Początek

Skrypty Ciekawe strony  

Zaliczanie

   
 

Pomiary mikrotwardości

I.Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z pomiarami mikrotwardości, a szczególnie z pomiarem 

mikrotwardości metodą Hanemanna.

Pomiary mikrotwardości dokonywane są przy małych i bardzo małych obciążeniach, z tego 

względu przy ich pomocy można dokonywać pomiarów twardości elementów bardzo małych 

lub o niewielkiej grubości, jak np. ostrzy żyletki do golenia, osi zegarków naręcznych, cienkich 

drutów, taśm o grubości kilku setnych milimetra, warstw bardzo płytko nawęglanych, 

azotowanych i chromowanych, twardości poszczególnych składników strukturalnych stopów ( 

np.: perlit, ferryt, cementyt ), rozkładu twardości w spoinach, twardości materiałów ściernych, 

itp. Pomiary mikrotwardości należą więc do najbardziej precyzyjnych sposobów badań 

własności mechanicznych materiałów.

Pomiary mikrotwardości polegają na statycznym wciskaniu wgłębnika w powierzchnię 

badanego metalu. W zależności od kształtu zastosowanego wgłębnika rozróżnia się sposoby 

pomiaru mikrotwardości:

- Vickersa - Hanemanna,

- Knoopa,

- inne - rzadziej stosowane np.: Grodzińskiego.

 

II.Wiadomości uzupełniające.

 

2.Sposób Knoopa.

 

Pomiar tym sposobem polega na statycznym wciskaniu diamentowego ostrosłupa o podstawie 

rombu ( rys.1.1 ) w płaską dostatecznie gładką powierzchnię przedmiotu. Przeciwległe 

krawędzie kąta bryłowego ostrosłupa tworzą różne kąty, przy czym kąt większy = 172o 30', 

a mniejszy = 130o. Obraz odcisku jest zawsze rombem o stosunku przekątnych równym 7.

Twardością Knoopa HK nazywa się stosunek obciążenia F w kilogramach - siły ( kG ) do 

pola A w mm2 rzutu powierzchni odcisku na na badaną płaska powierzchnię.

HK = 14,228 F / l2 kG / mm2

Sposób Knoopa można stosować do pomiarów mikrotwardości najczęściej w granicach 

obciążeń od 0,025 kG do 0,1 kG lub do pomiarów makrotwardości do obciążeń 50 kG.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys.1.1.Wgłębnik Knoopa.

 

Zalety pomiaru twardości metodą Knoopa:

1. Mała głębokość odcisku ok. 1 / 30 większej przekątnej rombu ( mniejsza niż u Vickersa 

ok 1 / 7 przekątnej kwadratu),

2. Małe błędy pomiaru w porównaniu z metodą Vickersa ( zwiększają się przy najmniejszych 

obciążeniach mniejszych od 0,025 kG np.: przy 0,001: 0,015 kG itp.)

3. Możność badania materiałów bardzo twardych i kruchych, jak np.: szkło, emalia, które 

przy innych pomiarach pękają.

 

3.Sposób Grudzińskiego.

 

Sposób ten polega ( rys.1.2 ) na statycznym wciskaniu wgłębnika w kształcie podwójnego 

stożka diamentowego, zbliżonego do używanego do nacinania siatki spektrograficznej. Odcisk 

otrzymany tym stożkiem jest bardzo wydłużony i składa się z dwóch hiperbol o wspólnej 

cięciwie. Hiperbole te można z dużą dokładnością zastąpić dwiema parabolami, i wówczas 

pole odcisku S = 2 b l / 3, gdzie: b - szerokość odcisku, l - wspólna cięciwa parabol. Po 

pewnych przekształceniach wzoru na pole i podstawieniu go do wzoru na twardość można 

otrzymać następujący wzór:

HDC = F / S = F / c l3 

gdzie : c - stała podwójnego stożka ( c = 0,36096 mm-1 )

Kształt stożka podwójnego umożliwia otrzymanie odcisków bardzo wydłużonych, a ich 

cięciwa l ( wspólna dla obu parabol ) jest wielokrotnie dłuższa niż przekątne odcisków 

Vickersa i Knoopa.

Rys.1.2.Pomiar mikrotwardości sposobem Grudzińskiego.

 

Dość łatwo jest obliczyć stosunek l / h = 8 r / l: jest on odwrotnie proporcjonalny do długości 

odcisku l, a wprost proporcjonalny do promienia r = 2000 m. Jeżeli np.: przyjmie się długość l 

= 20 m, to stosunek l / h = 8 x 2000 / 20, czyli l / h = 800. Dla odcisków Knoopa stosunek 

ten jest równy 30,5, a Vickersa 7. Ze stosunku l/h = 800 dla l = 20 m, głębokość odcisku h = 

0,025 m. Z przykładu tego wynika jak małe są zagłębienia podwójnego stożka Grudzińskiego.

