Adam Maślanka

Jarosław Mazur

Grupa 5E

Sprawozdanie

Temat: Próba twardości

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi metodami pomiaru twardości metali, tzn. metodami Vickersa i Rockwella, urządzeniami służącymi do tego celu oraz praktycznym określeniem twardości różnych metali tymi metodami.

Twardość jest miarą odporności materiału przeciw lokalnym odkształce-niom trwałym, powstałym na powierzchni badanego przedmiotu, wskutek wciskania w nią drugiego twardszego ciała, zwanego wgłębnikiem. Wgłębnikiem jest zazwyczaj kulka stalowa (z węglików spiekanych) albo stożek i ostrosłup diamentowy.

Metody badania twardości można podzielić na statyczne i dynamiczne. Najbardziej rozpowszechnione są metody statyczne: Rockwella i Vickersa (metody te są przedmiotem ćwiczenia). W metodach tych twardość materiału określa się w zależności od wartości siły obciążającej wgłębnik i wielkości odkształcenia trwałego, wywołanego działaniem tej siły. Wybór metody zależy od twardości badanego materiału oraz od grubości badanego elementu (próbki) lub badanej warstwy.

Materiały mogą być badane na mikro- i makrotwardość. Przy badaniach makrotwar-dości określa się twardość materiału jako całości, natomiast przy badaniach mikrotwardości określa się twardość poszczególnych składników strukturalnych danego materiału.

Badania twardości są szeroko stosowane w przemyśle przy kontroli zarówno półfabrykatów jak i wyrobów gotowych, np. przy sprawdzaniu prawidłowości obróbki cieplnej.

Metoda Vickersa wg normy PN - 91/H - 04360

Metoda ta polega na wciśnięciu w określonym czasie diamentowego wgłębnika w badaną próbkę przy wybranym obciążeniu F. Po odciążeniu mierzy się długości przekątnych d₁ i d₂ odcisku powstałego na powierzchni próbki. Twardość Vickersa wyraża się stosunkiem siły F do powierzchni pobocznicy, obliczonej z średniej arytmetycznej wartości długości przekątnych.

HV = 0,1891

Oznaczenia twardości Vickersa HV uzupełnia się liczbami określającymi umownie wielkość siły obciążającej wgłębnik i czas działania całkowitej siły obciążającej wgłębnik, jeśli jest inny niż standardowy 10 - 15s.

Wgłębnik diamentowy powinien mieć kształt foremnego ostrosłupa o podstawie kwadratowej. Kąt między przeciwległymi ścianami ostrosłupa powinien wynosić 136⁰. Do pomiaru długości przekątnej odcisku używa się mikroskopu pomiarowego lub innego urządzenia pomiarowego, które powinno jednak mierzyć z dokładnością:
1% długości - w przypadku przekątnych odcisku o długości od 0,02 do poniżej 0,1mm;
0,001mm - w przypadku przekątnych odcisku o długości od 0,1 do poniżej 0,2mm;
0,5% długości - w przypadku przekątnych odcisku o długości 0,2mm i powyżej.

Grubość próbki lub badanej warstwy metalu powinna wynosić co najmniej 1,5d. Na odwrotnej stronie próbki nie powinno być śladów odkształceń, wywołanych działaniem obciążenia wgłębnika. Odległość między środkiem odcisku a krawędzią próbki nie powinna być mniejsza niż 2,5d dla stali, miedzi i stopów miedzi oraz 3d dla metali lekkich, ołowiu, cyny i ich stopów. Odległość między środkami sąsiednich odcisków nie powinna być mniejsza niż 3d dla stali, miedzi i stopów miedzi oraz 6d dla metali lekkich, ołowiu, cyny i ich stopów. Pozostałe dane dotyczące przygotowania próbki, jej ułożenia w twardościomierzu i wykonania pomiaru są takie same jak w metodzie Brinella.

Metoda Rockwella (skale A, B, C, D, E, F, G, H, K) wg normy PN - 91/H - 04355

Sposób Rockwella polega na wciśnięciu wgłębnika diamentowego w postaci stożka w próbkę o twardości w zakresach przewidzianych skalami A, C, D lub wgłębnika stalowego w postaci kulki w próbkę o twardości w zakresach przewidzianych skalami B, E, F, G, H i K. Pomiar polega na wciskaniu wgłębnika siłą wstępną F₀ i siłą główną F w badaną próbkę przy określonych w normie warunkach obciążenia. Podstawę twardości Rockwella stanowi pomiar trwałego odkształcenia (trwałego przyrostu głębokości odcisku e). Wynik odczytuje się w jednostkach twardości HR na odpowiednio wyskalowanym czujniku. Symbol HR uzupełnia się literą określającą skalę, wg której wykonano pomiar.

