92 · În lumea msur rilor _______________________________________________
14 Scri de duritate Noiunea de duritate a unui material este în general destul de vag definit . În principiu, exist trei sensuri principale ale termenului i, corespunztor, trei categorii de msur ri ale duritii: duritate ca rezisten la zgâriere, duritate ca rezisten la penetrare (p trundere, a unui corp rigid i dur), duritate ca destindere (recul) sau duritate dinamic . Duritatea ca rezisten la zgâriere inreseaz mai ales în mineralogie. Ea se msoar pe scara Mohs, format din 10 substane minerale aranjate în ordinea cresctoare a duritii lor. Pentru inginerie prezint interes numai duritatea la penetrare, care se m soar prin aplicarea, cu o anumit for , a unui "penetrator" (corp dur, ascu it) i apoi msurarea dimensiunilor amprentei (urmei) sau a adâncimii ei. Pornind de la datele acestei msur ri, se atribuie materialului (de obicei, metal) o anumit duritate, pe una din scrile de duritate convenionale. Cele mai cunoscute sunt: duritatea Brinell , duritatea Vickers i duritatea Rockwell . Se mai folosesc i alte scri de duritate, mai puin r spândite, ca Shore (pentru materiale plastice), Meyer i Knoop. Duritatea dinamic se msoar cu metoda Poldi sau cu aparatul numit scleroscop (un ciocan cu vârf de diamant într-un tub de sticl gradat este l sat s cad de la o înlime cunoscut, iar duritatea se determin în funcie de înlimea la care revine ciocanul dup cdere). • •
•
14.1 Scara de duritate Mohs Mohs
Duritatea ca rezisten la zgâriere este de prim interes pentru mineralogie. Ea se msoar prin compara ie cu scara Mohs, format din 10 substan e minerale dispuse în ordinea cresc toare a durit ii lor. Este una din metodele uzuale de clasificare a durit ii unui cristal, conceput în 1812 de Friedrich Mohs (1773 - 1839), profesor de mineralogie la universitatea Joanneum Graz (Austria). Metoda are la baz capacitatea materialelor mai dure de a produce zgârieturi pe suprafa a materialelor mai pu in dure. Mohs a clasificat mineralele pe o scara relativ de la 1 la 10, începând de la cele foarte moi (duritatea 1), pân la cele foarte dure (duritatea 10). Duritatea relativ a unui mineral necunoscut poate fi determinat folosind unul din mineralele etalon din scara Mohs, a c rui duritate se cunoate. Mineralul etalon va zgâria orice mineral cu o duritate mai mic decât a sa, respectiv va fi zgâriat de un mineral care are o duritate mai mare pe scara Mohs. Dac duritile sunt egale, atunci apar zgârieturi i pe mineralul etalon i pe cel încercat.
Diverse uniti i scri de msurare · 93 _______________________________________________
Scara Mohs Duritatea Mohs
Metoda de testare
Mineralul
1
se zgârie foarte uor cu unghia
talc
2
se zgârie cu unghia
gips
3
se zgârie cu o moned de cupru
calcit
4
se zgârie uor cu un cu it
fluorit
5
se zgârie cu un cu it (sticl)
apatit
6
se zgârie cu o pil
7
zgârie sticla
cuar
8
zgârie cuar ul i sticla (hârtia abraziv )
topaz
9
zgârie topazul i este zgâriat de diamant
corindon / rubin
10
nu poate fi zgâriat decât tot de un diamant
feldspat
diamant
De exemplu: dac mineralul necunoscut nu este zgâriat de calcit (duritatea 3) dar este zgâriat de fluorit (duritatea 4), atunci se poate spune c acesta are o duritate relativ între 3 si 4. Scara Mohs nu este "liniar ", duritatea absoluta a diamantului (10 pe scara Mohs) este de circa 90...300 mai mare decât a rubinului (9 pe scara Mohs) respectiv corindonul/rubinul este de cca 5...6 ori mai dur în valoare absolut decât topazul (8 pe scar ). Duritatea absolut a mineralelor poate fi exprimat pe scara Rosiwal sau sau pe scara Knoop. Scara Rosiwal se bazeaz pe rezistena mineralului la abraziune / tiere: corindonul are duritatea absolut 1000, diamantul 140 000, topazul 175, iar talcul 0,03. Scara Knoop are la baz msurarea urmei l sat pe suprafa a mineralului de un vârf de diamant de form special (piramidal), apsat cu o anumit for . Pe aceast scar diamantul are duritatea absolut 7000, corindonul 1800, topazul 1340, iar talcul 1.
