Twardość metali

Twardość metali
6.1. Wstęp
Twardość jest jedną z cech mechanicznych materiału równie ważną z konstrukcyjnego i
technologicznego punktu widzenia, jak wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie,
przewężenie, udarność itp. Twardością ciała określamy miarę oporu, jaki ono stawia podczas
wciskania weń wgłębnika. Jest wiele metod pomiaru twardości. Najbardziej ogólny podział to
pomiary statyczne i dynamiczne twardości. Spośród metod statycznych najbardziej
rozpowszechnione są:
– metoda Brinella, PN-91/H-04350 [4],
– metoda Rockvella, PN-91/H-04355 [5],
– metoda Vickersa, PN-91/H-04360 [6].
Do najbardziej rozpowszechnionych metod dynamicznych należą:
– metoda młotka Poldiego,
– metoda Shore’a (metoda skleroskopowa), która polega na pomiarze wysokości odbicia od
badanego materiału spadającej kulki stalowej o masie 2,626 g z wysokości 275 mm. Metoda ta
głównie stosowana jest do pomiaru twardości gumy.
6.2. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie metod badania twardości metali, nabycie umiejętności w
określaniu twardości metodami statycznymi: Brinella, Rockvella i Vickersa.
6.3. Metoda Brinella
Twardość określana według metody Brinella jest to stosunek siły F, działającej prostopadle
do badanej powierzchni obciążającej kulkę stalową w określonym czasie do pola
powierzchni
bocznej
odcisku
S,
jaki
ta
kulka
pozostawiła
w badanym materiale:
HBS, HBW = 0,102
F
S
N
mm 2
(6.1)
HBS – oznaczenie twardości wg Brinella przy pomiarze kulką stalową,
HBW – oznaczenie twardości wg Brinella przy pomiarze kulką z węglików spiekanych.
Rys. 6.1. Schemat obciążenia kulki w metodzie Brinella
2F
HB = 0,102
D D
D2 d 2
(6.2)
Średnice D kulek są znormalizowane i wynoszą: 10; 5; 2.5; 2; 1 mm. Są one wykonane ze
stali stopowej lub węglików spiekanych. Te ze stali stopowej są obrobione cieplnie do
twardości HV10 = 850
N
(twardość w skali Vickersa) i można nimi mierzyć twardość do
mm2
450 HBV. Kulki z węglików spiekanych stosuje się do pomiarów twardości od 450 HBW do
630
HBW.
Średnica
D
kulki
i siła obciążająca F spełniają równanie:
F = 9,807 K D2
(6.3)
Wartość parametru K musi być tak dobrana, aby średnica odcisku d była
w zakresie (0,24 – 0,6) D. Parametr K przyjmuje wartości: 1; 1,25; 2,5; 5; 10; 15; 30 i zależy
od rodzaju materiału. W tabeli 6.1 podano przykładowe wartości parametru K.
Czas działania siły obciążającej zależy od twardości. Kulkę należy obciążać równomiernie do
zadanej siły w ciągu 2 8 s, licząc od chwili zetknięcia kulki z próbką, a czas działania
maksymalnej siły powinien wynosić przy twardościach powyżej 100 HB.. od 10 15 s. Przy
mniejszych twardościach czas ten rośnie i tak przy twardości 10 HB.. powinien wynosić 180
s. Ponieważ w tej metodzie powstają duże odkształcenia materiału wokół odcisku, każdy
nowy pomiar musi być wykonywany poza strefą materiału zniekształconego poprzednimi
odciskami. Przy twardościach powyżej 350HB.. odległość między środkami dwóch sąsiednich
odcisków powinna być większa od 4d, odległość zaś między środkiem odcisku a krawędzią
badanego przedmiotu powinna być większa od 2,5d. Jeżeli twardość badanego przedmiotu
jest mniejsza od 350 HB należy tę odległość odpowiednio zwiększyć do 6d i 3d. Grubość
próbki musi być co najmniej równa 8-krotnej głębokości odcisku. Głębokość odcisku można
policzyć ze wzoru:
h = 0,102
F
[mm]
D HB..
