Twardość - miara umowna, określa odporność materiału na powstanie odkształcenia trwałego (plastycznego) wskutek oddziaływania na jego powierzchnię innego twardszego przedmiotu (penetratora, wgłębnika).

Metody pomiaru twardości:-statyczne - polegają na powolnym wciskaniu wgłębnika w materiał przy działaniu stałej lub stopniowo wzrastającej siły do określonej wartości,

-dynamiczne - polegają na uderzeniowym oddziaływaniu twardego elementu na powierzchnię badanego materiału, są mniej dokładne i mniej jednoznacznie określone w porównaniu do metod statycznych.

-metody ryskowe, w których twardość określa się jako opór przeciw zarysowaniu wgłębnikiem badanej powierzchni metalu,

-metody sprężystego odskoku, w których twardość określa się na podstawie wielkości odbicia się bijaka od badanej powierzchni.

3 sposoby pomiaru twardości:

1) Rockwella,

2) Vickersa,

3) Brinella.

Metoda BrinellaPolega na wciskaniu pod obciążeniem F wgłębnika, w postaci kulki o średnicy D, w powierzchnię badanego materiału, w czasie t. Średnica odcisku kuli d, jako średnia z dwóch pomiarów w kierunkach wzajemnie prostopadłych, służy do obliczania pola powierzchni odcisku (czasza kulista).

Twardość Brinella jest to stosunek siły obciążającej do pola powierzchni czaszy odcisku (rys.1). Oblicza się ją z następującego wzoru:

F - siła obciążająca [N],S - pole powierzchni odcisku (czaszy) [mm²].

Kulki są wykonane ze stali stopowej i obrobione cieplnie do twardości równej HV = 8500 (twardość w skali Vickersa) i można nimi mierzyć twardość do HB = 450; gdy są wykonane z węglików spiekanych, wtedy można mierzyć twardość do HB = 650.

Zasady przeprowadzenia pomiaru Brinella:

1. odstęp dwóch sąsiednich odcisków nie może być mniejszy od czterokrotnej średnicy odcisku,

2. odstęp środka odcisku od krawędzi badanej powierzchni nie może być mniejszy od 2,5 d,

3. grubość badanego przedmiotu w miejscu badania musi wynosić 10 głębokości odcisku bez względu na twardość badanego materiału, tj. g ³ 10h (rys.2),

4. jeżeli tą samą kulką wykonamy w tym samym materiale szereg odcisków, kolejno zwiększając siłę F i otrzymując coraz większe odciski, to obliczona każdorazowo twardość za pomocą wzoru (1) będzie się zmieniać jak na rysunku 3,

Rys. Zależność twardości od siły działającej na wgłębnik

5. jeżeli grubość przedmiotu jest zbyt mała, to należy zmniejszyć obciążenie. Aby stosunek średnicy odcisku do średnicy kulki był właściwy, siłę F dobiera się ze wzoru, który uzyskano z podobieństwa odcisków (równe kąty
    -rysunek pierwszy) przy zastosowaniu różnych kulek i sił (spełnienie prawa Kicka),

6. kształt badanego przedmiotu - możliwie płaski, umożliwiający nieruchome ustawienie przedmiotu tak, aby badana powierzchnia była prostopadła do kierunku działania siły obciążającej; dopuszcza się przeprowadzenie próby twardości na powierzchni, której najmniejszy promień krzywizny jest większy od trzykrotnej średnicy kulki,

7. jakość powierzchni - gładka i oczyszczona ze zgorzeliny oraz smarów, przy wygładzaniu należy zachować ostrożność, aby nie zmienić twardości poprzez nagrzanie lub zgniot,

8. czas działania siły obciążającej - próbkę należy obciążyć bez wstrząsów równomiernie do żądanej siły w czasie od 2 do 8 s;

9. Pomiar odcisku - w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach, a przy odciskach wzdłużnych i nieregularnych mierzy się najmniejszą i największą średnicę; średnia arytmetyczna służy do wyznaczenia HB,

Zaletami tej metody są:

1) możliwość pomiaru twardości w obszarze makro,

2) jedna skala twardości,

3) istnieje relacja między twardością a wytrzymałością.

Wadami zaś są:

1) kłopotliwy pomiar średnic odcisku i względnie pracochłonne obliczanie twardości,

2) nie nadaje się do pomiaru twardości materiałów twardych, warstw utwardzonych i małych przedmiotów,

3) pomierzona twardość jest zależna od siły nacisku,

4) nie można mierzyć twardości dużych gotowych wyrobów.

