GR 5	BADANIE WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH METALI -PRÓBA TWARDOŚCI METALI	OCENA
II W.M.	NOGAJ JANUSZ

1.Wiadomości wstępne :

Twardość należy do jednej z ważnych własności materiału tak z konstrukcyjnego , jak i technologicznego punktu widzenia . Twardość jest miarą oporu , jaki wykazuje ciało przeciw lokalnym odkształceniom trwałym , powstałym na powierzchni badanego materiału wskutek wciskania drugiego twardszego ciała , zwanego wgłębnikiem lub penetratorem .

Próba twardości jest jedną z bardziej rozpowszechnionych prób wytrzymałościowych , określających własności mechaniczne materiałów . Do jej rozpowszechniania przyczyniły się nieskomplikowane urządzenia pomiarowe (twardościomierze) , prostota i szybkość pomiarów , nieniszczący charakter próby oraz możliwość orientacyjnego określenia na podstawie wskaźników twardości innych własności wytrzymałościowych , jak na przykład
.

Próby twardości można podzielić na statyczne (obciążenie wzrasta powoli od zera aż do pełnej wartości) do których należą - metody Brinella , Rockwella , Vickersa i na dynamiczne (obciążenie wywołane jest energią kinetyczną wgłębnika) - młotek Poldi , skleroskop Shore'a , wahadło Herberta , metoda zarysowania (Martensa) .Wybór metody , a więc kształtu i rozmiarów wgłębnika oraz charakteru obciążenia , zależy od struktury materiału , jego własności , stanu powierzchni , grubości badanego elementu lub badanej warstwy .

2.Metody pomiaru twardości :

Najbardziej rozpowszechnione są metody statyczne : Brinella , Rockwella i Vickersa , zaś z metod dynamicznych pomiar twardości za pomocą młotka Poldi .

1. PRÓBA TWARDOŚCI METALI SPOSOBEM BRINELLA (WG. PN-91/H-04350)

Twardość według Brinella jest to stosunek siły P , wyrażonej w kG , działającej prostopadle do badanej powierzchni i obciążającej stalową kulkę , do pola powierzchni odcisku F , wyrażonej w
, jaki ta kulka zostawiła w badanym materiale . Pole powierzchni oblica się ze zmierzonej średnicy trwałego odcisku przyjmując , że ma on kształt czaszy kulistej .

Wartość liczbową twardości oblicza się więc ze wzoru :

gdzie :
siła obciążająca kulkę ,

pole powierzchni czaszy kulistej (powierzchnia odcisku jaki kulka zostawiła w badanym materiale) ,

średnica kulki ,

średnica odcisku

Gdy siła P podana jest w niutonach [N]

Gdy siła P w kilogramach siły [kG]

Opis twardościomierza Brinella i wykonanie pomiaru

Oznaczenie na rys. 1 : 1 - kulka , 2 - tłok duży , 3 - tłok mały , 4 - obciążniki , 5 - przewód przelewowy , 6 - zawór ssący pompy olejowej , 7 - zawór tłoczący pompy olejowej , 8 - zbiornik oleju , 9 - zawór spustowy , 10 - stolik , 11 - dźwignia pompy , 12 - śruba , 13 - kółko , 14 - przestrzeń robocza , 15 - manometr , 16 - tłok pompy .

• Położyć badaną próbkę na stoliku 10

• Przez pokręcenie kółka 13 podnieść stolik tak , by docisnąć lekko badaną próbkę do kulki 1

• Zamknąć zaworek spustowy 9

• Ruszając w górę i w dół dźwignią 11 pompować olej ze zbiornika 8 do przestrzeni roboczej 14 , aż do uzyskania wymaganej wartości siły . Przy ruchu dźwigni 11 do góry , również do góry unosi się tłok 16 i olej przez zawór jednokierunkowy 6 zassany zostaje ze zbiornika oleju 8 do przestrzeni pod tłokiem 16 . Przy ruchu tłoka 16 do dołu zamyka się zawór 6 , otwiera się zawór jednokierunkowy 7 i olej wtłaczany jest do przestrzeni 14 , z którą połączona jest końcówka manometru 15 . Wskutek pompowania oleju wzrasta jego ciśnienie w przestrzeni 14 , a tym samym siła wciskająca kulkę 1 w badaną powierzchnię . Wartość siły można odczytać na manometrze 15 wycechowanym w skali siły . Wartość maksymalnej siły możliwej do uzyskania w czasie próby uzależniona jest ponadto od ilości obciążników 4 zawieszonych na dźwigni twardościomierza . W momencie osiągnięcia maksymalnej siły odpowiadającej zawieszonym obciążnikom dolna krawędź tłoczka 3 otwiera rurkę przelewową 5 , co powoduje gwałtowny wypływ oleju z komory 14 do zbiornika 8 . Wywarcie więc większej siły nie jest możliwie .

