Temat

Badanie twardości metali przy wykorzystaniu metod: Brinella, Vickersa i Rockwella.

Próba twardości jest jednym ze sposobów badań mechanicznych materiałów stałych. Próby twardości można wykonać bezpośrednio na powierzchniach gotowych elementów lub na specjalnie przygotowanych próbkach. Badania twardości pozwalają ocenić przede wszystkim własności warstw powierzchniowych badanego materiału, dlatego też bardzo ważną rzeczą jest przy próbie twardości zwracanie uwagi na stan powierzchni. Powierzchnia materiału przygotowana do próby twardości nie może posiadać: zgorzelin, warstw odwęglonych i tym podobnych wad.

Pomiar twardości w zależności od sposobu działania wgłębnika możemy przeprowadzić metodą:

• Zarysowania ( Martensa)

• Wgniatania ( Brinella, Rockwella, Vickersa )

• Odskoków (Shore'a)

• Wahadłowa (Herberta)

W każdej z tych metod można stosować wgłębniki różnego kształtu, przy różnych warunkach i sposobach ich działania na powierzchnię badanego materiału.

W zależności od sposobu działania obciążenia na wgłębnik metody pomiarowe twardości dzielimy na statyczne i na dynamiczne.

1. Próba twardości metali sposobem Brinella

Rys. a. Obciążenie Rys. b. Odcisk 1. Penetrator (wgłębnik), 2. Siła obciążająca, 3. Próbka, 4. Odcisk

Próba twardości Brinella polega na wgniataniu przez określony czas twardej kalibrowanej kulki ze stali lub z węglików spiekanych o średnicy D [mm] w płaską, odpowiednio gładką powierzchnię przedmiotu.

Kształt stolika, na którym spoczywa próbka powinien zapewniać prostopadłość powierzchni pomiarowej do kierunku działania siły oraz gwarantować, że próbka nie ulegnie odkształceniom sprężystym czy też przesunięciu pod wpływem obciążenia.

Średnica powstałego odcisku służy do obliczenia twardości. Twardością Brinella HB nazywamy iloraz nacisku F przez powierzchnię kulistego wgłębnika S w mm².

Powierzchnię kulistego wgłębienia możemy przedstawić wzorem:

Gdzie: D-średnica wgniatanej kulki [mm], d-średnica otrzymanego odcisku [mm], h- głębokość czaszy (odcisku) [mm].

Jeżeli siła F wyrażona jest w N, wówczas twardość Brinella wyznaczamy ze wzoru:

W praktyce do określenia twardości zamiast wzorów wykorzystuje się tablice.

Dokonując szeregu prób twardości danego metalu za pomocą kulki o stałej średnicy, np.10mm, przy różnych wartościach obciążenia otrzymamy różne wyniki twardości. Przyczyn należy doszukiwać się naruszeniu geometrycznego podobieństwa.

Aby otrzymać jednakowe wyniki twardości mierzone za pomocą kulek o innych średnicach niż 10mm, stosunek siły do kwadratu średnicy kulki musi być taki sam. Zależność ta wynika z prawa podobieństwa odcisków. Dla tego samego materiału otrzymamy tę samą twardość dla dowolnej średnicy kulki D, jeżeli głębokość wcisku określona kątem wgniatania będzie ta sama.

Średnicę d odcisku należy mierzyć z dokładnością do:

0,01 mm przy średnicy d≤ 2,5 mm

0,05 mm przy średnicy d> 2,5 mm za pomocą przyrządu optycznego z odpowiednim urządzeniem pomiarowym. Najczęściej stosowane są lupy, w których urządzeniem mierniczym jest podziałka wykonana na szklanej płytce znajdującej się za okularem.

Przedmiot powinien być ustawiony w ten sposób, aby odcisk znajdował się w środku pola widzenia okulara, a oś podziałki pokrywała się ze średnicą wcisku.

Zalety metody Brinella:

• możność uzależnienia twardości Brinella dla materiałów ciągliwych od wytrzymałości na rozciąganie Rm. ( zależności te kształtują się następująco: stal o twardości 125 < HB < 175 - Rm 0,343 HB; stal o twardości HB > 175 - Rm 0,362 HB; staliwo Rm ( 0,3 0,4 ) HB; żeliwo szare Rm ( HB - 40 ) / 6; aluminium Rm 0,26 HB.

• możność stosowania tej metody do pomiaru twardości o strukturze niejednorodnej.

Wady metody Brinella:

• niemożność stosowania go do pomiaru twardości wyrobów twardych, drobnych oraz 

cienkich warstw utwardzonych i powierzchni niepłaskich

• kłopotliwy pomiar twardości ( mikroskop do pomiaru średnicy odcisku )

• zależność wyniku pomiaru twardości od zastosowanego obciążenia na kulkę

• znaczne uszkodzenie powierzchni.

2. Próba twardości metali sposobem Rockwella

a) I faza pomiaru - zbliżenie próbki do wgłębnika, b) II faza pomiaru - ustawienie obciążenia wstępnego, c) III faza pomiaru - obciążenie całkowite, d) VI faza pomiaru - usunięcie obciążenia pomiarowego (nadal pozostaje obciążenie wstępne) i odczyt wyniku ze skali, e) usunięcie obciążenia wstępnego i odsunięcie próbki od wgłębnika

Twardość Rockwella określa się z głębokości odcisku w badanym metalu, powstałego wskutek dwustopniowego wciskania stożka diamentowego lub stalowej kulki. Dwustopniowe wciskanie ma na celu zmniejszenie błędów pomiarów. Wartość liczbową twardości Rockwella odczytuje się bezpośrednio na podziałce aparatu pomiarowego (czujnika), działającego za pośrednictwem przekładni dźwigowej.

