1. Încercări de duritate.Duritatea este proprietatea materialelor de a se opune pătrunderii în suprafaţa

lor a unor corpuri dure care tind să le deformeze suprafaţa.Încercările de duritate constau în general în apăsarea pe suprafaţa probei de

încercat a unui corp dur, un penetrator cu geometrie cunoscută cu o forţă determinată şi un timp determinat şi măsurarea unei dimensiuni caracteristice a amprentei.

În funcţie de modul de aplicare a forţei încercările pot fi: statice dacă forţa se aplică lent, cu viteză mică; dinamice dacă forţa de apăsare se aplică violent, cu viteză mare, prin lovire.

Principalele tipuri de încercare a durităţii şi unele criteriile de alegere a acestora sunt prezentate în tabelul 1.1.

Tabelul 1.1Încercări statice

Simbol UM Penetrator Duritatea materialelorBrinell HB daN/mm2 Bilă de oţel Mică şi medieVickers HV daN/mm2 Vârf de piramidă din

diamantMică, medie, mare

Rockwell HR uHR Bilă din CM sau con din diamant

Medie şi mare

Încercări dinamiceSimbol UM Penetrator Duritatea materialelor

Poldy HB daN/mm2 Bilă din oţel Mică şi medieShorre HS uHS Cap sferic din oţel Toate durităţile

Încercarea de duritate BrinellÎncercarea constă în apăsarea unei bile din oţel de rulment pe suprafaţa

probei de încercat cu o forţă determinată şi un timp determinat şi măsurarea diametrului amprentei care este o calotă sferică. Schema şi condiţiile încercării sunt prezentate în figura 1.6.

Alegerea parametrilor încercării.Aparatul pentru încercarea Brinell este dotat cu bile cu diametrul de 2,5;

5; 10mm şi permite selectarea unor forţe de apăsare în intervalul 187.5-3000 daN pentru sarcini mari şi respectiv bile cu diametrul de 1; 2; 2,5mm pentru sarcini mici sub 187,5 daN. Alegerea diametrului bilei se face în funcţie de mărimea durităţii şi grosimea materialului. Pentru durităţi mari şi grosimi mici este indicată utilizarea unor bile cu diametre mici.

F

D

d2,5dmin.4d

h

m i n . 8 h

Fig.1.6 Schema şi condiţiile încercării Brinell.Forţa de apăsare se determină din considerente de similitudine în funcţie

de diametrul D şi constanta de similitudine a materialului K.

Orientativ constanta de similitudine poate avea următoarele valori : - pentru oţel şi fontă 30- pentru cupru şi aliaje de cupru 15-10- pentru aluminiu şi aliajele sale 5- pentru metale şi aliaje moi 2,5-1Timpul de apăsare se alege de asemenea în funcţie de material. La materialele mai moi timpii de apăsare sunt mai mari deoarece acestea au o deformare mai mare şi deci necesită un timp mai mare pentru o cedare completă.- pentru oţel şi fontă 10-15 sec- pentru cupru şi aliaje de cupru 27-33 sec- pentru aluminiu şi aliajele sale 27-33 sec- pentru metale şi aliaje moi 60-120 sec

Duritatea Brinell se exprimă prin raportul dintre forţa de apăsare şi suprafaţa amprentei care este o calotă sferică şi se calculează cu relaţia:

Simbolizarea durităţii Brinell este HBD/F/t în care indicii se referă la D-diametrul penetratorului, F-forţa de apăsare, t-timpul de apăsare.

Pentru ca încercarea să fie corectă este necesară alegerea corectă a parametrilor şi o pregătire a suprafeţei prin aşchiere sau polizare pentru asigurarea unei măsurări precise.

Măsurarea amprentei se realizează cu lupa Brinell cu precizia de măsurare de 0,01mm. Principiul de măsurare este similar cu al şublerului.

În cadrul lucrării de laborator se vor efectua câteva încercări de duritate pe materiale diferite : oţel, alamă şi duraluminiu. Pentru aceste materiale se vor alege şi calcula parametrii regimului de încercare, se va echipa şi regla aparatul pentru încercările de duritate, se vor efectua încercările, se vor măsura amprentele, se vor calcula valorile durităţilor. Durităţile se vor nota ţinând cont de exemplul de notare menţionat anterior.

Ex. Oţel D=5, K=30, t=15sec. F=750daN , d= , HB5/750/15= Alamă D=10, K=10 , t=30sec. F=1000daN, d= HB10/1000/30= Duraluminiu D=10, K=5, t=30sec. F=500daN, d= HB10/500/30=

Încercarea de duritate Poldy.Metoda se aplică pentru măsurarea durităţii pieselor mari, deoarece

prezintă avantajul utilizării unui aparat simplu, uşor, portabil ceeace elimină

necesitatea prelevării unui eşantion din piesă. Este varianta dinamică a încercării Brinell aplicându-se pa materiale cu duritate mică şi medie ca: oţeluri, fonte, aliaje neferoase în stare turnată, forjată, netratată sau tratată termic. Metoda este comparativă şi constă în apăsarea prin lovire cu o forţă dinamică F a unei bile de oţel de rulment cu diametrul D= 10mm , simultan pe piesa de încercat şi pe o bară etalon cu duritate cunoscută HBe. Se obţin astfel două amprente cărora li se măsoară diametrul de pe etalon şi dp pe piesă. Schema încercării este prezentată în figura 1.7.

