Metode de determinare a duritii materialelor metalice

21

L U C R A R E A N R . 2

M E T O D E D E D E T E R M I N A R E A D U R I T I I M A T E R I A L E L O R

M E T A L I C E

2.1. ncercarea de duritate Brinell ncercarea la duritate se face n scopul determinrii rezistenei ce o opun materialele metalice la aciunea de ptrundere n suprafaa lor a unui corp (penetrator) apsat cu o sarcin constant. Faptul c ncercarea de duritate este nedistructiv, c necesit o aparatur relativ simpl i nu solicit o specializare a cercettorului, face ca aceast ncercare s fie foarte des folosit n aprecierea calitii materialelor metalice. Pentru a obine rezultate ct mai reale trebuiesc respectate urmtoarele principii: -penetratorul s aib o duritate mult mai mare dect piesa de ncercat; -penetratorul s acioneze perpendicular pe suprafaa piesei; -suprafaa de ncercat s fie curat pentru a se putea citi corect dimensiunile urmei. Metoda Brinell const n apsarea perpendicular cu o for static F (funcie de natura materialului de ncercat), un timp dat, a unei bile penetrator cu diametrul D, pe suprafaa plan i curat a epruvetei i n msurarea diametrului d al urmei (calot sferic) lsat de bil pe epruvet dup ndeprtarea sarcinii (SR EN ISO 6506:2006). Bilele penetrator pot fi:

Fig. 2.1. Schema de ncercare a duritii

prin metoda Brinell

Lucrri de laborator

22

-din oel, utilizate la examinarea materialelor metalice cu duriti mai mici de 450HB; -din carbur de wolfram, utilizate la examinarea materialelor metalice cu duriti cuprinse ntre 450650 HB. Schema de ncercare Brinell este prezentat n fig. 2.1. Duritatea Brinell se determin cu relaia:

( ) ( )22 dDDD F2ctSFctHBWHB == (2.1) unde: HB, HBW este duritatea Brinell (cnd se folsete bil penetrator de oel respectiv din carbur de wolfram), exprimat n uniti convenionale, denumite uniti Brinell;

ctconstant, 102,080,91

g1ctn

=== ; F-sarcina de apsare pe bil, n daN; S-aria urmei (calotei sferice), n mm2; D-diametrul bilei, n mm, care este standardizat la 10; 5 i 2,5 mm; d-diametrul urmei, n mm; h-adncimea urmei, n mm,

[ ]mm2

dDDh22 = (2.2)

Diametrul d se msoar cu precizie de 0,1 mm; se citete, folosind o lup, pe dou direcii perpendiculare, lundu-se media citirilor respective. Sarcina F se aplic lent i se menine timp de 15 secunde. Aceast ncercare se aplic la metalele cu duriti mai mici de 450 uniti Brinell. Duritatea Brinell variaz n acelai sens cu rezistena la rupere, ntre ele existnd relaia: HBKr = (2.3) - pentru oeluri carbon cu r=30-100 daN/mm2, r=0,36HB; - pentru font,

66HB

r= .

Determinarea duritii Brinell se face pe aparatul semiautomat tip AB-1 (fig 2.2), care realizeaz fora de ncrcare cu ajutorul greutilor (1) aplicate la extremitatea unor prghii de amplificare (2, 3, 4). Un motor (8) pune n micare, printr-un reductor (7), un sistem biel-manivel (5, 6) care elibereaz un

Metode de determinare a duritii materialelor metalice

23

timp bine determinat prghia la extremitatea creia se afl greutile (1) ce realizeaz fora de apsare pe penetrator (13).