Liczbę twardości Rockwella określa umowny wzór :

gdzie:
jest głębokością odcisku wyrażoną w umownych jednostkach pomiarowych 0,002 mm, zaś k - wartością stałą przyjmowaną przy pomiarze stożkiem jako k₁ = 100, a przy pomiarach kulkami stalowymi jako k₂ = 130

Sposoby pomiaru twardości Rockwella.

• Za pomocą diamentowego stożka o kącie wierzchołkowym równym 120^o i promieniu zaokrąglenia wierzchołka 0,2 mm. Wprowadzamy skalę C i A, dla której K=100 (0,20 mm), a symbole twardości HRC i HRA

• Za Pomocą kulki stalowej o średnicy 1/16” (1,588 mm) wprowadzamy skalę b i F dla której K=130, symbole twardości HRB, HRF.

Zalety metody Rockwella:

1. możność stosowania go do badania wyrobów twardych i niektórych warstw 

utwardzonych,

2. szybkość i łatwość pomiaru,

3. bardzo prosta obsługa twardościomierza,

4. odczytywanie twardości bezpośrednio na twardościomierzu bez konieczności stosowania tablic,

5. małe odciski pozostawione przez ten pomiar,

6. możność stosowania go do zautomatyzowania pomiarów.

Wady metody Rockwella:

1. bardzo duży wpływ niepoprawnego ustawienia przedmiotu na wynik pomiarów,

2. bardzo duży wpływ zanieczyszczeń śruby podnośnej i podstawek, stolika przedmiotowego i kształtu na samego wyrobu na wynik pomiaru,

3. niemożliwość pomiaru twardości bardzo cienkich przedmiotów i cienkich warstw 

nawęglonych, azotowanych itp.,

1. niemożność dotrzymania dużej dokładności pomiaru wskutek niekorzystnych warunków metrologicznych ( wiele mechanicznych przełożeń ),

2. znaczna ilość skal twardości i kłopotliwe ich porównanie ze sobą, jak również z wynikami innych sposobów,

3. nierównomierność poszczególnych skal, np. przy porównywaniu twardości stali węglowej

1. Próba twardości metali sposobem Vickersa

a) obciążenie próbki, b) odcisk 1 - penetrator (wgłębnik), 2 - siła obciążająca, 3 - próbka, 4 - odcisk

Próba twardości metali sposobem Vickersa polega na wciskaniu w materiał badany regularnego czworokątnego ostrosłupa diamentowego o kacie dwuściennym α= 136° ± 0,5%. Wartość kąta α została tak dobrana, aby twardości określone tą metodą były zbliżone do HB. Przyjmując, iż w przypadku twardości Brinella średnice odcisków mieszczą się w większości przypadków w granicach od 0,25 do 0,5 D, wyznaczono średnią wartość odcisku równą 0,375 D. Wartość kąta wgniatania ϕ dla d=0,375 D wynosi 44°.

Twardość Vickersa HV wyrażamy ilorazem obciążenia ostrosłupa F przez powierzchnię boczną S wgniecionego ostrosłupa odcisku.

Powierzchnię boczną wgniecionego ostrosłupa czworokątnego obliczamy ze wzoru:

Gdzie d jest średnią arytmetyczną obu przekątnych odcisku.

Diamentowy wgłębnik pozwala na badanie materiałów wszelkich twardości. Kształt ostrosłupowy wgłębnika powoduje, że wszystkie odciski są do siebie geometrycznie podobne i że liczba twardości obliczona jak w metodzie Brinella nie zależy od wartości zastosowanego nacisku. Dobór siły nacisku uzależniony jest od rozmiarów (grubości) próbki. Czas działania siły wynosi 15 sek.

Zalety metody Vickersa:

1. duża porównywalność tej metody z metodą Brinella ( aż do 300 jednostek twardości HB są ze sobą zgodne; powyżej stosuje się zależność HB = 0,95 HV )

2. możność uzależnienia twardości HV od wytrzymałości na rozciąganie Rm

3. możność stosowania tej metody zarówno do materiałów miękkich, jak i bardzo twardych

4. małe głębokości odcisków

5. zmiana ustawienia nie wpływa na wynik pomiaru

6. duża dokładność odczytu przekątnych

7. wynik pomiaru twardości przy zastosowaniu większych obciążeń nie zależy od 

zastosowanego obciążenia.

Wady metody Vickersa:

1. skomplikowana konstrukcja twardościomierza wymagającego bardzo fachowej obsługi

2. mała wydajność pomiaru

3. niemożność pomiaru niektórych materiałów niejednorodnych, np. żeliwa ze względu na 

jego porowatość, w związku z tym może nastąpić uszkodzenie ostrza wgłębnika

4. dość znaczny wpływ chropowatości na wynik pomiaru

5. większy koszt twardościomierza

2

Badanie twardości metalu z wykorzystaniem metody Brinella, Rockwella i Vickersa

Szukasz gotowej pracy ?

To pewna droga do poważnych kłopotów.

Plagiat jest przestępstwem !

Nie ryzykuj ! Nie warto !

Powierz swoje sprawy profesjonalistom.

Szukasz gotowej pracy ?

To pewna droga do poważnych kłopotów.

Plagiat jest przestępstwem !

Nie ryzykuj ! Nie warto !

Powierz swoje sprawy profesjonalistom.

---