Duża wartość stosunku l/h jest wskaźnikiem czułości podwójnego stożka Grudzińskiego. Im 

większy jest ten stosunek, tym bardziej wydłużone otrzymuje się odciski. Z tego punktu 

widzenia wgłębnik Knoopa, a przede wszystkim wgłębnik Grudzińskiego jest znacznie 

dokładniejszy od wgłębnika Vickersa. Stąd można wyciągnąć mylny wniosek, że najlepszy 

jest wgłębnik Grudzińskiego. Wniosek ten jest jednak zbyt pochopny, gdyż wgłębnik ten ma 

następujące złe cechy:

- powierzchnia próbki w miejscu dokonywania odcisku musi być wyjątkowo płaska i 

prostopadła do osi wciskania wgłębnika, a oś oprawki powinna pokrywać się z osią diamentu 

- czyli pokrywać ze średnicą koła o promieniu r,

- własności optyczne obiektywu powodują , że końce wydłużonych odcisków są źle 

widoczne,

- powiększenie nierówności głębokości wciskania powoduje błąd twardości tym większy, im 

większy jest stosunek l/h i im mniejszy jest odcisk

Przy zachowaniu wyjątkowej ostrożności można uniknąć powyższych błędów i zachować 

dużą czułość wgłębników dających wydłużony kształt odcisku. Tych warunków pomiaru 

można dotrzymać tylko w laboratorium.

Wydaje się jednak, że wgłębnik Grudzińskiego do pomiarów bardzo twardych i kruchych 

lepiej nadaje się od diamentu Vickersa. Należy stwierdzić, że wgłębnik Grudzińskiego jeszcze 

jest mało znany. Dalsze badania dopiero mogą wyjaśnić, czy ma on jeszcze inne 

nieprzewidziane zalety.

 

4.Sposób Vickersa - Hannemana.

 

4.1.Warunki przeprowadzenia próby.

 

Sama zasada pomiaru mikrotwardości HV właściwie nie różni się od zasady pomiaru 

makrotwardości HV. Istotna różnica polega nie tylko w zastosowaniu mniejszych obciążeń, 

ale przede wszystkim w dokładności wykonania wgłębnika, gładkości badanej powierzchni i 

innych elementów mających wpływ na wynik pomiaru.

Ostrosłup diamentowy wgłębnika powinien mieć między przeciwległymi ścinami kąt równy 

136o 20'. Wszystkie ściany ostrosłupa powinny być jednakowo nachylone do osi z 

dokładnością do 20'. Wierzchołek powinien być ostro zakończony, dopuszczalna długość 

krawędzi do 0,5 m. Ostrosłup powinien być wypolerowany i nie powinien wykazywać 

pęknięć, zadrapań lub innych wad widocznych przy powiększeniu 50 - krotnym. Krawędzie i 

wierzchołek nie powinny wykazywać wykruszeń i innych wad widocznych przy 500 - 

krotnym powiększeniu. Robocza część wgłębnika i badana powierzchnia próbki powinny być 

w czasie próby suche i odtłuszczone.

W celu otrzymania prawidłowego wyniku pomiaru należy bardzo starannie przygotować 

powierzchnię przedmiotu. Szlifowanie i polerowanie mechaniczne powoduje zgniot materiału, 

który wpływa istotnie na wynik pomiaru mikrotwardości. Zgniot po polerowaniu 

mechanicznym można usunąć przez zastosowanie polerowania elektrolitycznego. Polerowanie 

mechaniczne stosowane do próbek metalograficznych ma również szerokie zastosowanie do 

próbek przeznaczonych do pomiarów mikrotwardości.

W przypadku polerowania mechanicznego zaleca się próbkę nieznacznie wytrawić w celu 

łatwiejszego usuwania rys. Dla uzyskania równomiernego wytrawienia powierzchnia próbki 

powinna być czysta i niezatłuszczona ( nie dotykać palcami ), w przeciwnym przypadku 

próbka wytrawia się bardzo nierówno, co nieraz może być przyczyną wyciągania błędnych 

wniosków.

Jeżeli podczas wytrawiania zaobserwuje się lekkie zmatowienie powierzchni, to należy 

wytrawianie natychmiast przerwać i powierzchnię szybko zmyć w strumieniu wodnym ( pod 

kurkiem ), następnie wysuszyć w strumieniu powietrza. Należy przyjąć zasadę, żeby próbkę 

raczej nie dotrawić niż przetrawić, gdyż niedotrawioną próbkę można zawsze poddać 

dodatkowemu dotrawianiu, natomiast próbkę przetrawioną należy z powrotem polerować i 

cały żmudny proces powtórzyć od początku.