2.1.1. Aparatur i materiale Aparat de duritate Brinell tip AB-1; lup vernier; probe din diferite materiale metalice.

2.1.2. Modul de lucru

Se pregtesc probele de ncercat, care au o form determinat. Probele trebuie s aib faa de aezare i cea de ncrcare paralele i suficient de mari pentru a nu se produce alte deformaii afar de urma sferei penetratorului. Proba se aeaz pe masa aparatului (11) care se ridic manual cu ajutorul roii (12) pn se realizeaz perfect contactul bil-suprafaa piesei; aceasta se evideniaz prin alinierea unui semn de reper de pe tija penetratorului cu un semn de reper de pe aparat. Se pornete electromotorul (8) cu ajutorul comutatorului (10) i prin acionarea acestuia proba este apsat automat cu sarcina i durata precizat; prin aciunea camelor (9) i a comutatorului (10), care inverseaz sensul de rotire al motorului, descrcarea se face tot automat. Dup oprirea electromotorului coborm masa aparatului acionnd roata de mn (12) i se scoate proba din aparat. Cu ajutorul lupei msurm diametrul urmei, lsat de penetrator pe suprafaa probei, pe dou direcii perpendiculare, aflm diametrul mediu i l introducem n relaia pentru calcul a duritii. Valoarea duritii se poate scoate i din tabelele indicate n SR EN ISO 6506-4:2006, unde duritile sunt gata calculate n funcie de fora de ncrcare, diametrul bilei folosite i diametrul urmei lsate n material. Ca exemplu de notare, 254 HB 5/750/15 reprezint: 254 valoarea duritii n uniti Brinell, 5 mm diametrul bilei, 750 daN

Fig. 2.2. Aparat de duritate Brinell tip AB-1

Lucrri de laborator

24

fora de apsare i 15 secunde timpul de meninere la fora de apsare.

2.1.3. Rezultate i concluzii Datele obinute vor fi nscrise n tabelul 2.1. Pentru o prob se va face calculul duritii cu ajutorul formulei, iar pentru celelalte se vor folosi, pentru determinarea duritii, tabelele din SR EN ISO 6506-4:2006.

2.2. ncercarea de duritate Vickers ncercarea duritii prin metoda Vickers (SR EN ISO 6507-1:2002) const n apsarea unui penetrator piramidal din diamant cu o sarcin mai mic dect n cazul ncercrii prin metoda Brinell, un timp dat, pe suprafaa orizontal i curat a unei piese (fig.2.3). Unghiul la vrf al piramidei din diamant (penetrator), cu baza ptrat, fiind de 136 a dus la o cvasi-egalitate ntre duritile Brinell i Vickers pn la valoarea de 300HB. Apsarea penetratorului piramidei se face lent i progresiv i fr ocuri.

Duritatea Vickers este raportul dintre sarcina aplicat i aria suprafeei piramidei (urmei) imprimat pe piesa de ncercat:

[ ]222t/F mm/daNdF854,1d 2136sinF2

VH == (2.4)

Tab.2 1.

Condiiile de ncrcare Diametrul urmei Nr. probei Material F

[daN] D

[mm] t

[min] d1

[mm] d2

[mm] dmediu [mm]

HB [daN/mm2]

1 2 3

Fig.2.3.Schema de ncercare a

duritii prin metoda Vickers

Metode de determinare a duritii materialelor metalice

25

unde: indicii (F) i (t) reprezint condiiile n care se execut ncercarea, fora aplicat i timpul de meninere a sarcinii; d este diagonala urmei. Aparatele de ncercat sunt similare cu cele folosite la ncercarea Brinell, cu deosebirea c au greuti cu alte valori (5, 10, 20, 30, 50 i100 daN) i dispozitivul, pentru citirea urmei, cu amplificri optice mai puternice, fixate direct pe aparat. Metoda Vickers se poate aplica pieselor subiri sau straturilor superficiale cu grosimi mici i chiar suprafeelor curbe (SR EN ISO 6507-1:2002). Suprafaa de ncercat trebuie s fie lefuit fin pentru a prezenta rugoziti mici.

2.2.1. Aparatur i materiale Aparat pentru determinarea duritii Vickers care permite aplicarea unei fore prestabilite n conformitate cu SR EN ISO 6507-2:2002; lup cu vernier (cnd nu are aparatul dispozitiv de msurare a urmei); probe din diferite materiale metalice.

2.2.2. Modul de lucru n prima faz se pregtesc probele, n aceleai condiii ca i la metoda Brinell. Se pregtete aparatul n vederea determinrii duritii, se aeaz proba (piesa) pe masa aparatului, se ncarc penetratorul cu o sarcin funcie de materialul de ncercat; dup consumarea timpului de ncrcare prevzut, se descarc sarcina. Se citesc diagonalele urmei lsat de penetrator n prob; se face

media aritmetic a lor 2

ddd 21 += i se introduce n relaia duritii efectundu-se calculul. Duritatea se poate determina i direct din tabele (SR EN ISO 6507-4:2006) corespunztor diagonalei citite n condiiile concrete ale ncercrii, cum s-a procedat i la metoda Brinell. Datele obinute se vor nscrie n tabelul 2.2.

