Pnc s.c. Natryskiwanie Cieplne Powłok

Skale twardości - metody badania twardości materiałów

    Twardość jest miarą odporności materiału przeciw lokalnym odkształceniom trwałym, powstałym na powierzchni badanego przedmiotu, wskutek działania skupionych nacisków punktowych spowodowanych wciskaniem w nią drugiego, twardszego ciała, zwanego wgłębnikiem.

    Jest wiele metod pomiaru twardości. Najbardziej ogólny podział to pomiary statyczne i dynamiczne twardości.

    Spośród metod statycznych pomiaru twardości najbardziej rozpowszechnione są:
    – metoda Rockwella,
    – metoda Vickersa,
    – metoda Brinella,
    – metoda Mohsa (dla minerałów).

    Do najbardziej rozpowszechnionych metod dynamicznych pomiaru twardości należą:
    – metoda młotka Poldiego,
    – metoda Shore’a (metoda skleroskopowa),
    – metoda Leeba.

Skala twardości Rockwella:

    Pomiar twardości metodą Rockwella polega na pomiarze głębokości wcisku dokonanego wzorcowym stożkiem diamentowym o kącie wierzchołkowym 120° i promieniu zaokrąglenia 0,2 mm dla skali C, A i N albo stalowej, hartowanej kulki o średnicy 1,5875 mm (1/16") w metodach B, F i T przy użyciu odpowiedniego nacisku. Metoda ta jest szybka i łatwa w użyciu, gdyż przyrząd jest wyposażony w czujnik wyskalowany bezpośrednio w jednostkach twardości. Próba Rockwella pozostawia na badanym przedmiocie tylko słabo widoczną skazę, dlatego może być używana do kontroli gotowych wyrobów.

    Twardość w skali Rockwella oznacza się HR.

   Stosowanych jest kilka różnych skal, z których każda przeznaczona jest dla odmiennych stopów metali:
    - Skale C i A stosuje się dla stali hartowanych.
    - Skale B i F stosuje się dla stali niehartowanych i metali nieżelaznych.
    - Skale N i T stosuje się, gdy badana próbka ma niewielkie rozmiary lub jest bardzo cienka.

    Przy podawaniu twardości określanej w skali Rockwella w symbolu uwzględnia się metodę, na przykład HRC dla metody C

    Zakres skali Rockwella wynosi od 20 dla miękkich stopów do 100 dla stali hartowanej (najtwardsza stal martenzytyczna  ma twardość nie większą niż 65–70 HRC).

Skala
Oznaczenie
Obciążenie
Wgłębnik
Użycie
A
HRA
60 kG
diamentowy stożek* 120°

BHRB100 kGstalowa kulka 1/16'' (1,588 mm)
aluminium, mosiądz i miękkie stale
CHRC150 kGdiamentowy stożek* 120°
twarde stale
DHRD100 kGdiamentowy stożek* 120°

EHRE100 kGstalowa kulka 1/16'' (1,588 mm)

FHRF60 kGstalowa kulka 1/16'' (1,588 mm)

    Zalety metody Rockwella:
    - możność stosowania go do badania wyrobów twardych i niektórych warstw utwardzonych,
    - szybkość i łatwość pomiaru,    - bardzo prosta obsługa twardościomierza,
    - odczytywanie twardości bezpośrednio na twardościomierzu bez konieczności stosowania tablic,
    - małe odciski pozostawione przez ten pomiar,
    - możność stosowania go do zautomatyzowania pomiarów.

    Wady metody Rockwella:
    - bardzo duży wpływ niepoprawnego ustawienia przedmiotu na wynik pomiarów,
    - bardzo duży wpływ zanieczyszczeń śruby podnośnej i podstawek, stolika przedmiotowego i kształtu na samego wyrobu na wynik pomiaru,
    - niemożliwość pomiaru twardości bardzo cienkich przedmiotów i cienkich warstw nawęglonych, azotowanych itp.,
    - niemożność dotrzymania dużej dokładności pomiaru wskutek niekorzystnych warunków metrologicznych ( wiele mechanicznych przełożeń ),
    - znaczna ilość skal twardości i kłopotliwe ich porównanie ze sobą, jak również z wynikami innych sposobów,
    - nierównomierność poszczególnych skal, np.: przy porównywaniu twardości stali węglowej.

    Procedurę dokonywania pomiarów metodą Rockwella opisuje Polska Norma PN-EN ISO 6508.

