1. Teoria: POMIAR TWARDOŚCI STALI METODĄ BRINELLA

Próba pomiaru twardości metodą Brinella polega na wciskaniu siłą F twardej stalowej kulki o średnicy D w wygładzoną powierzchnię badanego metalu w określonym czasie. Po obciążeniu mierzy się średnicę d odcisku powstałego na badanej próbce. Twardość Brinella HB jest ilorazem siły obciążającej przez powierzchnie kulistą odcisku:

HB=F/S_cz

Gdzie:

HB - twardość według Brinella

S_cz - powierzchnia czaszy kulistej

F - siła nacisku

Obliczając S_cz otrzymamy:

HB=2F/[πD(D-D²-d²)]

Do badania stosuje się twarde kulki stalowe o średnicy D= 10,5 i 2,5 mm. Wielkość siły obciążającej dobiera się ze wzoru:

F=nD²

W którym n jest współczynnikiem przyjmującym wartość 30, 10, 5 lub 2,5 zależnie od materiału (30 dla stopów żelaza, 10 dla stopów miedzi i aluminium, 5 dla miedzi i aluminium, 2,5 dla stopów łożyskowych).

Stosowanie wartości siły obciążającej F w zależności od średnicy kulki D i współczynnika n podane są w tabelach. Należy pamiętać, że porównywalne są wyniki pomiarów wykonane przy użyciu kulek o różnych średnicach, ale przy stałej wartości współczynnika n.

Kulkę należy obciążać równomiernie siłą nie przekraczającej siły nominalnej w ciągu około 10 s. Czas działania obciążenia nominalnego powinien wynosić od 10 do 15 s dla stali i żeliwa o HB>981,30 s dla metali i stopów o twardości 314<HB<981,60 s dla metali i stopów o twardości HB<314.

Pomiar średnicy odcisku dokonuje się w dwóch prostopadłych kierunkach z dokładnością do 0,01 mm dla d<2,5 albo 0,05mm dla d>2,5 mm. Z tablic odczytuje się twardość. Aby uniknąć błędnych wyników, należy zachować odległość między środkami dwóch sąsiednich odcisków a>4d oraz odległość środka odcisku od krawędzi badanej powierzchni a>2,5d. Grubość badanego przedmiotu powinna być taka, aby na przeciwległej powierzchni nie powstało miejscowe odkształcenie lub inne znaki wskazujące na działanie siły obciążającej. W każdym przypadku grubość badanego przedmiotu powinna być większa od 10- krotnej głębokości odcisku.

Kulki stalowe stosuje się przy twardościach mniejszych od 4413 HB a kolki z węglików spiekanych, w zakresie twardości od 4413 HB do 5884 HB. Dla materiałów o twardości większej niż 5884 HB próby Brinella nie stosuje się.

Pomiar twardości według Brinella wykonuje się twardościomierzem, który zbudowany jest z: cylindra, tłoku, wgłębnika z kulką, pompki ręcznej, manometru, zaworu zwrotnego, ciężarków, przelewu, kulistej podkładki, śruby, kółka ręcznego oraz próbki. Jest to w zasadzie ręczna prasa hydrauliczna, za pomocą, której można wywrzeć na próbę nacisk o określonej wartości. Na postumencie umocowany jest cylinder, w którym może przesuwać się tłok. Do tego tłoka przymocowany jest wgłębnik z kulką. Górna część cylindra jest zbiornikiem, z którego za pomocą pompki ręcznej przepompowuje się olej do dolnej części cylindra. Wzrost ciśnienia nad tłokiem powoduje jego przesuwanie się w kierunku próbki, która przed pomiarem powinna być za pomocą kółka ręcznego i śruby, podniesiona do wysokości wgłębnika. Znajdująca się pod próbką kulista podkładka ma za zadanie ustawienie powierzchni próbki prostopadle do kierunku działania nacisku. W miarę wzrostu ciśnienia nad tłokiem wzrasta również ciśnienie oleju w rurce prowadzącej do manometru. Ciśnienie wskazane na manometrze można zwiększyć tylko do pewnej określonej wartości. Zapewniają to ciężarki, które obciążają zawór zwrotny. Gdy ciśnienie nad zaworem wzrośnie powyżej ustalonego poziomu, wówczas podnosi się obciążony ciężarkami zawór i umożliwia przelanie się przez przelew nadmiaru cieczy do zbiornika. Po zmniejszeniu ciśnienia zawór zamyka się samoczynnie. W ten sposób jest zapewniony stały nacisk na badaną próbkę. W celu doprowadzenia przyrządu do stanu wyjściowego należy zakręcić zawór przelewowy, przez który olej znad tłoka zostanie przelany do zbiornika. Po zmierzeniu wielkości odcisku kulki twardość obliczamy na podstawie wzoru Brinella i wielkość odczytujemy z tablic.

Praktyka wskazuje, że przy pomiarze twardości kulkami o różnych średnicach D otrzymuje się nieco odmienne wartości HB dla tego samego materiału, pomimo że dobór obciążenia oparto teoretycznie na prawie podobieństwa statycznego. Stanowi to wadę tej metody. Niekiedy wynik zależy również od czasu działania obciążenia. Dlatego też przy podawaniu wyników pomiarów należy zaznaczyć przy symbolu twardości warunki, w jakich była wykonana próba.