Konstrukcja twardościomierza powinna zapewniać: uzyskanie odpowiednich wartości sił obciążających wgłębnik; zwiększenie nacisku na wgłębniku wzdłuż osi działania obciążenia - do osiągnięcia żądanej siły wstępnej F₀ oraz do osiągnięcia żądanej siły głównej F w ciągu 2-8s - w sposób płynny, bez wstrząsów i drgań; stałość siły obciążającej w czasie działania obciążenia całkowitego F.

Wgłębnik diamentowy w postaci stożka prostego o kącie wierzchołkowym 120⁰
0,35⁰ i o kulisto zakończonym wierzchołku średnim promieniem 0,2mm. Natomiast wgłębnik stalowy stanowi kulka w stanie ulepszonej cieplnie twardości nie mniejszej niż 850HV10 i średnicy: 1,588mm do pomiaru twardości wg skal B, F, G oraz 3,175mm wg skal E, H, K. Powierzchnia kulki stalowej powinna być wypolerowana i bez wad. Czujnik pomiarowy powinien zapewnić dokładność odczytu wynoszącą co najmniej 0,5HR.

Kształt próbki może być dowolny, pod warunkiem zastosowania twardościomierz ze stolikiem zapewniającym takie same warunki jak w normie Brinella i Vickersa. Próbka powinna być wolna od smarów, zanieczyszczeń, warstwy tlenków i innych obcych ciał. Powierzchnia próbki powinna być gładka, równa i płaska o chropowatości nie przekraczającej 2,5
m. Grubość próbki powinna wynosić co najmniej 10e. Na odwrotnej stronie próbki nie powinno być śladów odkształceń wywołanych działaniem obciążenia wgłębnika.

Należy wykonać przynajmniej 3 odciski dla określenia średniej arytmetycznej wartości twardości. Odległość środków dwóch sąsiednich odcisków powinna odpowiadać co najmniej 4-krotnej średnicy odcisku, lecz nie powinna być mniejsza niż 2mm. Odległość między środkiem odcisku a krawędzią próbki powinna odpowiadać co najmniej dwu i półkrotnej średnicy odcisku, lecz nie powinna być mniejsza niż 1mm.

Siłę wstępną F₀ = 98,07 N uzyskuje się przez dociśnięcie próbki do wgłębnika twardościomierza. Po ustawieniu twardościomierza wgłębnik twardościomierza należy obciążać siłą główną F do osiągnięcia obciążenia siłą całkowitą P. Wgłębnik należy obciążać przez: 1-3s dla metali nie wykazujących odkształceń plastycznych zależnych od czasu trwania pomiaru; 1-5s dla metali wykazujących nieznaczną zależność odkształceń plastycznych od czasu trwania pomiaru; 10-15s dla metali wykazujących znaczną zależność odkształceń plastycznych od czasu trwania pomiaru (działania siły obciążającej).

1.Metoda Vickersa wg normy PN - 91/H - 04360

Metoda ta polega na wciśnięciu w określonym czasie diamentowego wgłębnika w badaną próbkę przy wybranym obciążeniu F. Po odciążeniu mierzy się długości przekątnych d₁ i d₂ odcisku powstałego na powierzchni próbki.

Twardość Vickersa wyraża się stosunkiem siły F do powierzchni pobocznicy, obliczonej z średniej arytmetycznej wartości długości przekątnych.

HV = 0,1891
gdzie F - wybrana siła obciążająca w [N] d =
[mm]

Oznaczenia twardości Vickersa HV uzupełnia się liczbami określającymi umownie wielkość siły obciążającej wgłębnik i czas działania całkowitej siły obciążającej wgłębnik, jeśli jest inny niż standardowy 10 - 15s.

