Emi �danie twardosci metali

Autor:

Emilia Sidor

IM, sem V, gr poniedziałkowa

BADANIE TWARDOŚCI METALI

Cel doświadczenia:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z pojęciem twardości oraz statycznymi i dynamicznymi metodami pomiaru twardości metali. Twardości badaliśmy metodami Brinnela, Rockwella, Vickersa i metodą Shora.

Wstęp teoretyczny i opis metod badawczych:

Twardość jest miara oporu, jaki wykazuje ciało przeciw lokalnym odkształceniom trwałym, powstałym w badanym materiale wskutek wciskania w niego drugiego twardszego ciała, nazywanego wgłębnikiem lub penetratorem.

Próby twardości dzielimy na:

statyczne - obciążenie wzrasta powoli od zera aż do pełnej wartości; np. metoda Brinella, Rockwella i Vickersa
dynamiczne - obciążenie wywołane jest energią kinetyczną wgłębnika; np. pomiar młotkiem Poldiego, skleroskopem Shore'a, wahadłem Herberta, metodą zarysowania (Martena)

Pomiar twardości metodą Brinella:

Polega on na wciskaniu w określonym czasie w badana próbkę pod działaniem siły obciążającej, przyłożonej prostopadle do jej powierzchni, twardej kulki stalowej (metale o twardości do 450HB) lub kulki z węglika spiekanego (metale o twardości do 650HB).

Twardość Brinella określa się na podstawie średnicy d odcisku kulki, zmierzonej pod jej obciążeniem.

Twardość Brinella obliczamy ze wzorów:

0x01 graphic

gdzie:

k - współczynnik

F - siła obciążająca [N]

D - średnica kulki [mm]

d - średnica odcisku [mm]

S - pole powierzchni odcisku:

K - stała obciążenia:

Wielkość siły obciążającej wyznaczana jest z równania:

Stała obciążenia K przyjmuje wartości: 30, 15, 10, 5, 2.5, 1.25, 1, w zależności od rodzaju badanego materiału. W przypadku metali, dla których możliwe jest przyjęcie kilku wartości współczynnika K, należy wykonac kilka prób, w celu uzyskania właściwego wyniku HB.

Wynik pomiaru zależy od czasu zwiększania obciążenia do maksymalnej jego wartości i od czasu trwania pełnego obciążenia. Kulkę należy obciążyć równomiernie bez wstrząsów do żądanej siły w ciągu 2±8 s licząc od chwili zetknięcia kulki z próbką.

Czas działania całkowitej siły powinien wynosić:

dla stali i żeliwa: od 10 do 15s
dla innych metali o twardości ≥ 32HB 30s
dla innych metali o twardości < 32HB 60s

Badanie przeprowadza się w temperaturze 20 ± 15⁰C.

Zaleca się stosowanie kulki o możliwie największej średnicy, ale tak żeby były spełnione wymagania natury geometrycznej (np. min grubość próbki) D = 10mm. Przy badaniu odlewów zaleca się stosowanie kulek o średnicy D = 2,5; 5 i 10mm.

Kształt próbki dowolny a grubość próbki powinna być co najmniej 8 razy wieksza niż głębokość odcisku. Na odwrotnej stronie próbki nie powinno być śladów odkształceń.

Zalety i wady metody Brinella:

zaletą tej metody (ze względu na duże odciski) jest możliwość stosowania jej do pomiaru twardości materiałów niejednorodnych, jak np. żeliwo lub stopy łożyskowe; a także jedna skala twardości odpowiadająca jednostkom kG/mm² (N/mm²).
wadą jest fakt, że metody tej - z uwagi na możliwość odkształcenia kulki - nie można stosować do pomiaru twardości warstw utwardzonych, materiałów twardych, małych przedmiotów, powierzchni gotowych, przedmiotów i warstw cienkich, a to ze względu na duże odciski jakie powstają przy pomiarze; wadą jest również fakt, że pomiary nie zawsze są za sobą porównywalne.

Pomiar twardości metodą Vickersa:

Pomiar twardości metali metodą Vickersa w zakresie od HV0,2 do HV100 polega na wciśnięciu w określonym czasie diamentowego wgłębnika w postaci foremnego ostrosłupa w badaną próbkę przy wybranym obciążeniu od 1,961 N do 980,7 N.

Wgłębnik diamentowy wciska się prostopadle w próbkę siłą F, przyłożona przez określony czas t. Po odciążeniu mierzy się długość przekatnych d₁ i d₂ odcisku powstałego na powierzchni próbki.

Twardość Vickersa wyraża się stosunkiem siły F do powierzchni pobocznicy odcisku, obliczonej z średniej arytmetycznej wartości długości przekątnych.

