134
Ćwiczenie 15
BADANIA WŁARCIWORCI MECHANICZNYCH
STOPÓW METALI.
POMIAR TWARDORCI I PRÓBA UDARNORCI
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami pomiaru twardoSci i udarnoSci,
korelacjami pomiędzy nimi oraz zasadami ich przeprowadzania.
2. WIADOMORCI PODSTAWOWE
2.1. Badanie twardoSci
TwardoSć jest to odpornoSć materiału na odkształcenia trwałe pod wpływem sił
skupionych, działających na małą powierzchnię tego materiału. Istnieje szereg me-
tod badania twardoSci, opartych na wspólnej zasadzie pomiaru wielkoSci odkształ-
cenia pod wpływem siły wywieranej przez wgłębnik (penetrator). Różnią się one
pomiędzy sobą kształtem wgłębnika, wielkoScią i sposobem obciążenia oraz metodą
pomiaru odkształcenia. W trakcie ćwiczenia poznamy trzy sposoby pomiaru twar-
doSci:
1) Rockwella,
2) Vickersa,
3) Brinella.
Istnieją inne metody, jak metoda Meyera, Ludwika, Grodzińskiego, Knoopa oraz
Poldiego i Baumanna. Dwie ostatnie metody są dynamiczne, pozostałe statyczne.
Oprócz wymienionych, istnieją metody badania twardoSci oparte na zupełnie innych
zasadach, których z praktyczne zastosowanie w technice jest znikome. Są to:
metody ryskowe, w których twardoSć okreSla się jako opór przeciw zarysowaniu
wgłębnikiem badanej powierzchni metalu,
metody sprężystego odskoku, w których twardoSć okreSla się na podstawie wiel-
koSci odbicia się bijaka od badanej powierzchni.
Przyrządy służące do pomiaru twardoSci nazywamy twardoSciomierzami.
Opracował: Marek Radwański
135
Pomiar twardoSci sposobem R o c k w e l l a
Próba ta opisana jest w PN-91/H-04355 Pomiar Twardości metali sposobem
Rockwella. Skale A,B,C,D,E,F,G,H.K. Polega on na dwustopniowym wciskaniu
wgłębnika siłą wstępną F0 i siłą główną F1 w badaną próbkę. Podstawę okreSlenia
twardoSci Rockwella stanowi pomiar trwałego przyrostu głębokoSci odcisku od obcią-
żenia F0 do F1. Wynik odczytuje się w jednostkach twardoSci HRą (gdzie ą ozna-
czenie skali, np. HRA, HRH itd.). W metodzie tej stosuje się trzy rodzaje wgłębników:
stożek diamentowy o kącie wierzchołkowym 120,
kulkę stalową B 1,588 mm,
kulkę stalową B 3,175 mm,
oraz trzy obciążenia całkowite będące sumą siły wstępnej i siły głównej: 588,4 N;
980,7 N oraz 1471 N.
Skojarzenie każdego z trzech wgłębników z każdym z trzech obciążeń daje dzie-
więć skali (od A do K), stosowanych dla materiałów o różnej twardoSci, od najtward-
szych skala C, do najmiększych skala H. W przypadkach, w których ze względu
na małą gruboSć wyrobu nie jest możliwe zastosowanie tych skali, a także tam, gdzie
/ / / d/ e/
e
HR
00
0 0 0
25 25
75 25 75 25 75 25 75
75
50
50 50 50 50
F F F F
F
F F F F
F
ierz i rzed i t
li i d iesie i
Rys. 15.1 Schemat pomiaru twardoSci metodą Rockwella
-e
=e
136
dopuszczalna jest tylko nieznaczna głębokoSć odcisku na powierzchni badanego ma-
teriału, stosuje się skalę N (stożek diamentowy 120) lub T (kulkę 1,588 mm) przy
mniejszym obciążeniu całkowitym: 147,1 N; 294,2 N oraz 441,3 N. Próbę tę opisuje
PN-ISO 1024:1996 Metale. Pomiar twardości sposobem Rockwella (skale 15N,
30N, 45N, 15T, 30T, 45T), będąca tłumaczeniem oficjalnej wersji językowej normy
międzynarodowej ISO 1024:1989 (E).
Czas obciążenia wgłębnika wynosi od 1s do 15 s , w zależnoSci od tego, w jakim
stopniu badany metal wykazuje zależnoSć odkształcenia plastycznego od czasu obcią-
żenia. Liczbowy wynik pomiaru twardoSci sposobem Rockwella odczytywany jest
wprost z czujnika wyskalowanego odpowiednio w jednostkach twardoSci HR.