Wgłębnik diamentowy powinien mieć kształt foremnego ostrosłupa o podstawie kwadratowej. Kąt między przeciwległymi ścianami ostrosłupa powinien wynosić 136⁰. Do pomiaru długości przekątnej odcisku używa się mikroskopu pomiarowego lub innego urządzenia pomiarowego, które powinno jednak mierzyć z dokładnością:
1% długości - w przypadku przekątnych odcisku o długości od 0,02 do poniżej 0,1mm;
0,001mm - w przypadku przekątnych odcisku o długości od 0,1 do poniżej 0,2mm;
0,5% długości - w przypadku przekątnych odcisku o długości 0,2mm i powyżej.

Konstrukcja twardościomierza powinna zapewniać: uzyskanie całkowitej siły obciążającej F koniecznej do pomiaru; zwiększenia nacisku na wgłębnik wzdłuż osi działania siły F w czasie 2 - 8s w sposób płynny, bez wstrząsów i drgań; stałość całkowitej siły F obciążającej wgłębnik przez czas jej działania; różnicę między nominalną a rzeczywistą całkowitą siłą F obciążającą wgłębnik przez czas jej działania

Grubość próbki lub badanej warstwy metalu powinna wynosić co najmniej 1,5d. Na odwrotnej stronie próbki nie powinno być śladów odkształceń, wywołanych działaniem obciążenia wgłębnika. Odległość między środkiem odcisku a krawędzią próbki nie powinna być mniejsza niż 2,5d dla stali, miedzi i stopów miedzi oraz 3d dla metali lekkich, ołowiu, cyny i ich stopów. Odległość między środkami sąsiednich odcisków nie powinna być mniejsza niż 3d dla stali, miedzi i stopów miedzi oraz 6d dla metali lekkich, ołowiu, cyny i ich stopów. Powierzchnia badanego przedmiotu powinna być płaska i gładka. Kształt próbki może być dowolny pod warunkiem, że jest zapewniona: prostopadłość powierzchni pomiarowej lub jej płaszczyzny stycznej do kierunku działania siły obciążającej oraz położenie próbki nie odkształca się sprężyście i nie przesuwa pod wpływem działania obciążenia. Pomiaru twardości powinno dokonywać się w temperaturze 20⁰C (+15 ;-10⁰C).

Czas działania obciążenia liczony od momentu osiągnięcia całkowitej siły F obciążającej wgłębnik powinien wynosić 10 - 15s. Dla niektórych materiałów dopuszcza się przyjęcie dłuższego czasu działania całkowitej siły F obciążającej wgłębnik, z zastosowaniem tolerancji
2s.

Pomiaru długości przekątnych odcisku należy wykonać na mikroskopie pomiarowym. Do obliczania twardości Vickersa należy przyjąć średnią arytmetyczną wartości długości przekątnych jednego odcisku. Różnica długości przekątnych jednego odcisku, spowodowana brakiem prostopadłości badanej powierzchni do kierunku działania obciążenia, nie powinna przekraczać 2% długości większej przekątnej (nie dotyczy pomiarów mających na celu wykrycie anizotropowości metalu).

Należy wykonać co najmniej trzy odciski dla określenia średniej arytmetycznej wartości twardości metalu (jeżeli norma przedmiotowa nie podaje innej ilości pomiarów).

2.Metoda Rockwella (skale A, B, C, D, E, F, G, H, K) wg normy PN - 91/H - 04355

Wnioski.

• metoda Vickersa - jest to metoda najbardziej skomplikowana, jednakże bardzo dokładna i najmniej ze wszystkich metod uszkadza próbkę. Z tego względu jest to metoda stosowana do sprawdzania twardości ostrzy narzędzi po oszlifowaniu. Na podstawi dokonanego pomiaru można powiedzieć, że ST40H jest stalą bardzo wytrzymałą zarówno ze względu na swą twardość jak i na wytrzymałość na rozciąganie (dla 539 HV wynosi od 1690 do 1900 MPa). Można się jednak spodziewać, że wytrzymałość na statyczna nie idzie w parze z wytrzymałością dynamiczną (jest zapewne materiałem dość kruchym).

• metoda Rockwella - jest to metoda za pomocą której można najszybciej dokonać pomiaru (wynik widać na czujniku - brak konieczności żmudnego liczenia), a przy tym dość dokładna. Jest to metoda stosowana do kontroli części hartowanych przy masowej produkcji, ze względu na wspomnianą szybkość pomiaru. Z otrzymanych wyników można wnioskować, że N9E jest materiałem bardzo wytrzymałym (jest to pewnie związane z zahartowaniem tej stali) lecz można się spodziewać, że dość kruchym.

---