(6.4)
gdzie: F jest siłą obciążającą kulkę, D jej średnicą, HB.. jest twardością w jednostkach
Brinella.
Powierzchnia badanej próbki w miejscu przeprowadzanego pomiaru powinna być gładka i
czysta. Należy jednak unikać nagrzania albo zgniotu podczas przygotowywania próbek.
Jedynie dopuszcza się ślady obróbki mechanicznej.
Średnicę odcisku należy mierzyć w dwóch wzajemnie do siebie prostopadłych kierunkach i
przyjąć do obliczeń wartość średnią. Dokładność pomiaru twardości zależy od dokładności
pomiaru średnicy odcisku. W nowoczesnych twardościomierzach Brinella układ pomiarowy
średnicy odcisku stanowi jego integralną część i pozwala na pomiar z dokładnością 0,001
mm. W aparatach starszego typu, do pomiaru średnicy odcisku służy specjalna lupa z
żaróweczką, za pomocą której możemy zmierzyć średnicę odcisku z dokładnością 0,05 mm.
Na podstawie badań doświadczalnych stwierdzono, że między twardością w jednostkach
Brinella a wytrzymałością doraźną na rozciąganie Rm zachodzi związek:
–
–
–
–
–
dla stali o twardości 125 < HBV < 175 Rm 3,4 HB,
dla stali o twardości HB.. > 175 Rm 3,6 HB..,
dla aluminium Rm 2,6 HBV,
dla brązu i mosiądzu wyżarzonego Rm 5,5 HBV,
dla brązu i mosiądzu walcowanego Rm 4,0 HBV.
Zaletą metody Brinella jest możliwość pomiaru twardości materiału niejednorodnego przy
jednej skali twardości.
Wadami są: kłopotliwy pomiar średnicy, nie nadaje się do pomiarów twardości małych
przedmiotów i warstw utwardzonych, ograniczenie do twardości 630 HB.
6.4. Metoda Rockwella
Warunki przeprowadzania pomiarów twardości metodą Rockwella określa PN-91/H-04355
[5]. Badania twardości tą metodą polegają na dwustopniowym wciskaniu w badaną próbkę
stożka diamentowego (skale A, C i D) lub kulki stalowej (skale B, E, F, G, H i K). Schemat
przebiegu pomiaru twardości metodą Rockwella przedstawiony jest na rys.6.2.
Dwustopniowe wciskanie zwiększa dokładność pomiaru twardości. Obciążenie wstępne F0 =
98,07 N powoduje przebicie przez wgłębnik obszaru chropowatości i niejednorodności
warstwy wierzchniej badanej próbki. Wgłębnik przemieszcza się na głębokości h0, co jest
poziomem odniesienia.
Fo
Fg
hs
h
h1
h
K = 0,2 mm
100
ho
h1
hs
K
ho
HR
Fo + Fg
HR = 100 – h
0
Rys. 6.2. Schemat pomiaru twardości metodą Rockwella
Następnie dodaje się obciążenie główne Fg odpowiednio do skali:
– skala A, F, H
– skala C, G, K
– skala B, D, E
– 490 N,
– 1373 N,
– 882,6 N.
Wgłębnik wciskany siłą wypadkową F = F0 + Fg przemieszcza się na głębokość h1 licząc od
poziomu odniesienia. Po upływie 5 sekund zdejmuje się obciążenie główne Fg. Wgłębnik cofa
się o wartość hs, która przedstawia odkształcenie sprężyste. Wartość h stanowi podstawę do
określania twardości wg Rockwella. Jeśli h = 0, to materiał badany jest idealnie sprężysty,
jeśli h = h1, to materiał jest idealnie plastyczny. Miarą twardości jest różnica pomiędzy
umowną wielkością K a wartością h wyrażoną w jednostkach odkształcenia trwałego równego
0,002 mm. Wartość K dla stożka wynosi 100, a dla kulki stalowej 130. Twardości w skali
Rockwella można więc określić umownym wzorem:
HRA, HRC, HRD = 100 –
h
przy pomiarach stożkiem diamentowym,
0,002
HRB, HRE, HRF, HRG, HRH, HRK = 130 –
h przy pomiarach
0,002kulką stalową.
