1. Wstęp teoretyczny

Twardość jest jedną z cech materiału równie ważną z konstrukcyjnego i technologicznego punktu, jak wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie przewężenie, udarność itp. Ze względu na związek pewnych cech materiału ze sobą próbę twardości, jako stosunkowo łatwą do przeprowadzenia nie tylko w warunkach laboratoryjnych, można również wykorzystać do przybliżonego określenia wytrzymałości na rozciąganie. W przypadku stali węglowych możemy posłużyć się zależnością:

Rm ≈ 0,34 HB,

gdzie HB oznacza twardość w skali Brinella. Określanie wytrzymałości na rozciąganie dla stali poprzez zmierzenie jej twardości stosowane jest zwłaszcza wówczas, gdy wykonanie próbek i dokonanie dokładnych badań jest niemożliwe, ponieważ wiązałoby się ze zniszczeniem urządzenia lub wyłączeniem go na pewien czas z eksploatacji.

W Polsce znormalizowanych jest kilkanaście metod pomiaru twardości, wśród których najbardziej powszechnymi są:

• pomiar twardości metodą Brinella;

• pomiar twardości metali metodą Rockwella;

• pomiar twardości metali metodą Vickersa;

2. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie metod badania twardości, i nabycie umiejętności w określaniu twardości metali metodami Brinella, Rockwella i Vickersa oraz zapoznanie się z budową twardościomierzy używanych do pomiaru twardości tymi metodami.

III. Część praktyczna

1. Próba twardości metali metodą Brinella

Twardość wg Brinella jest to stosunek siły P, działającej prostopadle do badanej powierzchni i obciążającej stalową kulkę do pola powierzchni odcisku F, jaki ta kulka zostawiła w badanym materiale. Pole powierzchni oblicza się mierząc średnicę trwałego odcisku przy założeniu, że ma on kształt czaszy kulistej.

Wartość twardości oblicza się ze wzoru:

gdzie:

P - siła obciążająca kulkę kG

- pole powierzchni czaszy kulistej

D - średnica kulki [mm]

d - średnica odcisku

Badanie to zostało przeprowadzone na twardościomierzu Brinella:

W celu wykonania pomiaru należy: położyć próbkę na stoliku 10, umocowanym na śrubie 12, przez pokręcenie pokrętłem 13 podnieś stolik tak, by docisnąć lekko badaną próbkę do kulki 1, zamknąć zaworek spustowy 9, ruszając w górę i w dół dźwignią 11, pompować olej ze zbiornika 8 do przestrzeni roboczej 14, aż do uzyskania wymaganej wartości siły; przy ruchu dźwigni 11 do góry, również do góry unosi się tłok 16 i olej przez zawór jednokierunkowy 6 zostaje zassany ze zbiornika oleju 8 do przestrzeni pod tłokiem 16; przy ruchu tłoka 16 do dołu zamyka się zawór 6, otwiera się zawór jednokierunkowy 7 i olej wtłaczany jest do przestrzeni 14, z którą połączona jest końcówka manometru 15, wskutek pompowania oleju wzrasta jego ciśnienie w przestrzeni 14, a tym samym siła wciskająca kulkę 1 w badaną powierzchnię; wartość siły równej iloczynowi ciśnienia oleju w komorze 14 i pola powierzchni tłoka dużego 2 można odczytać na manometrze 15 wyce chowanym w skali sił; wartość maksymalnej siły odpowiadającej zawieszonym obciążnikom, dolna krawędź tłoczka 3 otwiera rurkę przelewową 5, co powoduje wypływ oleju z komory 14 do zbiornika 8 - wywarcie więc większej siły nie jest możliwe.

2. Próba twardości metali metodą Rockwella

Próba twardości metodą Rockwella polega na dwustopniowym wciskaniu w badany materiał stożka diamentowego lub kulki stalowej o określonych wymiarach, a następnie na zmierzeniu trwałego przyrostu głębokości odcisku h_tr [mm], który podzielony przez 0,002 jest podstawową działką czujnika używanego do mierzenia zagłębienia wgłębnika.

Twardość w skali Rockwella:

HRC (HRB) = K - h

gdzie:

K - stała wartość skali;

- wskazania czujnika;

h_tr - trwały przyrost głębokości odcisku w mm;

HRC - twardość w skali Rockwella mierzona stożkiem diamentowym;

HRB - twardość w skali Rockwella mierzona kulką stalową;

Zasada pomiaru stożkiem diamentowym (skala C)

