Twardość - pomiary metodą Vickersa i Rockwella

1. Wstęp

Twardością określa się odporność materiału na odkształcenia trwałe, które powstają pod wpływem sił skupionych, działających na małą powierzchnię materiału, wywołanych przez wciskanie odpowiedniego wgłębnika. Twardość nie jest stałą materiałową, a więc porównywanie twardości jest możliwe w zakresie tylko jednej metody.
W zależności od wielkości odkształcenia spowodowanego wnikaniem wgłębnika w materiał rozróżnia się pomiary makro- i mikrotwardości. Ważne jest aby miejsce, w którym dokonywany będzie pomiar, zostało oszlifowane, ponieważ stan powierzchni metalu ma duży wpływ na wyniki uzyskane podczas badań twardości. Do pomiarów makrotwardości stosuję się metody:
 Brinella
 Vickersa
 Rockwella

Metoda Vickersa

Metoda pomiaru twardości metodą Vickersa polega na wciskaniu wgłębnika (najczęściej zrobionego ze spieków choć zdarzają się również diamentowe) o kształcie ostrosłupa prawidłowego w próbkę metalu. Twardość wyznacza się ze stosunku siły obciążającej wgłębnik F do powierzchni pobocznicy odcisku:
Gdy siłę F wyraża się w niutonach, wzór przybiera postać:


gdzie:
d – średnia pomiarów

W praktyce twardość odczytuje się z tablic po zmierzeniu przekątnej odcisku dla zastosowanego obciążenia, które może wynosić: 49, 98, 196, 249, 490 lub 981N. Wyniki pomiarów twardości metodą Vickersa są dla danego materiału jednakowe, niezależnie od użytego obciążenia. Twardość podajemy w HV np. HV 250. Metodą Vickersa łatwiej jest mierzyć twardość materiałów twardych (o twarości ok. 300-400 Hb).


Metoda Rockwella

Pomiar twardości metodą Rokwella polega na dwustopniowym wciskaniu (przy określonych warunkach) w badaną próbkę wgłębnika w kształcie kulki stalowej (skala B, T, F) lub stożka diamentowego o kącie rozwarcia 120 stopni (skala C, A). Miarą twardości w metodzie Rockwella jest różnica pomiędzy stałą wartością K a głębokością odcisku h:

HR = K – h

gdzie: h – trwały przyrost głębokości odcisku
K = 130 (0,26 mm) dla kulki;
K = 100 (0,20 mm) dla stożka
Jeśli pomiar wykonany został za pomocą kulki, wtedy twardość oznacza się symbolem HRB, gdy zastosowany został stożek – HRC. Kulka stalowa jest wykorzystywana do pomiarów twardości stali węglowej i stopowej w stanie zmiękczonym lub normalizowanym oraz stopów metali nieżelaznych o twardości od 35 do 100 HRB. Z kolei stożek diamentowy stosowany jest w pomiarach twardości stali węglowej i stopowej w stanie zahartowanym i ulepszonym cieplnie oraz innych stopów o twardości od 20 do 67 HRC.
Pomiar twardości metodą Rockwella składa się z 3 etapów:
 etap 1 polega na obciążeniu wgłębnika ciężarem wstępnym co powoduje wbicie się wgłebnika na głębokość h
 etap 2 polega na dociążeniu wgłębnika ciężarem głównym co powoduje przyrost głębokości do h >h
 etap 3 polega na odciążeniu wgłebnika ciężarem głównym co powoduje podniesienie się wgłebnika na głębokość h < h
Obciążenie wstępne zawsze wynosi 98N, a obciążenie główne jest zależne od badanego materiału. Zauważyć należy także, że twardość Rockwella w skali C nie równa się twardości Rockwella w skali B pomimo takiej samej wartości, np. HRC 25 nie jest równe HRB 25.



2. Opis przebiegu ćwiczenia

W ćwiczeniu do pomiaru twardości wykorzystujemy metodę Rockwella. Podczas wykonywania ćwiczenia korzystamy z twardościomierza. Najpierw trzeba odpowiednio ustawić twardościomierz. Na talerzyk jarzma nakładamy ciężarki odpowiadające wymaganemu naciskowi, mocujemy wgłębnik o odpowiednim kształcie (kulkę bądź stożek). Do wykonania ćwiczenia otrzymaliśmy dwie próbki (A i B). Jednak aby rozpocząc właściwy pomiar najpierw należy przeprowadzić pomiar sprawdzający prawidłowe działanie twardościomierza, który nie różni się czynnościami od pomiaru właściwego. Na początek ustawiamy próbkę na stoliku i obciążamy ja ciężarem wstępnym co uzyskujemy przez dociśnięcie probki do wgłebnika. Gdy wskazówka znajdzie się na czerwonym polu zerujemy licznik i zadajemy obciążenie główne odpowiednie dla badanego materiału. Następnie po usłyszeniu kliknięcia czekamy 10-15 sekund i po tym czasie odciążamy ciężar główny, ale zostawiamy obciążenie wstępne. Na koniec odczytujemy wynik pomiaru. Należy także pamiętać, że błąd pomiaru może maksymalnie wynosić 2 HR.

Dla próbki A czyli rolki stali szynowej perlitycznej w stanie surowym odczytalismy twardość 29 HRC przy obciążeniu 1393N i badaniu wgłebnikiem o kształcie stożka.

Dla próbki B czyli przekroju poprzecznego koła kolejowego twardość zmierzona przy zastosowaniu wgłebnika w kształcie stożka wyniosła 20,5 HRC przy obciążeniu 1393N. Natomiast dla tej samej próbki ale zmierzonej wgłebnikiem w kształcie kulki twardość wyniosłą 70 HRB przy obciążeniu 980N.

Ciekawostką był pomiar twardości uszkodzonego wałka rozrządu pochodzącego z Fiata Cinquecento. Twardość tego wałka według producenta powinna wynosić 56 HRC. Jednak podczas pomiaru doświadczalnego przy użyciu wgłębnika w kształcie stożka i obciążenia 1393N zmierzona twardość miała wartość tylko 21 HRC, a więc świadczy to że uszkodzenie wałka wynika nie z winy użytkownika tylko producenta. Uszkodzenie wałka w tym przypadku mogło być spowodowane źle dobranym materiałem lub złą obróbką cieplną.

3. Wnioski
Pomiar twardości metodą Rockwella znalazł powszechne zastosowanie w przemyśle gdyż jest metodą prostą i szybką, co potwierdza odbyte przez nas ćwiczenie laboratoryjne. Dzięki tej metodzie pomiaru w łatwy sposób można sprawdzić twardość materiału. Na przykład w przypadku uszkodzenia wałka rozrządu można dzięki pomiarowi twardości można stwierdzić czy wałek uległ uszkodzeniu z winy producenta, który mógł wyprodukować wadliwą partię przez źle dobrany materiał lub złą obróbkę cieplną.