• Odczekać wymagany normą okres czasu

• Odkręcić powoli zawór spustowy 9 łączący przestrzeń roboczą 14 ze zbiornikiem oleju 8 i po zupełnym spadku ciśnienia (siły obciążającej ) opuścić stolik 10 i zdjąć próbkę .

• Wykonać pomiar średnicy wgniecenia przy pomocy lupy z podziałką

• Z dokonanego pomiaru średnicy obliczyć twardość według wzoru HB=P/F

Rysunek aparatu Brinella

Pomiar twardości metodą Brinella stosuje się :

1.Przy użyciu kulki stalowej , do badania metali o twardości do 450HB

2. Przy użyciu kulki z węglików spiekanych , do badania metali o twardości do 650 HB .

W przypadku twardości powyżej 350 HB , należy odróżnić w zapisie wartości liczbowe twardości uzyskane przy użyciu kulki stalowej (HBS) od wartości liczbowych twardości uzyskanych przy użyciu kulki z węglików spiekanych (HBW).

2. POMIAR TWARDOŚCI METALI SPOSOBEM ROCKWELLA (WG PN-91/H-04355)

Polega ona na dwustopniowym wciskaniu w powierzchnię badanego metalu kulki stalowej przy zastosowaniu skali B , F , T , lub stożka diamentowego przy skali A , C , i N i pomiarze (po obciążeniu) trwałego przyrostu głębokości odcisku e , wyrażonego w jednostkach odkształcenia równych 0,002mm . Skale A , F , N , T , stosuje się w szczególnych przypadkach , gdy twardość badanego materiału wykracza poza zakresem przewidzianym dla skali B i C lub grubość badanego przedmiotu jest mniejsza niż 8 - krotna wielkość przyrostu głębokości odcisku .

Kształt próbki może być dowolny , pod warunkiem zastosowania do pomiarów twardościomierza ze stolikiem zapewniającym prostopadłość powierzchni pomiarowej do kierunku działania obciążenia oraz ułożenie próbki bez odkształceń sprężystych pod wpływem działania obciążenia . Powierzchnia próbki w miejscu pomiaru powinna być równa płaska i gładka .

Siłę wstępną

=98,07N uzyskuje się przez dociśnięcie stolikiem próbki do wgłębnika twardościomierza w sposób łagodny , bez wstrząsów i drgań . Należy uważać by obciążenie wstępne nie zostało przekroczone .

Po ustawieniu urządzenia pomiarowego w położeniu zerowym wgłębnik twardościomierza należy obciążać siłą główną F1 do osiągnięcia obciążenia siłą całkowitą F .

Opis aparatu Rockwella i wykonanie pomiaru

Oznaczenie na rys 2 : 1 - korpus , 2 - obciążniki , 3 - łącznik , 4 - amortyzator , 5 - dźwignia włączania obciążenia głównego , 6 - miernik twardości (głębokościomierz) , 7 - sprężyna obciążenia wstępnego , 8 - wgłębnik , 9 - próbka , 10 - stolik , 11 - śruba , 12 - pokrętło , 13 - dźwignia blokująca obciążenie główne .

• Sprawdzić prawidłowość położenia dźwigni 5

• Położyć próbkę 9 na stoliku 10 , a następnie obracając pokrętłem 12 podnieść próbkę aż do zetknięcia się z wgłębnikiem

• Obracając pokrętłem 12 docisnąć tak wgłębnik do próbki , aby sprężyna 7 oddziaływała na wgłębnik siłą 10 kG . Od powiada to ustawieniu małej wskazówki czujnika na cyfrze 7 (lub wyróżnionym punkcie na tarczy) ; duża wskazówka powinna wówczas znaleźć się w górnym pionowym położeniu .

• Przez pokręcenie tarczy miernika 6 ustawić `'0'' odpowiedniej skali (przy pomiarze stożkiem - zero skali C , przy pomiarze kulką - zero skali B) pod dużą wskazówką .

• Włączyć obciążenie główne F od momentu opuszczenia dźwigni 5 zależny jest od amortyzatora 4 przesunąć dźwignię 5 w położenie początkowe i odczytać twardość na skali 6 .

• Wykonać co najmniej 3 pomiary

Rysunek aparatu Rockwella

3. POMIAR TWARDOŚCI METALI SPOSOBEM VICKERSA (wg PN-91/H-04360)

Pomiar twardości sposobem Vickersa polega na wciśnięciu w określonym czasie diamentowego wgłębnika o kącie dwuściennym = 136 w badaną próbkę przy wybranym obciążeniu od 1,961 do 980,7N . Wgłębnik diamentowy wciska się prostopadle w próbkę siłą obciążającą F w N , przyłożoną przez określony czas t . Po obciążeniu mierzy się długość przekątnych d1 i d2 w mm odcisku powstałego na powierzchni próbki .

Twardość Vickersa oblicz się ze wzoru :

Jednostką miary jest 1 HV=9,807 MPa .

