Twardość materiału jest definiowana jako wytrzymałość mechaniczna , której materiał przeciwstawia się penetracji.
Aby zmierzyć twardość materiału, w powierzchnię badanego materiału wbija się ze znaną siłą przez określony czas w powierzchnię badanego materiału wgłębnik o niskiej odkształcalności (stożek lub kula diamentowa, węglik wolframu wiązany kobaltem lub bardzo twarda stal). Im mniejszy pozostał nadruk, tym twardszy materiał. Twardość mierzy się w różnych skalach w zależności od rodzaju rozważanego materiału.
Możliwych jest wiele różnych testów twardości, najpowszechniejszymi i najbardziej znanymi są testy penetracji lub odbicia w celu scharakteryzowania twardości metali , tworzyw sztucznych i elastomerów , ale testy zarysowania mogą w niektórych przypadkach oferować interesujące możliwości scharakteryzowania twardości minerałów . Testy te mają tę zaletę, że są prostsze w wykonaniu, szybkie i generalnie nieniszczące. Ponadto pozwalają ocenić i oszacować w określonych miarach wytrzymałość mechaniczną materiałów, ich sztywność, odporność ciał kruchych itp. .
Pomiar twardości metodą odbicia jest stosowany głównie w przypadku elastomerów . Polega na pomiarze wysokości odbicia małej masy spadającej ze znanej wysokości na powierzchnię badanego materiału. Masa wykonana jest ze stali zakończonej zaokrąglonym diamentem. Opada ślizgając się po gładkiej rurce, a wysokość jego odbicia mierzy się w locie.
Test nie jest zatwierdzony, a energia odkształcenia sprężystego jest pochłaniana przez materiały. Aby to w pełni zrozumieć, konieczne jest obserwowanie krzywych rozciągania elastomeru z cyklami ładowania i rozładowania w zakresie sprężystości. Należy zatem zauważyć, że w przypadku elastomerów ładowanie i rozładowanie sprężyste nie przebiegają taką samą drogą, jak w przypadku materiału krystalicznego.
W płaszczyźnie „naprężenie – odkształcenie” powierzchnia pod krzywą ma wymiar energii. Obszar pod elastyczną krzywą trakcji odpowiada zatem energii sprężystości pochłoniętej przez materiał. Pole pod krzywą rozładowania odpowiada energii uwalnianej przez materiał. Dlatego „gumowy” materiał nie oddaje całej pochłoniętej energii, dlatego też tak często stosuje się go do tłumienia drgań .
Im twardszy elastomer, tym bardziej będzie się zachowywał jak zwykły materiał krystalopodobny. Im bardziej miękki elastomer, tym więcej energii sprężystej pochłonie. Zwracamy zatem uwagę na różnicę w znaczeniu słów „twardy” i „miękki” między polimerami a krystalicznymi.
Istnieje również wariant tego testu dla stopów metali . Tryb pracy pozostaje ten sam, ale interpretacja jest inna. W tym przypadku chodzi o pomiar energii odkształcenia plastycznego pochłoniętego przez materiał. Jeśli amortyzator jest idealnie sprężysty (brak odkształceń plastycznych, bardzo twarda część do przetestowania), punkt teoretycznie odbija się do wysokości uwolnienia (pomijając tarcie); możemy odnieść różnicę wysokości h do energii kinetycznej Δ E c pochłoniętej podczas uderzenia:
gdzie m to masa uwolniona, a g to przyspieszenie ziemskie . W przypadku bardzo miękkiego przedmiotu końcówka zapadnie się i nie będzie się odbijać. Urządzenia są zwykle kalibrowane do uzyskania twardości 100 dla hartowanej stali węglowej 0,9% i około 35 dla stali miękkiej.
Najczęściej stosuje się pomiar twardości metodą penetracji. Zasada jest zawsze taka sama: nieodkształcalny wgłębnik pozostawia ślad w badanym materiale. Mierzy się wymiary odcisku i na tej podstawie określa się twardość.
W pierwszym podejściu możemy w dość prosty sposób połączyć granicę sprężystości R e z powierzchnią odcisku: im bardziej obiekt penetrujący tonie, tym bardziej wzrasta powierzchnia S , a więc siła F jest stała, tym większe naprężenie zmniejsza się. Gdy naprężenie nie jest już wystarczające do odkształcenia plastycznego badanej bryły, penetrujący obiekt zatrzymuje się, dlatego:
Wartości twardości uzyskane dzięki różnym protokołom i urządzeniom testowym wskazane poniżej są tą granicą sprężystości R e ale wyniki nie są identyczne, ponieważ te uproszczone obliczenia uwzględniają powierzchnię rzutu odcisku (jak krążek lub kwadrat ) zamiast brać pod uwagę prawdziwy obszar wycisku (np. obszar sferycznej czapeczki lub fasetki odcisku piramidy). Aby zapewnić powtarzalność pomiarów, masa badanego materiału musi być znacznie większa niż wgłębnika.
