Urządzenia dla inżynierii materiałów

BADANIA TWARDOŚCI

Twardość jest jedną z właściwości, których nie można jednoznacznie zdefiniować opierając się na znanych wielkościach fizycznych. Przez twardość rozumie się odporność na odkształcenie plastyczne materiału poddanego naciskowi określonego wgłębnika lub ścieraniu.

Badania twardości są popularne ze względu na szybkość i względną łatwość wykonania samego pomiaru. Należą do grupy badań nieniszczących, ze względu na znikome odkształcenia generowane w materiale, jak również możliwość dokonywania pomiarów na gotowych elementach.

Pierwszą skalą twardości była skala Mohsa określona w 1822r., która wzięła swoją nazwę od nazwiska twórcy Friedricha Mohsa. Jest to 10-stopniowa skala, orientacyjna, charakteryzująca twardość minerałów. Klasyfikacja opiera się na założeniu, że jeżeli badany minerał będzie w stanie zarysować powierzchnię minerału wzorcowego, będzie zaklasyfikowany z jego twardością.

METODY POMIARU TWARDOŚCI

Ze względu na charakter oporu stawianego przez materiał podczas próby, badania można podzielić na:

• statyczne – metodą Rockwella, Brinella, Vickersa, Knoopa,
• dynamiczne – metody Poldi, Shore’a,
• ryskowe – metoda Mohsa.

Twardość jest określana w oparciu o wymiary rysy otrzymywanej w wyniku przesuwania się po powierzchni materiału ostrego i twardego wgłębnika ze ściśle określonym dociskiem.

Najczęściej rozpowszechnionymi metodami pomiaru twardości są metody statyczne, które polegają na wciskaniu wgłębnika w badaną próbkę. Różnicę między nimi określa rodzaj zastosowanego wgłębnika oraz sposób odczytu pomiarów.

Pomiar twardości metodą Brinella

Metoda Brinella jako wgłębnik wykorzystuje kulkę wykonaną ze stali hartowanej lub węglików spiekanych. Twardość określa się na podstawie pomiaru średnicy odcisku powstałego po usunięciu obciążenia. Jest ona proporcjonalna do stosunku obciążenia do powierzchni czaszy kulistej trwałego odcisku. Warunki badania określa międzynarodowa norma PN-EN ISO 6506-1:2014-12.

Pomiar twardości metodą Rockwella

Metoda Rockwella wykorzystuje dwa rodzaje wgłębników: diamentowy stożek o kącie wierzchołkowym 120° lub stalową kulę o średnicy 1/16” (ew. 1/8”). Wynik badania określany jest na podstawie pomiaru trwałego przyrostu głębokości odcisku po odciążeniu. Warunki badania określa norma PN-EN ISO 6508-1.

Pomiar twardości metodą Vickersa

Metoda Vickersa do pomiaru twardości stosuje wgłębnik w postaci ostrosłupa diamentowego o podstawie kwadratowej i kącie 136˚ między przeciwległymi ścianami. Nacisk zależy od rodzaju badanego materiału, jednak zawarty jest w zakresie od 9,8 do 981 N (od 1 do 100 kg). W tej metodzie twardość to stosunek obciążenia F do powierzchni S pobocznicy odcisku wgłębnika. Pomiar dokonywany jest na podstawie długości przekątnych powstałego odcisku, do dalszych obliczeń przyjmuje się średnią wartość:

HV = F/S

Metodę Vickersa stosuje się do pomiaru metali o różnej twardości, pozwala na badanie zarówno miękkich, jak i twardych materiałów. W metodzie tej stosuje się jedną skalę dla całego zakresu twardości. Zasady pomiaru twardości metodą Vickersa określa norma PN-EN ISO 6507-1:2018-05.

Skala twardości Shore’a

Skala twardości opracowana przez Alberta Ferdynanda Shore’a umożliwia pomiar materiałów metalowych oraz niemetalowych. Do badania metali wykorzystywany jest specjalny bijak, który spuszcza się z wysokości na badaną próbkę. Na podstawie powstałych odkształceń można określić stopień twardości metalu. Materiały niemetalowe, takie jak guma i tworzywa sztuczne bada się z wykorzystaniem durometru. Skala twardości Shore’a ma zakres od 0 do 100.

Zastosowanie pomiarów twardości

Bardzo często w badaniach materiałów zachodzi konieczność wyznaczania twardości:

• warstw wierzchnich,
• cienkich drutów oraz blach,
• składników strukturalnych stopów,
• ostrzy.

W takim przypadku zalecane jest stosowanie obciążeń niższych niż w klasycznych metodach oraz posługiwanie się precyzyjnymi układami pomiarowymi, otrzymane w tym przypadku wartości twardości noszą nazwę mikrotwardości (lub nanotwardości). Urządzenia pomiarowe umożliwiające realizację takich badań nazywane są mikrotwardościomierzami i nanotwardościomierzami instrumentalnymi.