Politechnika Szczecińska

Katedra Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi metodami pomiaru twardości metali, tzn. metodami Brinella, 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: Brinella, 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 Brinella wg normy PN - 91/H - 04350

Pomiar twardości metali sposobem Brinella polega na wciskaniu w określonym czasie w badaną próbkę pod działaniem siły obciążającej, przyłożonej prostopadle do jej powierzchni, twardej kulki stalowej lub z węglików spiekanych. Twardość tym sposobem określa się na podstawie średnicy odcisku kulki, zmierzonej po jej odciążeni.

HB = 0,102
; S =

Pomiar twardości tym sposobem stosuje się przy użyciu kulki stalowej, do badania metali o twardości do 450HB lub przy użyciu kulki z węglików spiekanych, do badania metali o twardości do 650HB. W przypadku twardości powyżej 350HB należy rozróżnić pomiar dokonany przy pomocy kulki ze stali (HBS) od pomiaru dokonanego przy użyciu kulki z węglików spiekanych (HBW). Twardość Brinella wyraża się w zapisie liczbą składającą się z trzech cyfr znaczących np. 7,24HB.

W metodzie Brinella stosowane są kulki ze stali, obrobione cieplnie, minimalnej twardości 850HV10 lub z węglików spiekanych. Zależnie od rodzaju materiału badanej próbki, stosuje się kulki średnicy D = 10; 5; 2,5; 2 i 1mm. Norma zaleca stosowanie kulki średnicy D = 10mm, a jeżeli grubość badanej próbki lub przedmiotu na to nie pozwala, należy stosować kulkę o mniejszej średnicy lecz możliwie największej. Do pomiaru średnicy odcisku używany jest mikroskop pomiarowy lub inny przyrząd umożliwiający pomiar z dokładnością do
0,5% mierzonej średnicy odcisku d.

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. Grubość próbki powinna być co najmniej 8 razy większa niż głębokość odcisku h.

Pomiaru twardości powinno dokonywać się w temperaturze 20⁰C (+15 ;-10⁰C). Odstęp środków sąsiednich odcisków, przy twardości powyżej 35HB powinien być większy od 4-krotnej średnicy odcisku d, odstęp środka odcisku od krawędzi badanej próbki powinien być większy od 2,5-krotnej średnicy odcisku d. Dla próbek o twardości 35HB i poniżej podane wyżej odstępy należy zwiększyć odpowiednio do 6-krotnej średnicy odcisku d.

W metodzie Brinella ważny jest jeszcze dobór siły obciążającej. Siłę tą liczymy ze wzoru

P = 9,807 KD²

W którym stała obciążenia K przyjmuje wartość 30; 15; 10; 5; 2,5; 1,25 i 1. Wartość stałej K należy dobrać w zależności od spodziewanej twardości próbki, aby uzyskać odcisk średnicy d zawartej w przedziale od 0,24 do 0,6 D. W przypadku naszego ćwiczenia współczynnik ten będzie wynosił 30, ponieważ badamy próbkę stali 45 o twardości powyżej 100HB. Używamy kulki stalowej o średnicy 10mm i twardościomierza Brinella z roku 1959. Kulkę na leży obciążyć równomiernie bez wstrząsów do żądanej siły w ciągu 2 - 8s, licząc od zetknięcia kulki z próbką. Siła powinna działać na próbki powyżej 100HB przez okres 10 - 15s. Wg normy powinny być wykonane 3 pomiary. Pomiary w metodzie Brinella obarczone są błędami, które wynoszą odpowiednio: 0,01 dla twardości do 10HB, 0,1 od 10 do 100HB i 1 powyżej 100HB.

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).

Identyfikacja materiału:

1. Metoda Brinella - stal ST45 - stal węglowa konstrukcyjna.

Skład chemiczny stali 45

C - 0,42-0,50%, Mn - 0,50-0,80%, Si - 0,17-0,37%, P do 0,4%, S do 0,4%, Cr do 0,25%, Ni do 0,25%, Cu do 0,25%

Warunki przeprowadzenia pomiaru: siła P=29421N, czas - 10 do 15s, średnica kulki 10mm, stała K = 30, twardościomierz z roku 1959

2. Metoda Vickersa - stal 40HM - stal chromowo- niklowa do ulepszenia cieplnego

Skład:

C - 0,38-0,45%, Mn - 0,4-0,7%, Si - 0,17-0,37%, P do 0,035%, S do 0,035%, Cr - 0,9-1,2%, Ni do 0,3%

Warunki przeprowadzenia próby: czas - 10 do 15s, siła 98,07 N, twardościomierz Fritz - Hecker

3. Metoda Rockwella - stal N9E - stal narzędziowa węglowa płytko hartująca się.

Skład:

C - 0,85-0,94%, Mn - 0,15-0,30%, Si - 0,15-0,3%, P do 0,025%, Cr do 0,15%, S do 0,025, Ni do 0,2%, Cu do 0,2%.

Warunki przeprowadzenia próby: czas - 10 do 15s, obciążenie całkowite P=1471N, skala C, twardościomierz Łucznik PW-106

Załącznik - protokół pomiarów.

Wnioski.

• metoda Brinella - pomiary przeprowadzone tą metodą są niedokładne. Jest to spowodowane nie wystarczającą ilością prób przewidzianych w normie. Metoda ta nadaje się głównie do odbioru materiałów hutniczych.

• 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.

• 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.

---