DURITATEA - ALIAJE

DURITATEA - ALIAJE

1Consideratii generale

Duritatea unui material este o notiune insuficient definita, care are diferite intelesuri in funtie de experienta personala a celui care o utilizeaza. In general, notiunea de duritate implica de obicei existenta unei rezistente la deformare, iar pentru metale aceasta proprietate este o masura a rezistentei la deformatii permanente sau plastice. Pentru specialistii preocupati de aspectul mecanic al incercarii materialelor, este cel mai probabil ca duritatea sa insemne rezistenta la patrundere, in timp ce pentru inginerul proiectant ea inseamna adeseori o marime usor de masurat si de prescris, care da unele indicatii asupra rezistentei si tratamentului termic aplicat metalului. Exista trei genuri deosebite de masurare a duritatii, dupa modul in care se conduce incercarea. Acestea sunt:

Ø      duritatea prin zgariere;

Ø      duritatea prin patrundere (amprenta);

Ø      duritatea prin recul sau dinamica.

Din punct de vedere tehnic, cea mai importanta metoda de masurare a duritatii metalelor este cea de patrundere (amprenta).

Determinarea duritatii prin zgariere prezinta un interes deosebit pentru mineralogi. Prin aceasta metoda de masurare a duritatii diferitele minerale si alte materiale sunt clasificate in functie de posibilitatea pe care o au de a zgaria un alt material. Duritatea se masoara dupa scara Mohs. Aceasta consta din 10 materiale de referinta, aranjate in ordinea posibilitatii de a fi zgariate. Cel mai moale material pe aceasta scara este talcul (duritatea prin zgariere 1), in timp ce diamantul are duritatea 10. Unghia are duritatea aproximativ 2, cuprul recopt o duritate de 3, iar martensita duritatea 7. Scara Mohs nu da rezultate bune pentru metale, deoarece intervalele nu sunt suficient de largi in domeniul duritatii ridicate. Cele mai multe metale dure au pe scara Mohs duritati cuprinse intre 4 si 8. O alta metoda de determinare a duritatii prin zgariere se bazeaza pe masurarea adancimii sau latimii unei amprente lasate de un varf de diamant - pe care se aplica o anumita greutate - pe suprafata materialului. Aceasta este o metoda utila de masurare a duritatii relative a microconstituientilor, dar care nu permite obtinerea unor rezultate perfect reproductibile sau foarte exacte.

In cazul masurarilor de duritate dinamica, penetratorul este de obicei lasat sa cada pe suprafata metalului, duritatea fiind exprimata in functie de energia de impact. Scleroscopul Shore, care constituie cel mai obisnuit exemplu de aparat pentru incercarea dinamica a duritatii, masoara duritatea in functie de inaltimea de recul a piesei ce produce socul.

2 Metode de masurare a duritatii

Duritatea Brinell

Prima metoda de determinare a duritatii prin patrundere, care a fost unanim acceptata si standardizata, a fost propusa in 1900 de J.A Brinell. Determinarea duritatii prin metoda Brinell consta in apasarea pe suprafata metalului a unei bile de 10 mm diametru de catre o sarcina de 29 40 da N. Pentru metalele moi sarcina se reduce la 490 da N, pentru a se evita imprimarea prea adanca a bilei in metal; pentru metalele foarte dure se utilizeaza o bila de carbura de wolfram, pentru a se reduce la minim deformatia penetratorului. Sarcina se mentine aplicata o perioada de timp bine precizata (de obicei 30 s), dupa care bila se indeparteaza de pe suprafata metalului si cu ajutorul unei lupe gradate se masoara diametrul urmei ramase de proba. Trebuie masurate doua diametre perpendiculare si calculata valoarea medie. Suprafata pe care se imprima amprenta trebuie sa fie relativ neteda, curata si lipsita de oxizi. Duritatea Brinell (HB) se determina ca fiind raportul intre sarcina aplicata P si suprafata calotei amprentei imprimate pe proba. Ea se calculeaza cu relatia: (1)

Unde:

P - este sarcina aplicata, in da N;

D - este diamentrul bilei, in mm;

d - diametrul amprentei, in mm.