94 · În lumea msur rilor _______________________________________________
14.2 Scara de duritate Brinell Brinell
Testul de duritate Brinell, propus de inginerul suedez Johan August Brinell în 1900, a constituit prima metod de determinare a durit ii metalelor, standardizat i folosit larg în inginerie i în metalurgie. Duritatea Brinell se determin prin apsarea cu o anumit for a unei bile de oel dur sau carbur , de diametru specificat (de obicei 10 mm), pe suprafa a materialului i apoi msurarea diametrului urmei (amprentei) r mase pe material. Duritatea Brinell se obine împr ind for a de apsare, exprimat în kilograme, la suprafaa amprentei, în milimetri p trai: for
unde: = for a de apsare, kgf P = D = diametrul penetratorului, mm = diametrul mediu al amprentei, mm. d = Rezultatul se obine în uniti de presiune, dar unitatea de msur este specificat rareori. Testul se efectuez cu ajutorul unei ma ini, de 500 kgf sau care preseaz penetratorul cu o for 1500 kgf în cazul metalelor moi (cupru, alam , aluminiu etc.) i de 3000 kgf pentru fier i oel.1 Durata aplicrii for ei este de obicei 10 sau 15 s. Msurarea diametrului amprentei se face cu un microscop portabil, incertitudinea de m surare fiind de regul de 0,05 mm. Pentru u urarea determinrii, se utilizeaz tabele de coresponden între diametrul msurat i valoarea durit ii Brinell. Rezultatul testului trebuie dat cât mai complet, cu specificarea condi iilor de determinare. De exemplu, el poate avea forma "75 HB 10/500/15" ceea ce înseamn: duritate Brinell de 75, ob inut cu un penetrator de diametru 10 mm, for de 500 kg aplicat timp de 15 s. La determinarea durit ii unor metale deosebit de dure se folosesc bile din carbur de wolfram. Dintre metodele uzuale de m surare a durit ii, testul Brinell las cele mai mari amprente, ceea are avantajul c se face o "medie" a rezultatului pe o suprafa 1 În
domeniul msur rii duritii, este uzual exprimarea for elor în kilograme-for (i nu în unitatea SI, newton); vom respecta i noi aceast uzan.
Diverse uniti i scri de msurare · 95 _______________________________________________ mai mare, micorând astfel efectul neomogenit ilor i granularitii materialului. În acelai timp, testul Brinell are dezavantajul c produce o deformare mai mare a obiectului testat i practic nu poate fi aplicat la obiecte de dimensiuni mici. La valori mari ale durit ii Brinell pot ap rea de asemenea probleme suplimentare, astfel peste 650BH penetratorul sferic se poate deforma, iar peste BH740 metoda nu mai este practic utilizabil . La duriti atât de mari se poate aplica o alt metod, numit "a ciocanului Poldi", cu ajutorul unui aparat portabil relativ simplu care folose te o metod dinamic de determinare a durit ii. Duritatea unei piese rezult în funcie de duritatea cunoscut a unei bare etalon, prin raportul dintre diametrele celor dou amprente pe care o bil le las în cele dou piese. Cu ajutorul unui dispozitiv bila este presat între cele dou piese prin batere cu ciocanul. Metoda este îns cu mult mai pu in precis decât testul Brinell. Cateva valori orientative ale durit ii Brinell pentru metale uzuale. Material
Duritate
Aluminiu Cupru Fier moale Oel inoxidabil Stic Oel dur de scule Diborur de reniu (material extrem de dur)
15 HB 35 HB 120 HB 1250 HB 1550 HB 1500!1900 HB 4600 HB
14.3 Scara de duritate Vickers Vickers
Metoda Vickers const în apsarea cu o sarcin F , un timp dat, pe presa de încercat, a unui penetrator piramidal drept, cu baza p trat, având prescris unghiul la vârf (unghiul dintre fe ele opuse ale piramidei este de 136°) i în msurarea diagonalei medii d a urmei l sate pe suprafaa piesei de încercare, dup îndeprtarea sarcinii. Relaia de calcul este: HV
1,854
F d 2
unde: F = = for a aplicat , kgf d = = lungimea medie a diagonalelor amprentei, mm
96 · În lumea msur rilor _______________________________________________
Unghiul de 136° a fost ales deoarece aproximeaz cel mai bine raportul optim dintre diametrele amprentei i penetratorului în testul Brinell. Testul Vickers, elaborat în anii 1920 de inginerii de la firma Vickers, Ltd. din Marea Britanie, a c ptat o recunoa tere i aplicabilitate larg, mai ales în domeniul cercetrii-dezvoltrii. Are marele avantaj c permite stabilirea unei scri continue de duritate, pe un domeniu foarte întins (de la materialele cele mai moi, având valori ale HV în jurul lui 5, pân la materiale extrem de dure, cu HV de 1500), folosind acelai penetrator (care, fiind confec ionat din diamant, practic nu se uzeaz). În schimb, mainile de încercat la duritatea Vickers sunt în general mai costisitoare decât cele pentru duritatea Brinell sau Rockwell. Exemple de valori de duritate Brinell pentru câteva metale: Material
Valoare
Inox 316L
140HV30
Inox 347L
180HV30
Oel carbon
55!120HV5
Oel
30!80HV5
14.4 Scara de duritate Rockwell Rockwell
Încercarea de duritate Rockwell se execut asupra unor categorii largi de metale, valoarea obinut exprimându-se în func ie de adâncimea de p trundere a unui penetrator conic de diamant sau a unui penetrator sferic de o el (de forme i dimensiuni standardizate) în piesa de încercat. Deci o prim deosebire fa de duritile Brinell i Vickers este c mrimea primar msurat este adâncimea de ptrundere a penetratorului i nu dimensiunile amprentei ca la celelalte metode.
