Pomiar Twardości

METALOZNAWSTWO I MATERIAAY KONSTRUKCYJNE
LABORATORIUM
MGR INś.ANDRZEJ WIECZOREK
INSTYTUT MECHANIZACJI GORNICTWA
POLITECHNIKI ŚLSKIEJ
Pomiar twardości
Twardość ciała to opór, jaki stawia ono w czasie wciskania do niego
wgłębnika.
Najbardziej powszechne sposoby pomiaru to
a) metody statyczne:
" Brinella,
" Rockwella,
" Vickersa .
b) metody dynamiczne
" Młotka Poldiego,
" Metoda Shore a (pomiar odbicia).
c) Inne metody (do pomiaru małych elementów lub miękkich):
" )metoda Vickersa (F<9,81 N),
" metoda Rockvell skale N i T,
" metoda Knoopa,
" metoda zarysowań.
I. Metoda Brinella.
Próba twardości według tej metody objęta jest normą PN-74/H-
04350. Polega ona na wciskaniu pod obcią\eniem F wgłębnika, w
postaci hartowanej kulki stalowej o średnicy D, w powierzchnię
badanego materiału, w czasie t. Średnica odcisku kuli d, jako średnia z
dwóch pomiarów w kierunkach wzajemnie prostopadłych, słu\y do
obliczania pola powierzchni czaszy.
Twardość Brinella jest to stosunek siły obcią\ającej do pola
powierzchni czaszy odcisku
Średnice kulki są znormalizowane i wynoszą D=10; 5; 2,5; 2; 1mm,
a tolerancja ich średnic wynosi ą0,01mm. Kulki są wykonane ze stali
stopowej i obrobione cieplnie do twardości równej HV=8500 (twardość w
skali Vickersa) i mo\na nimi mierzyć twardość do HB=4500
(współczynnik 4500 oznacza ilość MN/m2); gdy są wykonane z węglików
spiekanych, wtedy mo\na mierzyć twardość do HB=6300.
W zasadzie nale\y dobierać kulki o mo\liwie du\ych średnicach,
tak jednak, aby zgodnie z rysunkiem ni\ej:
1) odstęp dwóch sąsiednich odcisków był nie mniejszy od czterokrotnej
średnicy odcisku,
2) odstęp środka odcisku od krawędzi badanej powierzchni był nie
mniejszy od 2,5 d,
3) grubość badanego przedmiotu w miejscu badania wynosiła 10
głębokości odcisku bez względu na twardość badanego materiału, tj. .
g >10h
Przy badaniu odlewów nie zaleca się stosować kulek o średnicach
2,5; 2; 1mm.
Je\eli tą samą kulką wykonamy w tym samym materiale szereg
odcisków, kolejno zwiększając siłę F i otrzymując coraz większe odciski,
to obliczone ka\dorazowo twardości za pomocą wzoru (4) będą się
zmieniały jak na rysunku ni\ej. Jako wynik nale\y przyjąć twardość
maksymalną, która wystąpi przy stosunku D/d H" 0,4. Ze względów
praktycznych norma dopuszcza pomiar twardości za dobry, gdy
stosunek D/d jest zawarty w granicach 0,25�0,7. W tym przedziale
największa ró\nica między twardością maksymalną a zmierzona nie
przekracza 3%. Je\eli grubość przedmiotu jest zbyt mała, to nale\y
zmniejszyć obcią\enie.
Aby stosunek średnicy odcisku do średnicy kulki był właściwy, siłę F
dobiera się ze wzoru, który uzyskano z podobieństwa odcisków przy
zastosowaniu ró\nych kulek i sił. Wartość współczynnika n dla ró\nych
materiałów i twardości dobiera się z Tabeli 1.
Kulkę nale\y obcią\yć bez wstrząsów w ciągu około 10s. Czasy trwania
próby dla stali i \eliwa pod pełnym obcią\eniem podaje Tabela 2.