Pomiar twardoSci metali sposobem Rocwella jest często stosowany, ze względu
na łatwoSć dokonania pomiaru i natychmiastowy odczyt na skali oraz możliwoSć za-
stosowania do materiałów o szerokim zakresie twardoSci. Wadą tej metody jest każ-
dorazowa koniecznoSć okreSlenia warunków pomiaru (penetrator i obciążenie) oraz
trudnoSć porównania wyników podanych w różnych skalach.
Pomiar twardoSci sposobem V i c k e r s a
TwardoSć Vickersa (PN-91/H-04360) wyraża się stosunkiem siły obciążającej
wgłębnik do powierzchni pobocznicy odcisku. Wgłębnikiem jest ostrosłup prawidłowy
czworokątny o kącie pomiędzy przeciwległymi Scianami 136 wykonany z diamentu.
Obciążenie, w zależnoSci od twardoSci materiału, gruboSci próbki lub badanej war-
stwy dobiera się z szeregu 13 wartoSci od 1,961 N do 980,7 N. Przy standardowym
pomiarze tą metodą, nominalna siła obciążająca wgłębnik wynosi 294,1 N. Czas dzia-
łania obciążenia liczony od momentu osiągnięcia całkowitej siły obciążającej wgłębnik
powinien wynosić 10 do 15 s.
Miarę wielkoSci odkształcenia powierzchnię pobocznicy odcisku okreSla się na
podstawie pomiaru obydwu przekątnych odcisku w kształcie kwadratu. Po obliczeniu
ich Sredniej arytmetycznej i skojarzeniu z zastosowanym obciążeniem, odczytujemy
z tablic wartoSć twardoSci.
Oznaczenie twardoSci Vickersa, np. 640 HV, uzupełnia się liczbami okreSlającymi
umownie wielkoSć siły wgłębnika i czas działania całkowitej siły obciążającej wgłębnik,
jeżeli jest inny niż standardowy 1015 s. (np. 640 HV 30/20 twardoSć Vickersa 640
zmierzona przy obciążeniu wgłębnika siłą 294,2 N w czasie działania obciążenia 20 s.
Zaletą tej metody jest większy zakres twardoSci objęty jedną skalą, co ułatwia po-
równanie twardoSci materiałów o zdecydowanie różnych własnoSciach, wadą natomiast
koniecznoSć wykonywania pomiarów odcisku, obliczeń i korzystania z tablic.
Metodę Vickersa stosuje się również do pomiaru twardoSci cienkich blach, folii,
powłok, warstw utwardzonych i składników strukturalnych. Stosowane są wtedy dużo
mniejsze siły ( poniżej 9,8 N) i tak wyznaczona twardoSć nosi nazwę mikrotwardoSci.
Jest ona przedmiotem odrębnego ćwiczenia.
137
Pomiar twardoSci sposobem B r i n e l l a
Pomiar twardoSci metali sposobem Brinella (PN-91/H-04350) polega na wciska-
niu w okreSlonym czasie w badaną próbkę pod działaniem siły obciążającej, przyłożo-
nej prostopadle do jej powierzchni, twardej kulki stalowej lub z węglików spiekanych.
TwardoSć okreSla się na podstawie Srednicy odcisku kulki, zmierzonej po jej odciążeniu.
Do pomiarów stosowane są kulki o Srednicach 1; 2; 2,5; 5 i 10 mm. Dobór kulki
przeprowadza się w zależnoSci od gruboSci próbki, zalecana jest jednak kulka Ć 10 mm
lub możliwie największa. WielkoSć siły obciążającej okreSla się na podstawie wzoru:
F = 9,807 KD 2 (1)
gdzie: D Srednica kulki
K stała obciążenia, przyjmująca wartoSć 1; 1,2; 2,5; 5; 10; 15; 30, dobierana
w zależnoSci od spodziewanej twardoSci tak, aby uzyskać odcisk o Sred-
nicy d: 0,24 D d" d d" 0,6 D
Wytyczne, w postaci tabelarycznej, doboru stałej obciążenia K w zależnoSci od ro-
dzaju materiału badanej próbki i jego twardoSci okreSla norma. Tam też znajduje się
tabela umożliwiająca odczyt twardoSci w zależnoSci od Srednicy odcisku kulki, Srednicy
kulki (penetratora) oraz zastosowanej stałej obciążenia K.