Tab. 2.2.

Condiiile de ncrcare Diametrul urmei Nr. probei Material F

[daN] D

[mm] t

[min] d1

[mm] d2

[mm] dmediu [mm]

HV [daN/mm2]

1 2 3

Lucrri de laborator

26

a. Determinarea duritii Vickers cu sarcini mici ncercarea se bazeaz pe aceleai principii expuse la duritatea Vickers cu sarcini normale, folosind sarcini sub 5Kgf (5, 4, 3, 2.5, 2, 1 daN). Condiiile ncercrii sunt date n SR EN ISO 6507-1:2002. Metoda se aplic materialelor metalice i pieselor cu grosimi mici crora nu li se pot determina duritatea prin celelalte metode, deoarece influena procentual a forelor de frecare din aparate, erorile de citire ct i deformaiile remanente ale materialelor de ncercat sunt mari. De asemenea, metoda de determinare a duritii Vickers cu sarcini mici se aplic i atunci cnd urma lsat de penetrator trebuie s fie foarte mic pentru a nu influena calitatea suprafeei de msurat. Metoda se aplic la examinarea straturilor subiri, straturilor tratate termic (cliri superficiale), termochimic (cementare, nitrare, metalizare, etc.) i n cazul acoperirilor metalice, galvanice, chimice, etc. Prin straturi i piese subiri se neleg straturile i piesele ce prezint grosimi mai mici de 0,5 mm, pentru oeluri sau de 1 mm pentru materialele metalice neferoase. Suprafeele de ncercat trebuie lustruite foarte fin, folosind o psl mbibat cu micropulberi abrazive (Al2O3) ca suspensie n soluii apoase, evitndu-se n timpul lustruirii nclzirea i ecruisarea suprafeei. Se folosesc penetratoare piramidale, din diamant, cu unghiul la vrf de 136o 0,5, cu baza piramidei un ptrat, ns avnd o form geometric cu o regularitate accentuat. Se admite o abatere de la intersectarea muchiilor de 0,002. Determinarea duritii const n apsarea penetratorului cu sarcini de ncrcare de 1, 2, 3, 4 i 5 Kgf pe suprafaa plan a probei i citirea diagonalei urmei lsate ca medie aritmetic a celor dou diagonale ale urmei rezultate dup eliminarea sarcinei. Zona deformat n timpul ncercrii nu trebuie s depeasc grosimea stratului examinat, evitndu-se orice influen a suportului piesei subiri asupra msurtorii. Duritatea Vickers pentru piese i straturi subiri se definete ca raportul ntre fora de apsare (F) i aria suprafeei piramidale a urmei lsate n suprafaa examinat.

[ ]222 mm/daNdF854,1d 2136sinF2

HV == (2.5)

Metode de determinare a duritii materialelor metalice

27

Pentru indicarea duritii Vickers cu sarcini mici trebuie indicate la simbolul HV, sub form de indici, fora de ncercare i timpul de apsare, dac acesta este de 15 sec. (Ex: 780 HV 30, duritatea Vickers de 780, determinat cu o for de ncercare de 30 daN, aplicat timp de 10 sec pn la 15 sec). Adncimea urmei lsat de penetrator trebuie s fie mai mic dect grosimea stratului sau a piesei de ncercat. Astfel, grosimea minim va fi de 1,2d pentru oeluri i metale dure i de 2,4d pentru materialele metalice neferoase moi. Aceasta se realizeaz prin alegerea forei de ncercat folosind nomograme date n standard.

b. Determinarea duritii Vickers cu sarcini foarte mici (determinarea microduritii)

Microduritatea se determin n scopul cunoaterii duritii compuilor cristalini (constituieni i faze) din interiorul aliajelor metalice fie pentru a-i identifica, fie pentru a determina proprietile aliajului metalic. Determinarea microduritii are la baz principiul metodei Vickers dar folosind sarcini de 1 pn la 500gf. Duritatea se exprim tot prin raportul dintre fora de apsare i suprafaa urmei lsat de penetrator n pies.