Test Brinella i test Vickersa na tej samej próbce nie dają takiego samego wyniku, ale zmniejszając obliczeniowo wartość siły do rzeczywistej powierzchni odcisku (odpowiednio kuli lub piramidy), wchodzimy w oba przypadki na tej samej wartości, która jest wartością „ciśnienia” materiału stałego.
Istnieje wiele różnych możliwych testów twardości:
Pomiar twardości Vickersa odbywa się za pomocą znormalizowanego diamentowego ostrza piramidalnego o kwadratowej podstawie i kącie u góry między powierzchniami równym 136°. Nadruk ma zatem kształt kwadratu ; dwóch przekątnych d 1 a d 2 tego kwadratu jest mierzona za pomocą urządzenia optycznego. Wartość d otrzymuje się, biorąc średnią z d 1 i d 2 . Jest to d, które zostanie użyte do obliczenia twardości. Znormalizowano również siłę i czas trwania wsparcia. Twardość Vickersa dana jest następującą zależnością:
HV = twardość Vickersa |
Stopień twardości, oznaczony Hv, jest następnie odczytywany na liczydle (tabeli); jest liczydło siłą podparcia.
NormyNormy europejskie ( EN ) i międzynarodowe ( ISO ):
Wgłębnik to kulka ze stali hartowanej lub węglika wolframu o średnicy D (mm), wnęka to kulista nasadka o średnicy d . Przyłożona siła F jest wybierana ze znormalizowanego zakresu odpowiedniego dla D i badanego materiału. Twardość Brinella (oznaczona jako H B ) jest dana następującą zależnością:
HB = twardość Brinella g = przyspieszenie Ziemi (9.80665) |
Powierzchnia musi być płaska i oczyszczona (bez smaru, tlenku i zgorzeliny). Niezbędna jest wystarczająca grubość, aby penetracja kulki nie odkształcała materiału. W przeciwnym razie pomiar nie byłby wiarygodny. Wymagana jest grubość co najmniej ośmiokrotności głębokości h wycisku.
Tryb pracyUmieść wgłębnik w kontakcie z powierzchnią materiału. Zastosuj siłę. Utrzymaj ten ładunek przez 10 do 15 sekund. Zmierz na wcięciu dwie średnice pod kątem 90 ° względem siebie. Pomiar odbywa się za pomocą lupy i linijki z podziałką z uwzględnieniem współczynnika powiększenia.
NormyNormy europejskie (EN) i międzynarodowe (ISO):
Norma amerykańska ( ASTM ):
Twardość Mayera jest określana za pomocą tego samego testu twardości Brinella. Wgłębnik jest identyczny jak twardość Brinella, ale jego wartość jest obliczana na podstawie przyłożonej siły i rzutu powierzchni wgłębienia utworzonego według następującego wzoru:
z
Test twardości Rockwella ZasadaTesty twardości Rockwella to testy penetracyjne. W rzeczywistości istnieje kilka rodzajów wgłębników, które składają się z diamentowego stożka lub polerowanej kulki ze stali hartowanej. Aby uzyskać wartość twardości Rockwella, mierzy się penetrację resztkową wgłębnika, do którego przykłada się niewielkie obciążenie. test Rockwella jest szybki i łatwy. Nadaje się do mniejszych części i do wysokich twardości.
Test odbywa się w trzech fazach:
Wartość r jest resztkowym podciśnieniem uzyskanym przez przyłożenie, a następnie zwolnienie siły F 1 .
Wartość twardości jest wtedy podawana według następującego wzoru:
Jednostka twardości Rockwella odpowiadająca penetracji 0,002 mm.
DrabinyDrabina | Symbol | penetrator | Całkowita wartość siły F 0 + F 1 (N) |
Podanie |
---|---|---|---|---|
W | HRA | Stożek diamentowy o przekroju okrągłym z zaokrągloną kulistą końcówką 0,2 mm | 588,6 | Węglik, stal i cienki |
b | HRB | Kulka stalowa o średnicy 1,588 mm (1/16 cala ) | 981 |
Stop z miedzi , stali miękkiej stopu aluminium materiału o wytrzymałości na rozciąganie pomiędzy 340 a 1000 MPa |
VS | HRC | Stożek diamentowy o przekroju okrągłym z zaokrągloną kulistą końcówką 0,2 mm | 1471,5 | Stal, żeliwo , tytan Materiał o twardości wytrzymałości na zerwanie większej niż 1000 MPa |
re | HRD | Stożek diamentowy o przekroju okrągłym z zaokrągloną kulistą końcówką 0,2 mm | 981 | |
mi | HRE | Kulka stalowa o średnicy 1/8 cala (3,175 mm) | 981 | Żeliwo, stop aluminium i żeliwo |
fa | HRF | Kulka stalowa o średnicy 1,588 mm | 588,6 | Wyżarzony stop miedzi, cienka blacha. |
sol | HRG | Kulka stalowa o średnicy 1,588 mm | 1471,5 | Stop miedziowo-niklowy, miedziano-niklowo-cynkowy |
Dwa najbardziej używane skale to B i C wag .
Twardość powierzchni RockwellaWagi te są używane do bardzo cienkich produktów oraz do pomiaru twardości powłok.
