STANIEK PIOTR		Grupa D Zespół IV		Laboratorium z materiałoznawstwa
Temat: Badanie twardości i udarności
Rok akademicki 1999/2000	Data:		Ocena:		Podpis:

1. Badanie twardości

Twardością nazywamy opór przeciwko wciskaniu w badany materiał odpowiednio dobranego wgłębnika, którym może być kulka, stożek lub ostrosłup. Ponieważ w materiałach metalicznych istnieje korelacja między sprężystością i twardością, wykorzystuje się również do pomiaru twardości metodę sprężystego odbicia (Shore'a). Pomiary twardości znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle do kontroli jakości materiału ze względu na ich prostotę, jak również na fakt, że istnieje na ogół ścisła korelacja między twardością materiału i jego wytrzymałością.

Pomiary twardości są nieniszczące i nie wymagają pracochłonnego przygotowania próbek. Większość metod badania twardości należy do statycznych, to znaczy następuje powolne wciskanie wgłębnika przy działaniu siły stałej lub stopniowo wzrastającej do określonej wartości. Ale jest również znana metoda dynamiczna, polegająca na wciskaniu wgłębnika przez uderzenie. Do metod statycznych należą metody: Brinella, Rockwella, Vickersa, a do dynamicznych metoda Poldi.

Metoda Brinella

Metoda ta polega na wciskaniu w materiał kulki stalowej lub z węglików spiekanych o średnicy D=10; 5; 2,5; 2 lub 1 mm, przy zastosowaniu siły (F), zależnej od średnicy kulki (D) i twardości materiału zgodnie ze wzorem

gdzie K - współczynnik zależny od twardości

Liczba twardości jest określona jako stosunek siły do powierzchni czaszy odciśniętej w materiale πDh, gdzie h jest głębokością odcisku i wynosi

stąd

Granicą stosowalności metody Brinella jest twardość 450HB, gdyż przy większej twardości następuje już duży błąd związany z odkształceniem kulki. Stosując kulki z węglików spiekanych można mierzyć twardość do HBW≈650. W przypadku kulki stalowej stosuje się symbol HBS, a w przypadku kulki z węglików spiekanych HBW. Wadą tej metody jest konieczność pomiaru średnicy odcisku za pomocą lupy lub mikroskopu, ale zostały skonstruowane aparaty, w których obraz odcisku w dużym powiększeniu jest rzutowany na ekran z podziałką, co umożliwia bezpośredni odczyt jego średnicy. Liczbę twardości odczytuje się z odpowiednich tablic. Zapis wartości Brinella jest następujący: np. 300HBS lub 500HBW.

Podczas zajęć przeprowadziliśmy pomiary twardości czterech próbek: mosiądzu MO58, stali 55, stali 15 oraz miedzi. Pomiary zostały przeprowadzone z użyciem kulki o średnicy D=5 mm oraz przy sile nacisku F=2450 N, czyli 250 kG.

Wyniki pomiarów zostały zamieszczone w tabelach:

Lp.	Średnica odcisku [mm]	Twardość HBW	Średnia twardości HBW
Mosiądz MO58
1	1,75	101	97,68
2	1,75	101
3	1,85	89,7
4	1,85	89,7
5	1,70	107
Stal 55
1	1,35	171	181,8
2	1,25	200
3	1,32	179
4	1,40	159
5	1,25	200
Stal 15
1	1,43	152	141,2
2	1,50	138
3	1,45	148
4	1,52	135
5	1,53	133
Miedź
1	2,1	68,6	69,36
2	2,05	72,4
3	2,15	65,5
4	2,06	71,7
5	2,1	68,6

Metoda Rockwella

W metodzie tej jako wgłębnika używa się kulki stalowej o średnicy 1/16 cala (1,588mm) lub stożka diamentowego o kącie rozwarcia 120° i promieniu zaokrąglenia r=0,2mm.

W zależności od twardości materiału dobiera się rodzaj wgłębnika i twardość odczytuje się na odpowiedniej skali. Przy badaniu stali w stanie zahartowanym (o twardości HB>400) używa się stożka, a twardość odczytuje się na skali B (czerwonej). Skale te są przesunięte o 30 podziałek. Obciążenie całkowite przy stożku wynosi 1471 N (150kG), a przy kulce 980,7 N (100kG), przy czym najpierw daje się obciążenie wstępne F_o=98,07 N (10kG), a po ustawieniu czujnika na 0 na skali czarnej lub 30 na skali czerwonej obciążenie dodatkowe odpowiednio F₁=1373 N (140kG) lub 882,6 N (90kG).