2. Teoria: POMIAR TWARDOŚCI STALI METODĄ ROCKWELLA:

Próba twardości Rockwella polega na wciskaniu w płaską wygładzoną powierzchnie przedmiotu, stożka diamentowego albo kulki stalowej. Głębokość odcisku jest odwrotnie proporcjonalna do twardości.

Twardość Rockwella HR jest to różnica głębokości umownego i rzeczywistego odcisku wywołanego siłą F i odniesiona do odcinku wywołanego siłą nacisku F_c (głębokość umowną przyjęto jako 100 jednostek dla skal C i A oraz 130 jednostek dla skal B i F aparatu Rockwella):

HRC=100-h/0,002 HRB=130-h/0,002

Zastosowanie nacisku wstępnego F₀= 98 N eliminuje wpływ odkształceń sprężystych na pomiar głębokości odcisku. Do próby w skali C i A aparatu używa się stożka diamentowego o kącie wierzchołkowym 120^o i promieniu zaokrąglenia wierzchołka 0,2 mm. Dla prób w skali B i F używa się kulki stalowej obrobionej cieplnie o twardości 8336 HV i o średnicy 1,588 mm. Próbę twardości tą metodą przeprowadza się na twardościomierzu Rockwella, który zbudowany jest z: nakrętki, stolika, wgłębnika, dwóch dźwigni, czujnika, amortyzatora.

Pokręcając nakrętką podnosi się próbkę p ułożoną na stoliku pomiarowym do zetknięcia się jej z wgłębnikiem. Od tego położenia podnosi się stolik jeszcze o około 2 mm, powodując uniesienie się dźwigni, która ma środek obrotu w punkcie. Nacisk samej dźwigni na wgłębnik jest tak wyregulowany, że wynosi dokładnie 10 N i stanowi nacisk wstępny. Czujnik ustawia się w położeniu początkowym 100 lub 130 (30 + jeden pełny obrót), zależnie od rodzaju użytego wgłębnika. Czujnik stosowany w twardościomierzu Rockwella jest typowym czujnikiem „zegarowym” z podziałką obwodową podzieloną na 100 jednostek. Przesunięcie stopki ramion AO:OB. Równy 1:5, odpowiada to przesunięciu wgłębnika o 0,002 mm. W miarę, jak wgłębnik pod działaniem obciążenia wciska się w próbkę, wskazówka czujnika przesuwa się z położenia (cofa) 100 (lub 300) w inne położenie, wskazując wartość twardości. Jednakże odczyt dokonany wtedy, gdy wgłębnik jest obciążony naciskiem całkowitym nie byłby miarodajny, ponieważ na wskazania czujnika w tym stanie wpływa nie tylko wgłębienie odcisku, ale także odkształcenie sprężyste, które powstaje w próbce i całym układzie twardościomierza pod działaniem obciążenia. Należy, więc najpierw odciążyć układ do nacisku wstępnego 98 N, tj. do obciążenia, przy którym czujnik był ustawiony na wskazania początkowe i dopiero wtedy dokonać odczytu wartości twardości. Obciążenie i odciążenie układu naciskiem głównym odbywa się przez opuszczenie lub podnoszenie dźwigni. W układzie obciążającym znajduje się olejowy amortyzator, który zapobiega wstrząsom. Czas działania pełnego obciążenia powinien wynosić, co najmniej 5 sekund.

Każdą ze skal Rockwella można uważać za oddzielny sposób pomiaru twardości. Cały zespól skal jest tak pomyślany, aby można było nimi zmierzać wszystkie możliwe zakresy i twardości. Jednakże w praktyce przemysłowej rozpowszechniły się tylko niektóre z nich. Według PN-57/H stosuje się zasadniczo dwie skale: skale C (stożek diamentowy) do badania takich materiałów, jak stale ulepszane cieplnie lub inne, o równorzędnej twardości od 20 do 67 HRC, (górną granicą stosowania tej skali jest liczba twardości 67 HRC, jaką można uzyskać w stalach węglowych narzędziowych), skale B do badania stali nie obrabianych cieplnie lub innych materiałów o twardości od 35 do 100 HRB, które według skali C wskazywałyby twardość mniejszą niż 20 HRC, (twardość 20 HRC, będąca dolną granicą dla skali C, jest równa twardości 100HRB, która jest górną granicą stosowania skali B).

Metoda Rockwella pozwala na szybkie pomiary twardości, wymaga jednakże starannego przygotowania powierzchni próbki zarówno od strony, na której wykonuje się odciski, jak również w miejscach stykania się jej ze stolikiem pomiarowym lub z podstawkami dostosowanymi do kształtu próbek. Odległość środków odcisków od siebie i od krawędzi przedmiotu powinna być nie mniejsza niż 3 mm. Grubość przedmiotu w badanym miejscu nie może być mniejsza niż 10- krotnej głębokości odcisku h. Za miarodajny wynik należy przyjąć średnią, z co najmniej trzech pomiarów, zaokrąglając je do liczby całkowitej.

3. Ćwiczenie:

---