Do pomiarów twardości używa się trzech rodzajów wgłębników:
1) stożka diamentowego o kącie rozwarcia 120
z wierzchołkiem zaokrąglonym
promieniem 0,2 mm, pomiaru twardości wg skal A, C, D,
2) hartowanej kulki stalowej o średnicy 1,588 mm do pomiaru twardości wg skal B, F, G,
3) hartowanej kulki stalowej o średnicy 3,175 mm do pomiaru twardości wg skal E, H, K.
Wybór wgłębnika zależy od twardości badanego materiału. Najczęściej używa się jako
wgłębników:
– stożka diamentowego (skala C, siły nacisku Fo = 98,07 N, Fg = 1373 N),
– kulki stalowej o średnicy 1,588 mm (skala B, siły nacisku Fo = 98,07 N, Fg = 882,6 N).
Stożek diamentowy stosuje się przy badaniu twardości materiałów bardzo twardych i
twardych (20 – 67 HRC to jest powyżej 240 HB..). Kulkę stalową stosuje się przy badaniu
twardości materiałów miękkich i średniotwardych (35 – 100 HRB to jest poniżej 240 HB..).
Odległość środków odcisków od siebie nie może być mniejsza od 4-krotnej średnicy odcisku,
natomiast odległość między środkiem odcisku a krawędzią próbki powinna odpowiadać co
najmniej dwu i półkrotnej średnicy. Grubość natomiast w miejscu badania zależna jest od
twardości badanej próbki.
Zalety metody Rockwella: możliwość wykonywania pomiarów twardości materiałów
miękkich (wgłębnikiem jest wtedy kulka stalowa) i twardych (wgłębnikiem jest wtedy stożek
diamentowy), twardościomierze Rockwella wyposażone są w czujniki zegarowe o takiej
skali, że odczytuje się bezpośrednio twardość, co pozwala na szybkie wykonanie pomiaru.
Wady: duża ilość skal umownych, ich nierównomierność w stosunku do innych metod (940
HV30 odpowiada 68 HRC, 310 HV30 odpowiada już 31 HRC).
6.5. Metoda Vickersa
Próba twardości metodą Vickersa objęta jest normą PN-91/H-04360 [6] i jest ona
udoskonaleniem metody Brinella. Polega na wciskaniu wgłębnika odpowiednią siłą w badaną
próbkę materiału przez określony czas. Wgłębnikiem jest regularny czworokątny ostrosłup
diamentowy, którego kąt rozwarcia między przeciwległymi ściankami wynosi 136º. Tak
dobrany kąt daje możliwość porównania wyników metody Vickersa i metody Brinella w
zakresie do 250 HBV przy Dd 0,375 . Powyżej 250 HBV twardość w skali Vickersa jest
większa. Twardość według tej metody określamy podobnie jak w metodzie Brinella,
obliczając stosunek siły wciskającej F wgłębnik do pola powierzchni bocznej odcisku S:
HV = 0,102
F
S
N
mm 2
gdzie: F – siła wciskająca [N],
S – pole powierzchni bocznej odcisku [mm²].
Rys.6.3. Schemat obciążeń wgłębnika w metodzie Vickersa;
H – głębokość zagłębienia pod obciążeniem siłą F, hs – odkształcenia sprężyste
zanikające po zdjęciu siły F, h – głębokość odkształceń trwałych
Rys. 6.4. Schemat pomiaru przekątnych d1 i d2 odcisku
(6.5)
Pole powierzchni bocznej obliczamy ze wzoru:
S=
d2
136 
2 sin
2
d2
1,8544
(6.6)
gdzie: d – średnia długość przekątnych odcisku:
d=
d1 d2
.