Fig.1.7 Schema încercării de duritate Poldy.Cunoscând duritatea etalonului, duritatea piesei HBp se poate determina

pornind de la legea similitudinii

sau prin aproximaţie şi simplificare

Precizia determinării durităţii este mai mare cu cât durităţile etalonului şi piesei sunt mai apropiate. De aceea în practică atunci când se doreşte controlul unui lot de piese se confecţionează un etalon cu duritatea egală cu duritatea nominală a lotului. Prin încercarea de duritate Poldy se apreciază abaterea durităţii pieselor de la valoarea nominală şi dacă acestea se încadrează în limitele de toleranţă.

În cadrul lucrării de laborator se va determina duritatea unei piese din oţel comparativ cu un etalon existent în dotarea laboratorului de încercări utilizându-se un dispozitiv cunoscut sub denumirea de ciocanul Poldy. Suprafaţa de încercat a piesei se va curăţa prin polizare sau prin aşchiere. Lovirea se va efectua cu un ciocan de 500g iar măsurarea cu lupa Brinell. Duritatea Poldy calculată se va compara cu valoarea durităţii determinată prin metoda Brinell.

Încercarea de duritate Vickers.Încercarea Vickers este o metodă universală de determinare a durităţii

aplicabilă tuturor categoriilor de materiale de la foarte moi până la foarte dure,

Etalon HBe

Piesă HBp

D

F

de

dp

de la groase până la foarte subţiri, inclusiv straturi pe suprafeţe, elemente de structură faze şi constituenţi etc.

Încercarea constă în apăsarea unui penetrator piramidal drept cu baza pătrat cu unghiul la vârf între feţe de 136o din diamant, cu o forţă determinată şi un timp determinat şi măsurarea diagonalelor amprentei. Schema şi unele condiţii ale încercării sunt prezentate în figura 1.8.

Duritatea Vickers HV se exprimă prin raportul dintre forţa de apăsare F şi suprafaţa amprentei A care este un vârf de piramidă drept cu baza pătrat şi se calculează cu relaţia:

.

Forţa de apăsare se alege în funcţie de mărimea durităţii şi grosimea materialelor, sarcini mai mici pentru materiale mai subţiri şi durităţi mai mici. Aparatele pentru încercarea Vickers permit selectarea unor forţe de apăsare de 20, 30, 50, 100 Kgf respectiv 196,1 ; 294,2 ; 490,3 ; 980,7 N în cazul încercării cu sarcini mari.

Fig.1.8 Schema încercării Vickers

Există şi aparate Vickers cu sarcini mici 5, 10 Kgf respectiv 49,3 ; 98,6 N şi aparate cu microsarcini între 0,001 şi 0,200Kgf respectiv 0,0098 şi 1,96N. Aparatele cu microsarcini permit vizualizarea suprafeţei, alegerea zonei de încercare, aplicarea amprentei şi măsurarea acesteia sub microscop cu o mărire de 100 ori.

Timpul de apăsare se alege în funcţie de material. La materialele mai moi timpii de apăsare sunt mai mari deoarece acestea au o deformare mai mare şi deci necesită un timp mai mare pentru o cedare completă.

-pentru materiale cu duritate mare, oţeluri şi fonte

F

d1

d2

min

.1,5

d

min.2,5d min.2,5d

136o

cu sau fără tratamente termice aplicate 10-15 sec- pentru materiale cu duritate medie cupru şi aliaje de cupru, aluminiu şi aliajele sale 27-33 sec- pentru metale şi aliaje moi 60-120 secSuprafaţa de încercat a probei trebuie lustruită ca la probele metalografice

şi chiar atacate pentru evidenţierea structurii atunci când este cazul. Aceasta asigură alături de mărirea la microscop a imaginii o precizie ridicată a măsurării şi deci a determinării durităţii.

Notarea durităţii se va face cu simbolul HVF/t urmată de doi indici care reprezintă valorile forţei şi a timpului de apăsare.

Încercarea de duritate RockwellSpre deosebire de celelalte metode prezentate anterior la care duritatea

este determinată ca raport între forţa aplicată şi suprafaţa amprentei în cadrul încercării Rockwell duritatea se determină pe baza adâncimii amprentei în raport cu un plan de măsurare ales convenţional.