TwardoSć Brinella wyraża się liczbą składającą się z trzech liczb znaczących i wy-
stępującego po niej oznaczenia twardoSci Brinella HB (lub HBS dla kulki stalowej,
a HBW dla kulki z węglików spiekanych) uzupełnionego informacją o warunkach
pomiaru, obejmujących Srednicę zastosowanej kulki [mm] łamaną przez iloczyn siły
[N] i 0,102 (np. 350 HBS 5/750). Przy pomiarach w warunkach standardowych (tj. za
pomocą kulki stalowej Ć 10, przy obciążeniu 29420 N w ciągu 1015 s) pomija się
informacje o warunkach pomiaru, podając tylko np. 185 HB lub 185 HBS.
Cechą istotnie wyróżniającą sposób Brinella od innych metod pomiaru twardoSci
metali jest stosunkowo duża powierzchnia odcisku. Dzięki temu nadaje się on szcze-
gólnie do badań materiałów niejednorodnych, natomiast uniemożliwia zastosowanie
do przedmiotów bardzo małych i cienkich. Płaska powierzchnia czołowa penetratora
(kulki) ogranicza również zastosowanie tego sposobu do materiałów bardzo twar-
dych. Wadą, przynajmniej w stosunku do twardoSci Rockwella, wydaje się koniecz-
noSć z zastosowania tabel do okreSlenia HB.
Pomiar twardoSci sposobem P o l d i
Metoda ta jest dynamicznym sposobem okreSlania twardoSci poprzez porównanie
dwóch odcisków wywołanych tą samą dynamiczną siłą: w materiale badanym
i materiale o znanej twardoSci. Przyrząd do realizacji tej metody (młotek Poldi)
przedstawiono na rys. 15.2. TwardoSć wyznaczoną tą metodą podaje się w skali Brinella
na podstawie wzoru:
138
HB = k HBwz (2)
gdzie: HB twardoSć badanego materiału,
HBwz twardoSć płytki wzorcowej (202 HB),
k współczynnik zależny od Srednic obu odcisków lub odczytany z tablic.
Metoda ta, mimo rospowszechnienia, obciążona jest sporym błędem i jest kosz-
towna ze względu na zużywanie się płytek wzorcowych.
derze ie ł t ie
4
B Rys. 15.2
Młotek Poldi: 1 uchwyt, 2 oprawka kulki,
3 płytka wzorcowa, 4 sworzeń, 5 sprężyna,
r
6 kulka
2.1. Badanie udarnoSci
OkreSlenie własnoSci wytrzymałoSciowych metali wyłącznie na podstawie prób
statycznych jest niewystarczające ze względu na istotny wpływ szybkoSci obciążęnia
na zachowanie się materiału. W stosunku do dużych szybkoSci odkształcenia szyb-
koSć ruchu dyslokacji jest zbyt mała aby mogły by się one przemieszczać. Powoduje
to, że udział energii zużytej na odkształcenie plastyczne jest znikoma, co stwarza wa-
runki do wystąpienia kruchego pękania. W tej sytuacji niezbędne jest przeprowadze-
nie prób dynamicznych okreSlających zachowanie się materiału w tych warunkach.
Z kilku prób tego typu najbardziej rozpowszechniona jest próba udarnoSci przepro-
wadzana sposobem Charpy ego. Opisuje ją polska norma PN-EN 10045-1, będąca
139
tłumaczeniem normy europejskiej EN 10045-1:1990 opracowanej na podstawie norm
międzynarodowych ISO 83:1976 oraz ISO 140:1983. Próba polega na złamaniu jed-
nym uderzeniem spadającego młota wahadłowego, próbki z karbem w Srodku podpar-
tej w obydwu końcach. Miarą udarnoSci jest energia wyrażona w dżulach zużyta na
złamanie znormalizowanej próbki. Standardowa próbka ma długoSć 55 mm i kwadra-
towy przekrój poprzeczny 10 x 10 mm. W połowie długoSci znajduje się karb. Stosuje
się dwa rodzaje karbów:
a) w kształcie litery V o kącie 45, głebokoSci 2 mm i promieniu zaokrąglenia dna 0,25 mm,
b) w kształcie litery U lub w kształcie otworu do klucza , o głebokoSci 5 mm i pro-
mieniu zaokrąglenia dna 1 mm.