Młotek Poldi

Rys.1. Młotek Poldi: 1 - Stalowa kulka o średnicy D = 10mm, 2 - sworzeń, 3 - uchwyt, 4 - sprężyna

Pomiar twardości za pomocą młotka Poldi będzie tym dokładniejszy, im twardość próbki wzorcowej będzie bliższa twardości elementu badanego

1. Uderzenie młotkiem w sworzeń (ok. 0,5 kg) wywołuje jednoczesne wgniecenie stalowej kulki w badany materiał i próbkę wzorcową o znanej twardości H₁

2. Porównanie odcisków kulki na obu materiałach pozwala na oszacowanie twardości badanego materiału H₂

3. W tej metodzie wartość nacisku nie jest znana. Po zmierzeniu średnic odcisków na wzorcu d₁ i na elemencie badanym d₂ oraz po obliczeniu powierzchni odcisków czasz, wyznacza się szukaną wartość następująco. Siła działająca na kulkę, zgodnie ze wzorem (1), wynosi:

stąd:

PRÓBA ROZCIAGANIA I ŚCISKANIA

Z doświadczeń wynika, że dla większości materiałów konstrukcyjnych można przyjąć, iż w pewnych przedziałach obciążeń między odkształcenia­mi wzdłużnymi i naprężeniami normalnymi istnieje proporcjonalność prosta (zależność liniowa). Króciej - w pewnych granicach właściwych materiałowi odkształcenie jest proporcjonalne do naprężenia. Sformułowanie to nosi nazwę prawa Hooke'a.
Równanie (1) możemy odczytać również tak: naprężenie normalne jest proporcjonalne do odkształcenia jednostkowego.

Współczynnik proporcjonalności E zwany modułem Youoga lub stalą (modułem) sprężystości podłużnej wyraża się w ta­kich samych jednostkach jak naprężenie (MPa). Jest on jedną z najważniejszych stałych materiałowych (różny dla różnych materiałów). Im większy jest moduł E, tym materiał mniej się odkształca.

Prawo Hooke'a można przedstawić graficznie jako wykres (rys. 1). Jest to prosta nachylona pod pewnym kątem  do osi odkształceń  i przechodząca przez początek układu współrzędnych. Wiemy, że tangens kąta nachylenia linii wykresu σ = E •  jest stosunkiem rzędnej dowolnego punktu tej linii do odciętej tego punktu.

ROZCIĄGANIE MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH

Próba statyczna rozciągania jest podstawowym rodzajem badania metali mających zastosowanie w technice i pozwala na określenie własności plastycznych i wytrzymałościowych metalu.. Dla stali podstawowymi rodzajami próbek są (rys.1):

1. próbki okrągłe o przekroju kołowym z główkami gwintowanymi wkręcanymi w uchwyty maszyny wytrzymałościowej, jest to najpewniejszy sposób mocowania, uniemożliwiający poślizgi w uchwytach,

2. próbki okrągłe z główkami do chwytania w szczęki,

3. próbki okrągłe do chwytania w uchwyty pierścieniowe,

4. próbki płaskie z główkami o grubości co najmniej 3mm.

Wytrzymałość na rozciąganie R_m jest to naprężenie odpowiadające największej sile, uzyskanej w czasie próby rozciągania, odniesionej do przekroju początkowego próbki. Określa się ją wzorem:

gdzie: F_m - największa siła uzyskana w czasie próby, odczytana na siłomierzu maszyny wytrzymałościowej [N],

S₀ - pole powierzchni przekroju pierwotnego próbki [mm²].

Naprężenie rozrywające Ru jest to naprężenie rzeczywiste występujące w przekroju poprzecznym próbki:

gdzie: F_u - siła jaka działała na próbkę w chwili rozerwania [N],

S_u - pole przekroju poprzecznego próbki w miejscu rozerwania [mm²].

Wyraźna granica plastyczności Re jest to naprężenie, po osiągnięciu którego następuje wyraźny wzrost wydłużenia rozciąganej próbki bez wzrostu lub nawet przy spadku obciążenia.
gdzie: F_e - siła obciążając odpowiadająca wyraźnej granicy plastyczności [N],

S₀ - pole powierzchni przekroju pierwotnego próbki [mm²].

Górna granica plastyczności ReH jest to naprężenie rozciągające w momencie nagłego wydłużenia, od którego występuje krótkotrwały spadek siły:

Dolna granica plastyczności ReL jest to najmniejsze naprężenie rozciągające występujące po przekroczeniu górnej granicy plastyczności (w przypadku, gdy istnieje więcej niż jedno minimum, pierwszego z nich nie bierze się pod uwagę):

Wydłużenie względne Ak jest to przyrost długości pomiarowej próbki po jej rozerwaniu odniesiony do pierwotnej długości próbki wyrażony w procentach:

Wydłużenie względne równomierne A_r jest to wydłużenie niezależne od długościpomiarowej i mierzone z wyłączeniem wpływu wydłużenia w pobliżu miejsca rozerwania (szyjki) próbki, wyrażone w procentach w stosunku do pierwotnej długości. Dla próbek o przekroju kołowym, oblicza się je ze wzoru:

Przewężenie względne Z - jest to zmniejszenie pola powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu rozerwania w odniesieniu do pola powierzchni jej przekroju pierwotnego:

Dla próbek o przekroju kołowym powyższy wzór można doprowadzić do postaci:

ŚCISKANIE MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH

Próba ściskania jest odwróceniem próby rozciągania.Charakterystyki ściskania dla różnych tworzyw przedstawiono na rysunku 2.

Typy złomów dla różnych tworzyw:

a) metal plastyczny,

b) metal małoplastyczny - złom poślizgowy,

c) metal kruchy przy smarowaniu płaszczyzn czołowych,

d) beton - wykruszenie się boków,

e) drewno.

Wytrzymałość na ściskanie R_c to:

granica plastyczności R_ec

---