Opis aparatu Vickersa i wykonanie pomiaru

Oznaczenie na rys 3 : 1 - dźwignia obciążnika , 2 - obciążniki , 3 - trzpień mierniczy , 4 - próbka , 5 - obiektyw , 6 - pryzmat , 7 - matówka , 8 - wgłębnik , 9 - przegub , 10 - dźwignia zwalniacza , 11 - popychacz włącznikowy , 12 - zapadka , 13 - tarcza regulatora olejowego , 14 - regulator olejowy , 15 - dźwignia wyłącznika , 16 - śruba , 17 - przeciwciężar , 18 - stolik , 19 - źródło światła , 20 - pokrętło .

• Położyć próbkę 4 na stoliku 18

• Włączyć oświetlenie 19

• Pokrętłem 20 podnieść stolik z próbką tak , aby na matówce 7 był wyraźny obraz powierzchni próbki

• Przesunąć dźwignię zwalniacza 10 . W tym momencie wgłębnik 8 ustawia się na linii działania siły obciążającej i włączone jest obciążenie .

• Po dojściu dźwigni wyłącznika 15 do położenia końcowego przestawić ją z powrotem w położenie początkowe . Wtedy jednocześnie obiektyw 5 ustawia się na linii optycznej i na matówce widzimy obraz odcisku .

• Zmierzyć przekątne miarką przymocowaną do matówki .

• Odczytać wartość twardości z tablic lub obliczyć ze wzoru

Rysunek aparatu Vickersa

TABELE POMIAROWE

STAL SW18 - STAL NISKOWĘGLOWA (PN - 91/H - 04355)

48	49	50	49	90	91	90	90,3

STAL SW9 (PN - 91/H - 04360)

				―
0,23	0,23	0,24	0,233	―
			―
1025	1025	942	―	997,33

7.Analiza błędu :

a) Wartość średnia twardości obliczona została wg. zależności :

gdzie :

i = 1,2,...,n

n - liczba pomiarów .

b) Obliczam odchylenie standardowe wyników pomiarów :

płytka stalowa SW18 S_n = 0,666 (HRC)

płytka stalowa SW18 S_n = 0,223 (HRB)

stal SW9 S_n = 39,12 (HV)

c) Obliczam przedział ufności , dla wartości średniej wyników pomiarów dla poziomu istotności α = 0.05 , korzystając z zależności :

gdzie:

HRC - poszczególne wartości twardości

Analogicznie tworzymy wzory dla pozostałych rodzajów twardości .

Kwantyl rozkładu t - Studenta odczytany z tablicy jest taki sam dla wszystkich materiałów i wynosi :

t_α = 4.303

d) Ostatecznie przedziały ufności mają następującą postać :

stal SW18 46,97 < HRC < 51.03

stal SW18 89,62 < HRB < 90,97

stal SW9 878,27 < HV < 1116,36

4. Wnioski :

Próby pomiaru twardości opierające się na zasadzie wgniatania wgłębnika są metodami dającymi bardzo szybkie wyniki jeżeli chodzi o twardość badanych materiałów . Są to metody nie wymagające wielu obliczeń , gdyż część obliczeniowa sprowadza się jedynie do obliczenia średniej arytmetycznej rozmiarów wgłębienia po próbie , bądź też obliczenia średniej arytmetycznej twardości . Samo określenie twardości sprowadza się do odczytania jej wartości z odpowiednich tablic opracowanych dla każdej z metod . Można też stwierdzić , że samo wykonanie próby jest proste i niekosztowne . Wadą tego typu metod jest niemożliwość określenia twardości bezpośrednio na wyrobach o dużych gabarytach oraz pewne błędy pomiaru samej wielkości wgłębienia w niektórych metodach (Brinella) . Ogólnie można jednak powiedzieć , że metody są wystarczająco dokładne do zastosowań warsztatowych , a przy odpowiednio dużej ilości pomiarów również do zastosowań laboratoryjnych . Poza tym urządzenia do pomiaru twardości metodami wgniatania wgłębnika nie wymagają częstej obsługi okresowej (uzupełnianie płynów , konserwacja itd) oraz wykazują bardzo dużą trwałość (prostota budowy) .

Najdokładniejszą metodą jest metoda Vickersa , dzięki dokładnemu pomiarowi przekątnych odcisku . Wadą jest to , że odcisk ma niewielką powierzchnię , można tą metodą badać tylko materiały jednorodne . Uzyskany w ćwiczeniu rozrzut wyników mógł być spowodowany właśnie niejednorodnością .

Metoda Rockwella posiada jako zaletę dużą szybkość wykonywania pomiaru i duży przedział badanych twardości .

Dokonywane pomiary obarczone są naturalnie pewnym błędem wynikającym z niedokładności pomiaru odcisków, zużycia maszyn, dokładności pomiaru czasu przeprowadzenia próby , oraz w przypadku metod Vickersa i Rockwella niejednorodnością materiału .

1

3

---