[ ]222 mm/daNdF854,1d 2136sinF2

HV == (2.6) Microduritatea determinat la acelai material cu fore de penetraie diferite nu este constant; ea scade odat cu creterea forei de penetrare. Pentru a ndeprta aceste diferene, microduritatea se recalculeaz pentru diagonalele standard de tipul d=5 m, 10 m i 20 m, obinndu-se MHV5m MHV10m MHV20m Fora care produce o urm standard este dat de relaia lui Mayer, care leag diagonala urmei de fora aplicat: ndaF = (2.7) Sau logaritmnd: dlognalogFlog += (2.8) unde a i n sunt constante ce depind de natura materialului de ncercat.

Lucrri de laborator

28

Experimental se execut mai multe ncercri pe acelai material, cu sarcini diferite, i se traseaz curba de variaie a microduritii n funcie de diagonala amprentei. Determinarea microduritii comport trei faze: alegerea

constituientului structural de cercetat, imprimarea penetratorului cu sarcina corespunztoare i msurarea diagonalei amprentei. Urma produs de penetrator nu trebuie s depeasc dimensiunile constituientului pe care se face ncercarea. Aparatul pentru msurarea microduritii este asemntor cu un microscop, posednd un dispozitiv pentru imprimarea penetratorului pe suprafaa constituientului vizat n prealabil prin ocularul i obiectivul aparatului i o mas rotitoare. Determinarea microduritii se execut numai pe probe lustruite

i atacate, ca pentru studiu metalografic, care au o grosime mai mare dect 1,5 ori diagonala amprentei. Distana de la centrul amprentei pn la marginea gruntelui, a probei sau ntre dou amprente trebuie s fie mai mare dect lungimea a dou diagonale. Msurnd microduritatea unor compui cristalini necunoscui i putem identifica cu uurin, stabilind astfel natura materialului metalic ncercat. Valorile microduritilor la civa constituieni i metale sunt date n tabelul 3:

Fig. 2.4. Microdurimetru HVT 1000 cu sarcini de ncercare de 10, 25, 50, 100, 200, 300, 500, 1000 gf i

scri de duritate : HV0.01, HV0.025, HV0.05, HV0.1, HV0.2, HV0.3,

HV0.5, HV1

Tab. 2.3. Nr. crt. Constituientul sau metalul Microduritatea, daN/mm2

1 Ferit alfa 90-200 2 Perlit 250-350 3 Austenit 200-280 4 Cementit 900-1050 5 Martensit 950-1100 6 Cuprul 40-50 7 Aluminiul 20-50

Metode de determinare a duritii materialelor metalice

29

2.3. ncercarea de duritate Rockwell Determinarea duritii prin metoda Rockwell (HR) se deosebete n principiu de ncercarea Brinell i Vickers prin aceea c la stabilirea duritii se ia n considerare adncimea de ptrundere a penetratorului n proba de ncercat. ncercarea Rockwell (SR EN ISO 6508-1:2006) const n apsarea unui penetrator (con de diamant, la metoda Rockwell HRC i bil de oel, la metoda Rockwell HRB) n materialul de ncercat, n trei faze distincte (fig. 2.4):

1. Se aplic o sarcin iniial (F0) de 10 daN pentru a asigura contactul ntre penetrator i prob;

2. Se aplic suprasarcina (F1) de 90 daN n cazul metodei Rockwell HRB i de 140 daN n cazul metodei Rockwell HRC;

3. Se ndeprteaz suprasarcina (F1); pentratorul se ridic pn la o poziie corespunztoare deformaiilor plastice. Diferena dintre poziiile penetratorului dup faza 1 i faza 3 caracterizeaz duritatea Rockwell.