Încercarea se aplică în cazul pieselor cu duritate medie utilizând ca penetrator o bilă din carburi metalice cu diametrul d=1,5875mm şi cu duritate mare utilizând ca penetrator un con de diamant cu unghiul la vârf de 120o . Fiind vorba de materiale cu durităţi medii şi mari, timpul de apăsare a suprasarcinii este în toate cazurile 10, 15 sec.

Pentru ca rezultatul măsurătorii să nu fie viciat de deformaţia în ansamblu a piesei, grosimea acesteia trebuie să fie mai mare de 8 ori adâncimea amprentei.

Încercarea se execută în trei faze prezentate în figura 1.9.

Fig. 1.9 Fazele încercării RockwellÎn faza I piesa de încercat se aduce în contact cu penetratorul. Pentru

asigurarea unui contact în condiţii identice la toate încercările penetratorul se apasă pe piesă cu o sarcină iniţială Fo . Sub acţiunea acestei sarcini penetratorul pătrunde puţin în material la adâncimea t1, depăşind nivelul micro asperităţilor. De subliniat este şi faptul că suprafaţa piesei trebuie rectificată fin în zona de încercat pentru a asigura precizie măsurării. Vârful penetratorului materializează suprafaţa de referinţă. În faza II asupra penetratorului se mai aplică o

Fo Fo+F1 Fo

t1 t2 t3

Faza I Faza II Faza III

Ee

HR

Ceas comparator

Penetrator

Piesă

Suprafaţa de referinţă

suprasarcină F1 sub acţiunea căreia penetratorul pătrunde mai adânc în piesă producând o deformaţie plastică şi elastică a materialului t2=tplastic+telastic. Acul ceasului comparator se roteşte în sens invers acelor de ceas indicând mărimea pătrunderii. În faza III se îndepărtează suprasarcina F1, penetratorul rămânând în continuare apăsat de sarcina iniţială Fo. În aceste condiţii penetratorul se ridică puţin rămânând în piesă la adâncimea t3 corespunzătoare deformaţiilor plastice produse în material de suprasarcina F1. Acul ceasului comparator indică această ridicare printr-o rotire a acului în sensul acelor de ceas. Diferenţa între poziţia penetratorului în faza I şi faza III notată cu e caracterizează duritatea piesei. Duritatea Rockwell se exprimă sub forma HR=E-e, în care E este o constantă. În practică valoarea durităţii HR se citeşte direct la ceasul comparator care este etalonat în unităţi Rockwell având scale specifice celor două variante cu penetrator con de diamant şi respectiv cu penetrator bilă din carburi metalice.

Există şi se utilizează mai multe scări de duritate Rockwell . Cele mai utilizate şi în acelaşi timp reprezentative sunt prezentate în tabelul 1.2 în care se indică şi principalii parametri pentru aceste variante de încercare.

Tabelul 1.2Scara

durităţii Rockwell

Penetrator Sarcina Fo

KgfdaN

Suprasarcina Fo+F1

KgfdaN

Constanta E

mm

Unitatea Rockwell

HRmm

Domenil de aplicare

HRC Con de diamant 120o

1098,7

1501471

0,2 0,002 30-60HRCmateriale cu duritate mare

HRB Bilă din carburi metalice d=1,8544

1098,7

100987

0,2 0,002 54-100HRBmateriale cu duritate medie

HRT Bilă din carburi metalice d=1,8544

329,42

153045

0,1 0.001 Duritate superficială medie, probe cu g=0,25-0,70mm

HRN Con de diamant 120o

329,42

153045

0,1 0.001 Duritate superficială mare, probe cu g=0,15-0,70mm

.Duritatea Rockwell pe scările HRN şi HRT se mai numeşte şi duritate superficială sau Super Rockwell şi este destinată punerii în evidenţă a durităţii straturilor superficiale sau a pieselor subţiri.

În cadrul şedinţei de laborator se va analiza modul de construcţie şi funcţionare a aparatelor de duritate evidenţiindu-se cele trei faze ale încercării. De asemenea se vor efectua încercări pe diferite materiale alegându-se variantele de încercare în funcţie de caracteristicile acestora înregistrându-se valorile durităţilor. Notarea durităţilor se realizează precizând valoarea citirii la ceasul comparator după faza III şi scara încercării Exemplu: 62HRC, 89HRB.

Încercarea de duritate ShorreDeterminarea durităţii se realizează pe baza reculului elastic al unui corp

dur cu cap sferic care loveşte suprafaţa piesei de încercat prin cădere liberă de la o înălţime stabilită. Încercarea se recomandă pentru determinarea durităţii pieselor pe suprafaţa cărora nu se acceptă formarea unor amprente, a pieselor dure şi fragile care la apăsarea cu penetratoare se sparg, a pieselor foarte fierbinţi caz în care contactul îndelungat al penetratorului cu piesa poate deteriora penetratorul etc. Măsurarea durităţii se realizează în unităţi Shorre HS care au în vedere mărimea reculului elastic în mm. Se vor face încercări comparative pe materiale diferite cu durităţi cunoscute.