A+ A A-

Twardość a sprężystość stali i innych metali i stopów– dlaczego tak trudno mieć jedno i drugie?

  • Opublikowano w Blog
  • Ilość odsłon: 736

Twardość a sprężystość stali i innych metali i stopów– dlaczego tak trudno mieć jedno i drugie?

Na wstępie musimy dokładnie wyjaśnić, co rozumiemy w tym artykule jako sprężystość i twardość. Są to bardzo ogólne pojęcia, które w różnych okolicznościach mogą być różnie definiowane. Zakres wiedzy na ten temat jest olbrzymi.

Musimy jednak w tym krótkim artykule nieco uprościć zagadnienie i wyciągnąć najistotniejsze sprawy, aby było to zrozumiałe dla każdego. Zacznijmy od sprężystości stali i innych metali i stopów. Materiały takie charakteryzują się budową krystaliczną. Bez wchodzenia głębiej oznacza to, że mają pewną charakterystyczną cechę: do pewnego obciążenia mają zdolność powrotu do kształtu pierwotnego(po zaniku obciążenia), a po jego przekroczeniu powstają już odkształcenia trwałe czyli plastyczne albo materiał ulega zniszczeniu.

Ta wartość naprężeń jest dokładnie wyznaczona dla każdego materiału. Są tzw próby wytrzymałościowe na urządzeniu zwanym zrywarką, gdzie próbka materiału w kształcie pręta ze zmniejszoną średnicą w środku, zostaje poddana siłom rozrywającym przyłożonym na jej końcach.

zrywarka

 

Odpowiedni przebieg badań (zwiększanie obciążenia-siły i obserwowanie odkształceń) powoduje określenie pewnych obliczonych (na podstawie przyłożonej siły i pola przekroju próbki) charakterystycznych naprężeń przy których następuje wyrażna zmiana w strukturze próbki (silne wydłużenie z przęwężeniem , zerwanie). Krótko mówiąc im materiał jest bardziej sprężysty tym większe naprężenia wytrzyma i wróci do poprzednich kształtów i odwrotnie im jest bardziej miękki, plastyczny tym szybciej zaczyna się trwale odkształcać. Zaobserwowano, że do pewnego momentu (w granicach odkształceń sprężystych materiału) zależność pomiędzy silą, naprężeniami a odkształceniami jest liniowa.

Ta prawidłowość została sformułowana przez Roberta Hook'a już w 1660 r. w formie ut tensio sic vis (jakie wydłużenie, taka siła). Wówczas sformułował on pewną zależność zwaną dziś, od jego imienia prawem Hooka. Głosi ono, że odkształcenie ciała pod wpływem działającej na nie siły jest proporcjonalne do tej siły. Stosunek naprężenia wywołanego przyłożeniem siły do powstałego odkształcenia, jest nazywany współczynnikiem (modułem) sprężystości E. Jest to tzw moduł Younga charakterystyczny współczynnik stały dla danego gatunku materiału i w pewien sposób określający spreżystość materiału. Jest to pewne uproszczenie, aby artykuł był zrozumiały.

Wydłużenie = naprężenie / E

czyli          ε = σ / E

Moduł Younga definiujemy w [MPa]. Jego wartość waha się pomiędzy: 2,2 x105 [MPa] dla stali hartowanych a 0,5 (x105) [MPa] dla niezbyt twardych stopów aluminiowych.

Omawiana zależność pozostaje prawdziwa tylko dla niezbyt dużych odkształceń, nie przekraczających tzw. granicy Hooke’a (zwanej też granicą proporcjonalności, sprężystości) i tylko dla niektórych materiałów. Prawo Hooke’a zakłada też, że odkształcenia ciała, w reakcji na działanie sił, następują w sposób natychmiastowy i całkowicie znikają, gdy przyłożone siły przestają działać.

Próby zrywające doprowadziły do określenia pewnych granicznych wartości naprężeń, ważnych dla określenia własności mechanicznych materiału. Badacze znając już zależności opisane w prawie Hooka określili też między innymi:

Granicę plastyczności Re [MPa] - naprężenie po osiągnięciu którego następuje wyraźny trwały wzrost wydłużenia.

