POLITECHNIKA LUBELSKA LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

Wydział Mechaniczny Ćwiczenie nr 7

Robert Myszak SEMESTR II Grupa: Rok akademicki:

Robert Muchajer MD 102.2B 1999/2000

Temat ćwiczenia : Data:

Badanie twardości materiałów. 4.04.2000

1.Cel i zakres ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami pomiarów twardości materiałów ( metodami : Brinella , Rockwella , Vickersa ) , oraz przeprowadzenia badań w tym zakresie .

2.Informacje dotyczące tematyki ćwiczenia.

Próba twardości Brinella- sposób pomiaru twardości polegający na wciskaniu siłą F twardej kulki o średnicy D (mm) w badany materiał. Pod wpływem siły F kulka pozostawia trwały odcisk o średnicy d (mm) , kształtu czaszy kulistej , co przedstawia rysunek 1.

Miarą twardości Brinella jest stosunek siły obciążającej (kG) do powierzchni czaszy kulistej odcisku (mm²) .Otrzymana z obliczeń wartość jest wyrażona w jednostkach HB. Wyniki pomiarów dla twardości >100 HB podaje się z dokładnością do 1 HB , dla twardości 10-100 HB - z dokładnością do 0,5 HB , dla twardości < 10 HB - z dokładnością do 0,1 HB.Ze względu na możliwość trwałego odkształcenia kulki pomiarowej , do pomiaru twardości < 450 HB stosuje się kulki stalowe obrabiane cieplnie , do pomiarów twardszych materiałów-kulki wykonane z twardych spieków.

Średnice kulek pomiarowych D wynoszą 10;5;2,5 i 1 mm, przy czym dopuszczalna odchyłka od wymiaru nominalnego nie powinna przekraczać 0,5%.Kulki muszą mieć powierzchnię gładką , nie wykazującą wad zewnętrznych przy obserwacji lupą o pięciokrotnym powiększeniu. Kulka ,która uległa trwałym odkształceniom , nie powinna być używana do wykonywania prób.Do pomiaru średnicy odcisku należy stosować mikroskop lub lupę odczytową.

Pomiaru średnicy dokonuje się w dwóch prostopadłych do siebie kierunkach.Średnica D kulki użytej do próby powinna być tak dobrana,aby średnica d otrzymanego odcisku zawierała się w granicach 0,25 D < d < 0,6 D. Ponadto wyniki pomiaru twardości kulkami o różnych średnicach powinny być porównywalne . Warunek ten zostanie spełniony , jeśli stosunek siły nacisku do kwadratu średnicy kulki będzie stały. Należy bowiem pamiętać , że twardość HB danego materiału badana kulkami o różnych średnicach zależy od kąta wgniatania ϕ .

Kulkę należy obciążać bez wstrząsów , równomiernie , wzrost obciążenia powinien trwać około 10 sekund .

Przedmiot badany powinien mieć w miejscu badanym grubość co najmniej 8-10 razy większą od głębokości odcisku.

Schemat twardościomierza Brinella .

Opis: 1-manometr ; 2 -zawór ; 3 -cylinder roboczy ; 4 -tłok ; 5 -kulka ; 6 -materiał ; 7 -podkładka kulista ; 8 -śruba ; 9 -kółko ręczne ; 10 -pompka ręczna ; 11 -filtr ; 12 -rurka ; 13 -jarzmo ; 14 -trzpień ; 15 -sprężyna ; 16 -zawór kulkowy ; 17 -zawór bezpieczeństwa ; 18 -rurka ; 19 -obciążniki ; 20 -zbiornik oleju.

Próba twardości Rockwella -sposób pomiaru twardości , polegający na pomiarze trwałego przyrostu głębokości odcisku w badanej próbce , który powstał wskutek wciskania wgłębnika co przedstawia rysunek 2. Wciskanie wgłębnika odbywa się dwustopniowo : przy obciążeniu wstępnym i przy obciążeniu głównym .Miarą twardości Rockwella jest różnica stałej głębokości K i trwałego przyrostu głębokości odcisku h. HRC = K-h.

Schemat twardościomierza Rockwella.

Opis: 1 -dźwignia ; 2 -obciążniki ; 3 -wgłębnik ; 4 -materiał ; 5 -stolik przedmiotowy ; 6 -śruba ; 7 -mechanizm zębaty ; 8 -kółko ; 9 -czujnik zegarowy ; 10 -zwalniacz ; 11 -przegub .

Próba twardości Vickersa -sposób pomiaru polega na wciskaniu w badaną próbkę wgłębnika , którym jest ostosłup diamentowy o podstawie kwadratowej i kącie dwuściennym przy wierzchołku α=136° co przedstawia rysunek 3.Wciskany wgłębnik pozostawia kwadratowy odcisk na badanej powierzchni.

Miarą twardości Vickersa jest stosunek obciążenia F do powierzchni bocznej odcisku . Wybór wielkości obciążenia zależy od grubości próbki lub warstwy utwardzonej. Norma dopuszcza stosowanie obciążeń : 9,8 ; 24,5 ; 29,4 ; 49 ; 98 ; 196 ; 294 ; 491 ; 981 (N) .W próbach twardości cienkich wyrobów lub warstw powierzchniowych należy stosować zasadę , że obciążenie powinno być tym mniejsze , im cieńszy jest wyrób ( lub warstwa ) i im niższa twardość badanej próbki.

Schemat twardościomierza Vickersa.

Opis: 1 -dźwignia ociążnikowa ; 2 -obciążniki ; 3 -tłumik olejowy ; 4 -zapadka ; 5 -stolik przedmiotowy ; 6 -pokrętło; 7 -dźwignia ; 8 -ekran ; 9 -obiektyw ; 10 -wgłębnik ; przyciski wybieraka obciążeń.