2
(6.7)
Ostatecznie:
HV = 0,1891
F
.
d2
(6.8)
Oznaczenie jednostek twardości Vickersa HV uzupełnia się liczbami, określającymi umownie
wielkość siły obciążającej wgłębnik i czas działania całkowitej siły, jeśli jest inny niż
standardowy, np.:
– twardość
Vickersa
640
zmierzona
przy
9,807 N, w czasie działania obciążenia 10 – 15 s;
640 HV30 – twardość
Vickersa
640
zmierzona
przy
294,2 N, w czasie działania obciążenia 10 –15 s;
640 HV 30 20 – twardość
Vickersa
640
zmierzona
przy
294,2 N, w czasie działania obciążenia 20s.
640 HV1
obciążeniu
siłą
obciążeniu
siłą
obciążeniu
siłą
Siły nacisku F są znormalizowane i wynoszą: 1,962; 2,943; 4,905; 9,81; 19,62; 24,525; 29,43;
49,05; 98,1; 196,2; 294,3; 490,5; 981[N]. Wartość nacisku zależy od twardości i grubości
próbki. Zalecaną wartością siły nacisku F jest 294,2 N. Wgłębnik należy obciążać
równomiernie przez 10 ÷ 15 sek do osiągnięcia zadanej siły nacisku, a czas działania
całkowitej siły nacisku powinien wynosić również 10 ÷ 15 sek. Powierzchnie, na których
wykonywany ma być pomiar muszą być czyste, gładkie i płaskie. Przy wygładzaniu należy
unikać zmian twardości na powierzchni przez nagrzanie lub zgniot. Dopuszcza się ślady
obróbki mechanicznej. Przy wykonywaniu kilku pomiarów na tej samej próbce należy
zachować odległość między poszczególnymi odciskami tak, aby mieć pewność, że nie
dokonano pomiaru w obszarze zniekształconym poprzednim pomiarem. Minimalna odległość
od środka odcisku do krawędzi próbki nie powinna być mniejsza od 2,5 średniej przekątnej
odcisku. Odległość między środkami sąsiednich odcisków nie powinna być mniejsza od
trzech średnich przekątnych. Grubość próbki powinna wynosić co najmniej 1,5 średniej
przekątnej odcisku. Optyczny układ pomiarowy stanowi integralną część twardościomierza.
Na matówce w powiększeniu widoczny jest ślad odcisku a ruchome skale wraz ze śrubą
mikrometryczną pozwalają na pomiar odcisków, z dokładnością do 0,001 mm.
Zalety metody Vickersa: duża dokładność pomiarów twardości niezależnie od obciążenia,
jedna skala twardości, umożliwia pomiary materiałów miękkich średniotwardych i twardych,
wyniki porównywalne są do twardości 250 HB.. z wynikami metody Brinella.
Wady: konieczność starannego przygotowania powierzchni do pomiaru, nie nadaje się do
pomiarów twardości materiałów niejednorodnych z uwagi na bardzo małe odciski.
6.6. Opracowanie wyników badań
Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:
– cel ćwiczenia oraz pojęcie twardości,
– obliczenia twardości badanych próbek według Rockwella, Brinella i Vickersa,
– protokół pomiarów, tabela protokółu znajduje się na monitorze komputera pod nazwą:
twardość.xls.
Protokół pomiarów: twardości metali
1. Pomiar twardości metodą Brinella
twardościomierz:
Średnica
Lp. Materiał kulki
D
[mm]
1
2
3
4
5
Obciążenie
F
[N]
Czas
obciążenia
t
sek
Średnice
odcisków
d1
d2
[mm]
Twardość
dśred
HB..
2. Pomiar twardości metodą Vickersa
twardościomierz:
Obciążenie
Lp. Materiał
F
[N]
1
2
3
4
5
Czas
obciążenia
t
sek
Przekątne
odcisków
d1
d2
[mm]
Twardość
dśred
HV
3. Pomiar twardości metodą Rockwella
twardościomierz:
Lp.
1
2
3
4
5
Materiał
Obciążenie
F
[N]
Rodzaj
wgłębnika
Twardość
HRC
HRB