Pomiar twardości ciał stałych

Transkrypt

1 Pomiar twardości ciał stałych Twardość jest istotną cechą materiału z konstrukcyjnego i technologicznego punktu widzenia. Twardość, to właściwość ciał stałych polegająca na stawianiu oporu odkształceniom plastycznym przy lokalnym nacisku na ich powierzchni, wywieranego przez inne, twardsze ciało. Twardość jest cechą umowną i umożliwia porównywanie odporności na uszkodzenia powierzchni różnych materiałów. Cenną właściwością parametru twardości jest doświadczalnie stwierdzone powiązanie twardości z innymi właściwościami materiałów; przykładem może być związek z modułem sprężystości wzdłużnej (moduł Younga E). Biorąc jeszcze pod uwagę fakt, że próby twardości jedynie w minimalnym stopniu uszkadzają badany materiał, nie będzie zaskoczeniem, że często ta metoda zastępuje próby znacznie trudniejsze do zrealizowania. W laboratoriach stosowanych jest kilka metod badania twardości. Do najczęściej wykorzystywanych należą metody: Rockwella, Brinella i Vickersa. Pomiar twardości metodą Rockwella Próba polega na dwustopniowym wciskaniu w badany materiał stożka diamentowego o kacie wierzchołkowym lub hartowanej kulki stalowej o średnicy Φ1/16 (1,5875mm). Dwustopniowość wciskania polega na zastosowaniu dwu wartości obciążenia: wstępnego F o i głównego F (rys.1). Przy obciążeniu F o wgłębnik zagłębia się na głębokość wstępną h o w materiał. Następnie zadawane jest obciążenie główne F (w sumie działa więc obciążenie całkowite F 0 + F). Wgłębnik zagłębia się w materiał na głębokość h. Ponieważ w tym położeniu w materiale występują odkształcenia zarówno sprężyste jak i plastyczne, wobec tego zdejmuje się obciążenie F, a wgłębnik obciążony tylko obciążeniem F o unosi się nieco pod wpływem energii odkształcenia sprężystego materiału. Powstały odcisk jest więc już wynikiem wyłącznie odkształceń plastycznych. Jako głębokość pomiarową do wyznaczania twardości Rockwell'a przyjmuje się wartość e [mm], będącą odległością powstałą po przyłożeniu obciążenia głównego. Twardość odczytuje się bezpośrednio na wyskalowanym czujniku i jest wyrażona w jednostkach twardości HR. Obciążenie wstępne Obciążenie główne Odciążenie F 0 F+F0 F 0 Stożek h o h e Rys. 1. Idea pomiaru twardości metodą Rockwella

2 W zależności od geometrii zastosowanego wgłębnika twardość w metodzie Rockwella oznacza się za pomocą następujących symboli: HRC przy pomiarze stożkiem, HRB przy pomiarze kulką. Pomiar twardości metoda Rockwella za pomocą stożka stosuje się do twardych metali, stopów, a zwłaszcza stali ulepszonych cieplnie. Sprawdza się w ten sposób twardość implantów metalicznych, np. trzpieni endoprotez, gwoździ śródszpikowych, czy też płytek do osteosyntezy. Twardość Rockwella wyznacza się na podstawie następujących wzorów: dla stożka dla kulki =100, =130, Do zalet metody Rockwella można zaliczyć: 1. Możliwość pomiaru twardości materiałów twardych i miękkich, 2. Duża szybkość pomiaru, predysponująca metodę do pomiarów masowych. Wady: 1. Błędy powstające podczas pomiaru głębokości odcisku. 2. Duża ilość skal umownych (skale C, A, N - pomiar za pomocą stożka diamentowego, skale B, F, T pomiar za pomocą kulki) z czego wynika konieczność porównywania ich przy pomocy tablic. 3. Nierównomierność skal. Pomiar twardości metodą Brinella. Metoda Brinella polega na wciskaniu wgłębnika w postaci hartowanej kulki stalowej o średnicy φd w powierzchnię badanego materiału, pod obciążeniem siłą F, w czasie T (rys.2). Znormalizowane średnice kulek stosowanych w metodzie Brinella wynoszą: 1; 2; 2,5; 5 i 10 mm. Średnica odcisku kuli φd, jako średnia z kilku pomiarów w kierunkach wzajemnie prostopadłych wyrażona w [mm], służy do obliczenia pola powierzchni czaszy odciśniętej w badanym materiale. Twardość w metodzie Brinella obliczana jest ze wzoru: =0,102. W przypadku pomiaru twardości metodą Brinella istotne jest dokładne unieruchomienie badanego przedmiotu oraz prostopadłe ustawienie badanej powierzchni w stosunku do linii działania siły dociskającej wgłębnik. Najmniejszy dopuszczalny promień krzywizny badanej powierzchni jest równy trzykrotnej średnicy kulki wgłębnika. Niedotrzymanie warunku prostopadłości powierzchni do kierunku działania siły skutkuje owalizacją odcisku (odcisk eliptyczny), co w efekcie przy obliczaniu twardości na podstawie średniej z dwóch skrajnych wymiarów powoduje błędy pomiarowe. Ponieważ podczas pomiaru twardości metodą Brinella na badany materiał działają siły generujące znaczne odkształcenia wokół odcisku, dlatego też konieczne jest zachowanie odpowiednich odległości między kolejnymi odciskami, tak aby każdy nowy pomiar odbywał się poza strefą odkształceń plastycznych poprzednich odcisków. Aby zachować takie warunki odległość między środkami dwóch sąsiednich odcisków nie powinna być mniejsza niż czterokrotna wartość średnicy