Twardość Vickersa oblicza się ze wzorów:

0x01 graphic

gdzie:

α - kat pomiędzy przeciwległymi ścianami ostrosłupa wgłębnika: α = 136⁰

F - całkowita siła obciążająca wgłębnik [N]

d - średnica arytmetyczna wartości długości przekątnych d₁ i d₂ [mm]

k - współczynnik:

Wgłębnik diamentowy powinien mieć kształt foremnego ostrosłupa o podstawie kwadratowej. Kąt między przeciwległymi ścianami ostrosłupa powinien wynosić 136⁰. wszystkie cztery ściany powinny być jednakowo nachylone do jego osi. Wierzchołek powinien być ostro zakończony.

Kształt próbki może być dowolny a powierzchnia w miejscu pomiaru powinna być wolna od zanieczyszczeń. Grubość próbki powinna wynosić co najmniej 1,5 d. Na odwrotnej stronie próbki nie powinno być śladów odkształceń, wywołanych działaniem obciążenia wgłębnika.

Pomiar twardości przeprowadza się w temperaturze 20⁰C. Przy standardowym pomiarze siła całkowita obciążająca wgłębnik wynosi 294,2N. Czas działania obciążenia powinien wynosić od 10 do 15 s.

Zalety i wady metody Vickersa:

zaletą tej metody jest możliwość dokonywania pomiarów twardości materiałów miękkich i twardych przy użyciu skali w całym zakresie twardości bez względu na obciążenie, porównywalność z wynikami prób Brinella, możność stosowania do pomiarów twardości warstw utwardzonych małych przedmiotów, powierzchni gotowych itp.
wadą tej metody, ze względu na bardzo małe odciski jest to, że nie można jej stosować do pomiaru twardości materiałów niejednorodnych.

Pomiary twardości metodą Rockwella:

Pomiar twardości metali sposobem Rockwell'a polega na wciśnięciu wgłębnika diamentowego w postaci stożka w próbkę o twardości w zakresach przewidzianych skalami A,B,C lub wgłębnika stalowego w postaci kulki w próbkę o twardości w zakresach przewidzianych skalami B,E,F,G,H i K.

Pomiar polega na dwustopniowym wciskaniu wgłębnika siłą wstępną F₀ i siłą główną F₁, a następnie odciążeniu siły F₀ badanej próbki przy określonych w normie warunkach obciążenia.

Podstawą określenia twardości Rockwell'a stanowi pomiar trwałego odkształcenia (trwałego przyrostu głębokości odcisku h_t(h_w, h_c, h₅)). Wynik odczytuje się w jednostkach twardości HR na odpowiedniego wyskalowanym czujniku.

W przypadku wgłębnika stożkowego twardość ustala się według skali HRC zgodnie z równaniem:

gdzie: h_t - trwały przyrost głębności odcisku

W przypadku wgłębnika w postaci kulki twardość określa się na podstawie skali HRB zgodnie z równaniem:

Skalami głównymi są skale HRC i HRB, a pomocniczymi HRA i HRF. Symbol jednostki twardości Rockwell'a HR uzupełnia się literą, określającą skale, według której wykonano pomiar: A,B,C,D,E,F,G,H,K oraz - na początku zapisu - liczbowym wynikiem pomiaru:

- 59 HRC - twardość Rockwell'a mierzona w skali C ( przy zastosowaniu wgłębnika diamentowego w postaci stożka)

- 90 HRB - twardość Rockwell'a mierzona w skali B ( przy zastosowaniu wgłębnika stalowego w postaci kulki)

Wgłębnik powinien być wykonany jako:

Wgłębnik diamentowy w postaci stożka prostego o kącie wierzchołkowym 120±0,35° i o kulisto zakończonym wierzchołku.
Wgłębnik stalowy w postaci kulki w stanie ulepszonym cieplnie powinien być o twardości nie mniejszej niż 850HV 10 i średnicy 1,588±0,003mm - do pomiaru twardości według skal B,F,G oraz 3,175±0,004mm - według skal E,H,K.

Zalety i wady metody Rockwella:

zaletą tej metody jest możliwość pomiaru twardości materiałów miękkich i twardych, duża szybkość pomiaru i łatwość odczytu twardości. Dlatego też metoda Rockwella powinna być stosowana do pomiarów przy produkcji masowej.
wadą natomiast jest konieczność - zależnie od twardości - używania dwóch skal, o różnych wartościach stałej skali K, co powoduje, że porównywanie poszczególnych skal Rockwella jest bardzo przybliżone. Ponadto, ze względu na małe odciski, nie można jej stosować do pomiaru twardości materiałów niejednorodnych.

Metoda Shore'a:

W metodzie tej wykorzystano plastyczność materiału. Pomiar twardości polega na swobodnym spadaniu kulki wewnątrz szklanej rury i pomiarze wysokości, na jaką się odbije. Im wyższa jest wysokość odbicia kulki, tym twardszy jest badany materiał.