Duritatea Rockwell reprezint diferena dintre un numr (E) reprezentnd o adncime de referin stabilit convenional i adncimea ptrunderii remanente (e) msurat dup revenirea de la sarcina total (F=F0+F1) la sarcina iniial (F0), conform fig.2.4. e100eEHR == (2.9) ncercarea de duritate prin metoda Rockwell HRC se aplic oelurilor clite i n general materialelor metalice dure, ce au o duritate de 3067 HRC, exceptnd fontele; ncercarea prin metoda

Fig.2.4. Schema de ncercare a duritii prin metoda Rockwell

Lucrri de laborator

30

Rockwell B se aplic, oelurilor carbon obinuite, bronzurilor, alamelor speciale, fonte clite, etc. Citirea duritii Rockwell se face direct pe ceasul comparator existent pe aparat i legat de penetrator, dup eliminarea suprasarcinii. Duritatea Rockwell se exprim n uniti convenionale de lungime, spre deosebire de duritatea Brinell i Vickers care se exprim n daN/mm2.

2.3.1. Aparatur i materiale Se folosete aparat de duritate Rockwell, cu ciclu de ncrcare automatizat figura 5, epruvete din diferite materiale metalice, care nu au o form determinat, trebuind s ndeplineasc condiia ca suprafeele de aezare i de ncrcare s fie plane i paralele (SR EN ISO 6508-2:2006).

2.3.2. Modul de lucru Se pregtete o prob din oel clit, cu suprafaa de ncercat polizat fin, pentru a elimina stratul degradat la clire i se aeaz pe masa aparatului cu suprafaa polizat n sus. Aparatul pregtit pentru ncercarea Rockwell HRC (con de diamant i greuti G=140daN) se cupleaz la reea i prin ntreruptorul (D),

aprinzndu-se becul de semnalizare; se verific poziia prghiei de deblocare (A) (maneta mare trebuie s fie n jos). Se ncarc penetratorul (P) cu fora iniial F0=10 daN, prin ridicarea manual a mesei cu piesa de ncercat (rotind tamburul T) pn ce becul de semnalizare se stinge (fig.2.5). Se apas prghia de deblocare (A) n jos, care elibereaz prghia de comand ce se deplaseaz n sus, producnd ncrcarea penetratorului cu suprasarcina F1=140

Fig. 2.5. Schema de funcionare a unui aparat de

duritate Rockwell

Metode de determinare a duritii materialelor metalice

31

daN, un timp determinat. Becul de semnalizare se aprinde la nceputul aplicrii suprasarcinii de 140 daN i se stinge n momentul ndeprtrii suprasarcinii dnd astfel posibilitatea msurrii timpului de meninere a suprasarcinii (F1). n timpul ncercrii acul indicator al comparatorului (C) se deplaseaz din poziia zero n sens trigonometric, iar n timpul descrcrii se deplaseaz n sensul acelor de ceasornic, stabilindu-se la o valoare corespunztoare duritii piesei. Att n timpul ncrcrii cu suprasarcina (F1) de 140 daN, ct i n timpul ndeprtrii suprasarcinii (F1), prghia de comand se deplaseaz n sus. Dup oprirea prghiei de comand (B) penetratorul rmne ncrcat cu sarcina iniial de 10 daN. Stabilirea duritii se face citind numrul de diviziuni ce le indic acul ceasului comparator pe scara C. Dup citire se coboar masa, manual, se scoate piesa de ncercat i apsm prghia de comand (B) n jos n timp ce prghia de deblocare (A) rmne n poziia iniial sus, pregtind astfel aparatul pentru o nou determinare. Pentru a obine valori ct mai reale, duritatea Rockwell HRC se ia ca medie a mai multor determinri, iar distana dintre dou urme vecine sau ntre urm i marginea piesei s fie mai mare de 3 mm. n mod asemntor se determin i duritatea Rockwell HRB, dar nlocuind conul cu o bil de oel i greutatea de 140 daN cu o greutate de 90 daN, citirea fcndu-se pe scara B.

2.3.3. Rezultate i concluzii Rezultatele determinrilor efectuate vor fi nregistrate n tab. 2.4.

Metodele Vickers i Rockwell sunt utilizate pentru determinarea duritii materialelor dure i foarte dure, a straturilor superficiale foarte dure.

Tab.2.4. Valorile determinrilor

efect. pe aceeai prob Duritatea,

valori medii Nr. prob Material Metoda folosit

1 2 3 HRB HRC 1 2 3

Lucrri de laborator

32

SR EN ISO 18265:2004 stabilete valorile echivalente ale duritilor statice determinate prin metodele Brinell, Vickers i Rockwell pentru aluminiu i aliajele sale, cupru i aliajele sale.