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 Obciążenie wstępne [N] Obciążenie całkowite [N] HRC Stożek diamentowy 98 1471 HRA 120 588 HRB Kulka stalowa 98 980 HRF 1,5875 (1/6 ) 588
Zasada pomiaru twardości Pod wpływem obciążenia wstępnego wynoszącego dla czterech głównych skal 98 N wgłębnik wgłębia się w badany materią na głębokość h o. 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 F 0 +F 1 zagłębia się na głębokość h. Po upływie określonego okresu czasu (na ogół 2 6 s) następuje odciążenie obciążenia głównego i pozostawienie obciążenia wstępnego F o. Po usunięciu obciążenia głównego F 1, 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 60-90 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-D 2 -d 2 ) 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 KD 2 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/d 2 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 F o =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 F 1, 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. Błażewski S., Mikoszewski J.; Pomiary twardości metali. WNT. Warszawa 1981. 2. PN-EN ISO 6506-1:2002. Pomiar twardości sposobem Brinella. 3. PN-EN ISO 6507-1:1999. Pomiar twardości sposobem Vickersa. 4. PN-EN ISO 6508-1:2002. Pomiar twardości sposobem Rockwella.