Este util de mentionat ca desi duritatea Brinell se masoara in forta/arie, ea nu are sens fizic, deoarece relatia (1) nu da presiunea medie pe suprafata amprentei.

In general, un material are duritatea Brinell constanta numai pentru o singura sarcina aplicata si pentru un diametru al bilei. S-a aratat ca pentru a se obtine aceeasi valoare a duritatii Brinell in cazul aplicarii unei sarcini nestandardizate, trebuie mentinuta similitudinea geometrica. Aceasta cere ca raportul intre diametrul amprentei si cel al bilei (d/D) sa ramana constant, intr-o prima aproximatie aceasta se poate obtine pastrand constant raportul P/D^z.

Cea mai mare eroare facuta cand se masoara duritatea Brinell este legata de masurarea diametrului amprentei. Intr-adevar, intotdeauna, se presupune ca diametrul amprentei este acelasi cu cel existent cand bila se gasea in contact cu metalul. Datorita insa deformatiei elastice, raza de curbura a amprentei va fi mai mare decat cea a penetratorului sferic, desi amprenta ramane simetrica. Cu cat metalul este mai dur, cu atat va fi mai mare deformatia elastica. Deformatia elastica influenteaza adancimea amprentei, dar are numai un efect neglijabil asupra diametrului d al amprentei, astfel ca acest fenomen nu influenteaza in general valoarea duritatii Brinell. Se pot ivi, totusi doua comportari anormale, ca urmare a deformarii locale a metalului in punctul de aplicare a penetratorului.

Acestea sunt reprezentate schematic in fig.1 sub forma unei sectiuni transversale prin locul amprentei.

Fig. 1. Sectiunea printr-o amprenta Brinell

a - cazul metalelor care formeaza prag in fata amprentei

b - cazul metalelor care formeaza o adancitura in fata amprentei.

In schita s-a prezentat situatia in care se formeaza un prag de metal in jurul muchiei amprentei. Aceasta comportare este mai des intalnita in cazul metalelor prelucrate prin deformarea plastica la rece, care au o capacitate redusa de ecruisare. Diametrul masurat este mai mare decat diametrul real al amprentei, dar intrucat muchia preia o parte din sarcina, se obisnuiste sa se determine duritatea prin masurarea diametrului d reprezentat in figura.

In fig. 1, b s-a reprezentat cazul in care la marginea amprentei se formeaza o adancitura in metal. Aceasta comportare este caracteristica pentru metalele in stare recoapta, cu o capacitate de ecruisare mare. Diametrul real al amprentei se poate uneori obtine acoperind bila cu un strat de vopsea inainte de aplicarea sarcinii, intotdeauna este de dorit ca amprenta obtinuta sa fie cat mai clara, pentru a putea masura diametrul cat mai exact. In aceast scop, in unele cazuri se utilizeaza ca penetrator o bila de otel acoperita cu un colorant negru mat.

Duritatea Vickers

Pentru determinarea duritatii dupa metoda Vickers, se utilizeaza ca penetrator o piramida cu baza patrata. Unghiul cuprins intre fetele opuse ale piramidei este de 136⁰. S-a ales aceasta valoare a unghiului, dearece ea este aproximativ egala cu raportul optim dintre diametrul amprentei si cel al bilei, in cazul incercarii Brinell. Duritatea Vickers, notata HV, se defineste ca fiind raportul dintre sarcina aplicata asupra penetratorului si suprafata amprentei. Practic, aceasta suprafata se calculeaza pe baza masurarii cu ajutorul unui microscop a lungimii celor doua diagonale ale amprentei. Duritatea vickers se poate calcula cu relatia: (2)

Unde:

P - este sarcina aplicata, in daN;

L - media lungimilor celor doua diagonale, in mm;

Θ - 136⁰ - unghiul dintre fetele opuse ale piramidei de diamant;