Urządzenie do wyznaczania udarnoSci nazywa się młotem Charpy ego. WartoSć
udarnoSci odczytuje się bezpoSrednio na skali urządzenia. Norma dopuszcza stosowa-
nie młotów o różnej początkowej energii uderzenia, jednak standardową wartoScią
jest 300 J. UdarnoSć wyznaczona w tych warunkach oznacza się KU dla próbek
z karbem U lub KV dla próbek z karbem V i podaje się ją w dżulach, np. KU = 48 J.
W przypadku innej niż standardowa początkowej energii uderzenia, po oznaczeniu
KV lub KU podaje się jej wartoSć w dżulach, np. KU 150 = 88 J.
Czynnikiem w sposób istotny wpływającym na udarnoSć jest temperatura, gdyż
właSciwoSci plastyczne metali pogarszają się z jej spadkiem. W pewnym zakresie
temperatur spadek udarnoSci przybiera gwałtowny charakter, a temperaturę odpo-
wiadającą temu przejSciu nazywa się temperaturą przejScia plastyczno-kruchego (Tpk).
Można ją wyznaczyć przeprowadzając próby udarnoSci w obniżonych temperaturach,
co opisane jest w polskiej normie PN-79/H-04371.
Obserwacja próbki złamanej w próbie udarnoSci pozwala uzyskać dodatkowe in-
formacje dotyczące struktury materiału. Wygląd przełomu informuje o wielkoSci ziar-
na i jednorodnoSci materiału, a także o charakterze pękania (plastyczne czy kruche).
3. MATERIAŁY I URZĄDZENIA
1. twardoSciomierz Rocwella,
2. twardoSciomierz Brinella,
3. twardoSciomierz Vickersa,
4. mikroskop pomiarowy,
5. lupka,
6. młot Charpy ego,
7. suwmiarka,
8. mikroskop stereoskopowy,
9. próbki do badania twardoSci,
10. próbki udarnoSciowe,
11. komplet norm: PN-91/H-04335, PN-91/H-04350, PN-91/H-04360, PN-EN 10045-1.
140
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA
1. Dobrać dla danych próbek warunki pomiaru twardoSci metali sposobem Rockwel-
la (penetrator, obciążenie), przeprowadzić pomiar HR i sprawdzić prawidłowoSć
dobranych warunków, ewentualnie skorygować je i powtórzyć pomiar.
2. Dobrać dla danych próbek Srednicę kulki dla pomiaru twardoSci sposobem Brinel-
la, obliczyć wartoSć siły obciążąjącej, przeprowadzić pomiar twardoSci, zmierzyć
lupką Srednice odcisku i odczytać z normy twardoSć HB.
3. Przeprowadzić pomiar twardoSci danych próbek sposobem Vickersa, zmierzyć prze-
kątne i odczytać z normy HV.
4. Sprawdzić geometrię dostarczonych do badań próbek udarnoSciowych.
5. Wykonać próbę udarnoSci badanych próbek sposobem Charpy ego.
6. Ocenić przełom na mikroskopie stereoskopowym.
5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA
Sprawozdanie winno zawierać:
1. Krótkie przedstawienie zasad pomiaru twardoSci metali sposobami Rockwella,
Brinella i Vickersa.
2. Protokół wg PN-91/H-04355 pomiaru twardoSci sposobem Rockwella.
3. Protokół wg PN-91/H-04350 pomiaru twardoSci sposobem Brinella.
4. Protokół wg PN-91/H-04360 pomiaru twardoSci sposobem Vickersa.
5. Krótkie przedstawienie zasady próby udarnoSci sposobem Charpy ego.
6. Protokół wg PN-EN 10045-1 próby udarnoSci sposobem Charpy ego.
7. Wnioski dotyczące stosowanych metod badań i ich porównanie.
6. LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA
1. Pomiar twardości metali sposobem Brinella. PN-91/H-04350.
2. Pomiar twardości metali sposobem Rockwella. Skale A, B, C, D, E, F, G, H, K.
PN-91/H-04355.
3. Pomiar twardości metali sposobem Vickersa od HV0,2 do HV100. PN-91/04360.
4. Próba udarności sposobem Charpy ego. PN-EN 10045-1.
5. Katarzyński S., Kocańda S., Zakrzewski M.: Badania własności mechanicznych
metali. WNT, Warszawa 1969.
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
05 MFR, Vicat, Twardość, udarność4 Badanie twardości i udarności wybranych materiałów elektroizolacyjnychTWARDOŚĆ OGWyznaczanie modułu twardoscimiara dynamicznej twardosctwardoscwięcej podobnych podstron