Diverse uniti i scri de msurare · 97 _______________________________________________ Încercarea const în apsarea unui penetrator (con de diamant sau bil de oel) sub o sarcin iniial F 0 i apoi sub o suprasarcin F 1 i msurarea adâncimii de ptrundere e, dup îndeprtarea suprasarcinii, meninându-se sarcina aplicat iniial. Duritatea Rockwell se calculeaz pe baza adâncimii de p trundere e, ca diferen între o adâncime conven ional E i adâncimea p trunderii remanente e a penetratorului: HR = E - e unde: E este o constant (o mrime convenional); e ! adâncimea remanent de ptrundere. Exist cca. 30 de sc ri de duritate Rockwell, în func ie de forma i mrimea penetratorului, for a aplicat etc., cele mai uzuale fiind rezumate în urm torul tabel: Scara
Penetrator
A B C D E F G H K L M P R S V
Con de diamant Bil de oel 0,16 mm Con de diamant Con de diamant Bil de oel 0,32 mm Bil de oel 0,16 mm Bil de oel 0,16 mm Bil de oel 0,32 mm Bil de oel 0,32 mm Bil de oel 0,63 mm Bil de oel 0,63 mm Bil de oel 0,63 mm Bil de oel 1,27 mm Bil de oel 1,27 mm Bil de oel 1,27 mm
Sarcina iniial F 0 , kgf 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
Suprasarcina F 1 , kgf 50 90 140 90 90 50 140 50 140 50 90 140 50 90 140
Sarcina total F, kgf 60 100 150 100 100 60 150 60 150 60 100 150 60 100 150
Valoarea lui E 100 130 100 100 130 130 130 130 130 130 130 130 130 130 130
98 · În lumea msur rilor _______________________________________________ Penetrator cu diamant Poziia penetratorului la aplicarea for ei iniiale
Pozi ia penetratorului penetratorului la aplicarea for ei finale Variaia adâncimii datorit trecerii de la for a iniial la for a final, msurat de aparatul Rockwell
Majoritatea încercrilor de duritate Rockwell se fac conform sc rilor C i B. Notaia valorilor de duritate în aceste cazuri este urm toarea: HRC ! când penetratorul este con de diamant; HRB ! când penetratorul este o bil de oel de diametru 0,16 mm. Încercarea se execut prin ap sarea penetratorului în material în trei faze. - în prima faz piesa de încercat se aduce în contact cu penetratorul, ap sânduse asupra piesei cu o sarcin iniial F 0; - asupra penetratorului se aplic suprasarcina F 1, penetratorul p trunzând adânc în pies, deformând plastic i elastic materialul; - se îndeprteaz suprasarcina F 1 i penetratorul se ridic pân într-o pozi ie corespunztoare deformaiilor plastice din material. Pentru încercarea de duritate Rockwell sunt folosite aparate specializate (maini de încercat la duritate). La noi în ar înc se utilizeaz i aparatele produse de fabrica "Balan a" Sibiu, cu ciclul de înc rcare automatizat i sarcinile de încercare de 100 i de 130 kgf, corespunz tor încercrii Rockwell B sau C. Aparatul este prevzut cu un micrometru, cu diviziuni de la 1 la 100, gradat direct în uniti de duritate Rockwell. Rezultatul este un num r f r dimensiuni, diferit în funcie de scara adoptat . Notaia uzual a duritii Rockwell este "valoareaHRX", unde X denot scara. De exemplu, 65HRB înseamn duritate Rockwell 65 pe scara B. Ideea duritii Rockwell dateaz din 1908 (Ludwig din Viena), dar metoda a fost patentat de Hugh M. Rockwell (1890-1957) i Stanley P. Rockwell (18861940) din Connecticut, în 1914 i perfecionat tot de ei în 1919. Marele avantaj al metodei Rockwell este citirea direct a valorii durit ii, pe care aparatul afieaz, f r a mai fi nevoie de calcule suplimentare. În acest fel, metoda este rapid i în acelai timp suficient de precis pentru majoritatea aplicaiilor industriale, iar instalarea i exploatarea aparatului sunt simple i costurile relativ reduse.. Valorile sub HRC20 sunt considerate în general incerte, i de asemenea cele peste HRB100.