Duritatea Vickers este larg raspandita in lucrarile de cercetare, deoarece prevede o scara de duritati continua - pentru o sarcina data - incepand de la materiale moi (HV = 5), pana la materiale extrem de dure (HV = 1500). In cazul incercarii Rocwell, ce va fi descrisa in paragraful urmator, si a incercarii Brinell, este de obicei necesar sa se modifice la un anumit punct al scarii de duritate fie sarcina, fie penetratorul, astfel ca masurarile la o extremitate a scalei nu pot fi comparate in mod strict cu cele de la cealalta extremitate. Din cauza ca amprentele lasate de catre penetratorul sub forma de piramida sunt similare din punct de vedere geometric, indiferent de dimensiunea lor, duritatea Vickers ar trebuie sa fie independenta de sarcina. Experientele au aratat ca acest lucru este adevarat cu exceptia sarcinilor foarte mici. Sarcinile utilizate in mod obisnuit pentru aceasta incercare sunt cuprinse intre 0,98 si 117,6 daN, in functie de duritatea metalului supus incercarii, in ciuda acestor avantaje, determinarea duritatii prin metoda Vickers nu a obtinut o utilizare larga, deoarece dureaza mult, necesita o pregatire ingrijita a suprafetei epruvetei si include in sine posibilitatea unor erori de citire, atunci cand se determina lungimea diagonalelor.

O amprenta perfecta facuta cu un penetrator de diamant de forma perfect piramidala ar trebuie sa fie patrata. Totusi, anomalii corespunzatoare celor descrise mai inainte in legatura cu amprentele Brinell se observa in mod frecvent si in cazul penetratorului de forma piramidala. O urma avand forma din fig. 2, b este rezultatul curgerii neuniforme a metalului pe langa fetele plane ale penetratorului. Astfel de amprente apar in cazul determinarii duritatii pe metale in stare recoapta si au ca urmare obtinerea unor diagonale mai mari decat cele corespunzatoare duritatii reale a metalului.

In cazul masurarii duritatii metalelor in stare ecruisata se intalnesc amprente ca in fig. 2, c. Ele rezulta in urma aderarii unor particule de metal pe fetele penetratorului. Marimea suprafetei de contact rezultata din masurarea diagonalelor este in acest caz mai mica decat cea reala, astfel ca duritatile calculate sunt mai mari decat cele reale. Pentru corectarea acestor erori s-au propus metode de corectie empirice.

Fig. 2 Amprente tipice intalnite in cazul duritatii Vickers

a-      amprenta perfecta;

b-     amprenta negativa

c-      amprenta butoias

3. Duritatea Rockwell

Incercarea de duritate cea mai larg utilizata este duritatea Rockwell. Ea este in general acceptata, deoarece se executa repede, nu este supusa erorilor facute de catre personalul de executie, permite sa se deosebeasca diferente mici de duritate la otelurile calite si lasa o amprenta mica, astfel ca piesele tratate termic pot fi incercate in faza finala fara a le afecta calitatea. In cazul acestei incercari, ca masura a duritatii se utilizeaza adancimea de patrundere a unui penetrator, sub sarcina constanta. In prima faza a incercarii, asupra penetratorului se aplica o sarcina de 98N, pentru a-l pune in contact strans cu epurveta. Aceasta inlatura necesitatea unei pregatiri minutionase a suprafetei si, de asemenea, tendinta de turtire si adancire a penetratorului. Se aplica apoi sarcina principala, adancimea de patrundere a penetratorului inregistrandu-se pe un ceas comparator atasat aparatului de incercat si gradat in unitati de duritate stabilite conventional. Ceasul comparator are 100 de diviziuni, fiecare dintre ele reprezentand o adancime de patrundere de 0,002mm. Notatiile pe ceasul comparator sunt astfel facute, incat celelalte metode de determinare a duritatii descrise anterior, dar spre deosebire de unitatile de duritate Brinell sau Vickers care se exprima in unitati reprezentand forta/arie, duritatile Rockwell sunt conventionale.