Średnice odcisków d mierzy się za pomocą mikroskopy z podziałką
o dokładności 0,01mm. Dla obliczenia twardości danego materiału
nale\y brać wartość średnicy z trzech pomiarów. Gdy przy pomiarze
twardości stosowana jest kulka , 10mm D ą wtedy przy oznaczeniu
twardości, obok jej wartości x, nale\y podać równie\ średnicę D, siłę
obcią\ającą F i czas t (np. x HB D/F/t). Twardość o HB>1000 podaje się
z dokładnością do 10 HB, zaś od 100 do 1000 HB z dokładnością 5
HB, natomiast <100 HB z dokładnością do 1 HB.
Twardość HB w przybli\eniu jest proporcjonalna do wytrzymałości
na rozciąganie m R :np. dla stali węglowej c=0,35.
Próbkę 1 uło\oną na stoliku 2 podnosi się wraz ze stolikiem a\ do
zetknięcia się z wgłębnikiem 3, a następnie po zamknięciu zaworu 4, za
pomocą pompki 5 przetłacza się olej ze zbiornika 6 do cylindra 7. Pod
wpływem ciśnienia tłok 8 wciska wgłębnik 3 w próbkę 1, a równocześnie
manometr 9 wskazuje ciśnienie odpowiadające sile nacisku F.
Wskazania manometru nie są dokładne. Jako dokładny wskaznik słu\y
tłoczek 10 obcią\ony szalka i cię\arkami 11 dobranymi odpowiednio do
zamierzonego nacisku. Po osiągnięciu właściwej siły, tłoczek z szalką
powinien się unieść około 10�15mm. Po odpowiednim czasie otwiera się
zawór 4, odcią\a się próbkę, a następnie opuszcza się stolik i zdejmuje
próbkę, w celu dokonania pomiaru średnicy odcisku. Wyniki pomiarów
zestawia się w tabeli pomiarowej. Mając zmierzoną średnią średnicę
odcisku, twardość oblicza się według wzoru (4) lub odczytuje się z
odpowiednich tablic.
Zaletami tej metody są:
1) mo\liwość pomiaru twardości w obszarze makro,
2) jedna skala twardości,
3) istnieje relacja między twardością a wytrzymałością.
Wadami zaś są:
1) kłopotliwy pomiar średnic odcisku,
2) nie nadaje się do pomiaru twardości materiałów twardych, warstw
utwardzonych i małych przedmiotów,
3) pomierzona twardość jest zale\na od siły nacisku,
4) nie mo\na mierzyć twardości du\ych gotowych wyrobów.
II. Metoda Rockwella.
Próba twardości według metody Rockwella objęta jest normą PN-
74/H-04355. Metoda ta opiera się na pomiarze głębokości odcisku
wykonanego przez wciśnięcie sto\ka diamentowego w powierzchnię
badanego materiału; sto\ek o kącie wierzchołkowym 1200 ma
wierzchołek zaokrąglony promieniem r=0,2mm. Dla materiałów miękkich
stosuje się zamiast sto\ka kulki stalowe o średnicach 1/2,1/4, 1/8, 1/16
cala. Pomiaru twardości dokonuje się mierząc głębokość odcisków,
stosując umowne skale twardości (15 skal oznaczonych literami od A do
V). Zgodnie z PN-74/H-04355 podstawowymi skalami są C i B,
dodatkowymi zaś A i F. Szczegółowe informacje o tych skalach znajdują
się w Tabeli 3.
Próbę twardości Rockwella stosuje się to pomiaru twardości:
a) przy u\yciu skali C do stali węglowych i stopowych w stanie
zahartowanym i ulepszonym cieplnie oraz innych stopów o twardości
20�67 HRC,
b) przy u\yciu skali B do stali węglowych i stopowych w stanie
zmiękczonym lub normalizowanym oraz stopów metali nie\elaznych o
twardości 35�100 HRB, AF
c) przy u\yciu skali A do cienkich taśm stalowych i spieków o twardości
powy\ej 67 HRC,
d) przy u\yciu skali F do miękkich metali i stopów o twardości poni\ej 35
HRB.