Wytrawione próbki gotowe do obserwacji należy zabezpieczyć przed szkodliwym działaniem 

wilgoci atmosferycznej przez przechowywanie ich w eksykatorach ze środkami 

odwadniającymi ( np. chlorku wapnia ).

Przed ostatecznym wytrawieniem w celu lepszego uwidocznienia badanej struktury, jej 

charakteru i dobrego odróżnienia poszczególnych ziarn, zaleca się próbkę trawić dwa razy.

W protokóle badania należy zawsze podać sposób przygotowania próbki, sposób trawienia i 

wielkość obciążenia.

Przy pomiarach twardości warstwy powierzchniowej należy często wykonywać odciski w 

bezpośredniej odległości od brzegu zgładu. Złe przygotowanie zgładu próbki powoduje 

zaokrąglenie brzegu próbki, co przyczynia się do zniekształcenia odcisków. W celu uniknięcia 

zaokrągleń należy próbkę zamocować w uchwycie z tego samego materiału co próbka, aby 

nie było szczelin między badaną próbką i uchwytem. Często, aby uniknąć zaokrąglenia 

brzegów, można łączyć dwie jednakowe powierzchnie obok siebie i jednocześnie polerować. 

Próbki bardzo małe należy wtapiać w pierścienie metalowe za pomocą szelaku lub stopów 

łatwo topliwych albo wprasowywać w żywice sztuczne.

Wykonanie odcisków bardzo blisko siebie powoduje nakładanie się odkształceń i utwardzeń, 

przez co otrzymane wyniki są zupełnie nieprawidłowe. Aby uniknąć wzajemnego wpływu 

odcisków należy dbać, aby odległość od środka odcisku do brzegów sąsiedniego odcisku nie 

była mniejsza niż podwójna długość przekątnej odcisku, a odległość odcisków od środka 

brzegów próbki nie powinna być mniejsza niż podwójna długość przekątnej odcisku.

Grubość próbki lub badanej warstwy powinna wynosić co najmniej 2/3 długości przekątnej 

odcisku. Na odwrotnej stronie próbki nie powinno być śladów odkształceń wywołanych 

działaniem obciążenia wgłębnika pod miejscem odcisku.

Obciążenie wgłębnika wg normy może wynosić: 0,049; 0,098; 0,196; 0,49; 0,98; 1,96 i 4,9 

N ( czyli 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2 i 0,5 kG ), ale dopuszcza się dowolne obciążenia 

poniżej 9,8 N ( 1 kG ). W celu odpowiedniego doboru obciążenia należy kierować się 

następującymi wskazówkami: dokładność pomiaru; wyznaczanie mikrotwardości 

poszczególnych ziarn, czy średniej twardości stopu; struktura materiału; twardość materiału 

lub składnika strukturalnego;

Dla uzyskania prawidłowych wyników pomiarów bardzo ważne jest, aby zetknięcie się 

powierzchni próbki z wgłębnikiem nastąpiło bez uderzeń i wstrząsów. Norma ogranicza czas 

zwiększania obciążenia do osiągnięcia żądanej siły F do 15 s. Czas utrzymania całkowitego 

obciążenia F na wgłębnik wg normy powinien wynosić 15 s.

Przedmiot badany powinien być ułożony na stoliku przedmiotowym tak, aby badana 

powierzchnia płaska była prostopadła do osi wgłębnika ( kierunku obciążenia ). Podczas 

pomiaru przedmiot nie powinien ulec poruszeniu, ani wyginaniu. Jeżeli istnieje jakiekolwiek 

prawdopodobieństwo, że warunek ten może nie być spełniony, to należy przedmiot 

odpowiednio zamocować do stolika pomiarowego.

Pomiaru przekątnych odcisku dokonuje się za pomocą urządzenia odczytowego mikroskopu, 

a długość przekątnej oblicza się ze wzoru: 

d = D m

,gdzie: D - wartość działki elementarnej 

podziałki mikroskopu pomiarowego w mm, m - liczba odczytanych działek. Jeżeli urządzenie 

pomiarowe umożliwia pomiar dwóch przekątnych, to należy dokonać pomiaru obu 

przekątnych odcisku i obliczyć średnią arytmetyczną. Różnica przekątnych odcisku nie 

powinna przekraczać błędu 5%. Twardość odczytuje się z tablic na podstawie przekątnych 

odcisku.

Mikrotwardość Vickersa oznacza się identycznie jak makrotwardość Vickersa, tj. po 

symbolu HV podaje się liczbę oznaczającą obciążenie w kilogramach - siły działającej na 

wgłębnik, np. HV 0,05 ( obciążenie 0,05 kG ). Twardość równą lub większą od 100 HV 

należy podawać z dokładnością równą lub mniejszą niż 1 HV, a twardość poniżej 100 HV - z 

dokładnością nie mniejszą niż 0,1 HV.