Skala twardości Vickersa:

     Pomiar twardości metodą Vickersa polega na wgnieceniu w powierzchnię badanego materiału czworobocznego foremnego ostrosłupa diamentowego o kącie wierzchołkowym 136° pod zadanym statycznym obciążeniem F i zmierzeniu przekątnych d powstałego odcisku w kształcie kwadratu. Wartość liczbową twardości wyrażaną w skali Vickersa HV otrzymuje się dzieląc siłę F w kilogramach siły (kG) przez pole powierzchni bocznej odcisku A w milimetrach kwadratowych:


    Zapis HV 30 oznacza, iż próbę przeprowadzono przy obciążeniu równym 30 kG. 

    Obciążenia używane przy próbie Vickersa są znormalizowane i wynoszą: 1, 5, 10, 20, 30, 50 i 100 kG lub odpowiednie obciążenie w N. 

     W zależności od wartości zastosowanego obciążenia rozróżnia się trzy zakresy skali Vickersa:

    - Próba mikrotwardości Vickersa – dla obciążeń 0,09807 NF0,9807 N (0.01kG - 0.1kG). Oznaczenie HV 0.01HV 0.1
    - Próba twardości Vickersa przy małej sile obciążenia – 1,961 NF29,42 N (0.2kG - 3kG). Oznaczenie HV 0.2HV 3 
    - Próba twardości Vickersa – 49,03 N F980,7 N (5kG - 100kG). Oznaczenie HV 5HV 100

    Zalety metody Vickersa:
    - duża porównywalność tej metody z metodą Brinella ( aż do 300 jednostek twardości HB są ze sobą zgodne; powyżej stosuje się zależność HB = 0,95 HV ),
    - możliwość uzależnienia twardości HV od wytrzymałości na rozciąganie Rm,
    - możliwość stosowania tej metody zarówno do materiałów miękkich, jak i bardzo twardych,
    - małe głębokości odcisków,
    - zmiana ustawienia nie wpływa na wynik pomiaru,
    - duża dokładność odczytu przekątnych,
    - wynik pomiaru twardości przy zastosowaniu większych obciążeń nie zależy od zastosowanego obciążenia

    Wady metody Vickersa:
    - skomplikowana konstrukcja twardościomierza wymagającego bardzo fachowej obsługi,
    - mała wydajność pomiaru,
    - niemożność pomiaru niektórych materiałów niejednorodnych, np. żeliwa ze względu na jego porowatość, w związku z tym może nastąpić uszkodzenie ostrza wgłębnika,
    - dość znaczny wpływ chropowatości na wynik pomiaru,
    - większy koszt twardościomierza.

     Procedurę dokonywania pomiarów metodą Vickersa opisuje Polska Norma PN-EN ISO 6507-1

Skala twardości Brinella:

    Metoda pomiaru twardości Brinella polega na wciskaniu w próbkę metalu kulki ze stali hartowanej lub z węglików spiekanych. Kulkę stalową można używać do próbek o twardości do 450 HB. Powyżej twardości 350 HB wyniki pomiaru kulką stalową i wykonaną z węglików różnią się istotnie, dlatego rodzaj kulki należy oznaczać dodając w oznaczeniu literę S (HBS) dla stali i W dla węglików (HBW). Średnica kulki (1, 2,5, 5 i 10 mm), czas obciążenia (od 10 s dla stali do 60 s miękkich stopów) oraz siła docisku (1-3000 kG), zależy od rodzaju materiału i grubości próbki. 

    Twardość Brinella oznacza się znacznikiem HB i mieści się ona w zakresie od 3 do 600.

    Zalety metody Brinella:
    – możność uzależnienia twardości Brinella dla materiałów ciągliwych od wytrzymałości na rozciąganie Rm. ( zależności te kształtują się następująco: stal o twardości 125 < HB < 175 - Rm 0,343 HB; stal o twardości HB > 175 - Rm 0,362 HB; staliwo Rm ( 0,3 0,4 ) HB; żeliwo szare Rm ( HB - 40 ) / 6; aluminium Rm 0,26 HB.
    – możność stosowania tej metody do pomiaru twardości o strukturze niejednorodnej.

    Wady metody Brinella:
    – niemożność stosowania go do pomiaru twardości wyrobów twardych, drobnych oraz cienkich warstw utwardzonych i powierzchni niepłaskich,
    – kłopotliwy pomiar twardości ( mikroskop do pomiaru średnicy odcisku ),
    – zależność wyniku pomiaru twardości od zastosowanego obciążenia na kulkę,
    – znaczne uszkodzenie powierzchni z uwagi na duży rozmiar odcisku.

    Procedurę dokonywania pomiarów twardości metodą Brinella opisuje Polska Norma PN-EN ISO 6506.


