Laboratorium z Materiałoznawstwa
Grupa	Nr ćwiczenia		Data		Politechnika Świętokrzyska
21 M	01		26 -10 - 1998
Pomiar Twardości
Wykonał		Ocena		Data		Podpis
Borek Rafał

Badanie Twardości

Twardością nazywamy opór przy wciskaniu w badany materiał odpowiednio dobranego wgłęb­nika, którym może być kulka, stożek lub ostrosłup. Pomiary twardości znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle i kontroli jakości materiału ze względu na ich prostotę, że nie niszczą badanego materiału, nie wymagają pracochłonnego przygotowania próbek i że mierząc twardość materiału można obliczyć jego wytrzymałość.

Większość metod badania twardości należy do statycznych(metody Brinella, Rockwella, Vickersa), to znaczy następuje powolne wciskanie wgłębnika przy działaniu siły stałej lub stopniowo wzrastającej do określonej wartości. Znana jest również metoda dynamiczna, polegająca na wciskaniu wgłębnika przez uderzenie(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; 1 [mm], przy zastosowaniu siły F, zależnej od średnicy kulki i twardości materiału zgodnie ze wzorem:

K - współczynnik zależny od twardości.

Granicą stosowalności tej metody jest twardość 450 HB dla kulki stalowej i 650 HB dla kulki z węglików spiekanych, gdyż przy większej twardości następuje już zbyt duży błąd związany z odkształce­niem kulki. Wadą metody jest konieczność pomiaru średnicy odcisku za pomocą mikroskopu lub lupy.

Zapis twardości jest następujący: 300HBS - dla kulki stalowej, 500HBW dla kulki z węglików.

Tabela pomiarów:

L.p.	Obciążenie wstępne	Średnica odcisku
1	280	1,4
2	280	1,35
3	290	1,4
4	285	1,3
5	295	1,35
6	290	1,35
7	290	1,4
8	285	1,4
9	290	1,4
10	290	1,35
Średnia	287,5	1,37

Metoda Rockwella

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

W zależności od twardości materiału dobiera się rodzaj wgłębnika i twardość odczytuje się na odpowiedniej skali. Stożka używa się do badania twardszych materiałów > 400 HB, a twardość odczytuje ze skali czarnej C. Przy materiałach miękkich stosuje się kulkę i odczytuje ze skali czerwonej B. Skale są przesunięte o 30 podziałek. Obciążenie całkowite przy stożku wynosi 1471N a przy kulce 980,7 N, przy czym najpierw nadaje się obciążenie wstępne F₀ = 98,07N, a po ustawieniu czujnika na zero dla skali czarnej i trzydzieści na czerwonej dodaje się resztę obciążenia. Miarą twardości jest głębokość wniknięcia wgłębnika, przy czym jednej podziałce odpowiada zagłębienie wgłębnika o 0,002 mm. Aby liczba twardości rosłą z twardością materiału, zmiany zagłębienia wgłębnika liczy się od hipotetycznej płaszczyzny pod powierzchnią próbki, która dla stożka jest odległa 0,20 mm, a dla kulki 0,26 mm.

Tabela pomiarów:

L.p.	Twardość
1	59,0	HRC
2	63,0	HRC
3	58,0	HRC
4	64,5	HRC
5	61,0	HRC
6	59,0	HRC
7	63,0	HRC
8	59,0	HRC
9	59,0	HRC
10	62,0	HRC
Średnia	60,75	HRC

Wnioski:

Pomiar twardości metodą Rockwella jest szybki, prosty gdyż twardość odczytuje się bezpośrednio z czujnika przyrządu pomiarowego, a poza tym wgłębnik pozostawia na powierzchni prawie niewidoczny ślad. Za pomocą tej metody można badać materiały o większej twardości niż metodą Brinella.

Metoda Vickersa

W metodzie tej wgłębnikiem jest diamentowy ostrosłup o kącie dwuściennym 136^o, który jest wciskany z siłą 49N, 98,06N, 196,1N, 294,2N, 490,3N, 980,6N. Liczbę twardości obliczamy jako stosunek siły nacisku F [N] do pola powierzchni odcisku A[mm²].

d - średnia przekątnych odcisku.

Pomiaru d dokonuje się za pomocą mikroskopu wbudowanego w aparat. Mikroskop jest dodatkowo wyposażony w licznik, pozwalający na bezpośredni odczyt. Liczba twardości nie zależy od zastosowanego obciążenia, gdyż odciski wykazują podobieństwo geometryczne.

Metoda ta nadaje się szczególnie do pomiaru bardzo twardych powierzchni, np. hartowanych, nawęglanych, azotowanych lub metalizowanych dyfuzyjnie. Jej zaletą jest możliwość pomiaru twardości przedmiotów cienkich , pod małym obciążeniem jednak w tym przypadku błąd jest większy.

Powierzchnia do pomiaru powinna być przygotowana bardzo dokładnie, szlifowana na najdrobniejszych papierach, a nawet polerowana.

Pomiar dokonywany był przy obciążeniu 294,2N.

Tabela pomiarów:

L.p.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	Średnia
Przekątna odcisku	47	48	47	45	46	46	46	46	46	48	46,5

Twardość dla badanej próbki wg PN - 78/H - 04360 wynosi 252HV 30.

Wnioski

W zależności od zakładanej twardości badanego materiału należy zastosować odpowiednią metodę pomiaru twardości. Do miękkich materiałów należy stosować metodę Brinella, do twardszych materiałów metodę Rockwella a do najtwardszych metodę Vickersa. Zastosowanie odpowiedniej metody ma bardzo ważny wpływ na prawidłowość otrzymanego pomiaru twardości. Wybór odpowiedniej metody zależy również od tego czy chcemy aby pozostał ślad po pomiarze, i tak metoda Brinella pozostawia największe odciski na powierzchni materiał a metoda Vickersa prawie niewidoczne odciski. Jednak przy bardzo miękkich materiałach możliwe jest tylko stosowanie metody Brinella, gdyż w innych metodach wgłębnik wciska się zbyt głęboko co uniemożliwia dokonanie prawidłowych pomiarów. Metodą która nie pozostawia żadnych śladów (odcisków) na powierzchni badanego materiału, które mogły by zapoczątkować zniszczenie elementu, to skleroskop Shore'a, w której wykorzystuje się zjawisko odbicia od powierzchni odpowiedniego bijaka. Określenie twardości polega na porównaniu na jaką wysokość odbił się bijak od badanego elementu a na jaką od płytek o znanej twardości.

Twardość badanego elementu zależy od materiału z jakiego został wykonany, czy poddany został obróbce cieplnej, cieplno chemicznej lub obróbce plastycznej, a także od tego w którym miejscu został dokonany pomiar. W pobliżu krawędzi, miejsc zmiany wymiarów najczęściej występują większe naprężenia wewnętrzne co wpływa na niewielki wzrost twardości w tych miejscach, dlatego aby wynik pomiaru twardości był miarodajny należy dokonać kilku pomiarów w różnych miejscach na powierzchni badanego materiału.

3

3

Powierzchnia odcisku A = 1,47

Twardość próbki na podstawie

PN - 78/H-04360 wynosi 195,03 HB.

Wnioski:

Na podstawie tej twardości wnioskuję iż badanym materiałem może być stal 35.

Metoda Brinella stosowana jest do pomiaru materiałów niezbyt twardych ze względu na trudności z odczytem średnicy odcisku co wiąże się z możliwością popełnienia błędu pomiaru, poza tym metoda ta wymaga więcej czasu na przeprowadzenie pomiaru i pozostawia względnie duże odciski na powierzchni materiału.

---