EN ISO 6507-1:1999. Pomiar twardości sposobem Vickersa.
PN-EN ISO 6508-1:2002. Pomiar twardości sposobem Rockwella.