Wytrzymałość na rozciąganie Rm [MPa] - naprężenie przy którym nastepuje zerwanie, zniszczenie próbki.

Przykładowe wartości dla:

stali zwykłych węglowych Re = 200 ÷ 300 [MPa];  Rm = 300 ÷ 800 [Mpa]

dla stopowych:                   Re = 300 ÷ 500 [MPa];  Rm = 400 ÷ 1000 [MPa]

dla stopowych po obróbce cieplnej: Re = 500 ÷ 900 [Mpa]; Rm = 500 ÷ 1400 [MPa]

stale sprężynowe Re = 800 ÷ 1400 [MPa]; Rm = 1000 ÷ 1500 [MPa]

Zależności pomiedzy jednostkami dla przypomnienia:  1 Pa = 1 N / m2 ; 1 MPa = 1000000Pa; 1 kG = 9,81 N

Dla uproszczenia można stwierdzić, że granica plastyczności to jest pewna granica sprężystości, bo z jednej strony następuje zanik własności sprężystych, a z drugiej pojawienie się odkształceń plastycznych. Tak więc im ta wartość dla danego materiału jest wyższa, tym materiał jest bardziej sprężysty.

To jest pewne uproszczenie dla jednej grupy materiałów: stale, staliwa, żeliwa, stopy metali i na dodatek do pewnego poziomu twardości. W tym miejscu do naszych rozważań musimy dodać inną cechę materiału, lepiej charakteryzującą sprężystość na wyższym poziomie twardości. To jest wytrzymałość na uderzenia (udarność) i na zginanie (niekiedy mówi się o elastyczności).
Dla uproszczenia tego trudnego tematu nazwijmy ją „ciągliwością”. Dla lepszego zrozumienia porównajmy ciągliwość z kruchością. Im materiał bardziej kruchy, tym mniej ciągliwy i odwrotnie. Ta cecha lepiej określa nam sprężystość materiału i o tym jest mowa w analizie na końcu artykułu.

Twardość materiałów

Należało w jakiś sposób określić i zmierzyć tą wielkość-cechę. Taki sposób musiał być prosty i jednakowy dla rozmaitych gatunków stali i innych materaiałów, aby można było porównać otrzymane wyniki. Istnieje wiele metod takiego badania, my zajmiemy się najważniejszymi.

Najbardziej znane i stosowane do dziś, są metody, w których bardzo twardy element wgniata się pod mierzonym obciążeniem w powierzchnię badanego materiału. Powstałe naprężenia przekraczają granicę plastyczności i powodują trwałe odkształcenie powierzchni.
Biorąc pod uwagę rozmiar odkształcenia, siłę nacisku i czas trwania otrzymuje się wynik.

Najstarszą przedstawicielką tej metody jest metoda Brinella na podstawie testu dokonanego metodą opracowaną przez szwedzkiego inżyniera Johana Augusta Brinella w 1900 roku.

 

Brinell maszyna

Twardościomierz Brinella z początków istnienia metody

Brinell dziś

Twardościomierz Brinella dziś

Opis metody
W specjalnie skonstruowanym urządzeniu wciskana jest kulka z węglików spiekanych (przedtem stalowa hartowana) o ściśle dobranych średnicach (w zależności od grupy twardości materiału): 1mm; 2,5mm; 5mm; 10mm. W tabelach ujęto wartości siły nacisku dla określonej średnicy kulek i podane są czasy nacisku dla wybranych gatunków materiałów.
Wynik tego badania określamy jako HB i możemy to określić jako wartość pewnego naprężenia ze wzoru:
HB = siła nacisku F / pole powierchni odcisku .

Mierzymy specjalną lupą z podziałką średnicę tego wgłębienia, obliczamy pole i znając siłę nacisku (z ustawień urządzenia zwanego twardościomierzem Brinela) możemy obliczyć twardość HB.
W pewnym przybliżeniu dla stali węglowwych Rm= 3,4 HB więc HB= Rm/3,4

Tą metodą możemy mierzyć twardość w zakresie do ok. 600 HB.