Miarą twardości jest głębokość wniknięcia wgłębnika, przy czym jednej podziałce odpowiada zagłębienie wgłębnika o 0,002 mm. Aby liczba twardości rosła z twardością materiału, zmiany zagłębienia wgłębnika liczy się od hipotetycznej płaszczyzny pod powierzchnią próbki X, która dla stożka jest odległa o 0,20 mm, a dla kulki o 0,26 mm od powierzchni. Tak więc:

Zależności te są jednak uwzględnione przy konstrukcji aparatu i liczbę twardości odczytuje się bezpośrednio na czujniku przyrządu, sprzężonym z wgłębnikiem. Twardość Rockwella zapisuje się następująco: np. 85HRB, 60HRC.

Pomiar twardości metodą Rockwella jest szybki, a poza tym wgłębnik pozostawia na powierzchni prawie niewidoczny ślad.

Podczas zajęć przeprowadziliśmy szereg pomiarów twardości metodą Rockwella typu B oraz D. Wyniki pomiarów znajdują się w tabelach.

Pomiary twardości metodą Rockwella, typ B:

	Twardość HRB
	1	2	3	4	5	Średnia twardości
Stal 15	67	75	75	73	73	72,6
Stal 55	97	96	95	97	91	95,2
Miedź	37	33,5	34	35	33	34,5
Mosiądz MO58	63,5	65,5	67	65	63	64,8

Pomiary twardości metodą Rockwella, typ D

	Twardość HRD
	1	2	3	4	5	Średnia twardości
Stal 15	46	46	48	47	48	47
Stal 55	56	59	52	56	57	56
Miedź	23	15	12	12	12	14,8
Mosiądz MO58	32	38	39	35	38	38,4

2. Badanie udarności

Miarą odporności metali i stopów na pękanie przy obciążeniach dynamicznych jest udarność, którą definiuje się jako stosunek pracy (K) potrzebnej do złamania znormalizowanej próbki pod wpływem uderzenia do jej przekroju poprzecznego (S₀) w miejscu złamania

lub pracy w J potrzebnej do złamania próbki o znormalizowanym przekroju.

Jeśli chodzi o kształt próbki, to najbardziej istotnym elementem jest karb, którego zadaniem jest umiejscowienie przełomu i stworzenie warunków do wywołania kruchego pęknięcia nawet w materiałach ciągliwych. Najczęściej stosuje się u nas dwa rodzaje karbów: Mesnagera typu „U” oraz Charpy'go typu „V”. Próbki do badania udarności mają kształt prostopadłościanu o przekroju kwadratowym 10x10x55 mm; na jego środku nacięty jest w poprzek karb o odpowiednim kształcie.

Próbkę umieszcza się na urządzeniu do łamania, które jest zbudowane w kształcie wahadła i jest nazywane młotem Charpy'ego. Oprócz młotów Charpy'ego są dość często stosowane młoty typu Izoda, które różnią się tym, że próbka jest umocowana pionowo w jednostronnym uchwycie i jest uderzana płaską częścią młota w część niezamocowaną po stronie karbu.

Podczas zajęć przeprowadziliśmy próbę udarności na znormalizowanej próbce o wymiarach 10x10x55mm, wykonanej ze stali St3s (hartowana), z karbem typu "V” o przekroju w miejscu karbu S_o=8 cm².

3. Wnioski

Przeprowadziliśmy pomiary twardości dwiema metodami: Brinella oraz Rockwella (typ B i D). Pierwsza z metod jest nieco bardziej pracochłonna, ponieważ wymaga odczytania średnicy odcisku pod lupą lub mikroskopem. Z tego względu pomiary mogą być obarczone dużym błędem ze względu na niedokładność odczytu. Błąd ten może być spowodowany brakiem doświadczenia przy wykonywaniu takich odczytów. Druga metoda jest bardziej miarodajna, ponieważ twardość odczytuje się bezpośrednio ze skali z podziałką.

1

- 4 -

---