Na rysunku przedstawione są kolejne fazy wciskania stożka diamentowego. Pod działaniem obciążenia wstępnego P₀ = 10 kG stożek wgłębia się w badaną próbkę na głębokość h₀ i na tym poziomie przyjmujemy „linię odniesienia”. Po przyłożeniu obciążenia głównego P₁ = 140 kG stożek diamentowy wciskany siłą P = P₁ + P₀ zagłębia się - licząc od linii odniesienia na głębokość h₁. Po usunięciu obciążenia głównego P₁ - na skutek własności sprężystych badanego materiału - zmniejsza się zagłębienie stożka diamentowego, które wynosi teraz h (0<h<h₁; jeśli h = 0, to materiał jest idealnie plastyczny) przy pomiarze twardości stożkiem diamentowym o kącie wierzchołkowym  = 120⁰ przyjęto K = 100, w związku z czym twardość w skali C wynosi: HRC = 100 - h

3. Próba twardości metodą Vickersa

Twardość Vickersa wyraża się stosunkiem siły P obciążającej wgłębnik do pola powierzchni bocznej F pobocznicy odcisku wgłębnika. Wgłębnikiem jest prawidłowy ostrosłup diamentowy o podstawie kwadratowej i kącie  = 136⁰ między przeciwległymi ścianami.

Wartość twardości Vickersa wyliczamy ze wzoru:

P - siła obciążająca wgłębnik

- pole powierzchni bocznej odcisku

d [mm] - średnia arytmetyczna obu przekątnych odcisku

 - kąt między przeciwległymi ścianami wgłębnika

Po podstawieniu do wzoru wyrażenia na F otrzymujemy wzór na twardość Vickersa w postaci:

IV. Wyniki pomiarów i obliczenia.

a) Brinella

F = 2942 kG

Czas pomiaru około 10 - 15 s.

Pomiar głębokości wcisku przeprowadzony za pomocą lupką z podziałką.

-pierwszy pomiar:

d₁ = 5,25 mm

d₂ = 5,25 mm

d = 5,25 mm- średnica wcisku

D = 10 mm - średnica kulki

S = (3,14/2)*10(10- 10²-5,25²) = 23,37 mm²

HB = F / S = 2942 kG / 23,37 mm² = 125 HB

-twardość próbki wynosi:125 HB

-drugi pomiar:

d₁ = 5,1 mm

d₂ = 5,2 mm

d_śr = 5,15 mm- średnica wcisku

D = 10 mm - średnica kulki

S = (3,14/2)*10(10- 10²-5,15²) = 22,42 mm²

HB = F / S = 2942 kG / 22,42 mm² = 131 HB

-twardość próbki wynosi:131 HB

b) Rockwella

HRC = 100 - h

Bezpośrednio odczytane wartości twardości:

• pierwszy pomiar: 51 HRC

• drugi pomiar: 49,5 HRC

• trzeci pomiar: 51 HRC

• czwarty pomiar: 51 HRC

- średnia: 50,6 HRC

c) Vickersa

-pierwszy pomiar:

F = 29,4 kG czas = 15 s.

pomiar: d₁ = 0,256 mm

d₂ = 0,252 mm

d_śr = 0,254mm

HV = 1,8544 F/d² = 1,8544* 29,4 kG / (0,254)² mm² = 845 HV

-twardość próbki wynosi: 926 HV

-drugi pomiar:

F = 29,4 kG czas = 15 s.

pomiar: d₁ = 0,254 mm

d₂ = 0,252 mm

d_śr = 0,253 mm

HV = 1,8544 F/d² = 1,8544* 29,4 kG / (0,253)² mm² = 851 HV

-twardość próbki wynosi: 851 HV

VI. Wnioski.

Ćwiczenie to pozwoliło mi na praktyczne zapoznanie się z metodami pomiaru twardości trzema różnymi sposobami. Jak mogłem się praktyczne przekonać wszystkie trzy metody nie są skomplikowane, bezpośredni pomiar także nie przysparza dużych trudności mierzącemu. Należy sobie zdawać sprawę - przy konstruowaniu części maszyn i urządzeń - z charakteru ich pracy, współpracy z innymi elementami danej maszyny czy urządzenia po to, by należycie dobrać materiał i uzyskać (np. za pomocą obróbki cieplnej) optymalną dla danych warunków pracy twardość elementów.

Zaletą metody Brinella ( ze względu na duże odciski ) jest możliwość stosowania jej do pomiaru twardości materiałów niejednorodnych ( żeliwo , stopy łożyskowe ). Zaletą jest także jedna skala twardości wyrażona w kG/mm² , wadą natomiast to , że nie można jej stosować do przedmiotów o utwardzonych powierzchniach z uwagi na możliwość odkształcenia kulki , a także na pozostałość dużych wcisków np. w powierzchniach gotowych przedmiotów.

Zaletą metody Rockwella jest możliwość pomiaru materiałów miękkich i twardych , duża szybkość pomiarów , stosowana do pomiarów w produkcji masowej. Wadą jest stosowanie dwóch skal.

Zaletą stosowania metody Vickersa jest stosowanie tylko jednej skali przy pomiarach materiałów o różnych twardościach , wadą jest to , że nie można jej stosować ze względu na b. małe odciski , przy pomiarze twardości materiałów niejednorodnych.

---