METODY STATYCZNE
Metody pomiaru twardości.
Opracował:
XXXXXXXX
studia inŜynierskie zaoczne
wydział mechaniczny
semestr V
Gdańsk 2001 r.
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami pomiarów twardości, typami twardościomierzy i ich obsługą oraz opanowanie techniki pomiarowej.
Teoria.
Twardość, własność ciał stałych polegająca na stawianiu oporu odkształceniom plastycznym przy lokalnym oddziaływaniu nacisku na ich powierzchni, wywieranego przez inne, twardsze ciało. Twardość jest cechą umowną, umoŜliwiającą porównywanie odporności na uszkodzenia powierzchni róŜnych materiałów. Powszechnie stosuje się kilka metod badania twardości.
Dzięki doświadczalnie stwierdzonym zaleŜnościom pomiędzy twardością a innymi własnościami materiałów oraz na podstawie ustaleń, Ŝe próby twardości jedynie w minimalnym stopniu uszkadzają badany materiał, mogą one często zastępować próby znacznie trudniejsze do przeprowadzenia.
Pomiar twardości metodą Rockwella. (PN - 91/H – 04360) Próba ta polega na dwustopniowym wciskaniu w badany materiał
stoŜka diamentowego lub kulki stalowej o określonych kształtach i warunkach pomiaru. Podstawą określenia twardości Rockwella stanowi pomiar trwałego przyrostu głębokości odcisku, który jest wyraŜony w jednostkach twardości HR. Twardość odczytuje się bezpośrednio na wyskalowanym czujniku. Zaletą tej metody jest dwustopniowe obciąŜenie podczas pomiaru, które daje nam zmniejszenie błędu spowodowanego niejednorodnością powierzchni.
Wykonanie pomiaru:
- Sprawdzić czy dźwignia obciąŜenia głównego jest zablokowana.
- Zetknięcia z wgłębnikiem.
- Obracając pokrętłem, docisnąć wgłębnik tak by mała wskazówka wskazywała czerwony punkt na tarczy czujnika.
- Przez pokręcenie tarczy czujnika ustawić "0" na odpowiedniej skali.
- Włączyć obciąŜenie główne dźwignią.
- Odczekać aŜ wartość czujnika ustali się.
-
Przesunąć dźwignię w połoŜenie początkowe i odczytać twardość na skali.
Twardość w metodzie Rockwella oznacza się za pomocą następujących symboli: HRC i HRA — przy pomiarze stoŜkiem,
HRB i HRF — przy pomiarze kulką.
Pomiar twardości metodą Rockwella za pomocą stoŜka stosuje się do twardych metali i stopów, a zwłaszcza stali ulepszonych cieplnie. Sprawdza się w ten sposób trwałość wielu części samochodowych, jak np. sworzni tłokowych, sworzni zwrotnic, sworzni kulistych itp.
Twardość metodą Rockwella wyraŜa się wzorami
h
h
dla stoŜka
ś
ś
HRC = 100
r
−
dla kuli HRC = 130
r
−
,
0 002
,
0 002
Zalety:
1. MoŜliwość pomiaru materiałów miękkich i twardych.
2. DuŜa szybkość pomiaru, dzięki, czemu metoda ta nadaje się do pomiarów masowych.
2
1. Wiele źródeł powstawania błędów.
2. Błędy powstające przez pomiar głębokości odcisku.
3. DuŜa ilość skał umownych, stąd konieczność porównywania ich przy pomocy tablic.
4. Nierównomierność skal.
Pomiar twardości metodą Brinella. (PN - 91/H – 04350)
Polega on na wciskaniu wgłębnika pod obciąŜeniem F, w postaci hartowanej kulki stalowej o średnicy D, w powierzchnię badanego materiału, w czasie T. Średnica odcisku kuli D, jako średnia z kilku pomiarów w kierunkach wzajemnie prostopadłych, słuŜy do obliczenia pola powierzchni czaszy. Twardość wg Brinella jest to stosunek siły obciąŜającej do pola powierzchni czaszy odcisku.
Twardość metodą Brinella jest obliczana ze wzoru:
2 P
MN
HB =
2
Π D( D −
2
D −
2
d ) m
Wykonanie pomiaru:
- PołoŜyć badaną próbkę na stoliku.
- Przez pokręcenie koła podnieść stolik, tak by lekko docisnąć badaną próbkę do kulki.
- Zamknąć zaworek spustowy.
- Pompować olej dźwignią do przestrzeni roboczej aŜ do uzyskania wymaganej siły.
- Odczekać wymagany czas.
- Odkręcić zawór spustowy, opuścić stolik zdjąć próbkę.
- Wykonać pomiar średnicy wgniecenia przy pomocy lupy z podziałką.
- Obliczyć ze wzoru lub odczytać twardość z tablic.