Diverse uniti i scri de msurare · 99 _______________________________________________ Câteva valori tipice: - oel foarte dur (ex. lam de cuit de calitate superioar ) HRC55...HRC62; - oel pentru dli, topoare HRC40...HRC45.
14.5 Scara de duritate Shore Shore
Se folosete pentru caracterizarea rezisten ei la ptrundere a unui penetrator în materiale plastice (materiale polimerice, PVC, polietilene, cauciucuri etc.). Penetratorul este conic, iar scara se întinde de la valoarea 0 (penetrare total ) la 100 (penetrare nul ). Cursa penetratorului este de cca. 2,5 mm. Sunt uzuale dou forme ale penetratorului, care dau na tere la dou scri diferite, scara A i scara B (v. figura). Durometrul A se folose te la materiale la care durometrul D indic rezultate sub 20. La durometrul A rezultatele sub 10 se consider inexacte. Uneori se raporteaz i durata testului pân la citire (dac aceasta nu este specificat, citirea se face rapid, în timp de max. 1 s).
Durometru
Domeniu de utilizare
Penetrator
Duro- Domeniu de metru utilizare
Penetrator
1.25 mm
A
Pentru materiale mai moi
D
Pentru materiale mai dure
0.79 mm
În tabelul de mai jos sunt date domeniile da valori uzuale ale durit ii Shore, pentru câteva materiale plastice comune.
100 · În lumea msur rilor _______________________________________________
Scri de duritate
n e i r t i c c i t l a t i i S s t r - c a s l a n l l i A e p i n d p r i o o d n i u v r i t m m d l f a e i l i e t i r e r r i e n x u o n e r u t t d e d i e o p o t t a i t o B S h - s - n i l i m i i n r l l c e e e n n m e e i i l n n n d r e n e o r I r i r l n d i n l e e i c t o l e k a a t l t d b o t p e f i i i r r i i i e f e a p e m e c r t l l e r l e n n i o l i o e e i n n e i r n m a s t t t i m l e e r t u r o r c o o x r t a l a l i t o n t l l o a i c i e i e i e i e i o f f p i s i s i u u u - i r i e i i i i s i c s n l l l l l l l l l l l l l l e i r i r i r o o r i o i o l a u r l c c c c p l e o o o o o l o o o o o o o o i t l o A A A A E F C F P P P P P P P P P P P P P P C S S E P
14.6 Comparaie între scrile de duritate
În tabelul urmtor sunt date echivalen ele (aproximative) dintre sc rile de duritate cel mai des folosite. Brinell Ø 10 3000 kg 800 780 760 745 725 712 682 668 652 626
Vickers 120 kg 1220 1170 1114 1060 1021 940 905 867 803
Rockwell C 120° 150 kg 72 71 70 68 67 66 65 64 63 62
Rockwell B Ø 0,16 100 kg -
Diverse uniti i scri de msurare · 101 _______________________________________________ 614 601 590 576 552 545 529 514 502 495 477 461 451 444 427 415 401 388 375 370 362 351 346 341 331 323 311 301 293 285 276 269 261 258 249 245 240
775 746 727 694 649 639 606 587 565 551 534 502 489 474 460 435 423 401 390 385 380 361 352 344 335 320 312 305 291 285 278 272 261 258 250 246 240
61 60 59 57 56 55 54 53 52 51 49 48 47 46 45 44 43 42 41 40 39 38 37 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 25 24 23
120 119 119 118 117 117 116 115 115 114 114 113 112 111 111 110 110 109 109 108 107 106 105 105 104 103 102 101 100 99
102 · În lumea msur rilor _______________________________________________
Brinell Ø 10 3000 kg 237 229 224 217 211 206 203 200 196 191 187 185 183 180 175 170 167 165 163 160 156 154 152 150 147 145 143 141 140 135 130 114 105
Vickers 120 kg 235 226 221 217 213 209 201 199 197 190 186 184 183 177 174 191 168 165 162 159 154 152 150 149 147 146 144 142 141 135 130 120 110
Rockwell C 120° 150 kg 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 7 6 5 4 3 2 1 -
Rockwell B Ø 0,16 100 kg 99 98 97 96 95 94 94 93 92 92 91 91 90 89 88 87 87 86 85 84 83 82 82 81 80 79 79 78 77 75 72 67 62