O anumita combinatie a sarcinii aplicate cu un penetrator dat, poate sa dea rezultate satisfacatoare pentru materialele cu o gama larga de duritati. Ca penetratoare se utilizeaza de obicei un con de diamant cu unghiul la varf de 120⁰ si usor rotunjit in aceasta zona (numit si penetrator Brale) sau bile de otel cu diametrul e 1/16toli (1,59mm) sau 1,8 toli (3,18 mm). Sarcinile ce se aplica conform STAS 493-67 sunt de 98 si 147,1 daN. Deoarece duritatea Rockwell este in functie e sarcina aplicata si de penetrator, este necesar sa se precizeze combinatia utilizata pentru incercare. Aceasta se face introducand dupa literele ce indica duritatea Rockwell (HR), inca o litera (B sau C, conform STAS 493-67), care indica combinatia de sarcina si penetrator utilizate pentru determinarea duritatii. Reducerea notatiei numai la primele doua litere HR este, practic, lipsita de sens. Otelurile calite se incearca pe scara C (HRC), cu un penetrator de diamant si cu sarcina totala de 147,1 daN. Domeniul in care poate fi utilizata aceasta scara este cuprins intre aproximativ HRC 20 si HRC 70. Materialele mai moi se incearca de obicei pe scala B, penetratorul fiind o bila de otel cu sarcina 98 daN. Domeniul utilizabil al acestei incercari este cuprins intre 0 si 100 HRB. Incercarea pe scara A (nestandardizata in Romania (N.T.), care se efectueaza cu un penetrator de diamant si sarcina de 58,8 daN, are domeniul de duritati cel mai larg, ea putand fi utilizata pentru materiale foarte variate, de la alama recoapta pana la carburi. Pentru alte scopuri au fost prevazute diferite scari.

Incercarea e duritate Rockwell este foarte utila si reproductibila, cu conditia sa se respecte unele prescriptii simple; majoritatea dintre aceste prescriptii se aplica la fel de bine si pentru alte incercari de duritate:

Penetratorul si platoul pe care se aseaza piesa trebuie sa fie curate si bine fixate.

Suprafata pe care urmeaza sa se faca amprenta trebui sa fie curata, uscata, neteda si fara oxizi. Incercarea Rockwell poate fi facuta si pe o suprafata rugoasa.

Suprafata trebuie sa fie plana si perpendiculara pe penetrator.

Amprentele pe suprafete curbate vor duce la valori mai coborate decat cele reale, eroare depinzand de curbura, de sarcina, de tipul penetratorului si de duritatea materialului. S-au publicat diferite studii cuprinzand metode de corectie teoretice si empirice.

Grosimea piesei trebuie sa fie suficient de mare pentru ca sa nu se produca o amprenta pe partea opusa celei pe care se aplica penetratorul. Se recomanda ca grosimea sa fie cel putin de zece ori mai mare decat adancimea amprentei.

Distantele dintre amprente trebuie sa fie mai mari decat de 3 pana la 5 ori diametrul amprentei.

Viteza de aplicare a sarcinei trebuie sa fie standardizata. Aceasta se face prin montarea unui amortizor pe aparatul cu care se face incercarea Rockwell. Daca nu se controleaza cu atentie viteza de aplicare a sarcinii pot aparea, in special in cazul materialelor moi, variatii apreciabile ale duritatilor citite. Pentru astfel de materiale, manerul aparatului de incercat duritatea care comanda aplicarea sarcinii principale, trebuie manevrat imediat ce aceasta sarcina a fot complet aplicata, pentru a o indeparta repede.

3. Elemente ce influenteaza cresterea duritatii

Duritatea Al creste de la starea turnata si recoapta la starea deformata la rece sau la cald. Efectul aceastei cresteri se observa in prezenta adaosurilor greu solubile (Fe, Cu, Zr, Mn, Cr, Co, Mg) si in special la Fe, Cu, Mg a caror raza atomica e foarte diferita de raza atomica a Al.

Impuritatile amintite actioneaza puternic in sensul cresterii duritatii.

Duritatea de lunga durata la temperaturi inalte e influentata de impuritati cum sunt: Fe, Zr, W, Mg, Ti.

Calitatile mecanice ale pieselor turnate pot fi imbunatatite prin adaouri de elemente special alese, astfel ele pot fi introduse pentru:

a spori uniformitatea structurala si a imbunatati proprietatile mecanice → Zr, Ti, Ta, Bor;

a ameliora proprietatile tehnologice ale aliajelor → eliminarea aparitiei fisurilor, imbunatatirea capacitatii de deformare plastica la cald si la rece; imbunatatirea proceselor de turnare si de prelucrare.