Miarą twardości Rockwella jest głębokość, na jaką zagłębi się wgłębnik
w sposób trwały i określa się wzorem:
Grubość przedmiotu w badanym miejscu nie powinna być mniejsza ni\ 8
h. Odległość środków odcisków sąsiednich i odległości ich od brzegów
przedmiotu powinny być nie mniejsze ni\ 3mm. Za wynik miarodajny
nale\y przyjąć średnią arytmetyczną, z co najmniej trzech pomiarów.
Zaletami tej metody są:
1) mo\liwość pomiarów twardości materiałów o ró\nych twardościach,
2) du\a szybkość pomiarów, dzięki czemu metoda ta nadaje się do
pomiarów masowych.
Wadami zaś są:
1) istnieje wiele zródeł błędów, szczególnie wynikających z pomiaru
głębokości odcisku,
2) du\a liczba skal umownych i przez to konieczność porównywania ich
za pomocą tablic,
3) nierównomierność skal,
4) nie mo\na mierzyć twardości du\ych gotowych wyrobów.
III. Metoda Vickersa.
Próba twardości według metody Vickersa objęta jest normą PN-
74/H-04360. Pomiar twardości tą metodą polega na wciskaniu wgłębnika
w kształcie ostrosłupa o podstawie kwadratowej w powierzchnię
badanego ciała. Twardość według metody Vickersa określa się
analogicznie jak w metodzie Brinella, obliczając stosunek siły wciskającej
wgłębnik w tworzywo badane do pola powierzchni bocznej odcisku:
Pole powierzchni bocznej odcisku oblicza się ze wzoru:
W normie PN-74/H-04360 zawarte są tablice wartości twardości
odpowiadających ustalonym naciskom F i ró\nym średnim długościom
przekątnych a. Naciski są znormalizowane i wynoszą: F=9,8; 24,5; 49;
98; 196; 294; 491; 981N. Dobór siły nacisku zale\y od rozmiarów próbki.
Dla ułatwienia wyboru sił obcią\onych wgłębnik przy pomiarze twardości
cienkich warstw lub wyrobów, mo\e słu\yć poni\szy nomogram.
Zaletami tej metody są:
1) prawie jednakowa twardość z twardością uzyskaną metoda Brinella,
2) twardość nie zale\y od wartości siły,
3) nadaje się do pomiaru materiałów o ró\nych twardościach,
4) nadaje się do pomiaru przedmiotów małych i cienkich warstw
utwardzonych,
5) praktycznie nie niszczy przedmiotu,
6) du\a dokładność pomiarów.
Wadami zaś są:
1) konieczność dokładnego oczyszczenia powierzchni,
2) długotrwałość pomiarów,
3) nie nadaje się do pomiarów makrotrwardość stopów gruboziarnistych,
4) nie mo\na mierzyć twardości du\ych gotowych wyrobów.
IV. Młotek Poldi.
W przypadku du\ych elementów, z których nie mo\na wyciąć
próbek do badań opisanymi poprzednio metodami, pomiaru twardości
dokonuje się za pomocą młotka Poldi. Jest to proste urządzenie
pokazane na rysunku poni\ej, pozwalające na umieszczenie kulki 6 o
średnicy 10mm między elementem badanym, a wzorcem 3 o znanej
twardości Brinella.
Na skutek uderzenia młotkiem w sworzeń 4 powstaje odcisk na
wzorcu i elemencie badanym. W tej metodzie wartość nacisku nie jest
znana. Po zmierzeniu średnic odcisków na wzorcu 1 d i na elemencie
badanym 2 d oraz po obliczeniu powierzchni odcisków czasz, wyznacza
się szukaną wartość następująco. Siła działająca na kulkę, zgodnie ze
wzorem (1), wynosi:
Pomiar twardości za pomocą młotka Poldi będzie tym
dokładniejszy, im twardość próbki wzorcowej będzie bli\sza twardości
elementu badanego. Zaletą tej metody jest mo\liwość pomiarów
twardości du\ych gotowych wyrobów o dowolnym kształcie i wymiarach
we wszystkich dostępnych miejscach. Wadami zaś powstawanie zbyt
du\ych odcisków (D=10mm) i małe dokładności pomiarów.

Wyszukiwarka