Rozwój przemysłu, nauki powodował, że wykonywano coraz twardsze materiały i w w miarę wzrostu Rm, metoda Brinela stawała się nieprecyzyjna. Ma ona też inną niedogodność jest tzw badaniem niszczącym, odcisk jest na tyle duży, że praktycznie eliminuje element z użycia.

Pojawiła się metoda Rockwella

Metoda ta została wynaleziona przez dwóch mieszkańców Connecticut – Hughona M. Rockwella (1890–1957) i Stanleya P. Rockwella (1886–1940) – i opatentowana w 1914 roku. Pierwszą serię markowych twardościomierzy Rockwella wypuściła firma WILSON we współpracy ze Stanleyem P. Rockwellem. Twardościomierze Rockwella pod zastrzeżonym znakiem towarowym „WILSON” są produkowane do dziś przez firmę INSTRON (ITW).

 Rockwell staryjpg

Twardościomierz Rockwela z lat 30-tych

Rockwell nowy SHRS 450

i dziś

Twardość w skali Rockwella oznacza się HR. Stosowanych jest kilka różnych skal, z których każda przeznaczona jest dla odmiennych grup materiałów:

  • 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.

Metoda 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 1,5875mm (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.

Niestety i ta metoda w miarę wzrostu twardości wytwarzanych materiałów materiałów okazała się niewystarczająca i świat ujrzał metodę Vickersa.

Metoda Vickersa – metoda oznaczania twardości metali, węglików spiekanych i ceramiki na podstawie testu dokonanego metodą opracowaną w 1924 r. przez Smitha i Sandlanda w firmie Vickers Ltd. Twardość w skali Vickersa oznacza się HV.

Vickers 70 lata

Twardościomierz Vickersa (również Brinella w jednym) wczoraj – lata 70-te

Vickers nowy HV 5 1

i obecnie

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.

Istnieją jeszcze inne metody pomiaru twardości, ale dla zrozumienia tematu tego artykułu te 3 są wystarczające.

 odciski

Porównanie odcisków metody: Brinella, Rockwella i Vickersa (oczywiście w dużym powiększeniu dla pokazania proporcji pomiędzy nimi)

Teraz gdy rozumiemy pojęcie sprężystości i twardości możemy przeanalizować pewne ciekawe zalężności pomiędzy nimi.

Naszą analizę rozpoczniemy od dolnych wartości sprężystości i twardości danego materiału (stali) i będziemy posuwać się coraz wyżej.

Zaczynamy od stali zwykłych węglowych.

Re/Rm    200/300 [MPa] twardość HB od ok HB = 100  i posuwając się dalej

Re/Rm 300/900 [MPa] twardość wynosi już: HB = 200 ÷ 300

dla stali wyższej jakości, stopowych, narzędziowych po ulepszeniu cieplnym te wartości rosną dalej do ok. Re/Rm 900/1400 [MPa] i HB= 600

Przy czym ta ostatnia wartość HB oznacza już stal zahartowaną w granicach twardości HRC = 50 ÷ 55

praktycznie na tym skala Brinella się kończy.

Do tego momentu możemy stwierdzić: twardość materiału rośnie wraz z jego sprężystością.

W tym momencie zaczynamy mierzyć twardość skalą Rockwella i pojawiają się stale narzędziowe, szybkotnące o twardości HRC = 60 ÷ 66. Wskaźnik Rm przestaje rosnąć już tak znacząco i jest w granicach do Rm = 1600 ÷ 1800 [MPa]; Re = do 1400 [MPa].

Okazuje się, że po przekroczeniu pewnej granicy twardości (ok 50 ÷ 60 HRC), zaczyna się inny ciekawy proces.
Gdy rośnie twardość, maleje ciągliwość. Oczywiście są to nadal duże wartości, w porównaniu np. ze stalą zwykłą, ale ta prawidłowośc jest wyraźna. Od tego momentu musimy zacząć wybierać.