3.Aparatura .

1. Twardościomierz hydrauliczny Brinella .

2. Mikroskop do pomiaru odcisków Brinella.

3. Twardościomierz Rockwella.

4. Twardościomierz Vickersa.

4.Wykonanie i przebieg ćwiczeń.

Pierwsze badanie przeprowadziliśmy aparatem Brinella :

1.Przygotowujemy próbki , które mają być badane.

2.Należy dobrać tak sił nacisku ( za pomocą odważników zawieszanych na ramieniu umieszczonym z tyłu twardościomierza , należy odczytać wartości sił dla odpowiednich odważników w tabeli i zawiesić nas interesujące ) , aby średnica d wgłębienia zawierała się w przedziale od 0,24 do 0,6 średnicy kulki D.

3.Dobieramy właściwą średnicę kulki w zależności od twardości i rodzaju materiału według norm.

4.Umieszczamy naszą próbkę na statywie i dociskamy ręcznie za pomocą pokrętła próbkę do uchwytu z kulką.

5.Sprawdzamy , czy zawór olejowy jest zamknięty i rozpoczynamy pompowanie za pomocą dźwigni pompki , aż do czasu , gdy umieszczone z tyłu odważniki się podniosą.

6.Należy odczekać pewien czas ( od 10 do 60 sekund w zależności od materiału , im twardość mniejsza , to czas dłuższy ) i odkręcić zawór , aby zmalał nacisk , następnie wyjmujemy nasz badany materiał.

7.Za pomocą mikroskopu do pomiarów odcisków odczytujemy wartość średnicy d i jeśli jest do przyjęcia podstawiamy jej wartość do wzoru i wyliczamy twardość Brinella.

Drugi pomiar odbył się aparatem Rockwella :

1.Przygotowujemy próbkę , która ma być badana.

2.Umieszczamy naszą próbkę w aparacie.

3.Ręcznie za pomocą pokrętła dokonujemy wstępnego nacisku.

4.Zwalniamy dźwignię , przez co następuje nacisk główny.

5.Zmniejszamy siłę nacisku głównego do siły nacisku wstępnego i w tym położeniu odczytujemy z zegara wartość twardości Rockwella.

6.Następnie wyjmujemy próbkę.

Trzeci pomiar odbył się aparatem Vickersa :

1.Przygotowujemy próbkę , która ma być badana.

2.Umieszczamy naszą próbkę waparacie.

3.Wybieramy siłę nacisku ( zależną od grubości próbki lub warstwy utwardzonej i pamiętając o obowiązujących normach ).

4.Sprawdzamy miejsce na próbce , w którym ma dokonać się pomiar przez układ optyczny twardościomierza i zwalniamy dźwignię , przez co następuje nacisk wgłębnika.

5.Po chwili , gdy dźwignia się ustatkuje odchylamy wgłębnik i za pomocą układu optycznego odczytujemy wartości przekątnych powstałych w próbce w wyniku nacisku wgłębnika.

6.Wyjmujemy naszą próbkę , a odczytane wartości przekątnych podstawiamy do wzoru i wyliczamy twardość Vickersa.

5.Wyniki badań.

Dla pomiarów metodą Brinella ( średnica kulki 5 mm ).

Badany materiał	Siła obciążenia [ N ]	Ozn.obciążników	Średnica odcisku d [ mm ]	Wynik twardości
45	7355	A+B+D	2,3	170HB
St 3	7355	A+B+D	2,5	137HB
9 N	7355	A+B+D	2,15	197HB
3 S	7355	A+B+D	2,4	156HB

(średnica kulki 10 mm )

45

29420

A+B+C+D+E+F

4,8

156HB

Dla pomiarów metodą Rockwella ( materiał 40H ):

POMIAR	czoło	5 mm	7 mm	9 mm	11 mm	13 mm	15 mm	17 mm
TWARD.	59 HRC	46 HRC	49 HRC	47 HRC	43 HRC	39 HRC	36 HRC	35 HRC

Dla pomiarów metodą Vickersa :

Badany materiał	Siła obciążenia [ N ]	Przekątna d1	Przekątna d2	Wynik twardości
SW 18	98,07	0,141	0,142	933 HV
40 HN	294	0,572	0,574	171 HV

6.Wnioski.

W powyższym ćwiczeniu zapoznaliśmy się z budową i zasadą działania twardościomierzy : Brinella , Rockwella i Vickersa . Przeprowadziliśmy badania twardości materiałów przy pomocy tych urządzeń . Można zauważyć , że pomiar twardości metodą Brinella wykonuje się dla materiałów o niezbyt dużej twardości , zaś w metodach Rockwella i Vickersa pomiarów dokonuje się dla próbek o dużej twardości . Zawsze przy pomiarach pamiętać należy o normach dotyczących danej metody . Jak wszystkim wiadomo często pomiar twardości materiałów jest bardzo potrzebny , a czasem nawet niezastąpiony przy konstruowaniu elementów z nich wykonywanych , dlatego sądzę , że każdy po przeprowadzeniu takich badań zapamięta i będzie umiał wykorzystać wiadomości z tego zakresu .

7.Literatura .

1. „Ćwiczenia laboratoryjne z inżynierii materiałowej” pod redakcją Andrzeja Werońskiego -wydawnictwo uczelniane Politechnika Lubelska 1996.

2. „Encyklopedia techniki ( metalurgia ) „ pod redakcją Janusza Czermińskiego - wydawnictwo Śląsk 1978.

3. Instrukcje obsługi twardościomierzy .

4. Polskie normy .

---