Dwie używane skale to skala N (diamentowy stożek) i T (stalowa kulka). W obu przypadkach obciążenie początkowe ( F 0 ) wynosi 29,4 N . Każda waga może być używana przy łącznym obciążeniu 147 N , 294 N lub 441 N . Należy zauważyć, że istnieją również W (3,175 mm średnica kuli ), X (6,350 mm kulki o średnicy ) i Y (12,70 mm średnicy kuli) wag .
W tym przypadku jednostka twardości Rockwella odpowiada zagłębieniu 0,001 mm.
Dla skal N i T twardość określa wzór:
Drabina | Symbol | penetrator | Całkowita wartość siły F 0 + F 1 (N) |
|
---|---|---|---|---|
NIE | HR15N | Stożek diamentowy o przekroju okrągłym z zaokrągloną kulistą końcówką 0,2 mm | 15 | |
NIE | HR30N | Stożek diamentowy o przekroju okrągłym z zaokrągloną kulistą końcówką 0,2 mm | 30 | |
NIE | HR45N | Stożek diamentowy o przekroju okrągłym z zaokrągloną kulistą końcówką 0,2 mm | 45 | |
T | HR15T | Kulka stalowa o średnicy 1,588 mm | 15 | |
T | HR30T | Kulka stalowa o średnicy 1,588 mm | 30 | |
T | HR45T | Kulka stalowa o średnicy 1,588 mm | 45 | |
T | HR15Y | Kulka stalowa o średnicy 12,7 mm, stosowana głównie do powłok typu ścieralnego |
147 |
Pomiar twardości metodą Knoopa wykonywany jest diamentem piramidalnym o bardzo spłaszczonej podstawie rombowej, co pozwala na uzyskanie odpowiednio dużego wgłębienia przy bardzo małym obciążeniu. Wyraża go współczynnik obciążenia próbnego F (K) na powierzchni wgłębienia według następującej zależności:
z
F = przyłożona siła (N)Twardość Knoopa jest szczególnie wykorzystywana do badania materiałów kruchych, z jednej strony ze względu na małą głębokość penetracji ograniczone jest powstawanie pęknięć, z drugiej zaś nierówność dwóch przekątnych umożliwia ocenę anizotropii na powierzchni materiały.
Porównanie metod penetracjiTest Brinella nadaje się szczególnie do pomiarów sklepowych. Stan powierzchni nie musi być szczególnie ostrożny. Test Vickersa dobrze dostosowuje się do miękkich i twardych materiałów, takich jak ołów. Test Knoopa mierzy twardość twardych i kruchych materiałów, takich jak szkło i ceramika.
Rodzaj testu | Przygotowanie sali | Główne zastosowanie | Komentarz |
---|---|---|---|
Brinella | Powierzchnia obrabianego przedmiotu nie wymaga bardzo starannego przygotowania (toczenie lub szlifowanie). | W warsztacie | Metoda z najłatwiejszą implementacją trzech metod. |
Rockwella | Dobre przygotowanie powierzchni (np. papierem ściernym OO). Obecność rys daje niedoceniane wartości. | W warsztacie | Test jest szybki i łatwy.
Dobrze nadaje się do wyższych twardości (powyżej 400 Brinella). Stosuje się go raczej do małych części (konieczne jest, aby część była idealnie stabilna). |
Vickers | Bardzo zadbany stan powierzchni (uzyskuje się małe odciski palców, obecność nieregularności utrudnia czytanie). | W laboratorium | Jest to dość wszechstronny test odpowiedni dla miękkich lub bardzo twardych materiałów. Zwykle stosuje się go do części o małych wymiarach. |
Przeprowadzane pod bardzo małym obciążeniem testy mikrotwardości pozwalają na bardzo lokalne pomiary (na około 100 µm 2 ). Za pomocą np. mikrodurometru można określić twardość danej fazy w próbce wielofazowej lub bardzo kruchej i cienkiej próbce.
Pomiar twardości NanNanotwardość powstała z potrzeby pomiaru twardości cienkich osadów. Opiera się na opracowaniu testów nanoindentacji, w których głębokość odcisku można ograniczyć do kilkudziesięciu nanometrów. Ze względu na uproszczony kształt powszechnie stosuje się penetratory typu Berkovich. Twardość H jest wyrażona przez stosunek maksymalnego przyłożonego obciążenia P max do powierzchni kontaktu penetrator / próbka A.
Punktowy pomiar twardości jest najstarszą metodą pomiaru twardości, która dała początek pierwszej skali twardości zaproponowanej przez Mohsa w 1820 roku . Definiuje ją odporność materiału na zarysowanie.
Skala MohsaSkłada się z dziesięciu materiałów referencyjnych, z których każdy przekreśla te znajdujące się pod nim i jest porysowany przez te powyżej. Ostatnia wartość w skali odpowiadająca diamentowi, który może być zarysowany tylko przez inny diament.
Kryształy talku (twardość 1).
Gips (twardość 2).
Kalcyt (twardość 3).
Fluoryt (twardość 4).
Apatyt (twardość 5).
Orteza (twardość 6).
Kwarc (twardość 7).
Topaz (twardość 8).
Diament (twardość 10).