Czy chcemy mieć materiał (stal, węglik spiekany, spieki ceramiczne) bardziej twardy, czy też bardziej elastyczny-ciągliwy?

Posługujemy się już skalą Vickersa i przy np. twardości ok. HRC = 68 (koniec skali Rockvella) twardość Vickersa to ok. HV = 1000. Twardość przeciętnej płytki skrawającej z węglików spiekanych to HV = 1500 ÷ 2000. Te materiały są po prostu bardzo twarde, ale ich odporność na uderzenia, zginanie (czyli ciągliwość) nie jest już tak wielka.

Jak widzimy, twardość i ciągliwość są cechami przeciwstawnymi.

Wysoka zawartość kobaltu i/lub duże ziarna zwiększają ciągliwość węglika. Wyższa ciągliwość jest wymagana, gdy w czasie pracy występują nagłe i silne obciążenia, praca przerywana itp.

Dalsze rozważania zacznijmy od węglików spiekanych w nożach tokarskich z płytką lutowaną. Są one oznaczone literą (S, U, K i innych) w zależności od przeznaczenia i liczbą 10, 20 ,30 oznaczającą właśnie twardość i ciągliwość węglika.

Liczba 10 to węglik najtwardszy a 30 to najbardziej ciągliwy   przykłady oznaczeń: P10, S30, U20, K20 itp.

Przy płytkach skrawających wymiennych sprawa jest bardziej skomplikowana, bo tutaj nazewnictwo jest bardzo zróżnicowane. Jeżeli nawet płytka podlega normom np. ISO, to one określają tylko kształt geometryczny, natomiast oznaczenie samego gatunku węglika leży już tylko w gestii producenta. Opymistyczne jest to, że wielu producentów płytek skrawających posługuje się również tymi terminami: twardość i ciągliwość płytki. Tak więc spotykamy płytki o większej twardości (ale też kruchości) lub większej ciągliwości. Oczywiście pod względem naukowym to pewne uproszczenia, ale bez nich takie zagadnienia byłyby naprawdę trudne do zrozumienia np. dla operatora CNC w fabryce, który musi dobrać typ węglika płytki do określonej operacji. Nie musi on zgłębić szerokiej wiedzy z zakresu wytrzymałości materiałów (rodzajów naprężeń itp.), materiałoznawstwa aby dokonać prawidłowego wyboru.

 Na poniższym wykresie ta zależność jest wyrażnie widoczna:

HSS to stale szybkotnące o twardości HRC = 60 ÷ 65

węglik niepowlekany to ok. HV = 1500 ÷ 2000

węglik powlekany do ok. HV = 3000

PCBN (azotki boru) to ok. HV = ok 6000

PCD (polikrystaliczny diament) HV = ok 7000

powyżej pomiar Vickersa jest coraz trudniejszy, gdyż materiał badany zbliża się swoją twardością do twardości ostrza-diamentu, który na dziś jest najtwardszym materiałem znanym człowiekowi.

MCD - diament monokrystaliczny syntetyczny

twardośćciągliwość

 

Dzisiejsza technologia wytwarzania pozwala na wytwarzanie takich materiałów w naprawdę szerokim zakresie twardości i sprężystości (ciągliwości), ale ta główna zasada pozostaje niezmienna.
Im bardziej twardy stworzymy materiał tym bardziej jest kruchy, a więc mniej odporny na uderzenia, siły zginające. Naukowcy oczywiście, starają się uzyskać coraz twardsze materiały i jednocześnie coraz bardziej sprężyste (dla przykładu osłony statków kosmicznych), ale stworzenie materiału najtwardszego w danym okresie czasowym i jednocześnie najbardziej sprężystego-ciągliwego jest jeszcze przed nami.

 

Zmodyfikowano: poniedziałek, 22 czerwiec 2020 06:13

Odwiedza nas 75 gości oraz 0 użytkowników.

fundusze unia stopka