 

4.2.Głowica Hanemanna.

Wszystkie mikrotwardościomierze są budowane wyłącznie w połączeniu z mikroskopami. 

Tak jest i z twardościomierzem Hanemanna. Oryginalność tego twardościomierza polega na 

tym, że wgłębnik 1 jest umieszczony w czołowej soczewce 2 obiektywu. Dzięki temu staje się 

zbędne wymienianie wgłębnika na obiektyw lub przesuwanie próbki pod oś mikroskopu.

Twardościomierz ma wbudowany optyczny układ do pomiaru zastosowanego obciążenia. 

Obiektyw 2 nie jest zamocowany sztywno w obudowie, lecz jest zawieszony na dwu 

sprężynach pierścieniowych 3 prowadzących obiektyw bez tarcia wzdłuż osi optycznej. 

Obciążenie pomiarowe działające na wgłębnik 1 ( zamocowany na soczewce obiektywu ) jest 

przekazywane na sprężyny, których odkształcenie jest miarą wielkości obciążenia. Do 

pomiaru tego odkształcenia służy układ optyczny 5 umieszczony na tylnej soczewce 

obiektywu. Układ ten oświetla podziałkę 4 i odbija jej obraz w okularze za pomocą pryzmatu 

6. Ponieważ układ optyczny 5 jest połączony z obiektywem i bierze udział w jego ruchach, a 

podziałka 4 jest nieruchoma, więc wielkość odkształcenia odczytuje się w okularze jako 

przemieszczenie się obrazu podziałki. To przemieszczenie jest wywzorcowane w jednostkach 

siły, co umożliwia pomiar działającego obciążenia.

Rys.1.3.Twardościomierz wg Hannemana.

 

Optyczne urządzenie do pomiaru obciążenia ma dwa ruchy umożliwiające regulację położenia 

zerowego oraz ostrości obrazu podziałki. Regulacje te przeprowadza się przez pokręcenie 

pierścieni 7 i 8. W celu zmniejszenia drgań własnych przestrzeń między sprężynami 3 jest 

wypełniona sztucznym jedwabiem. Od dolnej strony przyrząd jest zamknięty soczewką 

korygującą 9.

Twardościomierz powinien być przechowywany wgłębnikiem do dołu w metalowym pudełku 

stanowiącym wyposażenie. Ponadto jako wyposażenie dostarczony jest okular 

mikrometryczny i komplet obciążników do wzorcowania. Twardościomierz jest wygodny w 

użyciu, mimo że wadą jego jest niedostateczna ostrość obrazu powierzchni próbki. Poprawę 

ostrości uzyskuje się przez zastosowanie cieczy imersyjnej. Zakres obciążeń w 

twardościomierzu wynosi 0,0098 - 0,98 N ( od 0,001 - 0,1 kG ).

Twardościomierze Vickersa działające przy małych obciążeniach mogą być również 

przystosowane do pomiarów mikro. Zazwyczaj stosuje się specjalną dźwignię dodatkową 

wraz z obciążnikami powodującymi obciążenie tłocznika. Ze względu na uzyskiwanie bardzo 

małych odcisków mikroskop pomiarowy twardościomierza powinien mieć obiektywy 400 i 

600 - krotne. Zakładanie dźwigni dodatkowej jest bardzo proste, a przebieg pomiaru jest 

podobny jak przy większych obciążeniach.

 

III.Przebieg ćwiczenia.

 

1.Przygotować odpowiednio zgład do pomiaru mikrotwardości ( szlifowanie, polerowanie i 

trawienie ).

2.Przygotować mikroskop metalograficzny.

3.Wyjąć z pudełka i przygotować głowicę Hanemanna.

4.Założyć głowicę Hanemanna na mikroskop metalograficzny i sprawdzić prawidłowość 

działania zgodnie z instrukcją obsługi znajdującej się w pudełku głowicy.

5.Dokonać pomiaru twardości zgodnie z wytycznymi instrukcji obsługi.

6.Po dokonanym pomiarze głowicę zdjąć z mikroskopu, odpowiednio zabezpieczyć i włożyć 

do pudełka.

Uwaga: z głowicą Hanemanna należy obchodzić się bardzo ostrożnie, gdyż jest ona bardzo 

podatna na uszkodzenia.

 

IV.Uwagi do sprawozdania.

 

Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:

a) określenie celu ćwiczenia,

b) wypełniony protokół pomiarów z uwagami dotyczącymi poszczególnych prób

c) dyskusję otrzymanych wyników zawierającą:

- analizę błędów,

- wskazania źródeł rozbieżności wyników,

- uwagi i wnioski.