Skala twardości Mohsa:

    Jest to dziesięciostopniowa skala twardości minerałów charakteryzująca odporność na zarysowania materiałów twardszych przez materiały bardziej miękkie. Została stworzona w 1812 roku przez niemieckiego mineraloga Friedricha Mohsa. Twardość poszczególnych minerałów nie jest ułożona proporcjonalnie i liniowo, lecz ma charakter porównawczy. Minerały są ustawione od najbardziej miękkiego do najtwardszego. Każdy minerał może zarysować minerał poprzedzający go na skali (bardziej miękki) i może zostać zarysowany przez następujący w skali po nim (twardszy). Jest to jedynie skala orientacyjna, a klasyfikacja polega na tym, że jeżeli badany minerał będzie w stanie zarysować powierzchnię minerału wzorcowego, będzie zaklasyfikowany z jego twardością. Przykładowo jeżeli minerał badany zarysuje powierzchnię kwarcu, będąc jednocześnie rysowany przez niego, będzie miał taką samą twardość. Jeżeli minerał badany będzie w stanie zarysować np. kwarc, a ten nie będzie w stanie zarysować materiału badanego, to twardość próbki jest uznawana za co najmniej 0,5 stopnia twardsza (porównanie z następnym na skali topazem mówi, czy nie jest większa). Twardość minerałów jest własnością kierunkową tzn., że może być odmienna w różnych kierunkach Przykładem takiej anizotropii twardości jest minerał kyanit (zwanym dawniej dysten co znaczy dwie twardości) o wzorze chemicznym    AlVIAlIV[SiO5]. Wzdłuż osi krystalograficznej Z wykazuje on twardość ok. 3,5 w skali Mohsa, natomiast prostopadle do tej osi twardość zwiększa się do około 7. Obecnie w warunkach laboratoryjnych twardość absolutną można mierzyć za pomocą sklerometrów, które zapewniają dużo dokładniejsze i bardziej miarodajne wyniki. Jednak skala Mohsa wciąż cieszy się dużą popularnością ze względu na możliwość szybkiego wyznaczenia przybliżonej twardości minerałów (również w warunkach polowych), przy pomocy łatwo dostępnych narzędzi.

    Minerały wzorcowe skali Mosha:

     1. talk (Mg3Si4O10(OH)2)    - minerał daje się zarysować z łatwością paznokciem,

     2. gips (CaSO4·2H2O)         - minerał daje się zarysować paznokciem,

     3. kalcyt (CaCO3)                 - minerał daje się zarysować z łatwością miedzianym drutem,

     4. fluoryt (CaF2)                   - minerał daje się zarysować z łatwością ostrzem noża,

     5. apatyt (Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)  - minerał daje się zarysować z trudem ostrzem noża,

     6. ortoklaz (KAlSi3O8)           - minerał daje się zarysować stalą narzędziową (np. pilnikiem),

     7. kwarc (SiO2)                      - rysuje szkło,

     8. topaz (Al2SiO4(OH-,F-)2)  - rysuje szkło z łatwością,

     9. korund (Al2O3)                  - Tnie szkło, daje się zarysować diamentem,

    10.diament (C)                        - Rysuje korund, daje się zarysować tylko innym diamentem.


Skala twardości Shore'a:

   Mówiąc o twardości Shore’a, skali tej twardości, czy twardościomierzu – należy doprecyzować czy ma się na myśli skleroskop do metali czy durometr do materiałów niemetalowych. W przypadku durometrów należy także zaznaczać typ (A, C, D, 0 itd.), ponieważ nie istnieją durometry uniwersalne. Skalę skleroskopową oznacza się najczęściej symbolami HS, HSD, HSC lub HSc (brak jednolitości). Skale durometrowe oznacza się symbolami Shore A, Shore D itd., lub tradycyjnie po polsku °Sh A, °Sh D itd.


Pomiary metali żelaznych (metoda skleroskopowa Shore’a):

   Pomiar skleroskopem Shore’a (opracowanym przez Alberta Ferdynanda Shore’a w 1906 r., w USA) odbywa się metodą dynamiczną. Stosowany jest np. w przypadku dużych przedmiotów, gdy nie można zastosować statycznych metod (tj. skali Rockwella, Brinella, czy Vickersa). Pomiar polega na opuszczeniu specjalnego bijaka (najczęściej o masie 20 g) z określonej wysokości (zwykle 112 mm). Podczas uderzenia część energii opadania zmienia się w odkształcenie sprężyste bijaka i materiału, co wywołuje jego odskok. Wysokość odskoku jest mierzona skalą podzieloną na 130 działek. Twardość 100 jednostek ma stal hartowana niskostopowa.

   Zaletą pomiaru tą metodą jest niewielkie uszkodzenie powierzchni elementu i szybkość pomiaru.

   Wadą jest zależność wyniku pomiaru od modułu Younga próbki.

   Udoskonaleniem i rozszerzeniem tej metody jest metoda Leeba.