3 odcisku (4 d), a odległość między środkiem odcisku i krawędzią badanego przedmiotu powinna być >2,5 d. Metoda Brinella umożliwia pomiar twardości zarówno materiałów metalicznych, niektórych tworzyw sztucznych ( z grupy plastomerów ), można ją również stosować do pomiaru twardości tkanki kostnej zbitej. F φd φd Rys. 2. Schemat pomiaru twardości metodą Brinella Zalety metody Brinella: 1. Możliwość pomiaru twardości materiałów niejednorodnych. 2. Jedna skala twardości. Wady: 1. Kłopotliwość pomiaru średnicy odcisku. 2. Nie nadaje się do pomiarów twardości warstw utwardzonych i bardzo małych przedmiotów. 3. Nie nadaje się do pomiarów twardych. Pomiar twardości metodą Vickersa Pomiar twardości ta metodą polega na wciskaniu wgłębnika o kształcie ostrosłupa prawidłowego o kącie wierzchołkowym α=136 0 (rys. 3). Twardość w metodzie Vickersa oznaczamy symbolem HV i określamy analogicznie jak w metodzie Brinella, obliczając iloraz siły F wciskającej wgłębnik w badany materiał i pola powierzchni bocznej odcisku A, co możemy wyrazić wzorem: =, gdzie: = 2 2 /2,

4 d-wielkość przekątnej odcisku (rys.3). W praktyce należy skorzystać z zależności: =0,1891. F d Rys. 3. Schemat pomiaru twardości metodą Vickersa Zalety metody Vickersa: 1. Jednoznaczność oznaczeń (w przybliżeniu) z metoda Brinella do twardości 300 dn/mm Stosuję się jedna skalę porównywalna w całym mierzonym zakresie makrotwardości bez względu na wielkość obciążenia. 3. Nadaje się do pomiarów twardości bardzo małych przedmiotów, jak również cienkich warstw utwardzonych. 4. Nadaje się do pomiaru twardości materiałów miękkich i twardych. 5. Nadanie się do zastosowania w zakresie makro i mikrotwardości. 6. Duża dokładność pomiarów. Do wad metody Vickersa zalicza się: 1. Konieczność starannego oczyszczenia badanej powierzchni. 2. Nie nadaje się do pomiarów twardości materiałów o strukturze gruboziarnistej i niejednorodnej. Niezależnie od zastosowanej metody pomiaru twardości należy zwrócić uwagę na czas działania obciążenia wgłębnika. Mierzone w próbach twardości odkształcenia plastyczne nie zachodzą natychmiast, lecz wzrastają stopniowo w czasie. Oznacza to, że im dłuższy czas obciążenia, tym większy odcisk, a mniejsza wartość twardości. Wynika stąd wniosek, że dla zapewnienia

5 powtarzalności warunków pomiaru należy ustalić czas trwania testu. Ponieważ wynik pomiaru zależy od czasu zwiększania obciążenia do jego maksymalnej wartości, a także czasu trwania pełnego obciążenia, odpowiednie normy wymagają, przykładowo w metodzie Brinella, aby kulkę obciążać równomiernie do żądanej siły w ciągu 2 do 8 s, a czas utrzymywania osiągniętej siły w zależności od twardości materiału powinien wynosić: dla twardości HB=1-2s, do 10 HB 180 s, od 10 do 35 HB 120 s, od 35 do 100 HB 30 s i powyżej 100 HB 10 do 15 s. Należy jeszcze raz wyraźnie podkreślić, że wartości twardości wyznaczone poszczególnymi metodami nie są porównywalne. Dlatego też opisując wyniki pomiarów własnych należy zaznaczyć jaką metodę zastosowano i z drugiej strony, analizując dane pomiarowe pochodzące z innych źródeł należy najpierw upewnić się jaką techniką badawczą zostały one wyznaczone.