Pomimo istnienia tablic porównawczych, nie można przeliczyć twardości wg skali Shore'a na inne jednostki twardości. Skleroskop Shore'a stosowany jest często przy określaniu równomierności twardości po obróbce cieplno - chemicznej.

Zalety i wady metody Shore'a:

zaletami są: mały odcisk wywołany ta metodą, krótki czas pomiaru umożliwiający pomiar twardości części w wysokich temperaturach i masowy pomiar twardości małych przedmiotów; w przypadku materiałów o dużej twardości pomiary są wykonane z większą dokładnością niż przy metodach statycznych
wadami są: wysokość odbicia bijaka zależy nie tylko od twardości ale i od modułu sprężystości E; na wysokość odbicia wpływają także wymiary i masa badanych elementów; każdy następny pomiar powinien być wykonany w innym miejscu, ponieważ każde uderzenie bijaka powoduje miejscowe utwardzenie badanej próbki

Wyniki pomiarów i przykłady obliczeń:

Tabela pomiarowa 1: Pomiar Twardości Metodą Brinell'a

Lp.	Materiał	D [mm]	K	F [daN]	t [s]	d₁ [mm]	d₂ [mm]	d_śr [mm]	HB
1.	Stal	2,5	30	187,5	15	1,3	1,35	1,325	128,2
2.	Żeliwo	2,5	30	187,5	15	0,8	0,75	0,775	395,6
3.	Mosiądz	2,5	15	93,75	30	1	0,95	0,975	123,1
4.	Miedź	2,5	10	62,5	30	0,95	0,95	0,95	86,6
5.	Aluminium	2,5	10	31,25	30	0,8	0,85	0,825	58,0

Tabela pomiarowa 2: Pomiar twardości Metodą Rockwell'a

Lp.	Materiał	HRC
1.	Stal hartowana	56,5

Tabela pomiarowa 3: Pomiar Metodą Vickers'a

Lp.	Materiał	F [daN]	t [s]	d₁ [mm]	d₂ [mm]	d_śr [mm]	HB
1.	Stal	50	15	0,85	0,8	0,825	138,9
2.	Mosiądz	50	30	1,35	1,4	1,375	50,0
3.	Miedź	30	30	1,35	1,30	1,325	32,3
4.	Aluminium	30	30	1,1	1,1	1,1	46,9

Tabela Pomiarowa 4: Pomiar Twardości Metodą Shore'a

Lp.	Materiał	HRC
1.	Stal hartowana	50

Obliczenia do metody Brinell'a;

0x01 graphic

Obliczenia do metody Vickers'a

0x01 graphic

Wnioski:

W wyniku porównania otrzymanych wartości z metody Brinell'a (Tabela 1) możemy zauważyć, że największą twardość posiada żeliwo. Jest to materiał kruchy o dużej odporność na ściskanie. Materiały plastyczne (stal, mosiądz, miedź, aluminium) mają mniejszą twardość. Możemy także stwierdzić, iż zarówno wielkość kulki, jak i współczynnik K, zostały dobrze dobrane do odpowiednich pomiarów różnych materiałów, gdyż otrzymane wartości twardości mieszczą się w granicach twardości narzuconej dla określonych współczynników K.

Opierając się na wynikach otrzymanych z metody Vickers'a (dla materiałów plastycznych) największą twardość ma stal. Wyniki uzyskane metodą Vickersa i Brinella dla stali i aluminium są porównywalne, natomiast dla miedzi i mosiądzu wyniki uzyskane w metodzie Vickers'a są mniejsze niż w metodzie Brinell'a.

Metodę Rockwell'a stosujemy do materiałów twardych jak stal hartowana, która posiada utwardzona powierzchnię. Metoda Shore'a jest najszybszą metodą pomiaru twardości i nie wymaga wielkich maszyn do pomiaru twardości, jednak jest mało dokładna.

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
5 Sprawozdanie Cwiczenie 5 ?danie twardosci metali
Badanie twardości metali, Laboratorium Wytrzymałości materiałów
Próba twardości metali
Ćw 4 ?danie twardości i udarności wybranych materiałów elektroizolacyjnych
twardosc metali
Pomiary twardosci metali
Pomiary twardoĹ›ci metali
budownictwo, proby twardosci, badanie twardości metali
Badanie własności mechanicznych metali - próby twardości, badanie twardo?ci metali
spr twardosc metali
Badanie twardosci metali id 780 Nieznany (2)
BADANIE TWARDOCI METALI OSTATECZNA
Wytrzymałość materiałów, Badanie twardości metali1, Laboratorium Wytrzymałości materiałów
wytrzymka laborki, 10 Próby twardości metali, Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Chełmie
Badanie twardości metali, Politechnika, wytrzymałość materiałów

więcej podobnych podstron