Pomiary materiałów niemetalowych (metoda durometrowa Shore’a): 

    Termin skala twardości Shore’a odnosi się także do metody statycznej pomiaru twardości gumy, elastomerów i sztywnych tworzyw sztucznych. Wynalazcą był również Albert F. Shore, który ok. 1915 r. opracował przyrząd nazwany durometrem. Twardość materiałów polimerowych oznacza się metodą Shore’a zgodnie z normą PN-ISO 868, wgłębnikiem wg normy PN-93/C-04206. Aparat mieszczący się w dłoni (są także dokładniejsze stacjonarne przyrządy) dociska się podstawą do tworzywa minimum 10 mm od krawędzi próbki. Wgłębnik (do materiałów miękkich jak guma używany jest wgłębnik zatępiony, do twardszych – igła) wystający z podstawy, wypychany sprężyną wgniata się w materiał, przy czym ustala się równowaga między naciskiem sprężyny a reakcją tworzywa. Po ustaleniu równowagi wskazówka zatrzymuje się na odpowiednim zakresie skali wyrażonej w stopniach Shore’a (0 – 100). Do materiałów miękkich stosowane są twardościomierze typu A, a typu C i D do twardych. Wyniki uzyskiwane z pomiarów prowadzonych przy użyciu różnych typów twardościomierzy nie są porównywalne dlatego zawsze w wyniku należy podać oznaczenie typu. Zaleca się wykonywanie pomiarów twardości twardościomierzem typu D, gdy twardość wskazana przez twardościomierz typu A wynosi ponad 90. Jeżeli twardość zmierzona za pomocą twardościomierza typu D jest mniejsza niż 20, twardość należy oznaczać twardościomierzem typu A

Skala twardości Leeba:

    Skala twardości Leeba jest  skalą oznaczania twardości metali na podstawie pomiaru metodą dynamiczną (odbicia sprężystego) opracowaną przez Szwajcara Dietmara Leeba około 1974 roku. Technika ta jest udoskonaloną wersją metody skleroskopowej Shore'a. Twardość Leeba (HL), w zależności od zastosowanej głowicy uderzeniowej, określana jest w następujących podskalach: HLD, HLDL, HLD+15, HLDC, HLC, HLE, HLS i HLG.

    Oznaczenie twardości metalu w skali Leeba polega na pomiarze straty energii bijaka uderzającego w badany materiał. Bijak o masie 5,5 g (stanowiący masę udarową), zakończony kulką z węgliku wolframu o średnicy 3mm, wyrzucany jest w kierunku próbki siłą sprężyny. Pomiar polega na zmierzeniu prędkości masy udarowej przed i po uderzeniu w próbkę oraz odpowiednim przeliczeniu otrzymanych wartości. Rezultatem pomiaru jest iloraz prędkości bijaka po odbiciu przez prędkość przed odbiciem, pomnożony przez 1000. Wynik pomiaru (0–1000) jest w dużym stopniu uzależniony od modułu sprężystości podłużnej Younga, jako cechy określającej próbkę.

   Do pomiaru twardości metodą Leeba służą twardościomierze Leeba, złożone z modułu elektronicznego (urządzenie wskazujące) i mechanicznej głowicy uderzeniowej. Głowica zawiera układ napędowy ze sprężyną, masę uderzeniową (bijak) z zamocowanym magnesem oraz cewkę, wewnątrz której porusza się bijak. Badanie odbywa się poprzez pomiar napięcia indukowanego w cewce w wyniku ruchu bijaka. Napięcie to jest wprost proporcjonalne do prędkości magnesu bijaka względem uzwojenia cewki.

    Wszystkie twardościomierze Leeba występują w konstrukcji przenośnej.

    Istnieje kilka odmian głowic uderzeniowych:

     - D (uniwersalna), 
     - DL (do wąskich otworów i rowków), 
     - C (do cienkich elementów), 
     - G (do masywnych odlewów) itd.

    Twardościomierz podaje wyniki w jednostkach HL, a także – po automatycznej konwersji – w skalach Rockwella, Brinella, Vickersa, Shore'a i Rm MPa

    Pomiar twardości Leeba nie jest opisany Polską Normą. Może być stosowany do szybkiego, porównawczego określenia twardości powierzchni detalu w warunkach warsztatowych i polowych. Do zalet tej metody należą krótki czas pomiaru, przenośność urządzenia, możliwość bezpośredniego przeliczenia twardości na inne skale twardości, bardzo mały, praktycznie niewidoczny odcisk bijaka na powierzchni badanej. Wadą natomiast jest wrażliwość na chropowatość powierzchni, czy też niejednorodność struktury materiału (tym większa, im mniejsza jest energia uderzenia bijaka).