Zalety:
1. MoŜliwość pomiaru twardości stopów niejednorodnych.
2. Jedna skala twardości.
Wady:
1. Kłopotliwość pomiaru średnicy odcisku i konieczność odczytywania wyników z tablic, co wpływa na długi czas pomiaru.
2. Nie nadaje się do pomiarów twardości warstw utwardzonych i bardzo małych przedmiotów.
3. Pomiary nie są zawsze porównywalne.
4. Odniesienie twardości do powierzchni, czaszy kulistej, co utrudnia wprowadzenie poprawek.
5. Nie nadaje się do pomiarów twardości materiałów twardych.
Pomiar twardości metodą Vickersa. (PN - 91/H – 04355)
Pomiar twardości tą metodą polega na wciskaniu wgłębnika w kształcie ostrosłupa prawidłowego o kącie wierzchołkowym 136o. Twardość w metodzie Vickersa określamy analogicznie jak w metodzie Brinella, obliczając stosunek siły wciskającej wgłębnik w badany materiał do pola powierzchni bocznej odcisku.
3
Twardość metodą Vickersa wyraŜamy wzorem:
HV =
P
MN
8
,
1 544
2
a
2
m
Wykonanie pomiaru:
- PołoŜyć próbkę na stoliku włączyć oświetlenie, tak ustawić stolik, aby uzyskać wyraźny obraz próbki.
- Przesunąć dźwignię zwalniacza. Wgłębnik ustawić na linii działania siły obciąŜającej i włączyć obciąŜenie, zostaje wykonany odcisk.
- Po dojściu dźwigni wyłącznika do połoŜenia końcowego przestawić ją z powrotem w połoŜenie początkowe.
- Ustawić obiektyw nad odciskiem, ustawić ostrość.
- Zmierzyć przekątne miarką przymocowana do matówki.
- Odczytać wartość twardości z tablic, lub obliczyć ze wzorów.
Zalety:
1. Jednoznaczność oznaczeń (w przybliŜeniu) z metodą Brinella do twardości 300
dN\mm2.
2. Stosuje się jedną skalę porównywalną w całym mierzonym zakresie makrotwardości bez względu na wielkość obciąŜenia.
3. Nadaje się do pomiarów twardości bardzo małych przedmiotów, jak równieŜ
cienkich warstw utwardzonych.
4. Nadaje się do pomiarów zarówno metali miękkich jak i twardych.
5. Nadaje się do zastosowania w zakresie makro- i mikrotwardości.
6. DuŜa dokładność pomiarów.
Wady:
1. Konieczność starannego oczyszczenia badanej powierzchni.
2. Nie nadaje się do pomiarów twardości materiałów o strukturze gruboziarnistej i niejednorodnej.
SCHEMAT APARATU DŹWIGNIOWEGO DO POMIARU TWARDOŚCI
METODĄ BRINELLA, ROCKWELLA I VICKERSA.
1. Wgłębnik.
2. Próbka.
3. Stół.
4. Śruba.
5. Dźwignia.
6. Czujnik.
7. CięŜarki.
r 1
1
=
r 2
5
x
0
,
0 1
=
r
r
1
2
x = 0
,
0 2 mm
0
=1 HRC
4
METODA
BRINELLA
VICKERSA
R1
Dzn
F
t
d 1
d 2
d
t
ś r
F
aś r
HRC
Lp Materiał [
n
HB
HV
mm]
[ kG] [ s] [ mm] [ mm] [ mm]
[ kG] [ s] [ mm]
10
30
0,55 183,9
1. STAL
5
30
15
50
15
0,9 114,5 X
2.5
187,5
1,2
1,2
1,2 155,6
10
30
0,8 86,9
2. śELIWO
5
30
15
50
15
1,0 92,7
X
2.5
187,5
1,3
1,2
1,25 142,6
10
3. MOSIĄDZ
5
30
15
50
30 1,25 59,3
X
2.5
187,5
1,25
1,2 1,225 148,9
10
30
0,8 86,9
4. MIEDŹ
5
10
30
50
30
1,2 64,4
X
2.5
62,5
1,2
1,15 1.75 54,26
10
30
1,3 32,9
5. ALUMINIUM
5
5
60
50
60
1,5 41,2
X
2.5
31,25
1,2
1,2
1,2 25,94
10
STAL
6.
5
59
Hartowana
2.5
1 – ROCKWELLA
Przykładowe obliczenia
1. HB dla stali:
2 ⋅187 5
,
kG
HB =
=15 ,
5 6
2
2
2
mm
Π ⋅ 5
,
2 ⋅ 5
,
2
−
5
,
2
− ,
1 2
3. HV dla stali
=
kG
HV
,
1
⋅ 30
8544
= 97 3
,
2
5
,
0 5
2
mm
5